管材弯曲成形研究的进展

管材弯曲成形研究的进展

以管道为毛，通过弹性加工设备制作管道零件的工艺，称为管道弹性加工。由于易于实现产品的轻量化、强韧化和满足低耗高效、精确制造等方面的要求,并能获得形状复杂的制品,因此管材塑性加工已成为先进塑性加工技术面向21世纪研究与发展的一个重要方向。管材弯曲成形是管材塑性加工的重要组成部分。用管材制造的弯曲零件,无论是平面弯曲件,还是空间弯曲件,除大量应用于气体、液体的输送管路外,在金属结构件中的应用也十分广泛。因此管材弯曲成形研究是其中备受关注并得到迅速发展的重要领域之一。在管材弯曲过程中,外侧壁的减薄、破裂,内侧壁的增厚、起皱和横截面畸变及其演化过程,以及卸载后的回弹及其控制,一直是包括管材弯曲成形在内的工程界未能有效解决的技术难题,也是当今国内外塑性加工学科研究的难点和热点。随着大口径薄壁管小弯曲半径件和难变形材料(钛合金)管的应用推广,上述问题日益严重。针对管材弯曲过程,国内外研究者和工程技术人员主要从理论分析、实验研究、有限元数值模拟等方面开展研究。本文从这几个方面总结了管材弯曲的国内外研究现状,并阐述了其研究进展和发展动态。1进行2个月内的工作研究管材弯曲成形的理论研究是板材弯曲成形领域研究较少的分支之一,一直沿用的是板材弯曲和梁弯曲的理论。近年来,对管材弯曲成形的理论研究逐步展开,其对实践的指导作用也逐步受到重视。对管材弯曲成形的理论分析主要集中在如下几方面:回弹分析,起皱预测和破裂分析,对横截面扁化、壁厚变化、中性层偏移和纵向伸长的分析,以及对管材弯曲过程的力学分析及弯矩分析。1.1回弹预测模型的建立胡忠基于平截面假设,对中频感应局部加热弯管过程进行了力学分析,结合Mises屈服准则获得了加载过程中的轴力和弯矩,然后基于反向原则获得卸载时的应变中性层偏移角、卸载比例常数和回弹角。该模型针对中频感应局部加热20、12CrMo910和12Cr1MoV3种厚壁管材的大直径弯曲过程建立,其本构关系假设为理想刚塑性的,再加之在分析过程中,作者将未参与弯曲变形的前夹头至管材弯曲部分的直管段和前导辊至塑性变形区的直管段也采用与弯曲段同样的求解方法,因此其适用性和精度受到一定限制。张旭光采用与文献类似的方法,建立了数控弯管的弯曲段回弹预测模型,由于直线段的变形较小,因此采用梁弯曲理论建立其回弹模型,这种针对直线段和弯曲段建立不同的回弹预测模型的方法较接近实际。刘志刚等鉴于常用的确定管材弯曲回弹计算公式方法的缺点,即首先假设为直线型,但往往经试弯补偿修正后便又失去其原定的线性关系。为此,他们依据恒力场理论和弹性极限回弹理论,提出了分段曲线型和折线型的回弹角计算公式,这对于解决锅炉行业中的“S”型厚壁管件弯曲卸载后的回弹问题起到了较好的效果。Al-QureshiHA基于平面应变条件,将圆管视为空心梁,采用梁弯曲理论对圆管材弯曲进行了弹塑性分析,提供了一个预测管材弯曲回弹半径和残余应力的方法。在分析过程中还假设材料为理想弹塑性,横截面上具有一与外载荷平面垂直的对称轴,忽略起皱和破裂以及包辛格效应。该方法完全忽略了不同弯曲方式的加载条件和边界条件,以及截面畸变和中性层偏移等,仅从管截面上的弹塑性应力分布出发进行分析,因此针对性不强,并且获得的是卸载前后的弯曲曲率半径间的关系以及残余应力,未求出回弹角。PanK和StelsonKA考虑几何和材料非线性,通过最小能量原理获得了管材弯曲后的位移场和截面转动惯量,该转动惯量是基于弯曲变形后考虑了截面扁化和壁厚变化的横截面形状而得到的,因而有助于提高回弹预测的精度。J.E.Miller等人假设管形状和载荷沿长度方向不变,描述了一个适用于挤压铝合金矩形管拉弯的二维模型:取与具有恒定曲率半径1/k的刚性模具表面相接触的单位长度的管件为研究对象,其上作用有轴向拉力T和内部压力P,通过调整3个加载参数增量Δk、ΔT和ΔP符合设定的加载历史,从而使该管件成形。其中,弯曲模由开始的平面逐步变为最后所要求的曲率半径为ρ的曲面。采用该模型,研究了加载路径和拉、压力对回弹的影响。1.2材料的起褶皱和弯曲分析文献基于小应变假设和板壳理论,采用分叉理论对圆管纯弯曲过程中的起皱进行了预测,所得结果与实验吻合良好,但存在的问题是预测出的起皱波长较试验中的明显长。为了明确该误差是由于小应变假设还是板壳理论所引起,RalfPeek基于有限应变理论,对圆管纯弯曲过程中的起皱进行分析。采用该方法所预测的临界皱曲波长比文献中的短,特别是当D/t越小时,因此该方法的预测精度较文献中有所提高,但是与实验中所观测到的明显更短的波长还是存在较大差异。原因可能是材料在非比例加载过程中的反映与J2塑性变形和流动理论的理想化存在较大的差别。FrodePaulsen和TorgeirWelo等基于能量法提出了预测单、双室矩形管纯弯曲过程中横截面变形的解析模型,其中采用的波形函数考虑了相邻构件的约束效应。该方法提供的是一个预测横截面变形的显式算法,包括起皱前、起皱的发生、后起皱(屈曲)以及弯曲变形的各个阶段。研究表明:拉伸区的拉裂与几何参数密切相关,特别是翼板宽度;宽厚比是引起内侧压缩区起皱的主要因素;材料的应变硬化指数对起皱的发生和后屈曲变形具有很大的影响;起皱发生后继续弯曲,内侧压缩区的波纹变形较外侧拉伸区的均匀变形发展迅速。日本学者吉田正敏等对挤压矩形截面铝合金管材无芯绕弯过程中压缩区的起皱和拉伸区的应变进行了理论预测。其原理是将型材假设为边界受约束板单元的集合体,通过采用能量法对各板单元的塑性失稳分析获得压缩区的起皱临界应力和皱曲波长以及拉伸区的应变。研究表明,无量纲起皱波纹的高度与无量纲的弯曲半径、宽厚比、弹性极限应力和硬化指数有关;波纹高度随硬化指数的增大和弹性极限应力的降低而减小。采用同样的方法,他们还对矩形截面铝合金管材无芯绕弯过程中的起皱极限弯曲半径进行了预测。研究表明,无量纲起皱极限弯曲半径与各板单元的弹性失稳系数和宽厚比有关。林艳根据薄壁管材弯曲起皱实际波形的几何特点建立了描述薄壁管材弯曲失稳起皱波形的数学模型,进而基于小挠度弯曲理论、薄壳理论和最小能量原理建立了采用塑性变形能与起皱能比值来预测薄壁管数控弯曲过程中起皱的能量准则。1.3分析的理论基础JunichiEndow、TadaoMurofa基于能量原理和Hill塑性各向异性原理,从理论上近似分析了材料特性对圆管均匀弯曲过程中横截面椭圆化的影响:截面扁化随硬化指数的增大而增大,随纵向试样的厚向异性指数的增大和横向试样的厚向异性指数的减小而增大。StachowiczF鉴于弯曲后管材外侧拉伸区的变形较内侧压缩区的大,特别是轴向助推力的作用造成应力外移而不对称时尤其明显,即管材弯曲后的横截面形状与椭圆有较大差别的前提下,提出采用一个扁化因子和中性层移动量分别用于衡量管材横截面的扁化和中性层的移动,并通过理论解析获得了扁化因子和中性层偏移量的表达式。文献首先基于最大剪应力理论和塑性流动理论获得了管材弯曲的应力应变表达式,以此为基础,推导了内外侧壁厚、管直径的收缩、中性层的偏移、截面的扁化及管材备料长度的表达式。由于该分析推导过程中的大量简化和假设,因此其精度不高,且适用性也受到一定的限制。J.E.Miller等人基于前述的假设模具由平面变为曲面的弯曲变形理论所建立的铝材矩形管拉弯的模型,研究了加载路径和拉、压力对横截面变形和净伸长的影响。1.4基于心理模型的原理文献将加热的管材假设为刚塑性体,并认为温度沿厚度方向均匀分布,截面平均直径不变的前提下,采用弹塑性梁弯曲理论对高频感应加热大直径碳钢管材弯曲过程进行了力学分析,在考虑壁厚变化的前提下,获得转臂上无阻力矩作用时的弯曲轴力的表达式。文献中采用上限元法对采用橡胶弹性芯棒的管材推弯过程进行了分析,获得了所需的弯曲载荷。StachowiczF基于管材弯曲过程中的应力表达式,积分获得了铜管材弯曲过程中弯矩与曲率的关系,并研究了轴向助推力对弯矩的影响。文献在基于塑性变形理论所获得的应力表达式的基础上,采用与文献相同的方法,获得了管材弯曲过程中的弯矩。上述对管材弯曲过程分析所采用的理论包括:梁弯曲理论、有限应变理论、板壳理论、能量原理、分叉理论以及假设将模具由平面变为曲面的弯曲变形理论。由于影响管材弯曲成形的因素多而复杂,上述分析均建立在大量假设基础上。这些基本假设包括,平截面假设,材料匀质,各向同性假设和体积不变假设。因此,通过理论解析对管材弯曲过程进行定性分析是可行的,定量分析的精度则有限,但仍可为生产实际和数值模拟分析提供一些先期指导作用。2研究目的、研究方向和边界条件的特定实验研究是管材弯曲研究中的一个重要组成部分。不但可以验证各种管材弯曲理论及有限元模拟结果的有效性,而且还可进一步研究各种因素对管材弯曲成形的影响规律。实验过程中常用的方法有回归分析法和坐标网格法。例如余方勤等和胡勇等分别采用回归分析方法,通过对大量试验数据的分析总结,获得了圆管无芯弯曲壁厚减薄量的公式和圆管弯曲回弹及净伸长与弯曲角之间的关系表达式。文献中,通过坐标网格法,分析了牛角芯棒热推弯管过程中的瞬时应力、应变状态及其演化过程,和该弯管成形时的受力、变形特点,并认为牛角芯棒热推弯管过程是简单加载、比例变形过程,环向各部位金属始终处于纯剪切状态,因而可采用全量理论进行分析。Al-QureshiHA和RussoA采用坐标变形试验法分析了铝合金管数控弯曲过程的轴向和周向应力分布特征,以及卸载前后的回弹曲率半径比和卸载后的残余应力,并与文献中理论分析的结果进行了对比,结果吻合较好,但是由于理论分析中忽略了加载条件和边界条件,因而难以保证理论分析和实验研究条件的一致性。文献中对铝合金矩形截面管拉弯过程进行了研究,分析了摩擦、拉力和压力对截面畸变、回弹和净伸长的影响,目的在于避免起皱,又能将截面畸变和回弹减少到最小,从而获得最佳加载路径。针对管材四点均匀弯曲过程,文献进行了相关的试验研究。其中,文献对复合管(软铝、硬铝、铜)四点均匀弯曲过程中的横截面扁化、回弹和弯矩进行了实验研究。而文献则采用自主研发的可实现均匀弯曲的四点弯曲机研究了方形薄壁管纯弯过程中的大变形,获得了弯矩-转角关系以及极限弯矩。FrodePaulsen和TorgeirWelo对3种壁厚的单、双室铝合金A6060挤压管材纯弯曲过程中的横截面变形进行了实验研究。结果表明:弯曲开始阶段沿整个管长出现均匀凹陷的截面畸变形式,直到内侧压缩区起皱至几个波纹;影响起皱临界点的主要因素有翼板的宽厚比和材料的应变强化特性;而预变形和后变形的程度却直接与翼板的实际宽度有关而不跟其宽厚比有关。起皱发生后,随着弯曲过程的继续进行,材料的应力应变关系对横截面畸变的影响逐渐增大,对低硬化材料,横截面的集中变形更剧烈。坂木修次和藤院琢磨等对铝合金A6063S-O和A6061S-O方管绕弯过程的变形和成形极限进行了实验研究,主要研究刚性弧式芯棒在抑制起皱和横截面畸变、提高成形极限方面的作用,结果表明横截面的畸变主要表现为受拉侧及受压侧翼板的塌陷和侧壁处辐板的膨大。村田真和横内康人等对圆管无芯绕弯过程进行了实验研究,并与压缩弯曲进行了比较。研究表明:绕弯的成形极限较压弯的大,绕弯过程中易于出现起皱和颈缩,而压弯过程中则主要是起皱;在绕弯过程中,回弹与弯曲半径无关,而压弯过程中,回弹随弯曲半径增大而增加;在绕弯过程中,扁化因子以及最大和最小壁厚差随壁厚和弯曲半径增大而增大。锄木己信和田口裕一等对6063铝合金圆管绕弯过程中的横截面变形(壁厚变化和截面扁化)进行了实验研究。研究表明:助推速度的影响最大,压块力和弯曲速度影响较小,夹块力和助推力几乎无影响。实验虽然是研究管材弯曲的一种重要手段,但这种方法建立在大量的试验基础上,而且还需经生产条件下的反复试错才能实现,因而浪费大量人力、物力和财力,而且设计生产周期长,难以满足批量生产以及快速形成和快速转化的要求。3维有限元模拟有限元法与其它模拟方法相比,模拟精度高,信息丰富,并能考虑多因素的影响,是一种可靠性高的工艺设计方法,适用于对成形过程的精密模拟。近年来,随着计算机技术和有限元技术的逐步发展,有限元法在管材塑性弯曲成形中逐步得到应用。对管材弯曲成形过程的模拟方法之一是采用商用大型有限元软件对成形过程进行弹塑性分析,常用于管材弯曲成形模拟分析的有限元商用软件有:ANSYS,MARC等。胡忠、李家庆基于ANSYS软件平台,建立了中频感应局部加热小弯曲半径厚壁弯管工艺的计算机模拟分析系统,并对相对弯曲半径1.5的管材自由推弯和施加反弯矩控制推弯过程进行了分析,获得了壁厚变化率,截面椭圆率,推力,阻力矩和回弹角随弯曲角度的变化关系,并认为阻力矩有助于减小壁厚减薄和回弹。在模拟过程中,管坯采用的是三维六面体等参元,夹头、夹臂、导辊及推臂挡板也采用三维实体单元建模,因此比较耗时。文献采用有限元软件ANSYS对缠绕式厚壁圆管材弯曲工艺进行了数值模拟分析,获得了外壁减薄率和内壁增厚率、应力应变分布等信息,并比较了不同的相对弯曲半径对壁厚减薄的影响,认为绕弯工艺不适合弯制相对弯曲半径小于1.57的管件。在模拟过程中,管坯采用的是三维六面体等参元,弯曲模和夹块也采用三维实体单元建模,因此也比较耗时。并且未考虑压块的助推作用和芯棒的作用、工模具间的摩擦,以及工模具与管坯的配合等因素的影响,因此所得结果缺乏普适性,只能算一初步的尝试研究而已。WeloT和PaulsenF等采用弹塑性有限元软件隐式ANSYS5.0分析了铝合金单双室矩形管的绕弯过程,研究了弯曲半径和摩擦对外侧翼板的塌陷和回弹的影响,模拟过程中认为压块随管坯以相同速度运动,二者之间无摩擦,这与实际的管材弯曲过程差别较大。他们还采用有限元软件MARC5.2对挤压铝合金单、双室矩形管绕弯和拉弯过程进行了三维弹塑性数值模拟,研究了材料、工艺及模具参数对成形过程的影响,其中弯曲模的转动是通过嵌入作者自编的程序实现的。结果表明,采用内部芯棒能有效地防止起皱的波纹高度和外侧翼板的塌陷,翼板的等效宽厚比是影响截面局部变形程度的重要因素,采用预拉工艺能减少起皱和回弹,减小应变硬化指数和增大轴向力有助于回弹的减小。模拟过程中,管坯采用的是计算效率较低的八节点六面体单元,并且为提高该单元的弯曲性能,还采用了假设应变公式,这又进一步降低了计算的效率。YangJB和JeonBH等采用软件PAM-STAMP对一汽车用管材零件拉杆的绕弯和压弯过程进行了三维弹塑性有限元模拟,获得了横截面形状变化和壁厚变薄率与成形参数之间的关系。模拟过程中采用的是库仑摩擦模型,并将材料视为各向同性。研究发现管材和防皱块之间的间隙是影响起皱的主要因素,随着弯曲半径的减小,截面畸变和壁厚减薄率将会增大。另一方面,还有一些学者致力于针对特定的弯曲工艺开发相应的专用管材弯曲有限元软件进行分析。在开发过程中,为简化起见,一般采用二维或三维刚塑性有限元法进行分析。日本学者田中伸司等采用二维刚塑性FEM分析管材绕弯过程。他们将内部有液压负荷的圆管和方管,采用环状模进行模拟,即将圆管和方管绕弯过程简化为二维准轴对称问题进行近似三维分析,通过有限元模拟获得断面形状的变化,研究了液压力对方管和圆管断面形状的影响。胡福泰针对局部加热无模弯管过程建立了简化的有限元模型,开发了相应的可预报管材弯曲后断面畸变的三维刚塑性有限元程序,但该程序只适用于局部加热无模弯管的稳态变形阶段。林艳将所建立的薄壁管材弯曲起皱能量预测准则,结合三维刚塑性有限元数值模拟方法,开发了薄壁管数控弯曲成形过程的起皱数值预测系统,可实现起皱的快速数值预测。在模拟系统开发过程中,提出了针对薄壳的相对自由度与绝对自由度相结合的壳单元,便于速度边界条件的处理;采用了三次因式法确定收敛因子,提高了计算效率,改善了收敛性。采用该系统研究了铝合金和不锈钢薄壁管数控弯曲成形过程的变形特点,揭示了不同成形参数对由起皱所决定的管坯最小弯曲半径(弯曲成形极限)的影响规律。张旭光基于三维刚塑性有限元法获得的管数控弯曲加载过程中的场变量信息,采用所建立的数控弯曲回弹预测模型实现了管材弯曲回弹的快速预测。由于刚塑性有限元法较弹塑性有限元法的求解速度快,并且获得的信息较理论解析的丰富和准确,因此将刚塑性有限元法和理论解析结合起来对管材弯曲起皱和回弹进行预测是一种可行和可靠的途径。虽然,目前对管材弯曲成形的数值模拟研究并不完善,主要集中于热弯、矩形管材弯曲和纯弯曲,并且采用商用软件进行模拟的多,针对圆管数控弯曲研究的较少,但已显示了无比的优越性和强大的生命力。4带芯弯管工艺设计对管材弯曲工艺及工模具结构进行研究和改进,提高弯曲成形精度和质量一直是工程技术人员所追求的目标。目前这些研究主要局限于