不同工藝參數(shù)下旋轉(zhuǎn)彎管的成形性能仿真分析

詹玉婷，王禹祺，張明亮，牛玉民，靳凱

1南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院；2舞鋼三和盛機(jī)械制造建筑安裝有限責(zé)任公司

1 引言

換熱器在核電站、空調(diào)、汽車以及能源等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，換熱管是換熱器的重要組成部分，具有三維回轉(zhuǎn)特征，空間形狀復(fù)雜多變，成形精度高，在換熱器中起重要作用[1-3]。

傳統(tǒng)彎曲技術(shù)包括拉彎成形、滾彎成形、壓彎成形和繞彎成形等。拉彎成形一般需要提高型材成品率[4]，過(guò)程很復(fù)雜，影響拉彎成形的因素很多，包括型材的截面與結(jié)構(gòu)、拉彎工藝形式和拉彎設(shè)備的參數(shù)等[5]。滾彎成形是通過(guò)旋轉(zhuǎn)滾軸彎曲成形板材和型材的過(guò)程，型材的長(zhǎng)度不受任何限制，缺陷少[6]，該工藝成形精確[7]，適合生產(chǎn)單件、小批量型材彎曲件。壓彎成形通常指通過(guò)機(jī)械加壓的方式將彎矩施加到金屬板料上進(jìn)而成形，整體壁板通常采用壓彎成形[8]，這種成形方法效率較高。繞彎成形是彎管成形中較常用的工藝，在整個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生回彈[9]，高強(qiáng)度不銹鋼材料可以通過(guò)繞彎成形[10]。

三維自由彎曲成形技術(shù)是一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新[11-15]，與傳統(tǒng)的彎管成形工藝相比一般具有以下優(yōu)點(diǎn)：管坯的彎曲半徑可以實(shí)時(shí)變化；可以成形各種形狀復(fù)雜的空間構(gòu)件，如U形管和螺旋形彎管等；成形管質(zhì)量高。由于三維自由彎曲技術(shù)存在一定的局限性，不適于成形具有三維回轉(zhuǎn)特征的管材。

本文提出的空間定/轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)彎管技術(shù)，其控制部分成形模具固定，控制部分成形模具轉(zhuǎn)動(dòng)，使管材逐漸靠模成形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)塑性變形，得到具有三維回轉(zhuǎn)特征的管材。相較于傳統(tǒng)彎曲技術(shù)和三維自由彎曲成形技術(shù)，此技術(shù)為空間復(fù)雜三維回轉(zhuǎn)彎曲管材的成形提供了一種便捷的思路。

2 建立模型

2.1 材料及有限元模型

304L奧氏體不銹鋼具有良好的塑性和耐腐蝕性，高溫下的強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛。選取304L不銹鋼作為仿真材料，其材料屬性見(jiàn)表1。

表1 304L不銹鋼的材料屬性

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)管材進(jìn)行仿真。管材為304L不銹鋼，成形模具形狀為非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則形狀，因此設(shè)置為離散剛體模式，單元類型為C3D10M。管材采用殼體，網(wǎng)格單元類型為S4R。由于全局接觸計(jì)算量很大，為節(jié)省時(shí)間，管材和模具間采用面-面接觸。由于兩邊成形模具導(dǎo)向孔的圓弧過(guò)渡區(qū)不規(guī)則，為減小誤差，對(duì)其進(jìn)行局部細(xì)化，所建有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 有限元模型

2.2 成形裝置參數(shù)的影響

通過(guò)改變定/轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)彎管成形裝置參數(shù)探究對(duì)成形管材工藝參數(shù)的影響。這里的裝置參數(shù)分別為間隙、導(dǎo)向長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)方式，而管材的工藝參數(shù)分別為殘余應(yīng)力和減薄率。成形裝置的間隙是管材通過(guò)導(dǎo)向孔時(shí)與導(dǎo)向孔徑之間的距離；導(dǎo)向長(zhǎng)度是導(dǎo)向孔的直線距離(見(jiàn)圖2)。

圖2 裝置間隙和導(dǎo)向長(zhǎng)度

成形裝置的旋轉(zhuǎn)方式是兩邊模具保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，中間模具單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)，二者相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。本文采用三種旋轉(zhuǎn)方式：圖3a是方式1，指兩邊成形模具固定，中間成形模具旋轉(zhuǎn)90°，帶動(dòng)管材成形；圖3b是方式2，指中間成形模具固定，兩邊成形模具旋轉(zhuǎn)90°，帶動(dòng)管材成形；圖3c是方式3，指兩邊成形模具和中間成形模具一起轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，帶動(dòng)管材成形。

圖3 三種不同的旋轉(zhuǎn)方式

通過(guò)控制變量法分別討論不同模具間隙、導(dǎo)向長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)方式對(duì)管材工藝參數(shù)的影響(見(jiàn)表2)。

表2 管材有限元仿真方案

3 仿真結(jié)果分析

3.1 不同間隙的影響

在導(dǎo)向長(zhǎng)度15mm和方式1條件下，殘余應(yīng)力結(jié)果云圖見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，管材殘余應(yīng)力較大區(qū)域主要在中間大變形區(qū)，這主要是由于管材上、下壁表面殘余應(yīng)力均呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，變形比較大。沿成形后管材的表面選取一條路徑，考慮到管材的對(duì)稱性，選取一半進(jìn)行分析，路徑見(jiàn)圖5。

(a) (b) (c)

圖5 路徑選取

如圖6所示，導(dǎo)出該路徑上各點(diǎn)的應(yīng)力值和厚度值，可以看出，三組參數(shù)下管材的最大殘余應(yīng)力均為205MPa左右。當(dāng)間隙為0.15mm時(shí)，管材最小殘余應(yīng)力為1.2350MPa，為三組中的最大值；當(dāng)間隙為0時(shí)，管子厚度最小的位置出現(xiàn)在沿管材路徑水平距離102mm處；而當(dāng)間隙為0.15mm和0.3mm時(shí)，管子厚度最小的位置出現(xiàn)在沿管材路徑水平距離225mm處。隨著間隙的提高，管子減薄的位置發(fā)生變化，管材的減薄率隨著間隙的增大而增大；隨著初始間隙的增大，上壁變薄時(shí)下壁增厚，上壁變厚時(shí)下壁變薄，管材表面殘余拉應(yīng)力越大，變形就越大，材料減薄變化越明顯，且不斷增大。

3.2 不同導(dǎo)向長(zhǎng)度的影響

在間隙為0mm和方式1條件下，殘余應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖7。可以看出，在不同導(dǎo)向長(zhǎng)度條件下，管材殘余應(yīng)力較大的區(qū)域主要出現(xiàn)在中間大變形區(qū)域，管材較小殘余應(yīng)力體現(xiàn)在非變形區(qū)域。

(a) (b) (c)

選取相同路徑，各點(diǎn)應(yīng)力值和厚度值見(jiàn)圖8。由圖可以看出，三種導(dǎo)向長(zhǎng)度下管材最大殘余應(yīng)力相同，均為205MPa；最小殘余應(yīng)力有差別，當(dāng)導(dǎo)向長(zhǎng)度為15mm時(shí)，最小殘余應(yīng)力最小，這是因?yàn)槌尚芜^(guò)程中管材與模具接觸貼緊，初始間隙增大使管材最大變形處的變形半徑相對(duì)減小，導(dǎo)致殘余應(yīng)力值減小。三種導(dǎo)向長(zhǎng)度下，管材厚度變化較明顯的區(qū)域位于中間大變形區(qū)，而管材兩端的厚度基本無(wú)變化。當(dāng)導(dǎo)向長(zhǎng)度為15mm時(shí)，減薄率為4.65%；導(dǎo)向長(zhǎng)度為20mm時(shí)，減薄率為8.3%。這是因?yàn)樵龃髮?dǎo)向長(zhǎng)度使得模具與管材之間的摩擦力增大，加劇了材料的流動(dòng)，從而使材料減薄變化更明顯。

(a)應(yīng)力值

3.3 不同旋轉(zhuǎn)方式的影響

間隙為0mm和導(dǎo)向長(zhǎng)度為15mm的條件下殘余應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖9?？梢钥闯?，不同的旋轉(zhuǎn)方式下，管材較大的殘余應(yīng)力主要出現(xiàn)在中間大變形區(qū)域。選取相同路徑所得到各點(diǎn)應(yīng)力值和厚度值見(jiàn)圖10。

(a) (b) (c)

(a)應(yīng)力值

可以看出，方式1和方式2產(chǎn)生的最大殘余應(yīng)力基本相同(均為204MPa)，而方式3產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大(為205MPa)。由于管材為靠模成形，在方式3時(shí)材料流動(dòng)較大，因此殘余應(yīng)力也較大。三組管材厚度減小和增大的區(qū)域不同，方式3對(duì)應(yīng)的減薄率最小，為3.45%，管材成形后的厚度較均勻。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)有限元仿真證明了這種定/轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)彎管技術(shù)理論上是成立的，但還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證。

(2)在不同間隙、導(dǎo)向長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)方式下，管材的最大殘余應(yīng)力基本相同，但產(chǎn)生最大殘余應(yīng)力的位置卻有些差異，中間的大變形區(qū)域變形大且殘余應(yīng)力較大。

(3)在不同間隙、導(dǎo)向長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)方式下，管材的減薄率均不相同。在管材彎曲的過(guò)程中，伴隨著材料流動(dòng)，管材部分位置厚度增加，部分位置厚度減少。當(dāng)其他條件不變時(shí)，間隙為0mm，導(dǎo)向?yàn)?5mm和方式3這三組實(shí)驗(yàn)的減薄率最小，管材成形后的質(zhì)量較均勻，成形管材可有效減少應(yīng)力集中，管材厚度質(zhì)量較好。