金屬管材彎曲成型的回彈問題芻議

摘 要：金屬管材具有高剛度、高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適用于航空航天和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等，在實(shí)際使用過程中，它能有效節(jié)省材料，大大降低生產(chǎn)成本，而且外觀更加的符合人們的審美，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于制造業(yè)中。然而，金屬管材成型過程中的回彈問題一直沒有得到解決，本文主要介紹了金屬管材彎曲成型回彈的影響及彎曲方法的分類，然后進(jìn)行了金屬管材彎曲成型回彈的研究，最終提出了金屬管材彎曲存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)的金屬管材的發(fā)展提供了重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：金屬管材;彎曲成型;回彈問題

1 金屬管材彎曲成型回彈的影響

在彎管過程中，由于金屬材料性質(zhì)的影響，彎管過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生金屬回彈，從而導(dǎo)致管道無法達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，甚至產(chǎn)生破裂的現(xiàn)象。同時(shí)，金屬回彈會(huì)導(dǎo)致彎曲角度相差較大，嚴(yán)重影響到機(jī)械制造過程中的封閉性和穩(wěn)定性。彎管后的回彈問題已經(jīng)嚴(yán)重影響彎管質(zhì)量，導(dǎo)致彎管機(jī)械的生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高，金屬管材彎曲成型回彈已經(jīng)成為當(dāng)前彎管工藝亟待解決的問題。

2 金屬管材彎曲的分類方法

金屬管材彎曲的分類有很多種方法。根據(jù)管材基本彎曲過程中是否有模具支撐，金屬管材可分為有模具彎曲和無模具彎曲兩種。有模具彎曲主要指的是彎曲剛性模具直接作用在管彎曲變形區(qū)域的坯料上，具有高重復(fù)性和高速度的特點(diǎn)。金屬管材模具彎曲主要是利用一些剛性比較強(qiáng)的材料對(duì)金屬管材進(jìn)行彎曲變形處理。無模具彎曲主要是指管材在變形后不會(huì)在模具中直接彎曲，管子的具體形狀由相應(yīng)的操作工具和彎曲方向決定，彎曲過程中可以根據(jù)管子的特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜岵僮鳌８鶕?jù)彎頭的溫度設(shè)置，金屬管材彎曲可分為熱彎頭和冷彎頭兩種。根據(jù)彎曲方式的不同，金屬管材彎曲可分為拉伸彎曲、壓力彎曲、推彎等。根據(jù)彎曲時(shí)芯材是否填充，金屬管材彎曲可分為芯材彎曲和非芯材彎曲。其中，管材冷加工的彎曲方法大多采用彎曲法，這也是金屬管材最常用的彎曲方法。

3 金屬管材彎曲成型回彈的研究

在大多數(shù)彎曲過程中，冷卻都是采用彎曲方法，彎曲法也是金屬管材彎曲成型最常用的方法之一。在彎管過程中，彎管外壁的彎曲部分容易變薄或開裂，內(nèi)彎曲部分的內(nèi)側(cè)會(huì)引起材料堆積，導(dǎo)致管壁增厚變形。外力條件消除后，容易發(fā)生回彈問題，這在管材彎曲過程中尚未完全解決，這也是國內(nèi)工程領(lǐng)域尚未有效解決的技術(shù)問題。目前，在我國工程技術(shù)人員的研究工作中，國內(nèi)外研究人員和工程技術(shù)人員主要集中在變形材料（鈦合金等）的研究上，主要研究了一些大直徑管材的彎曲度和材料變形，在每根管子的彎曲過程中，在拐點(diǎn)處形成相應(yīng)的力學(xué)性能，研究管子彎曲部分的力學(xué)性能，討論拐點(diǎn)和受力管引起的塑性變形和彈性變形的程度。在目前的研究過程中，相關(guān)研究人員采用了理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)金屬管材彎曲后的彎曲速率和回彈進(jìn)行綜合分析，并取得明顯的效果，為后續(xù)的研究發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)。

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，金屬管材的應(yīng)用逐漸進(jìn)行擴(kuò)展，但是由于管材設(shè)計(jì)性能和應(yīng)用領(lǐng)域的差異，金屬管材的彎曲形式越來越復(fù)雜。例如，在中國的航空航天和汽車制造領(lǐng)域，金屬彎管和機(jī)械零件的應(yīng)用越來越復(fù)雜，這就對(duì)在航空航天、汽車等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)性能和質(zhì)量提出了更高的要求，越來越多的管道空間被設(shè)計(jì)成復(fù)雜的形狀。當(dāng)然，在空間結(jié)構(gòu)中，并不是每根彎管都需要在一個(gè)平面上，而是采用一些機(jī)械設(shè)備用來精確控制空間彎管，保證彎管軸線的速度滿足應(yīng)用的要求，即曲軸管具有不同的扭矩零空間彎頭。例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的導(dǎo)管安排，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上有大量的導(dǎo)管，為了盡可能的節(jié)省空間，管道必須彎成各種特定的空間形狀，并且各管道之間不能相互干擾。另一個(gè)例子是在美國設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的太陽能斯特林發(fā)電機(jī)冷卻管道系統(tǒng)中的管道組件，均采用高強(qiáng)度的合金鋼，并且采用空間曲線設(shè)計(jì)，由于曲線率的彎曲形狀不規(guī)則，與傳統(tǒng)的常曲率曲線相比具有非均勻性的特點(diǎn)，可以提高曲線的幾何非線性程度。

目前，德國學(xué)者提出了一種新的“自由彎曲”方法，適用于空間任意曲線的形成，這種方法的核心是逐漸將管子推進(jìn)到一個(gè)固定的角度范圍內(nèi)，通過彎曲模型腔空間自由旋轉(zhuǎn)，可以形成幾乎任何形狀的彎曲，大大提高了金屬管材的應(yīng)用范圍。

多特蒙德大學(xué)成型技術(shù)與輕質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所采用方法對(duì)TSS和三輥彎曲過程中的扭矩疊加空間進(jìn)行了數(shù)值模擬。

在我國，西北工業(yè)大學(xué)針對(duì)一部分空間平面彎曲做了部分前期的研究，使用離散平面近似弧曲線、近似三維空間軸線彎曲，離散成幾個(gè)時(shí)期的弧形彎曲，分別進(jìn)行回彈補(bǔ)償，并確定回彈補(bǔ)償后彎曲形狀模具的加工表面，為考慮回彈的空間非平面彎頭的處理提供了一種新方法。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者針對(duì)空間缺陷形成的平面彎曲回彈的小直徑厚壁，進(jìn)一步提出了空間離散壓扁后的回彈，分別考慮回彈特征平面上，然后將它轉(zhuǎn)換成三維的回彈，最后提高了數(shù)值模擬的回彈預(yù)測(cè)方法。在節(jié)點(diǎn)的幾何補(bǔ)償方法中，采用迭代算法對(duì)空間彎曲面進(jìn)行回彈補(bǔ)償和修正，保證了空間變曲率彎曲的幾何精度。

4 金屬管材彎曲成型存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)

在金屬管材成形領(lǐng)域，隨著有限元數(shù)值分析技術(shù)和材料性能測(cè)試方法的改進(jìn)，對(duì)金屬管材成形回彈的預(yù)測(cè)、補(bǔ)償和控制打下了良好的基礎(chǔ)。但是，由于現(xiàn)存問題過于復(fù)雜，在理論上和材料上具有局限性，目前還無法解決現(xiàn)存的回彈性問題，特別是空間變曲率問題，這是包括金屬管材彎曲在內(nèi)的塑料加工的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

①在研究過程中，傳統(tǒng)的力學(xué)分析模型十分復(fù)雜，通常會(huì)進(jìn)行許多簡化和假設(shè)。因此，對(duì)于彎頭回彈過程的定性分析不可忽視理論分析和研究，但定量分析的預(yù)測(cè)精度普遍不高，只能為實(shí)際生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究及有限元數(shù)值模擬分析提供初步指導(dǎo);②需要驗(yàn)證理論分析和有限元數(shù)值模擬的有效性，并且進(jìn)一步研究各種參數(shù)對(duì)金屬管材彎曲回彈的影響，這種方法是需要在大量的實(shí)驗(yàn)中建立的，需要大量的人力，物質(zhì)和財(cái)力的支撐，相關(guān)研究方法的驗(yàn)證對(duì)于未來金屬管材彎曲研究具有重要的意義。同時(shí)，為了深入研究金屬管材的彎曲成形規(guī)律，需要準(zhǔn)確獲得材料的力學(xué)性能;③人們?cè)絹碓絻A向于利用數(shù)值模擬技術(shù)來研究金屬管材彎曲回彈問題，主要是利用有限元模擬技術(shù)來研究金屬管材彎曲回彈。目前，國內(nèi)外學(xué)者在這方面取得了豐碩的成果。然而，由于管材彎曲和回彈的非線性特性，如何建立本構(gòu)關(guān)系來真實(shí)反映材料在成形過程中的受力情況需要進(jìn)一步研究;④除了對(duì)傳統(tǒng)的鋁合金等材料的研究之外，需要對(duì)新的復(fù)合材料進(jìn)行研究，例如金屬復(fù)合管是由不同的材料制成的特殊管，可以在各個(gè)節(jié)段利用變形連接技術(shù)緊密結(jié)合，既充分利用了金屬的特性，又大大的提高了金屬管道的綜合性能，具有良好的性價(jià)比;⑤小曲率的半徑管能夠?qū)崿F(xiàn)剪切彎曲成形網(wǎng)絡(luò)：具有減小截面畸變、延緩薄壁管內(nèi)壁失穩(wěn)和起皺、提高成形極限的優(yōu)點(diǎn)，激光熱應(yīng)力彎曲非接觸管新技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，例如精度高、生產(chǎn)周期比較短以及精度高等，這種新技術(shù)也為金屬管彎曲回彈控制問題提出了新的解決方案。同時(shí)，對(duì)金屬管道空間曲率和回彈的研究還處于起步階段，需要進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論

為了解決彎管回彈問題，有必要在理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的基礎(chǔ)上提高金屬性能的研究水平，充分掌握彎管的回彈性能。金屬管材彎曲成型技術(shù)逐漸發(fā)展成為一個(gè)重要的加工技術(shù)，可以滿足一些基本的要求，例如減重、增韌、低消耗、高效率和精密制造。在金屬的彎曲設(shè)計(jì)中不可避免會(huì)出現(xiàn)一些誤差，但這是無法避免的。因此，在一定的范圍內(nèi)出現(xiàn)輕微誤差，當(dāng)誤差超過允許的范圍時(shí)，會(huì)造成零件的幾何精度無法滿足正常的使用功能，從而影響到整個(gè)施工過程的質(zhì)量，需要嚴(yán)格注意相關(guān)的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]張深，吳建軍，王強(qiáng)，梁正龍.金屬管材彎曲成形回彈問題研究[J].航空制造技術(shù)，2014（10）：45-50.

[2]王博.金屬管材彎曲成形的回彈問題探析[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019，27（09）：92.

作者簡介：

李良有（1978- ）男，漢族，浙江杭州人，本科，現(xiàn)工作于浙江和良智能裝備有限公司，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻饘俟懿某尚图庸すに囇b備。