薄壁不銹鋼管數(shù)控繞彎成形數(shù)值仿真及工藝研究

馮蘇樂,簡翰鳴,李年富,王業(yè)偉,徐愛杰,楊學(xué)勤

(上海航天精密機械研究所,上海201600)

0 引言

不銹鋼薄壁彎管具有強度高、輕量化等特性,在運載火箭增壓輸送系統(tǒng)管路中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)彎管成形工藝為模具壓制半邊管后對焊成形,存在焊后變形大、尺寸精度低、手工校形和修配工作量大等問題,如圖1所示;而采用數(shù)控繞彎工藝可有效解決傳統(tǒng)工藝成形難題。近年來,國內(nèi)外學(xué)者針對數(shù)控繞彎過程缺陷開展了大量研究,林艷等[1]研究了薄壁彎管成形過程中容易產(chǎn)生的缺陷形式,并給出了成形方法;鄂大辛等[2]通過大量彎管工藝試驗,分析了不銹鋼等管材彎曲成形過程中材料變化,截面畸變等缺陷;武世勇等[3]采用ANSYS等數(shù)值模擬軟件對彎管零件成形進(jìn)行有限元分析,并對成形后的產(chǎn)品尺寸與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證;國外AI-Qureshi等[4]采用彈塑性理論對彎管成形進(jìn)行分析,得出了近似公式用以預(yù)測回彈及殘余應(yīng)力。本文采用理論分析與試驗結(jié)合的方法,利用有限元仿真軟件Dynaform對彎管成形工藝參數(shù)進(jìn)行研究,實現(xiàn)了薄壁不銹鋼彎管一體化成形。

圖1 傳統(tǒng)拼焊工藝制得的彎管Fig.1 Traditional tailor welded elbow

1 成形工藝分析

數(shù)控繞彎成形原理如圖2(a)所示。管材一端由夾緊塊壓緊在彎曲輪鑲塊上,在管材與彎曲輪切點附近外側(cè)裝有壓塊,內(nèi)側(cè)裝有防皺塊,管件內(nèi)部有芯棒與芯頭支撐,當(dāng)彎曲輪繞機床主軸轉(zhuǎn)動時,管件就繞彎曲輪逐漸彎曲成形[5]。該方法可以一次整體成形出彎管零件,消除了兩條焊縫,避免了焊后變形和焊接缺陷的產(chǎn)生[6]。

圖2 數(shù)控彎管示意圖Fig.2 Schematic diagram of numerical control bending

本文試驗的彎管零件壁厚為0.8mm,管材外徑為φ65mm,相對彎曲半徑為1.8D(D為管材外徑),屬于薄壁小彎曲半徑彎管,如圖2(b)所示,材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。在現(xiàn)有的數(shù)控繞彎方法中,針對小彎曲半徑薄壁管(壁厚＜1mm)極易產(chǎn)生起皺、畸變、開裂等缺陷,從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。其中,壁厚減薄率及型面畸變量常作為衡量彎管質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,壁厚減薄率為Δt=(t-t′)/t×100%(t為原始壁厚,t′為彎曲后最小壁厚),截面畸變率為ΔD=(D-D′)/D×100%(D為管材外徑,D′為彎曲后縱向管徑)[7]。針對運載火箭增壓輸送系統(tǒng)彎管零件,其產(chǎn)品質(zhì)量要求相對普通彎管更高,即截面畸變率要求≤5%,產(chǎn)品減薄率≤20%,同時要求零件表面無起皺等缺陷。因此,如何控制零件變形,保證材料流動均勻,避免彎曲過程出現(xiàn)上述缺陷成為本文研究的重點。

針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸,確定了成形工藝參數(shù),包括:夾塊尺寸L1,壓塊/防皺塊尺寸L2,芯棒伸出量e,芯棒直徑d′,彎曲速度V1、V2,毛坯尺寸Q,芯頭直徑d等。

1)夾塊尺寸L1根據(jù)公式L1=(2～3)D,確定L1=130mm。

2)壓塊/防皺塊尺寸L2根據(jù)式(1)確定

式中,α為所彎管材最大彎曲角度,D為管材外徑,R1為彎曲輪彎曲半徑。通過計算得到L2=230mm。

3)芯棒伸出量e根據(jù)式(2)[8]確定

式中,R為相對彎曲半徑,單位為mm;d0為管材內(nèi)徑,單位為mm;x為管材內(nèi)壁與芯棒間隙,x一般取(9%～12%)t(t為管材壁厚),單位為mm。通過計算得到e=5.45mm。

4)芯棒直徑d′根據(jù)公式d′=d0-x,確定d′=63.32mm。

5)毛坯尺寸Q按零件理論展開尺寸加夾塊余量,得到Q=600mm。

減薄率和畸變量不僅和材料的力學(xué)性能參數(shù)有關(guān),還與芯頭直徑縮減量、彎曲速度等工藝參數(shù)有關(guān)。在初始工藝參數(shù)設(shè)置條件下,本文主要研究彎曲速度、芯頭直徑縮減量等工藝參數(shù)對成形過程的影響。

1)彎曲速度V包括助推速度V1和夾塊彎曲速度V2,為保證彎曲過程變形均勻,一般要求V=V1=V2。針對薄壁管彎曲成形,分析彎曲速度V對零件減薄及型面畸變情況的影響。

2)由于零件彎曲角度大且壁薄,因此為防止產(chǎn)生截面畸變,需要多個芯頭彎曲成形,而每個芯頭的直徑不盡相同,單個芯頭直徑d1、d2、d3應(yīng)距離芯棒由近至遠(yuǎn)而逐漸減小,因此縮減量δ定義為δ=d1-d2=d2-d3,該縮減量對于零件壁厚及畸變的控制尤為重要,因此本文研究縮減量δ對零件壁厚及畸變程度的影響。

2 仿真分析

2.1 數(shù)值模擬模型建立

數(shù)控繞彎過程是集材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性的大位移、非穩(wěn)態(tài)塑性成形過程[9]。利用有限元分析軟件Dynaform以及與之相配套的有限元求解器LS-DYNA,對彎曲成形過程進(jìn)行有限元仿真。首先對1Cr18Ni9Ti不銹鋼力學(xué)性能進(jìn)行分析,在完成單向拉伸性能試驗后利用板材成形性能實驗機BHB-80對材料成形極限測試,由試樣獲得的極限應(yīng)變點,進(jìn)行二次曲線最小二乘擬合,得到擬合的FLD曲線見公式(3)[10],并將材料性能數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行仿真。仿真成形模型包括芯棒、芯頭、防皺塊、彎曲輪、壓塊、夾緊塊和鑲塊構(gòu)成[11],如圖3所示。1Cr18Ni9Ti的擬合FLD曲線為

圖3 彎管成形有限元模型Fig.3 Finite element analysis model

2.2 模擬結(jié)果

分別分析彎曲速度V=1mm/s～10mm/s條件下彎曲后管材的壁厚減薄和畸變情況,圖4為數(shù)值模擬計算結(jié)果。從圖4中可知,管材壁厚減薄率首先隨彎曲速度的增加迅速下降,當(dāng)彎曲速度增加到7mm/s時,管子壁厚變薄率減小至19%;此后隨著彎曲速度的增加,管子壁厚增厚趨勢有所上升,而截面畸變率在3%～6.4%之間趨于平緩變化。這表明彎曲速度的適當(dāng)增加有利于促進(jìn)變形區(qū)材料的流動補充,減少局部大變形的可能性,降低零件彎曲過程減薄率,但過快的彎曲速度將增大助推力和摩擦力,導(dǎo)致減薄趨勢上升,而截面畸變程度與彎曲速度的關(guān)系不大。

芯頭直徑縮減量對零件壁厚及畸變程度的變化如圖5所示,從圖5中可知,當(dāng)芯頭直徑縮減量δ從0.1mm增大至1.0mm過程中,初始階段隨著δ的增加,壁厚減薄率在逐漸減小。當(dāng)δ達(dá)到0.7mm時壁厚減薄趨于平緩,此時壁厚最大減薄率為18%。

圖4 彎曲速度對成形質(zhì)量的影響Fig.4 Effect of bending speed on forming quality

圖5 芯頭直徑縮減量對成形質(zhì)量的影響Fig.5 Effect of core diameter reduction on forming quality

截面畸變率隨著δ的增加呈現(xiàn)逐步上升趨勢,由最初的1%(δ=0.1mm)逐步增加至5%(δ=0.8mm),隨著δ繼續(xù)增加截面畸變率開始迅速增大。這是由于隨著芯頭縮減量的增加,彎曲過程中芯頭與管壁的間隙逐漸增大,摩擦阻力減小導(dǎo)致零件壁厚減薄率降低,但間隙的增大造成管材內(nèi)部支撐不足使截面畸變趨于嚴(yán)重,根據(jù)模擬結(jié)果,當(dāng)δ在0.6mm～0.8mm范圍內(nèi)時,可使材料減薄與截面畸變達(dá)到相對平衡。

綜上所述,相對于彎曲速度指標(biāo),芯頭直徑縮減量δ對零件成形過程中的壁厚減薄及截面畸變影響更大。

3 彎曲成形試驗

3.1 試驗條件

在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上,利用CNC單模液壓彎管機W27YPC-74(見圖6)進(jìn)行了彎管試驗。初始工藝參數(shù)設(shè)置如下:管坯尺寸為φ65mm×0.8mm×600mm,彎曲半徑為122.5mm,彎曲角度設(shè)定為80°,芯棒伸出量調(diào)整為5mm,芯棒參數(shù)為φ63.4mm×300 mm,芯頭采用鉸鏈連接,個數(shù)為3。

圖6 數(shù)控繞彎試驗?zāi)＞逨ig.6 Numerical control bending device

3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

在初次試驗過程中,為便于后續(xù)修模,設(shè)定芯頭縮減量為0,即各芯頭直徑保持一致,在此條件下,試驗不同彎曲速度對成形過程的影響,當(dāng)助推速度V1大于夾塊速度彎曲速度V2時,造成管材內(nèi)側(cè)產(chǎn)生較大的起皺變形,如圖7(a)所示。調(diào)整助推速度V1與夾塊速度彎曲速度V2匹配后,管材起皺變形消除,如圖7(b)所示。根據(jù)實驗可知,當(dāng)V1=V2=8mm/s時,成形零件壁厚相對均勻,此時零件減薄量在25%左右,截面畸變率為2%。

圖7 成形過程起皺缺陷及消除Fig.7 Wrinkle defects in forming and elimination

在第一步基礎(chǔ)上,進(jìn)一步修模試驗不同芯頭直徑縮減量δ對成形過程的影響。當(dāng)δ為0.3mm時,經(jīng)過試驗零件的減薄量降低至22%,而截面畸變率增大至3%;進(jìn)一步增加δ至0.6mm時(如圖8所示),產(chǎn)品彎曲后最小壁厚0.65mm,壁厚減薄量為18.8%,最大截面畸變量為4%,在滿足零件壁厚條件下,管材外側(cè)受到芯頭的有效支撐,變形相對較均勻,兩指標(biāo)相對均衡,滿足設(shè)計要求;再增大δ至1.0mm時(如圖9所示),此時零件截面畸變率迅速增大至7%,由于外側(cè)管壁無法受到有效支撐,彎曲后零件產(chǎn)生較大程度畸變。

最終成形的合格產(chǎn)品如圖10所示。

圖8 芯頭直徑縮減量δ0.6mm試驗結(jié)果Fig.8 Test of core diameter reduction 0.6mm

圖9 芯頭直徑縮減量δ1.0 mm試驗結(jié)果Fig.9 Test of core diameter reduction 1.0mm

圖10 合格彎管零組件Fig.10 Bending forming tube

3.3 顯微組織分析

為分析成形后材料內(nèi)部顯微組織的變化情況,分別在彎管A區(qū)域、B區(qū)域以及母材C區(qū)域(對應(yīng)位置見圖8(a))進(jìn)行取樣,如圖11所示。從圖11中可以看出,非變形區(qū)材料晶粒呈均勻分布,在變形區(qū)域A(管材外側(cè)),材料受到拉應(yīng)力作用,晶粒沿壓延方向伸長,組織更為細(xì)密,成行排列的方向性更明顯,加上彎曲變形的存在,形成形變強化效果,相對母材區(qū)域該處強度得到提高;在變形區(qū)域B(管材內(nèi)側(cè)),由于材料受到壓應(yīng)力作用,纖維狀組織方向性排列不明顯,形變強化導(dǎo)致零件強度得到提高。

圖11 不同區(qū)域顯微組織(200X顯微鏡,浸蝕劑:FeCl3溶液)Fig.11 Microstructure of different regions(200X microscope,corrosion:FeCl3 solution)

3.4 產(chǎn)品試生產(chǎn)

在工藝試驗基礎(chǔ)上,開展了彎管零件試生產(chǎn)工作,并針對試生產(chǎn)過程中遇到的實際問題進(jìn)行了歸納總結(jié),形成了如下經(jīng)驗要點:

1)根據(jù)管材規(guī)格選擇合適的芯頭,一般芯頭與管材單面間隙為0.1mm～0.3mm;

2)各芯頭應(yīng)按直徑從大至小進(jìn)行裝配,距離芯棒最近球節(jié)直徑最大,依次排列;

3)各芯頭與卡環(huán)裝配應(yīng)保證牢固、可靠,避免產(chǎn)生偏心、阻塞;

4)當(dāng)最小芯頭磨損至直徑小于管徑10%以上時,需更換芯頭;

5)不銹鋼數(shù)控彎曲試生產(chǎn)過程中常見的質(zhì)量缺陷和解決方法,具體如表1所示。

表1 不銹鋼數(shù)控彎曲試生產(chǎn)過程中常見的質(zhì)量缺陷和解決方法Tab.1 Common quality defects and solutions in stainless steel NC bending

4 結(jié)論

本文研究了芯頭縮減量、彎曲速度等工藝參數(shù)對數(shù)控繞彎的影響,得到在彎曲速度為8mm/s,減小芯頭縮減量為0.6mm時,成形零件截面畸變不超過4%,最小壁厚0.65mm。成功制得了不銹鋼薄壁彎管零件,采用改進(jìn)工藝具有如下優(yōu)勢:

1)零件成形可靠性高。采用數(shù)控彎曲可以一次整體成形出彎管零件,消除了兩條焊縫,消除了焊接過程中產(chǎn)生的焊接變形和焊接缺陷,且成形零件壁厚均勻,整體質(zhì)量好,可靠性高。

2)成形工序少。采用數(shù)控彎曲成形工藝,減少了鈑金修配、半邊管縱縫焊接、焊后鉗工修配等4道工序,將原先11道成形工序減少為7道。

3)成形精度高。數(shù)控彎曲成形工藝可以避免傳統(tǒng)彎曲工藝中容易出現(xiàn)的起皺和截面畸變等失效形式,可以提高大多數(shù)彎管的成形精度,如圖12所示,從而整體提升火箭產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。

圖12 不同工藝方法零件外觀對比Fig.12 Appearance comparison between different forming methods