管件彎曲工藝參數(shù)對(duì)截面質(zhì)量影響有限元模擬*

向　明， 葉小奔

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧　大連　116024； 2.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西　景德鎮(zhèn)　333001)

0　引 言

大口徑船用管件多采用冷彎成形工藝，GB/T 28763—2012中規(guī)定圓度≤8%，減薄率≤12%。

管件彎曲成形中存在外側(cè)減薄甚至破裂、內(nèi)側(cè)增厚甚至起皺、橫截面圓度超差等問題。管件產(chǎn)品主要檢測(cè)項(xiàng)有管件減薄、截面圓度及褶皺度。針對(duì)管件彎曲成型的質(zhì)量問題，國內(nèi)外學(xué)者們主要采用有限元模擬進(jìn)行研究。李強(qiáng)[1]采用有限元模擬TBLU7數(shù)控彎管機(jī)彎曲的過程，驗(yàn)證了TBLU7數(shù)控彎管機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。徐建美[2]等采用ABAQUS對(duì)0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管材進(jìn)行有限元彎曲模擬，分別得到了芯棒、彎曲模、壓塊的間隙等工藝參數(shù)對(duì)管件彎曲質(zhì)量的影響規(guī)律。許小妹[3]等采用ABAQUS對(duì)0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管材進(jìn)行有限元彎曲模擬，研究了芯棒伸出量對(duì)減薄、截面圓度的影響規(guī)律。余勝娟[4]等采用有限元法對(duì)圓形鋼管彎曲成形過程進(jìn)行模擬，指出了滾珠的間隙及滾珠角速度等對(duì)管材成形的影響規(guī)律。Miller J E[5]等人采用理論分析，建立曲面的彎曲變形理論研究加載對(duì)鋁材矩形管拉彎截面變形的影響。夏東強(qiáng)[6]通過有限元方法研究了材料參數(shù)、相對(duì)彎曲半徑以及壁厚等對(duì)彎管減薄和截面圓度的影響規(guī)律。劉啟騫[7]通過有限元模型分析了管壁厚度、管材直徑和變形程度對(duì)成形件截面圓度的影響。王光祥[8]等建立有限元模型，研究了薄壁管彎曲工藝參數(shù)對(duì)彎管外側(cè)拉裂、內(nèi)側(cè)褶皺及截面圓度等管件截面質(zhì)量參數(shù)的影響規(guī)律。本文利用有限元模擬大口徑船用20鋼管件數(shù)控彎曲成形過程，獲取芯棒伸出量、芯棒間隙工藝參數(shù)對(duì)彎管截面質(zhì)量的影響規(guī)律，為船用管件彎曲成形工藝參數(shù)選取提供依據(jù)。

1　彎管過程約束與載荷分析

1.1　彎管機(jī)動(dòng)作簡(jiǎn)介

圖1為彎管機(jī)裝配圖。管件加工過程如下：管件雙眼正安裝在小車卡盤上，開始彎曲時(shí)小車進(jìn)給移動(dòng)管件末端身長量至第一個(gè)起彎點(diǎn)，前卡與胎模一起旋轉(zhuǎn)進(jìn)行第一次彎管，前卡與胎模的旋轉(zhuǎn)角度稱為曲角；小車進(jìn)給至第二個(gè)起彎點(diǎn)，進(jìn)行第二次彎曲，如果是空間管件，卡盤旋轉(zhuǎn)角度，管件末端旋轉(zhuǎn)至空間位置，稱卡盤旋轉(zhuǎn)角為轉(zhuǎn)角，然后前卡胎模旋轉(zhuǎn)進(jìn)行管件彎曲，這樣依次動(dòng)作完成管件彎曲。

1.2　模擬設(shè)置

本文所研究的管件是Φ114 mm×6 mm的厚壁管，建立如圖2所示的管件數(shù)控彎曲成形模型。

圖2是船用管件彎曲成形水平投影圖。胎膜5繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，前卡1隨胎膜5回轉(zhuǎn)；前卡1與鑲塊6帶動(dòng)管件2前端隨胎膜5一起旋轉(zhuǎn)；壓板3與管件彎曲后端一起隨動(dòng)。模擬過程約束情況見表1。

1.3　實(shí)驗(yàn)獲取材料屬性

管件采用殼體單元，采用5個(gè)積分點(diǎn)計(jì)算，管件厚度按實(shí)際值6 mm。剛體材料厚度設(shè)為20 mm，采用5個(gè)積分點(diǎn)計(jì)算。管件的彈塑性模型由實(shí)驗(yàn)得到，實(shí)驗(yàn)采用d0=10 mm的圓形截面定標(biāo)距試樣，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，緩慢加載直到拉伸試樣斷裂，記錄屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及載荷—位移曲線。通過多次拉伸試驗(yàn)，得到普通船用20鋼管的材料屬性，如表2所示。

1-尾座；2-小車；3-卡盤；4-床身； 1-前卡；2-管件；3-滑板組；5-滑板組；6-主軸胎模；7-前卡4-芯棒；5-胎膜；6-鑲塊

圖1彎管機(jī)裝配圖圖2管件彎曲成形模型

表1　模擬材料和約束設(shè)置

表2　管件材料的性能參數(shù)

考慮到模型在ABAQUS有限元軟件后處理過程中運(yùn)算時(shí)間等因素，于是模型中的胎膜、芯棒、前卡、鑲塊及滑板均定義為剛體。

2　船用管件彎曲成形模擬

通過網(wǎng)格靈敏度分析，管件網(wǎng)格大小選為10 mm。劃分網(wǎng)格的管件彎曲有限元模型如圖3所示。

圖3　彎管成形有限元模型

從起彎點(diǎn)開始采樣，沿管件方向每隔50 mm均勻設(shè)置23個(gè)采樣點(diǎn)。對(duì)彎曲胎模剛體施加RZ定值角速度，彎管成形過程中壁厚變化分布云圖如圖4所示。從圖4可知:船用管件在彎曲成形中，外側(cè)出現(xiàn)減薄現(xiàn)象，內(nèi)側(cè)出現(xiàn)壁厚增加現(xiàn)象；在彎曲0°～30°角度時(shí)，內(nèi)外側(cè)壁厚變化較快，在彎曲30°～180°時(shí)，內(nèi)外側(cè)壁厚變化維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

減薄率隨彎曲角度的變化如圖5所示。由圖5可知，隨彎曲角度的增大外側(cè)減薄最大值基本不變。

截面畸變程度(圓度值)隨彎曲角度的變化如圖6所示。由圖6可知，管件彎曲區(qū)域截面圓度變形最大值隨彎曲角度的增大而增大。這是因?yàn)樵谧冃吻捌谧冃螀^(qū)域離芯棒距離較近，芯棒支撐是充分的，隨著彎曲角度的增大，變形區(qū)遠(yuǎn)離芯棒，缺乏芯棒支撐，從而導(dǎo)致截面畸變程度增大。

3　最佳工藝參數(shù)選取模擬分析

管件數(shù)控彎曲是一個(gè)復(fù)雜成形過程，受諸多工藝參數(shù)和外界約束因素影響，在這些影響因素中，較容易實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)有芯棒伸出量、芯棒與管件間隙兩個(gè)工藝參數(shù)，本文通過有限元模擬，改變芯棒伸出量、芯棒與管件間隙獲取管件截面質(zhì)量值，從而獲取合適的工藝參數(shù)范圍，以供實(shí)際管件彎曲成形工藝使用。

圖4　彎管成形過程中壁厚變化分布云圖

圖5　減薄率隨彎曲角度的變化

圖6　截面畸變程度隨彎曲角度的變化

3.1　芯棒伸出量的模擬分析

芯棒伸出量分別取20 mm、25 mm、30 mm、40 mm及50 mm，管件彎曲180°其他條件不變進(jìn)行模擬，提取動(dòng)作后的壁厚減薄率和圓度誤差，如圖7所示。

由圖7(a)可知，隨著芯棒伸出量由20 mm增加到50 mm，管件減薄率由6.91%變化為10.05%，最大減薄率由7.71%逐步增加為13.34%；當(dāng)支撐芯棒伸出量達(dá)到50 mm時(shí)其最大減薄率已超出允許值10%(允許值參考GB/T 28763—2012)。由圖7(b)可知，彎管截面圓度值隨芯棒伸出值增加而相應(yīng)地減小，圓度值由3.84%減小到1.07%，最大圓度值由5.18%減小到2.04%；當(dāng)伸出量達(dá)到50 mm時(shí)其截面圓度值出現(xiàn)負(fù)值。

從上述模擬可知芯棒伸出量對(duì)圓度和減薄率的影響：減薄率隨芯棒伸出而加大，最大值為13.34%，這是由于芯棒對(duì)外側(cè)變形區(qū)域的應(yīng)力造成的；而圓度值隨芯棒伸出量增加而減低，說明芯棒伸出值越長對(duì)管件圓度變形越有抑制作用；當(dāng)芯棒伸出值為20 mm時(shí)，圓度值超出允許值5%(允許值參考GB/T 28763—2012)，當(dāng)芯棒伸出量為40 mm、50 mm時(shí)減薄率最大值為10.04%和13.34%，也超出允許值。所以綜合兩項(xiàng)管件截面質(zhì)量指標(biāo)，確定芯棒伸出量最佳取值在25 mm～30 mm。

3.2　芯棒與管件之間間隙的模擬分析

芯棒與管件內(nèi)側(cè)單側(cè)間隙分別取0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm及4 mm，管件彎曲180°其他條件不變進(jìn)行模擬，提取動(dòng)作后的壁厚減薄率和圓度誤差，如圖8所示。

圖7芯棒伸出量對(duì)截面質(zhì)量的影響圖8芯棒與管件的單側(cè)間隙對(duì)截面質(zhì)量的影響

由圖8(a)可知，隨著芯棒與管件內(nèi)側(cè)單側(cè)間隙由0.5 mm增加到4 mm，減薄率由7.45%減小到6.25%，最大減薄率由8.38%減小到7.49%。由圖8(b)可知，彎管截面圓度值隨芯棒與管件內(nèi)側(cè)單側(cè)間隙增加而相應(yīng)地增加，圓度值由3.98%增大到6.49%。

從上述模擬可知芯棒與管件內(nèi)側(cè)單側(cè)間隙對(duì)圓度和減薄率的影響：減薄率隨芯棒間隙增大而減小，最小值為6.25%，這是由于芯棒對(duì)外側(cè)變形區(qū)域的應(yīng)力減小造成的；而圓度值隨芯棒間隙增加而加大，說明芯棒間隙越大，芯棒對(duì)管件圓度變形抑制作用越小；當(dāng)芯棒間隙為2 mm時(shí)，圓度值超出允許值5%。所以綜合兩項(xiàng)管件截面質(zhì)量指標(biāo)，確定芯棒間隙最佳取值在0.5 mm～1 mm。

4　結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)獲取材料屬性，通過ABAQUS模擬分析，研究了芯棒伸出量、芯棒與管件單側(cè)間隙兩個(gè)工藝參數(shù)對(duì)船用管件數(shù)控彎曲成形減薄率及圓度值的影響。通過模擬取得了減薄率及圓度值隨這兩個(gè)工藝參數(shù)的變化規(guī)律。通過分析可知：減薄率隨著芯棒伸出量增加而加大，圓度值隨著芯棒伸出量增加而減小，芯棒伸出量合適范圍為25 mm～30 mm；減薄率隨著芯棒與管件單側(cè)間隙增加而減小，圓度值隨著芯棒與管件單側(cè)間隙增加而增加，芯棒與管件單側(cè)間隙合適范圍為0.5 mm～1 mm。

參考文獻(xiàn)：

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