數(shù)字復(fù)雜彎曲管件成形研究

孫浩軒，曾水生，劉 明

（常州固高智能裝備技術(shù)研究院有限公司，江蘇 常州 213000）

1.自由彎曲技術(shù)介紹

在航空航天、石化、核電、汽車等軍用或民用的諸多工業(yè)領(lǐng)域中，因其發(fā)展的需要對空間金屬彎曲件的成形質(zhì)量和精度要求越來越高，同一個彎曲件上的彎曲半徑也有多樣化的趨勢，由于傳統(tǒng)的彎管機基本是以反復(fù)多次開模[1-4]應(yīng)對多半徑加工要求，這對傳統(tǒng)彎管機的挑戰(zhàn)越來越艱巨。自由彎曲技術(shù)是近些年興起的一項新彎管技術(shù)，在彎曲型材和管件上面都是將多軸聯(lián)動與彎曲模具技術(shù)相結(jié)合，打造管件彎曲半徑可實時變化、不需要反復(fù)開模的新工藝。

自由彎曲成形分為隨動彎曲模成形和主動彎曲模成形兩種。被動狀態(tài)下彎曲模的結(jié)構(gòu)，通常由三個軸控制。在成形過程中，彎曲模隨球面軸承運動，并處于連續(xù)跟蹤狀態(tài)。第二種彎曲模具的主動結(jié)構(gòu)。通過主動調(diào)節(jié)，可以控制彎曲模的運動。通常采用5軸或6軸聯(lián)動控制，控制難度大，但零件的成形質(zhì)量和成形極限均高于被動控制下的彎曲模。

2.數(shù)學(xué)模型建立

如圖1所示，該系統(tǒng)包括主動式彎曲模、導(dǎo)向機構(gòu)、管件、送料機構(gòu)。導(dǎo)向機構(gòu)中心軸線于彎曲模中心軸線在Z軸方向的偏心距為U，彎曲模距離導(dǎo)向機構(gòu)為A，管件Y向送料速度為v。該成形原理由X、Y、Z軸提供六自由度的位姿，該主動式彎曲模從初始平衡位置即軸線與管件軸線重合之處在Z軸正方向位移和繞X軸正方向偏轉(zhuǎn)再返回起始平衡位置，同時送料機構(gòu)以速度v沿Y向正向進(jìn)給管件，完成管件彎曲。

圖1 主動式彎曲模具示意圖

θt為主動式彎曲模的偏轉(zhuǎn)角，彎曲半徑為R1，彎曲角度為θ1，這一過程中分為直線段1、過渡段1、圓弧段、過渡段2、直線段2，則各階段如下：

本文通過MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，其中彎曲角度為60°，彎曲半徑為100mm，管件直徑32mm，壁厚2mm，送料機構(gòu)速度為30mm/s，A值為40mm，得到下式，其數(shù)學(xué)模型如圖2所示：

圖2 各階段U與θt曲線圖及成形曲線圖

3.有限元結(jié)果建立

本實驗選用6061鋁合金材質(zhì)的管件，其材料性能如表1所示，相應(yīng)的選擇彎曲模于導(dǎo)向機構(gòu)的材料參數(shù)，采用GH625高溫合金，材料性能如表2所示:

表 1 6061 鋁合金性能表

表 2 GH625 材料性能表

一是導(dǎo)入模型。在CAD軟件建模后保存為“中間格式文件”。由于管件結(jié)構(gòu)簡單，可以直接在ABAQUS中建模。彎曲模為變形實體，管件為變形殼體。由于導(dǎo)軌機構(gòu)和送料機構(gòu)不參與加工計算，在軟件界面中將它們設(shè)定為剛體。最終的組裝如圖3所示：

圖 3 模型裝配體

二是進(jìn)行網(wǎng)格化。完成材料屬性的編輯和派發(fā)以后，可以網(wǎng)格化處理各個模型部件，管件選擇為S4R；彎曲模選擇C3D10M；導(dǎo)向機構(gòu)選擇為C3D8R；送料機構(gòu)選擇C3D10M。網(wǎng)格化處理結(jié)果如圖4所示。

圖 4 網(wǎng)格圖

三是在“相互作用”界面中創(chuàng)建一系列作用屬性，由于在實際加工中充滿油潤滑，故填入全局切向摩擦力的罰值為0.02。由于彎曲模、導(dǎo)向機構(gòu)和送料機構(gòu)不參與運算，所以在約束界面創(chuàng)建剛體和耦合體。送料機構(gòu)耦合于質(zhì)心。

四是在運動算例添加3個step分析步，分別對應(yīng)時長1.37s、2.12s、1.35s，在場輸出勾選應(yīng)力、應(yīng)變及位移，在每一步分析步中選中質(zhì)量放大系數(shù)填入10000。

4.驗證結(jié)果

邊界條件如下：A值為40mm，彎曲模向上移動8.36mm，偏轉(zhuǎn)角為23.58°，送料送給速度30mm/s，仿真總時長4.84s，結(jié)果如圖6所示，由于截面形狀、間隙值、材料塑性應(yīng)變、材料回彈等原因，不能與理想MATLAB演算值相符合，契合度如圖5所示。可見U值小，導(dǎo)致管件彎曲較晚。

圖 5 仿真契合圖

修正后如下：A值為40mm，彎曲模向上移動12mm，偏轉(zhuǎn)角為23.58°，送料送給速度30mm/s，仿真總時長4.84s，結(jié)果如圖6所示。

圖6 修正理想值與仿真契合圖

5.結(jié)語

本研究基于三維矢量成形主動式彎曲模具建立了數(shù)學(xué)模型，并通過MATLAB得到模擬量，最后通過ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行驗證，證實了數(shù)據(jù)量的可參考性。但是三維矢量成形復(fù)雜，尚有諸多因素影響數(shù)學(xué)模型與有限元模擬差值，例如數(shù)學(xué)模型假定不存在回彈現(xiàn)象[5]和管件在彎曲時與彎曲模之間的間隙值[6]，ABAQUS中對材料的設(shè)定并未在MATLAB中體現(xiàn)，可能會因為回彈問題和管件距離彎曲模間隙值影響管件成形質(zhì)量，本研究暫未涉及，可作為后續(xù)研究繼續(xù)探索。所以，在實際加工中需要適當(dāng)調(diào)整U值和A值，用來補償回彈和間隙值帶來的誤差。