數(shù)控彎管機(jī)彎曲回彈對(duì)成型質(zhì)量影響的分析

汪鵬飛，李殿起，張少華，王帥帥

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

數(shù)控彎管機(jī)彎曲回彈對(duì)成型質(zhì)量影響的分析

汪鵬飛，李殿起，張少華，王帥帥

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

在管件彎曲成型過程中，管件的回彈特性對(duì)管件成型質(zhì)量的影響至關(guān)重要，回彈量是衡量管件質(zhì)量和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究彎管彎曲原理及變形成型的過程，分析回彈量及工藝參數(shù)對(duì)管件彎曲成型中外徑拉裂、內(nèi)徑擠壓、回彈和管壁變形的影響，推導(dǎo)出相對(duì)壁厚、相對(duì)彎曲半徑等工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量影響的計(jì)算公式，彎曲管件的受力分析，得出相對(duì)彎曲半徑對(duì)管件壁薄厚的變化有影響，驗(yàn)證了回彈是管件彎曲力卸載后的固有特性。并對(duì)彎管工藝參數(shù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，通過對(duì)回彈量及工藝參數(shù)的計(jì)算推導(dǎo)，得出的數(shù)據(jù)對(duì)降低管件彎曲成型出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷有參考價(jià)值和理論意義。

回彈；成型質(zhì)量；工藝參數(shù)；相對(duì)壁厚；相對(duì)彎曲半徑

0 前言

數(shù)控彎管管材由于塑形、韌性、輕量、性能高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空、航海、鐵路以及輕工業(yè)等領(lǐng)域，這對(duì)數(shù)控彎曲管材的精度、性能要求就更高。而決定數(shù)控彎管零件成型質(zhì)量的主要因素是回彈量，回彈工藝的處理嚴(yán)重制約著彎曲技術(shù)的水準(zhǔn)?；貜検菑澢芗谛遁d彎曲力之后的固有特性，所以回彈是彎曲管件成型過程中影響質(zhì)量不可消除的因素[1-4]。因此,對(duì)彎管管件彎曲成型過程中出現(xiàn)的回彈特性及原理進(jìn)行重點(diǎn)分析，進(jìn)而了解成型參數(shù)對(duì)回彈特性的影響，提高了數(shù)控彎管彎曲技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)彎曲成型工藝(圖1毛坯坯彎曲成型)可知管件在彎曲成型中會(huì)出現(xiàn)很多缺陷，有彎曲破裂、彎曲變形、凸起、并在受力彎曲時(shí)管壁的外凸側(cè)受拉應(yīng)力而變薄，外凹側(cè)受擠壓而變厚，這是困擾管件彎曲的難題。本課題研究了管件彎曲成型的機(jī)理，利用受力分析原理分析了回彈在彎曲成型中的關(guān)系，建立了回彈量數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合數(shù)控彎曲工藝參數(shù)分析彎曲半徑、彎曲角度對(duì)成型質(zhì)量的影響，推導(dǎo)出了工藝參數(shù)變化對(duì)管件薄厚及橫截面變形的關(guān)系。研究工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響是彎曲管件彎曲成型的主要目的，為彎曲成型過程、彎曲加工參數(shù)分析、回彈分析、彎管質(zhì)量提供了理論分析[5]。

圖1 毛坯件彎曲成型

1 彎管彎曲機(jī)理及成型過程

管件隨送料小車進(jìn)入夾模中，受到壓膜施加的壓力開始彎曲變形，管坯外凸側(cè)受到正向力而拉伸變長(zhǎng)，內(nèi)凹側(cè)受到正向擠壓而縮短，受力過程中管件發(fā)生不同形變，使彎曲曲率和彎曲角度發(fā)生變化。隨著外力不斷增加，彎曲變形的程度也增大。管件在整個(gè)變形過程中由彈性彎曲變形階段到塑形彎曲變形階段，圖2所示管件彎曲變形受力分布。

圖2 管件彎曲變形受力分布

彈性彎曲變形過程：管坯在彈性變形階段，正應(yīng)力沿軸向橫截面呈線性分布，有胡克定律公式可知

σ=Eε

(1)

式中，σ為正應(yīng)力；比例系數(shù)E為材料的彈性模量；ε表示應(yīng)變。

應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦示€性關(guān)系，所以管件切應(yīng)力為零的軸向應(yīng)力中性層與應(yīng)變中性層相互重合且與管件軸心重合。管件以軸心線為界，可將管材變形分為拉伸變形和壓縮變形兩部分，且應(yīng)力分布均勻，如圖3所示管件彎曲變形應(yīng)力分布。

圖3 管件彈塑變形及應(yīng)力分布

塑性彎曲變形過程：當(dāng)管件經(jīng)過彈性變形時(shí)，若卸載外力管件將完全恢復(fù)原形，若繼續(xù)施加外力，管件將產(chǎn)生塑性變形，管件外層與內(nèi)層結(jié)構(gòu)首先達(dá)到材料應(yīng)力的屈服極限值。管件在塑性變形下不能完全恢復(fù)原形，材料變形屬性發(fā)生變化。此時(shí)應(yīng)力中性層與應(yīng)變中性層發(fā)生偏移，中性層偏離截面中心軸線，而曲率ρ隨著彎曲變形的增大向曲率中心偏移，應(yīng)力變化量大于應(yīng)變變化量，所以當(dāng)彎曲塑性變形不大時(shí)，其受力分析計(jì)算的變化量可以不考慮。隨著外力的不斷增加，管材外層、內(nèi)層及中性層都將發(fā)生塑性變形[7]。外力卸載后管件保持一定量的彎曲變形而成型，但很多管件在彎曲成型后，由于部分彈性變形恢復(fù)而形成回彈現(xiàn)象。

2 數(shù)控彎管受力及回彈量的分析

管件彎曲時(shí)，彎曲區(qū)內(nèi)凹側(cè)受壓應(yīng)力；外凸側(cè)受拉應(yīng)力。當(dāng)撤去外部施加力時(shí)，管件會(huì)發(fā)生兩種平衡情況，即彈性變形和塑性變形。當(dāng)施加的外力卸載后，兩種變形都會(huì)發(fā)生彈性恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱之為管件的回彈特性?；貜検枪芗墓逃刑匦詿o法完全消除，回彈引起的后果是管件要求的形狀與模具實(shí)際形狀有偏差，偏差會(huì)降低管件的性能和質(zhì)量。

2.1 管件彎曲受力計(jì)算分析

圖5 管件彎曲產(chǎn)生的楔角

管件彎曲的切向應(yīng)變分析；彎曲變形后導(dǎo)管中心發(fā)生偏移，彎曲半徑增大，所以計(jì)算彎曲半徑應(yīng)考慮變化量，則

Rω=R+Rmsinω

(2)

彎曲變形外徑

R外=R+Rm

(3)

由三角函數(shù)定理

(4)

由圖5可知：

Ψ=π-γ-β

(5)

(6)

即

Rm)sinβ/(R+Rmsinω)]-β}

(7)

中性層L中為

L中=(R-Rmsinα)·{π-arcsin[(R+

Rm)sinβ/(R-Rmsinα)]-β}

(8)

arcsin[(R+Rm)sinβ/(R-Rmsinα)]-β}

(R+Rmsinω)θ+(R+Rmsinω)·{π-

(9)

由式(9)可知管件應(yīng)變與彎曲半徑、偏移量、楔角有關(guān)。由圖2可知管件受力，根據(jù)工程力學(xué)強(qiáng)度理論得厚應(yīng)變

εt+εR+εD=0

(10)

εD=0?εt=-εR

(11)

管件受力彎矩計(jì)算，彎矩M的計(jì)算公式

(12)

管件橫截面面積A為 dA=tRmdω

式中，t表示管件壁厚度；Rm為平均半徑。

2.2 管件回彈量的數(shù)學(xué)分析

用R、θ分別表示管件彎曲半徑、彎曲角度，消除施加外力后，管件維持一定的變形量而成型，由于管件有回彈特性，加工彎管時(shí)應(yīng)考慮回彈量對(duì)管件的影響。在計(jì)算分析回彈量時(shí)，假設(shè)有一大小相等的彎矩M′在相反方向施加彎矩力，則M=M′管件彎曲成型后中性層不發(fā)生變化。

θρ=θ′ρ′

(13)

式中，θ為加工前彎曲角度；θ′為成型后彎曲角度；ρ為加工前曲率；ρ′為成型后曲率。

則回彈變化量為

Δθ=θ-θ′

(14)

由式(13)代入可知

(15)

管件彎曲過程中，管件的總變形量分為彈性階段彈性變形量和塑性階段彈性變形部分恢復(fù)后的變形量。若ε為總變形量，ε′為彈性變形量，ε″為塑性階段殘余變形量，可知：

ε=ε′+ε″

(16)

環(huán)形圓心的慣性矩

(17)

整理管件彎曲各應(yīng)變值可知

(18)

將各式代入式(15)整理可得回彈量

(19)

2.3 影響回彈量的參數(shù)

通過對(duì)管件彎曲回彈的分析可知，影響管件回彈的因素很多，并且方式也很復(fù)雜，從管件參數(shù)方面可分為三類：

(1)管件材料的的固有屬性，有回彈量公式可知材料的彈性模量E越小，管件材料系數(shù)n越小，回彈量Δθ就越大[6]。

(2)管件其他參數(shù)不變，管件相對(duì)彎曲半徑越大，即管件變形量就越小，回彈量越大。

(3)管件彎曲角度對(duì)回彈量也有影響，管件彎曲角度越大，則管件變形區(qū)域就越大，但單位區(qū)管件變形就縮小，變形所占比例增大，回彈量也增大。

3 影響管壁薄厚變化的參數(shù)

對(duì)管件彎曲成型質(zhì)量影響的因素很多，尤其對(duì)管件受力后管壁薄厚變化的影響，分析每一個(gè)參數(shù)對(duì)管件壁厚的影響很困難，相對(duì)彎曲半徑和彎曲角度是影響管件壁薄厚的主要因素，因此僅分析這兩參數(shù)的影響規(guī)律[8-10]。

(1)彎曲半徑對(duì)管壁薄厚變化的影響。對(duì)回彈量的分析表明，隨著相對(duì)彎曲半徑的增大，管件變形程度減小，則管件壁厚的變化量也減小。

(2)彎曲角度對(duì)管壁薄厚變化的影響。彎曲角對(duì)管件壁厚的影響是壁厚變化量隨彎曲角的增大而增大，減小而減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了數(shù)控彎管設(shè)備加工過程中出現(xiàn)的回彈現(xiàn)象，并對(duì)回彈量進(jìn)行了詳細(xì)分析與數(shù)學(xué)建模，分析了管件彎曲過程中的受力情況，以及管件受力對(duì)回彈量的影響。還分析了回彈量與管件工藝參數(shù)的關(guān)系，回彈量對(duì)管件質(zhì)量的影響，解決了管件加工過程需要考慮的工藝參數(shù)、材料參數(shù)等數(shù)據(jù)。實(shí)踐表明理論分析為彎管加工提供了實(shí)際參考數(shù)據(jù)和理論支持。

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The effect of pipe bending springback on the formingquality of CNC pipe bender

WANG Peng-fei，LI Dian-qi，ZHANG Shao-hua，WANG Shuai-shuai

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

In the pipe bend forming process, the springback characteristic is very important to the pipe forming quality, and the springback amount is a key link to measure pipe quality and performance. The bend deformation principle and forming process of bend pipe were studied. Through analyzing the process parameters and springback amount effect on the outside diameter cracking, inside diameter extrusion, springback and pipe wall deformation in the pipe bend forming, it obtained formula that reflected the influence of relative bending radius and relative wall thickness on forming quality, meanwhile, it also got the affect of relative bending radius on the pipe wall thickness change by analyzing the pipe force. All above proved that springback is an inherent characteristic after the pipe bending force is unloaded. The process parameters of bending pipe were analyzed mathematically.The data come from the springback and process parameters have reference value and theoretical significance to reduce the quality defect of pipe bending forming.

springback;forming quality;process parameter;relative wall thickness;relative bending radius

TH162

A

1001-196X(2017)05-0042-04

2017-01-25；

2017-03-17

汪鵬飛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻饘俟懿臄?shù)控彎曲及仿真分析。