管材彎曲成形研究的進(jìn)展

管材彎曲成形研究的進(jìn)展

以管道為毛，通過彈性加工設(shè)備制作管道零件的工藝，稱為管道彈性加工。由于易于實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、強(qiáng)韌化和滿足低耗高效、精確制造等方面的要求,并能獲得形狀復(fù)雜的制品,因此管材塑性加工已成為先進(jìn)塑性加工技術(shù)面向21世紀(jì)研究與發(fā)展的一個重要方向。管材彎曲成形是管材塑性加工的重要組成部分。用管材制造的彎曲零件,無論是平面彎曲件,還是空間彎曲件,除大量應(yīng)用于氣體、液體的輸送管路外,在金屬結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用也十分廣泛。因此管材彎曲成形研究是其中備受關(guān)注并得到迅速發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。在管材彎曲過程中,外側(cè)壁的減薄、破裂,內(nèi)側(cè)壁的增厚、起皺和橫截面畸變及其演化過程,以及卸載后的回彈及其控制,一直是包括管材彎曲成形在內(nèi)的工程界未能有效解決的技術(shù)難題,也是當(dāng)今國內(nèi)外塑性加工學(xué)科研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。隨著大口徑薄壁管小彎曲半徑件和難變形材料(鈦合金)管的應(yīng)用推廣,上述問題日益嚴(yán)重。針對管材彎曲過程,國內(nèi)外研究者和工程技術(shù)人員主要從理論分析、實驗研究、有限元數(shù)值模擬等方面開展研究。本文從這幾個方面總結(jié)了管材彎曲的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,并闡述了其研究進(jìn)展和發(fā)展動態(tài)。1進(jìn)行2個月內(nèi)的工作研究管材彎曲成形的理論研究是板材彎曲成形領(lǐng)域研究較少的分支之一,一直沿用的是板材彎曲和梁彎曲的理論。近年來,對管材彎曲成形的理論研究逐步展開,其對實踐的指導(dǎo)作用也逐步受到重視。對管材彎曲成形的理論分析主要集中在如下幾方面:回彈分析,起皺預(yù)測和破裂分析,對橫截面扁化、壁厚變化、中性層偏移和縱向伸長的分析,以及對管材彎曲過程的力學(xué)分析及彎矩分析。1.1回彈預(yù)測模型的建立胡忠基于平截面假設(shè),對中頻感應(yīng)局部加熱彎管過程進(jìn)行了力學(xué)分析,結(jié)合Mises屈服準(zhǔn)則獲得了加載過程中的軸力和彎矩,然后基于反向原則獲得卸載時的應(yīng)變中性層偏移角、卸載比例常數(shù)和回彈角。該模型針對中頻感應(yīng)局部加熱20、12CrMo910和12Cr1MoV3種厚壁管材的大直徑彎曲過程建立,其本構(gòu)關(guān)系假設(shè)為理想剛塑性的,再加之在分析過程中,作者將未參與彎曲變形的前夾頭至管材彎曲部分的直管段和前導(dǎo)輥至塑性變形區(qū)的直管段也采用與彎曲段同樣的求解方法,因此其適用性和精度受到一定限制。張旭光采用與文獻(xiàn)類似的方法,建立了數(shù)控彎管的彎曲段回彈預(yù)測模型,由于直線段的變形較小,因此采用梁彎曲理論建立其回彈模型,這種針對直線段和彎曲段建立不同的回彈預(yù)測模型的方法較接近實際。劉志剛等鑒于常用的確定管材彎曲回彈計算公式方法的缺點(diǎn),即首先假設(shè)為直線型,但往往經(jīng)試彎補(bǔ)償修正后便又失去其原定的線性關(guān)系。為此,他們依據(jù)恒力場理論和彈性極限回彈理論,提出了分段曲線型和折線型的回彈角計算公式,這對于解決鍋爐行業(yè)中的“S”型厚壁管件彎曲卸載后的回彈問題起到了較好的效果。Al-QureshiHA基于平面應(yīng)變條件,將圓管視為空心梁,采用梁彎曲理論對圓管材彎曲進(jìn)行了彈塑性分析,提供了一個預(yù)測管材彎曲回彈半徑和殘余應(yīng)力的方法。在分析過程中還假設(shè)材料為理想彈塑性,橫截面上具有一與外載荷平面垂直的對稱軸,忽略起皺和破裂以及包辛格效應(yīng)。該方法完全忽略了不同彎曲方式的加載條件和邊界條件,以及截面畸變和中性層偏移等,僅從管截面上的彈塑性應(yīng)力分布出發(fā)進(jìn)行分析,因此針對性不強(qiáng),并且獲得的是卸載前后的彎曲曲率半徑間的關(guān)系以及殘余應(yīng)力,未求出回彈角。PanK和StelsonKA考慮幾何和材料非線性,通過最小能量原理獲得了管材彎曲后的位移場和截面轉(zhuǎn)動慣量,該轉(zhuǎn)動慣量是基于彎曲變形后考慮了截面扁化和壁厚變化的橫截面形狀而得到的,因而有助于提高回彈預(yù)測的精度。J.E.Miller等人假設(shè)管形狀和載荷沿長度方向不變,描述了一個適用于擠壓鋁合金矩形管拉彎的二維模型:取與具有恒定曲率半徑1/k的剛性模具表面相接觸的單位長度的管件為研究對象,其上作用有軸向拉力T和內(nèi)部壓力P,通過調(diào)整3個加載參數(shù)增量Δk、ΔT和ΔP符合設(shè)定的加載歷史,從而使該管件成形。其中,彎曲模由開始的平面逐步變?yōu)樽詈笏蟮那拾霃綖棣训那?。采用該模?研究了加載路徑和拉、壓力對回彈的影響。1.2材料的起褶皺和彎曲分析文獻(xiàn)基于小應(yīng)變假設(shè)和板殼理論,采用分叉理論對圓管純彎曲過程中的起皺進(jìn)行了預(yù)測,所得結(jié)果與實驗吻合良好,但存在的問題是預(yù)測出的起皺波長較試驗中的明顯長。為了明確該誤差是由于小應(yīng)變假設(shè)還是板殼理論所引起,RalfPeek基于有限應(yīng)變理論,對圓管純彎曲過程中的起皺進(jìn)行分析。采用該方法所預(yù)測的臨界皺曲波長比文獻(xiàn)中的短,特別是當(dāng)D/t越小時,因此該方法的預(yù)測精度較文獻(xiàn)中有所提高,但是與實驗中所觀測到的明顯更短的波長還是存在較大差異。原因可能是材料在非比例加載過程中的反映與J2塑性變形和流動理論的理想化存在較大的差別。FrodePaulsen和TorgeirWelo等基于能量法提出了預(yù)測單、雙室矩形管純彎曲過程中橫截面變形的解析模型,其中采用的波形函數(shù)考慮了相鄰構(gòu)件的約束效應(yīng)。該方法提供的是一個預(yù)測橫截面變形的顯式算法,包括起皺前、起皺的發(fā)生、后起皺(屈曲)以及彎曲變形的各個階段。研究表明:拉伸區(qū)的拉裂與幾何參數(shù)密切相關(guān),特別是翼板寬度;寬厚比是引起內(nèi)側(cè)壓縮區(qū)起皺的主要因素;材料的應(yīng)變硬化指數(shù)對起皺的發(fā)生和后屈曲變形具有很大的影響;起皺發(fā)生后繼續(xù)彎曲,內(nèi)側(cè)壓縮區(qū)的波紋變形較外側(cè)拉伸區(qū)的均勻變形發(fā)展迅速。日本學(xué)者吉田正敏等對擠壓矩形截面鋁合金管材無芯繞彎過程中壓縮區(qū)的起皺和拉伸區(qū)的應(yīng)變進(jìn)行了理論預(yù)測。其原理是將型材假設(shè)為邊界受約束板單元的集合體,通過采用能量法對各板單元的塑性失穩(wěn)分析獲得壓縮區(qū)的起皺臨界應(yīng)力和皺曲波長以及拉伸區(qū)的應(yīng)變。研究表明,無量綱起皺波紋的高度與無量綱的彎曲半徑、寬厚比、彈性極限應(yīng)力和硬化指數(shù)有關(guān);波紋高度隨硬化指數(shù)的增大和彈性極限應(yīng)力的降低而減小。采用同樣的方法,他們還對矩形截面鋁合金管材無芯繞彎過程中的起皺極限彎曲半徑進(jìn)行了預(yù)測。研究表明,無量綱起皺極限彎曲半徑與各板單元的彈性失穩(wěn)系數(shù)和寬厚比有關(guān)。林艷根據(jù)薄壁管材彎曲起皺實際波形的幾何特點(diǎn)建立了描述薄壁管材彎曲失穩(wěn)起皺波形的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而基于小撓度彎曲理論、薄殼理論和最小能量原理建立了采用塑性變形能與起皺能比值來預(yù)測薄壁管數(shù)控彎曲過程中起皺的能量準(zhǔn)則。1.3分析的理論基礎(chǔ)JunichiEndow、TadaoMurofa基于能量原理和Hill塑性各向異性原理,從理論上近似分析了材料特性對圓管均勻彎曲過程中橫截面橢圓化的影響:截面扁化隨硬化指數(shù)的增大而增大,隨縱向試樣的厚向異性指數(shù)的增大和橫向試樣的厚向異性指數(shù)的減小而增大。StachowiczF鑒于彎曲后管材外側(cè)拉伸區(qū)的變形較內(nèi)側(cè)壓縮區(qū)的大,特別是軸向助推力的作用造成應(yīng)力外移而不對稱時尤其明顯,即管材彎曲后的橫截面形狀與橢圓有較大差別的前提下,提出采用一個扁化因子和中性層移動量分別用于衡量管材橫截面的扁化和中性層的移動,并通過理論解析獲得了扁化因子和中性層偏移量的表達(dá)式。文獻(xiàn)首先基于最大剪應(yīng)力理論和塑性流動理論獲得了管材彎曲的應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式,以此為基礎(chǔ),推導(dǎo)了內(nèi)外側(cè)壁厚、管直徑的收縮、中性層的偏移、截面的扁化及管材備料長度的表達(dá)式。由于該分析推導(dǎo)過程中的大量簡化和假設(shè),因此其精度不高,且適用性也受到一定的限制。J.E.Miller等人基于前述的假設(shè)模具由平面變?yōu)榍娴膹澢冃卫碚撍⒌匿X材矩形管拉彎的模型,研究了加載路徑和拉、壓力對橫截面變形和凈伸長的影響。1.4基于心理模型的原理文獻(xiàn)將加熱的管材假設(shè)為剛塑性體,并認(rèn)為溫度沿厚度方向均勻分布,截面平均直徑不變的前提下,采用彈塑性梁彎曲理論對高頻感應(yīng)加熱大直徑碳鋼管材彎曲過程進(jìn)行了力學(xué)分析,在考慮壁厚變化的前提下,獲得轉(zhuǎn)臂上無阻力矩作用時的彎曲軸力的表達(dá)式。文獻(xiàn)中采用上限元法對采用橡膠彈性芯棒的管材推彎過程進(jìn)行了分析,獲得了所需的彎曲載荷。StachowiczF基于管材彎曲過程中的應(yīng)力表達(dá)式,積分獲得了銅管材彎曲過程中彎矩與曲率的關(guān)系,并研究了軸向助推力對彎矩的影響。文獻(xiàn)在基于塑性變形理論所獲得的應(yīng)力表達(dá)式的基礎(chǔ)上,采用與文獻(xiàn)相同的方法,獲得了管材彎曲過程中的彎矩。上述對管材彎曲過程分析所采用的理論包括:梁彎曲理論、有限應(yīng)變理論、板殼理論、能量原理、分叉理論以及假設(shè)將模具由平面變?yōu)榍娴膹澢冃卫碚摗Ｓ捎谟绊懝懿膹澢尚蔚囊蛩囟喽鴱?fù)雜,上述分析均建立在大量假設(shè)基礎(chǔ)上。這些基本假設(shè)包括,平截面假設(shè),材料勻質(zhì),各向同性假設(shè)和體積不變假設(shè)。因此,通過理論解析對管材彎曲過程進(jìn)行定性分析是可行的,定量分析的精度則有限,但仍可為生產(chǎn)實際和數(shù)值模擬分析提供一些先期指導(dǎo)作用。2研究目的、研究方向和邊界條件的特定實驗研究是管材彎曲研究中的一個重要組成部分。不但可以驗證各種管材彎曲理論及有限元模擬結(jié)果的有效性,而且還可進(jìn)一步研究各種因素對管材彎曲成形的影響規(guī)律。實驗過程中常用的方法有回歸分析法和坐標(biāo)網(wǎng)格法。例如余方勤等和胡勇等分別采用回歸分析方法,通過對大量試驗數(shù)據(jù)的分析總結(jié),獲得了圓管無芯彎曲壁厚減薄量的公式和圓管彎曲回彈及凈伸長與彎曲角之間的關(guān)系表達(dá)式。文獻(xiàn)中,通過坐標(biāo)網(wǎng)格法,分析了牛角芯棒熱推彎管過程中的瞬時應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及其演化過程,和該彎管成形時的受力、變形特點(diǎn),并認(rèn)為牛角芯棒熱推彎管過程是簡單加載、比例變形過程,環(huán)向各部位金屬始終處于純剪切狀態(tài),因而可采用全量理論進(jìn)行分析。Al-QureshiHA和RussoA采用坐標(biāo)變形試驗法分析了鋁合金管數(shù)控彎曲過程的軸向和周向應(yīng)力分布特征,以及卸載前后的回彈曲率半徑比和卸載后的殘余應(yīng)力,并與文獻(xiàn)中理論分析的結(jié)果進(jìn)行了對比,結(jié)果吻合較好,但是由于理論分析中忽略了加載條件和邊界條件,因而難以保證理論分析和實驗研究條件的一致性。文獻(xiàn)中對鋁合金矩形截面管拉彎過程進(jìn)行了研究,分析了摩擦、拉力和壓力對截面畸變、回彈和凈伸長的影響,目的在于避免起皺,又能將截面畸變和回彈減少到最小,從而獲得最佳加載路徑。針對管材四點(diǎn)均勻彎曲過程,文獻(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)的試驗研究。其中,文獻(xiàn)對復(fù)合管(軟鋁、硬鋁、銅)四點(diǎn)均勻彎曲過程中的橫截面扁化、回彈和彎矩進(jìn)行了實驗研究。而文獻(xiàn)則采用自主研發(fā)的可實現(xiàn)均勻彎曲的四點(diǎn)彎曲機(jī)研究了方形薄壁管純彎過程中的大變形,獲得了彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系以及極限彎矩。FrodePaulsen和TorgeirWelo對3種壁厚的單、雙室鋁合金A6060擠壓管材純彎曲過程中的橫截面變形進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明:彎曲開始階段沿整個管長出現(xiàn)均勻凹陷的截面畸變形式,直到內(nèi)側(cè)壓縮區(qū)起皺至幾個波紋;影響起皺臨界點(diǎn)的主要因素有翼板的寬厚比和材料的應(yīng)變強(qiáng)化特性;而預(yù)變形和后變形的程度卻直接與翼板的實際寬度有關(guān)而不跟其寬厚比有關(guān)。起皺發(fā)生后,隨著彎曲過程的繼續(xù)進(jìn)行,材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對橫截面畸變的影響逐漸增大,對低硬化材料,橫截面的集中變形更劇烈。坂木修次和藤院琢磨等對鋁合金A6063S-O和A6061S-O方管繞彎過程的變形和成形極限進(jìn)行了實驗研究,主要研究剛性弧式芯棒在抑制起皺和橫截面畸變、提高成形極限方面的作用,結(jié)果表明橫截面的畸變主要表現(xiàn)為受拉側(cè)及受壓側(cè)翼板的塌陷和側(cè)壁處輻板的膨大。村田真和橫內(nèi)康人等對圓管無芯繞彎過程進(jìn)行了實驗研究,并與壓縮彎曲進(jìn)行了比較。研究表明:繞彎的成形極限較壓彎的大,繞彎過程中易于出現(xiàn)起皺和頸縮,而壓彎過程中則主要是起皺;在繞彎過程中,回彈與彎曲半徑無關(guān),而壓彎過程中,回彈隨彎曲半徑增大而增加;在繞彎過程中,扁化因子以及最大和最小壁厚差隨壁厚和彎曲半徑增大而增大。鋤木己信和田口裕一等對6063鋁合金圓管繞彎過程中的橫截面變形(壁厚變化和截面扁化)進(jìn)行了實驗研究。研究表明:助推速度的影響最大,壓塊力和彎曲速度影響較小,夾塊力和助推力幾乎無影響。實驗雖然是研究管材彎曲的一種重要手段,但這種方法建立在大量的試驗基礎(chǔ)上,而且還需經(jīng)生產(chǎn)條件下的反復(fù)試錯才能實現(xiàn),因而浪費(fèi)大量人力、物力和財力,而且設(shè)計生產(chǎn)周期長,難以滿足批量生產(chǎn)以及快速形成和快速轉(zhuǎn)化的要求。3維有限元模擬有限元法與其它模擬方法相比,模擬精度高,信息豐富,并能考慮多因素的影響,是一種可靠性高的工藝設(shè)計方法,適用于對成形過程的精密模擬。近年來,隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的逐步發(fā)展,有限元法在管材塑性彎曲成形中逐步得到應(yīng)用。對管材彎曲成形過程的模擬方法之一是采用商用大型有限元軟件對成形過程進(jìn)行彈塑性分析,常用于管材彎曲成形模擬分析的有限元商用軟件有:ANSYS,MARC等。胡忠、李家慶基于ANSYS軟件平臺,建立了中頻感應(yīng)局部加熱小彎曲半徑厚壁彎管工藝的計算機(jī)模擬分析系統(tǒng),并對相對彎曲半徑1.5的管材自由推彎和施加反彎矩控制推彎過程進(jìn)行了分析,獲得了壁厚變化率,截面橢圓率,推力,阻力矩和回彈角隨彎曲角度的變化關(guān)系,并認(rèn)為阻力矩有助于減小壁厚減薄和回彈。在模擬過程中,管坯采用的是三維六面體等參元,夾頭、夾臂、導(dǎo)輥及推臂擋板也采用三維實體單元建模,因此比較耗時。文獻(xiàn)采用有限元軟件ANSYS對纏繞式厚壁圓管材彎曲工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,獲得了外壁減薄率和內(nèi)壁增厚率、應(yīng)力應(yīng)變分布等信息,并比較了不同的相對彎曲半徑對壁厚減薄的影響,認(rèn)為繞彎工藝不適合彎制相對彎曲半徑小于1.57的管件。在模擬過程中,管坯采用的是三維六面體等參元,彎曲模和夾塊也采用三維實體單元建模,因此也比較耗時。并且未考慮壓塊的助推作用和芯棒的作用、工模具間的摩擦,以及工模具與管坯的配合等因素的影響,因此所得結(jié)果缺乏普適性,只能算一初步的嘗試研究而已。WeloT和PaulsenF等采用彈塑性有限元軟件隱式ANSYS5.0分析了鋁合金單雙室矩形管的繞彎過程,研究了彎曲半徑和摩擦對外側(cè)翼板的塌陷和回彈的影響,模擬過程中認(rèn)為壓塊隨管坯以相同速度運(yùn)動,二者之間無摩擦,這與實際的管材彎曲過程差別較大。他們還采用有限元軟件MARC5.2對擠壓鋁合金單、雙室矩形管繞彎和拉彎過程進(jìn)行了三維彈塑性數(shù)值模擬,研究了材料、工藝及模具參數(shù)對成形過程的影響,其中彎曲模的轉(zhuǎn)動是通過嵌入作者自編的程序?qū)崿F(xiàn)的。結(jié)果表明,采用內(nèi)部芯棒能有效地防止起皺的波紋高度和外側(cè)翼板的塌陷,翼板的等效寬厚比是影響截面局部變形程度的重要因素,采用預(yù)拉工藝能減少起皺和回彈,減小應(yīng)變硬化指數(shù)和增大軸向力有助于回彈的減小。模擬過程中,管坯采用的是計算效率較低的八節(jié)點(diǎn)六面體單元,并且為提高該單元的彎曲性能,還采用了假設(shè)應(yīng)變公式,這又進(jìn)一步降低了計算的效率。YangJB和JeonBH等采用軟件PAM-STAMP對一汽車用管材零件拉桿的繞彎和壓彎過程進(jìn)行了三維彈塑性有限元模擬,獲得了橫截面形狀變化和壁厚變薄率與成形參數(shù)之間的關(guān)系。模擬過程中采用的是庫侖摩擦模型,并將材料視為各向同性。研究發(fā)現(xiàn)管材和防皺塊之間的間隙是影響起皺的主要因素,隨著彎曲半徑的減小,截面畸變和壁厚減薄率將會增大。另一方面,還有一些學(xué)者致力于針對特定的彎曲工藝開發(fā)相應(yīng)的專用管材彎曲有限元軟件進(jìn)行分析。在開發(fā)過程中,為簡化起見,一般采用二維或三維剛塑性有限元法進(jìn)行分析。日本學(xué)者田中伸司等采用二維剛塑性FEM分析管材繞彎過程。他們將內(nèi)部有液壓負(fù)荷的圓管和方管,采用環(huán)狀模進(jìn)行模擬,即將圓管和方管繞彎過程簡化為二維準(zhǔn)軸對稱問題進(jìn)行近似三維分析,通過有限元模擬獲得斷面形狀的變化,研究了液壓力對方管和圓管斷面形狀的影響。胡福泰針對局部加熱無模彎管過程建立了簡化的有限元模型,開發(fā)了相應(yīng)的可預(yù)報管材彎曲后斷面畸變的三維剛塑性有限元程序,但該程序只適用于局部加熱無模彎管的穩(wěn)態(tài)變形階段。林艷將所建立的薄壁管材彎曲起皺能量預(yù)測準(zhǔn)則,結(jié)合三維剛塑性有限元數(shù)值模擬方法,開發(fā)了薄壁管數(shù)控彎曲成形過程的起皺數(shù)值預(yù)測系統(tǒng),可實現(xiàn)起皺的快速數(shù)值預(yù)測。在模擬系統(tǒng)開發(fā)過程中,提出了針對薄殼的相對自由度與絕對自由度相結(jié)合的殼單元,便于速度邊界條件的處理;采用了三次因式法確定收斂因子,提高了計算效率,改善了收斂性。采用該系統(tǒng)研究了鋁合金和不銹鋼薄壁管數(shù)控彎曲成形過程的變形特點(diǎn),揭示了不同成形參數(shù)對由起皺所決定的管坯最小彎曲半徑(彎曲成形極限)的影響規(guī)律。張旭光基于三維剛塑性有限元法獲得的管數(shù)控彎曲加載過程中的場變量信息,采用所建立的數(shù)控彎曲回彈預(yù)測模型實現(xiàn)了管材彎曲回彈的快速預(yù)測。由于剛塑性有限元法較彈塑性有限元法的求解速度快,并且獲得的信息較理論解析的豐富和準(zhǔn)確,因此將剛塑性有限元法和理論解析結(jié)合起來對管材彎曲起皺和回彈進(jìn)行預(yù)測是一種可行和可靠的途徑。雖然,目前對管材彎曲成形的數(shù)值模擬研究并不完善,主要集中于熱彎、矩形管材彎曲和純彎曲,并且采用商用軟件進(jìn)行模擬的多,針對圓管數(shù)控彎曲研究的較少,但已顯示了無比的優(yōu)越性和強(qiáng)大的生命力。4帶芯彎管工藝設(shè)計對管材彎曲工藝及工模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和改進(jìn),提高彎曲成形精度和質(zhì)量一直是工程技術(shù)人員所追求的目標(biāo)。目前這些研究主要局限于