摘要:通過(guò)對(duì)管材推彎成形過(guò)程的分析，建立有限元模型并進(jìn)行仿真，得到成形過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變的分布，提取的模擬結(jié)果與現(xiàn)有管彎曲理論相吻合瓦哎，證明管材推彎成形有限元模擬模型的可行性，為后續(xù)生產(chǎn)工藝制定及模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)柔逼。

關(guān)鍵詞：管材彎曲蒋譬；推彎；有限元模擬卒落；等效應(yīng)變

　　目前，管材彎曲加工在航空航天檬撒、汽車顺丸、船舶制造等工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，對(duì)管材彎曲技術(shù)和質(zhì)量的要求也越來(lái)越高^[1]促军。由于管材彎曲成形過(guò)程是一個(gè)典型的非線性短即、非對(duì)稱性、連續(xù)漸變的復(fù)雜非穩(wěn)態(tài)變形過(guò)程^[2]等灾，在生產(chǎn)中還存在許多工藝問(wèn)題宜抓，為了制定合理的成形工藝舟道，常常采用實(shí)驗(yàn)法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力矫第。近年來(lái)遍沟，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為塑性成形工藝的研究提供了有力的輔助工具，各種有限元計(jì)算方法也逐步在管材彎曲變形研究中得到應(yīng)用^[3]浑擎。本文借助有限元分析軟件deform-3D倚务，建立管材推彎成形過(guò)程的有限元模型，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析沼死，根據(jù)變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變的分布着逐，掌握管材彎曲成形過(guò)程的金屬流動(dòng)規(guī)律，與現(xiàn)有理論和實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行對(duì)比意蛀，從而證明有限元模擬技術(shù)應(yīng)用于推彎的可行性耸别，為管材彎曲成形工藝的制定提供依據(jù)。

1 管材的推彎成形

　　推彎是管材彎曲加工中較為常見(jiàn)的彎管方法县钥，主要用于彎制彎頭秀姐。型模式冷推彎管是在普通液壓機(jī)或曲柄壓力機(jī)上借助彎管裝置對(duì)管材進(jìn)行推彎的工藝方法，即是利用金屬的塑性魁蒜，在常溫狀態(tài)下將直管材壓入帶有彎曲型腔的型模中囊扳，從而形成管彎頭。推彎成形效率高兜看，適合批量生產(chǎn)锥咸，能有效降低成本，是一種用途廣泛的加工方法细移。

1.1工藝分析

　　圖1搏予、2所示為汽車上的輸油管。該工件為L形管材彎曲件弧轧，上端口部外徑有公差要求隧渠，以保證裝配精度，下端口部需進(jìn)行機(jī)械加工跃览。該工件最大的特點(diǎn)在于彎曲半徑很小元八，僅為20mm，一般管材的最小彎曲半徑為2.5～3D昧挚，在實(shí)際生產(chǎn)中此類管件的彎曲成形比較困難聪萨。該廠家目前采用的方法是先在管坯加注低熔點(diǎn)金屬，冷凝后進(jìn)行人工手動(dòng)彎曲肢糜，再融化低熔點(diǎn)金屬盘另，最后進(jìn)行機(jī)械加工，工藝繁瑣且效率低下，浪費(fèi)了大量的人力物力巩荧，產(chǎn)品成本很高抗海。因此，擬改進(jìn)工藝方法以提高生產(chǎn)率福耐，降低生產(chǎn)成本葫羡。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 彎管零件圖

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 彎管產(chǎn)品圖

1.2 管材彎曲變形的塑性變形機(jī)理

　　在管材彎曲過(guò)程中，彎曲外側(cè)材料受切向拉應(yīng)力滑频，管壁伸長(zhǎng)捡偏，壁厚減薄峡迷；內(nèi)側(cè)材料受切向壓應(yīng)力银伟，管壁縮短，壁厚增厚绘搞。最大伸長(zhǎng)變形和壁厚減薄變形出現(xiàn)在最外側(cè)彤避。其彎曲部受力及應(yīng)變狀況，如圖3所示^[4]夯辖。

　　　　　　　　　圖3 管材彎曲受力及其應(yīng)力應(yīng)變狀況

我們假設(shè)彎曲中管材體積不變琉预，不難給出彎曲外側(cè)外表面和內(nèi)側(cè)內(nèi)表面的切向平均應(yīng)變^[5]：

(外側(cè)外表面)

 (內(nèi)側(cè)內(nèi)表面)

式中，t蒿褂、t₀ 為彎曲前圆米、后外側(cè)管壁厚(mm)；R為管材彎曲中性層半徑(mm)啄栓；d 為管材的原始外徑(mm)娄帖。

管材彎曲過(guò)程中，彎矩作用下產(chǎn)生的管壁外側(cè)拉力和內(nèi)側(cè)壓力的合力都指向管橫截面中心卜判，導(dǎo)致管壁材料在橫截面圓周方向上產(chǎn)生壓縮變形仔省。為了減小變形阻力，材料有向中性層靠近的趨向众攻。當(dāng)周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的合力達(dá)到某一臨界值時(shí)红集，管壁材料變形失穩(wěn)，產(chǎn)生管壁塌陷条稍。但是判懒，在管壁材料產(chǎn)生失穩(wěn)變形之前，甚至在彈性變形階段悟惰，由于管壁支撐能力不足就已經(jīng)發(fā)生了材料沿彎管圓周方向的位移刀雳，逐步形成工程上所謂橫截面橢圓畸變現(xiàn)象^[5]。

2 有限元模型的建立

根據(jù)上述零件建立有限元模型如圖4所示吁巫。其中模具設(shè)定為剛性體汰日，管坯材料為冷拔45號(hào)無(wú)縫鋼管，外徑D為φ22mm龟夜，內(nèi)徑為φ18mm挂捅，壁厚為2mm，彎曲半徑為R20mm堂湖。管子設(shè)定為彈塑性體闲先，其彈性模量E為209GPa,密度ρ為7.85g/cm³，泊松比為0.269无蜂，屈服強(qiáng)度353MPa伺糠。凸模成形部位的頭部采用圓錐凸臺(tái)并用圓弧過(guò)渡，以減少底部材料堆積形成環(huán)狀平臺(tái)斥季。

　　　　　　　　　　　　　　圖4 簡(jiǎn)化后的有限元模型

建立模型時(shí)將管坯劃分為四面體單元训桶，單元數(shù)為30000～50000之間，如圖3所示酣倾，材料直接選用材料庫(kù)中自帶的AISI-1045,COLD[70F(20C)]舵揭，設(shè)置凸模下壓速度為10mm/s，模擬過(guò)程中采用自動(dòng)體積補(bǔ)償躁锡，并使用牛頓迭代方式進(jìn)行運(yùn)算午绳，此方式運(yùn)算速度快，出錯(cuò)率低映之。此外拦焚，采用的潤(rùn)滑方式為磷化皂化法，該方法摩擦系數(shù)較低颜要，潤(rùn)滑效果穩(wěn)定荣吻，模擬中選取摩擦系數(shù)取0.1。

3 有限元模擬結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

管材彎曲過(guò)程中资汛，變形主要集中在彎曲外側(cè)和內(nèi)側(cè)^[6]帐捺。隨著變形進(jìn)一步進(jìn)行，管坯所受變形力也越來(lái)越大呼雨，圖5所示為管坯完全進(jìn)入彎曲狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力圖赫捕，由圖可以看出整個(gè)工件已基本成形完畢，形成兩個(gè)應(yīng)力較大的區(qū)域凑魔，集中在彎曲部位內(nèi)側(cè)和端部下側(cè)飘拂，如圖中紅色區(qū)域1、2所示壶碴，由于材料的連續(xù)性情召，整個(gè)零件均產(chǎn)生明顯應(yīng)力，由彎曲部向端部逐漸減小撼予，由局部向外側(cè)呈輻射狀逐步降低钥屈。彎曲部?jī)?nèi)側(cè)1處是整個(gè)變形過(guò)程中變形程度最大的地方悟民，克服的變形阻力也最大，在此處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中篷就。管材彎曲端部2處射亏，由于彎曲部?jī)?nèi)外側(cè)材料流動(dòng)速度不同，端口部產(chǎn)生了橢圓狀變形竭业，端口上部對(duì)下部產(chǎn)生擠壓智润，在此處產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力。凸模端部下方的直管壁部分（區(qū)域3）受到凸模的下壓力未辆，同時(shí)受到凹模型腔的約束作用變形很小窟绷，產(chǎn)生的應(yīng)力也較小。由于存在模具間隙咐柜，管坯變形過(guò)程中兼蜈，在受到凹模型腔阻力的作用下產(chǎn)生了類似反擠壓的變形過(guò)程，在凸模下端與管坯接觸部位（區(qū)域4）產(chǎn)生了一定的應(yīng)力集中拙友。

　　　　　　　　　　　　　　圖5 管坯完全進(jìn)入彎曲狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力圖

由文獻(xiàn)[7]可知饭尝，管材在彎曲過(guò)程中，等效應(yīng)力值較大的區(qū)域集中于圖4所示的1區(qū)献宫，且靠近已彎側(cè)部位坏表，已彎曲成形的彎管表面仍存在一定大小的彎曲應(yīng)力。另一處等效應(yīng)力較大值集中在靠近已彎曲成形外側(cè)的起始端部位（如圖4的2處）拭愁，已彎曲成形的管壁仍存在較小的應(yīng)力幢堕，而彎曲起始端作為應(yīng)力傳遞區(qū)，局部存在較大等效應(yīng)力侣娄。本文的有限元模型的模擬結(jié)果山乐，驗(yàn)證了文獻(xiàn)[7]的結(jié)論。

3.2應(yīng)變分析

管材彎曲過(guò)程中苇硫，管坯的變形過(guò)程是從下端部開(kāi)始插凳，逐步變大，直至整個(gè)彎曲過(guò)程結(jié)束境薪，變形始終在累積姥胳。圖6所示為管坯完全進(jìn)入彎曲狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變圖，如圖所示,由于所建模型彎曲半徑較小好啸，變形量很大贵健，在變形過(guò)程中材料分配和流動(dòng)程度很大，端口部位靠近內(nèi)側(cè)（區(qū)域2）明顯較長(zhǎng)成楔形渊季，口部變形嚴(yán)重朋蔫，在下端部外側(cè)（區(qū)域1）應(yīng)變較大。區(qū)域2在開(kāi)始變形初期該部位與凹模型腔并沒(méi)有接觸直至彎曲過(guò)程快結(jié)束時(shí)與型腔接觸產(chǎn)生強(qiáng)制校直作用却汉，該過(guò)程管壁厚度無(wú)明顯變化驯妄，應(yīng)變較小荷并。從圖中可以看出在彎曲圓弧部位內(nèi)側(cè)（區(qū)域3），管壁變厚青扔，材料出現(xiàn)堆積璧坟，應(yīng)變明顯，且向下彎曲赎懦，脫離模腔內(nèi)側(cè)表面，貼模性較差幻工，接近圓弧中點(diǎn)位置壁厚最厚励两，等效應(yīng)變 大約為0.6左右。外側(cè)壁厚變薄囊颅，由外向內(nèi)逐漸變薄当悔，厚度變化比較平穩(wěn)，在圓弧中間位置 大約為0.2～0.3左右刺勇，以上兩點(diǎn)與圖2中實(shí)際產(chǎn)品的成形情況一致瓢身。在彎曲部分可看出其形狀與模腔上端未彎曲部分相比變化較大，徑向尺寸變小觅氢，形成橢圓形截面宝辛。由于凸模垂直壓向管材斷面以及凹模型腔的約束，管材直管壁部分（區(qū)域4）產(chǎn)生的應(yīng)變很小虐恋，而直管壁端部與凸模相接觸的部位（區(qū)域5）由于間隙和阻力的存在枕泽，產(chǎn)生反擠壓現(xiàn)象，產(chǎn)生了較小的應(yīng)變馒符。

　　　　　　　　　　　　　　　圖6 管坯完全進(jìn)入彎曲狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變圖

在實(shí)際生產(chǎn)中掰站，彎管內(nèi)外側(cè)壁厚應(yīng)變比較均勻，管坯作為一個(gè)連續(xù)整體必然受到其它部分的影響淘砌，距離變形區(qū)越遠(yuǎn)影響越薪健；直管部分受變形區(qū)的影響厦浦，也產(chǎn)生了一定程度的壁厚變化瑟捺。管材彎曲的半徑越小，內(nèi)側(cè)因受壓變短棺榔，外側(cè)受拉變長(zhǎng)彪标，因此端面形成內(nèi)側(cè)比外側(cè)高形成楔形面，這種現(xiàn)象與圖5吻合掷豺。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)模擬分析與理論對(duì)比捞烟，可得如下結(jié)論：

（1）本文建立的有限元模型模擬的結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)出現(xiàn)的現(xiàn)象非常吻合，驗(yàn)證了模型的可行性当船。

（2）有限元模擬結(jié)果顯示题画，等效應(yīng)力較大值集中在彎曲內(nèi)側(cè)及口部默辨，彎管內(nèi)外側(cè)壁厚應(yīng)變較均勻，彎曲切點(diǎn)以外的直管部分也產(chǎn)生了一定程度的壁厚變化苍息。

  （3）本模型是在不加芯棒情況下模擬的缩幸，由模擬結(jié)果可看出在不加芯棒的情況下成形性能不是很理想，彎曲內(nèi)側(cè)和外側(cè)貼模性較差竞思，管子橢圓化趨勢(shì)明顯表谊，通過(guò)與理論進(jìn)行比較，建議在實(shí)際生產(chǎn)中添加芯棒盖喷。

參考文獻(xiàn)

[1]  武世勇爆办，石偉，劉莊.纏繞式彎管工藝對(duì)管壁厚度影響的數(shù)值分析[J].鍛壓技術(shù)嚎脖，2002鬼痹，(1)：35—38.

[2]  楊澤發(fā).管材彎曲加工CAD／CAM／CAT研究[D].武漢：華中理工大學(xué)，1995.

[3]  Frode Paulsen勤鼓，Torgeir Welo．Application of numerical simulation in the bending of aluminium-alloy profiles, Journal of Materials Processing Technology榕吨，1996，(58)：274—285.

[4]  肖祥芷涎舔，王孝培.中國(guó)模具工程大典(4)—沖壓模具設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社甲盘，2007.

[5]  鄂大辛，寧汝新哮互，胡新平躯法，等.管材彎曲中壁厚變化引起橫截面畸變的試驗(yàn)研究[J].航空制造技術(shù)， 2005券豺，(12)：60—63.

[6]  余同希滚蚪，章亮熾.塑性彎曲理論及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[7]  古濤读黑，鄂大辛蛉幸，任穎，等.管材彎曲壁厚變形的有限元模擬與試驗(yàn)分析[J].模具工業(yè)丛晦，2006奕纫，(4)：17—20.

                                                （稿件來(lái)源東方磨具雜志社）

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