平面變曲率管件成形工藝獲取策略研究

宋朝陽(yáng)，吳建軍，徐鑫良，吳為，劉龍，喻忠平，張宗彩，王孟原，高昇

塑性成形

平面變曲率管件成形工藝獲取策略研究

宋朝陽(yáng)1，吳建軍1，徐鑫良2，吳為2，劉龍1，喻忠平1，張宗彩1，王孟原1，高昇1

（1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710000；2.中國(guó)航空制造技術(shù)院，北京 100000）

獲取平面管件在彎曲成形過(guò)程中的初始工藝參數(shù)?；谄矫鎴A弧管件彎曲成形原理，將成形管件劃分為穩(wěn)定段和過(guò)渡段。針對(duì)穩(wěn)定段，分析了平面圓弧管件的彎曲半徑與彎曲模偏移量之間的映射關(guān)系，并通過(guò)二次曲線擬合得到非線性方程，以方便預(yù)測(cè)管件穩(wěn)定區(qū)的成形工藝參數(shù)；針對(duì)過(guò)渡段，通過(guò)分析不同時(shí)間內(nèi)不同模式下彎曲模偏移量對(duì)整體管件成形的影響，以確定最佳過(guò)渡方式?；诠芗尚喂に囍R(shí)庫(kù)，提出了平面管件彎曲成形工藝參數(shù)的規(guī)劃與預(yù)測(cè)方法，并通過(guò)成形實(shí)例管件進(jìn)行了驗(yàn)證。整個(gè)管件的逼近殘差為0.230 1 mm，最大偏差為0.390 7 mm，逼近殘差和最大偏差與管件總長(zhǎng)度的比值分別為0.127 4%和0.216 2%。所提出的方法可以有效獲取平面變曲率管件的成形工藝參數(shù)。

管件成形；工藝知識(shí)；工藝規(guī)劃

管件因易于滿足輕質(zhì)量、低能耗、高強(qiáng)度、高精度和高效率等方面的要求，被廣泛應(yīng)用于大型客機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和宇宙飛船等復(fù)雜工業(yè)裝備中，用來(lái)實(shí)現(xiàn)油氣輸送或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制等功能[1]。

尚琪等[2-3]通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)分析了工藝參數(shù)對(duì)管件成形過(guò)渡區(qū)曲率波動(dòng)的影響，結(jié)果表明，隨著進(jìn)給速度的增加，工藝參數(shù)對(duì)管件過(guò)渡區(qū)成形的影響逐漸減??；隨著彎曲模彎曲速度的加倍增加，增大進(jìn)給速度會(huì)導(dǎo)致管件過(guò)渡區(qū)曲率波動(dòng)幅度增大、波動(dòng)區(qū)區(qū)間減?。辉黾优まD(zhuǎn)速度會(huì)導(dǎo)致管件過(guò)渡區(qū)曲率波動(dòng)幅度逐漸變小，而波動(dòng)區(qū)區(qū)間幾乎不變。王永安等[4-5]以管件的壁厚減薄率和截面畸變率為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用貝葉斯理論，求解了成形質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的正態(tài)分布特性，利用多目標(biāo)決策理論得到了多目標(biāo)優(yōu)化后的最優(yōu)妥協(xié)解以及質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)的可信域，最終通過(guò)反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到了滿足管件成形質(zhì)量要求的工藝參數(shù)優(yōu)化區(qū)間。李海峰等[6]根據(jù)薄壁管彎曲質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、有限元模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等大量數(shù)據(jù)，匯編了薄壁管領(lǐng)域的專家知識(shí)，研究開(kāi)發(fā)了基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的薄壁管數(shù)控彎曲知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以指導(dǎo)實(shí)際的數(shù)控彎管制造過(guò)程，并可以為操作者和專家提供快速有效的建議。Guo等[7-9]通過(guò)AA6061–T6管材的彎曲試驗(yàn)，建立了彎曲模偏移量和管件成形半徑的映射關(guān)系以預(yù)測(cè)工藝參數(shù)，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值一致，該預(yù)測(cè)方法對(duì)粉末硬化鋁合金圓管的成形具有良好的適用性。Engel等[10-11]針對(duì)三輥輪推彎成形過(guò)程進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)管件軸線曲率進(jìn)行了分析，并且針對(duì)成形過(guò)渡區(qū)曲率分布表現(xiàn)出來(lái)的震蕩現(xiàn)象提出了優(yōu)化方法：通過(guò)改變模具的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)減小過(guò)渡段長(zhǎng)度；通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)過(guò)渡段長(zhǎng)度減小后，曲率震蕩區(qū)域也相應(yīng)減小，整段管件軸線的曲率分布更加均勻。Song等[12]基于Abaqus有限元分析軟件，比對(duì)了顯式和隱式算法成形后的回彈過(guò)程以及Abaqus有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還研究了C3D8R單元和SC8R單元類型對(duì)回彈預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的影響，發(fā)現(xiàn)C3D8R單元和SC8R單元的預(yù)測(cè)精度要高于S4R單元的，SC8R單元的計(jì)算效率則低于C3D8R單元的。郭玲等[13-14]總結(jié)了工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，說(shuō)明了工程數(shù)據(jù)庫(kù)是面向工程應(yīng)用的，并介紹了幾何特征、物理特征、工藝特征和其他實(shí)體特征之間的關(guān)系。Zhang等[15-16]和Wu等[17-20]研究了彎曲半徑、扭轉(zhuǎn)角、殘余彎曲半徑和殘余扭轉(zhuǎn)角之間的聯(lián)系，提出了管件成形過(guò)渡區(qū)的幾何描述方法，并在此基礎(chǔ)上建立了過(guò)渡區(qū)幾何特征參數(shù)集與工藝參數(shù)集的映射關(guān)系，并基于Frenet標(biāo)架的空間管件拼接逼近技術(shù)完成了從目標(biāo)形狀到工藝模型的轉(zhuǎn)換方案，提出了一種預(yù)測(cè)工藝參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男虏呗浴狟&T技術(shù)，并進(jìn)行了常見(jiàn)空間管件的成形驗(yàn)證，顯著降低了回彈誤差，該工作對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化以及工藝決策方案的制定有一定的指導(dǎo)作用。

為了實(shí)現(xiàn)管件成形的智能制造[21]，有必要建立平面管件成形工藝的知識(shí)表示方法[22-24]，進(jìn)而構(gòu)建管件成形工藝知識(shí)庫(kù)，并基于管件成形工藝知識(shí)庫(kù)，建立合理有效的工藝獲取策略。

1 平面變曲率管件成形工藝知識(shí)表示

1.1 平面成形管件的軸線特征變化機(jī)制及成形工藝分析

典型的平面管件成形過(guò)程如圖1所示[25]，夾鉗推動(dòng)管坯前進(jìn)一段距離產(chǎn)生直線段，然后在前進(jìn)的過(guò)程中，彎曲模從起始位置豎直運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置；隨后固定彎曲模不動(dòng)，夾鉗繼續(xù)推動(dòng)管坯前進(jìn)，形成圓弧管件，這時(shí)形成的管件為直線–圓弧型管件。

圖1 平面管件成形過(guò)程示意圖

彎曲模的旋轉(zhuǎn)角度是隨著偏移量的變化而變化的，而固定模與彎曲模之間的水平距離是不變的，當(dāng)較小時(shí)成形部分可近似為圓弧，理論上管件與彎曲模相切時(shí)的計(jì)算如式（1）所示。

彎曲模偏移量可以決定平面管件的彎曲半徑。彎曲模偏移量與理論彎曲半徑的關(guān)系如式（2）所示。

通過(guò)分析平面管件成形過(guò)程可知，在彎曲模位置固定不動(dòng)時(shí)，由于管件上每個(gè)成形單元經(jīng)歷的路徑與速度大小是一致的，因此，該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)態(tài)的圓弧型管件，稱為穩(wěn)定段。而在彎曲模位置變化時(shí)，管件上每個(gè)成形單元經(jīng)歷的路徑和速度大小前后是不一致的，因此該過(guò)程成形的是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)管件，稱為過(guò)渡段。平面管件單元的幾何特征參數(shù)模塊如圖2a所示，每一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)穩(wěn)定段的幾何特征參數(shù)，而由一個(gè)初始點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的變化軌跡則代表2個(gè)穩(wěn)定段之間的過(guò)渡段。平面成形管件的穩(wěn)定段和過(guò)渡段單元所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)模塊如圖2b所示，圖中每一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)穩(wěn)定段的工藝參數(shù)，當(dāng)其他工藝參數(shù)不變時(shí)，彎曲模偏移量變化軌跡則代表過(guò)渡段所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)。

圖2 特征變量組成的參數(shù)坐標(biāo)系

1.2 平面管件的成形工藝知識(shí)表示方法

平面管件的幾何參數(shù)包括管件編碼、管件長(zhǎng)度、管件厚度、管件直徑、曲率等；平面管件彎曲成形工藝參數(shù)包括成形仿真試驗(yàn)編碼、彎曲模偏移量、夾鉗推進(jìn)時(shí)間和推進(jìn)速度等。其詳細(xì)表達(dá)如圖3所示。

基于仿真模擬和理論分析以及平面成形工藝參數(shù)和管件幾何參數(shù)，最終形成了平面管件彎曲成形工藝知識(shí)表示方法。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)以結(jié)構(gòu)化形式存儲(chǔ)，并建立了多層級(jí)的知識(shí)單元。將平面管件成形仿真數(shù)據(jù)映射為平面管件成形工藝知識(shí)，以便用于管件成形工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)。

2 平面管件初始工藝參數(shù)獲取

通過(guò)仿真模擬或管件加工實(shí)驗(yàn)建立能夠描述平面管件穩(wěn)定區(qū)與過(guò)渡區(qū)單元幾何特性的管件成形知識(shí)庫(kù)，該知識(shí)庫(kù)應(yīng)該同時(shí)包括穩(wěn)定區(qū)和過(guò)渡區(qū)幾何特征等效的工藝參數(shù)。

在進(jìn)行一次等效逼近時(shí)，用管件成形知識(shí)庫(kù)中已知所有幾何特征信息的穩(wěn)定區(qū)單元逼近目標(biāo)平面管件。如圖4所示，從知識(shí)庫(kù)中檢索得到3段不同半徑（1、2和3）的圓弧管件，進(jìn)行拼接之后可以最佳逼近目標(biāo)管件，并可以得到各段圓弧管件對(duì)應(yīng)的彎曲模偏移量1、2和3。

由于成形過(guò)程中必然有過(guò)渡區(qū)的存在，所以需要二次優(yōu)化確定出過(guò)渡區(qū)的變化時(shí)間?；诘玫降姆€(wěn)定區(qū)幾何特征檢索對(duì)應(yīng)的過(guò)渡區(qū)變化時(shí)間，進(jìn)而確定穩(wěn)定區(qū)的推進(jìn)時(shí)間以及各單元的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，最終可以獲得整個(gè)平面管件的初始工藝參數(shù)。

圖3 平面管件成形工藝知識(shí)表示

圖4 基于一次等效逼近、二次優(yōu)化的平面管件初始工藝參數(shù)獲取

3 平面變曲率管件成形工藝知識(shí)的應(yīng)用

3.1 平面管件成形有限元分析

以10 mm×2.5 mm（直徑×厚度）的鋁合金管（其應(yīng)力–應(yīng)變曲線及力學(xué)性能參數(shù)如圖5所示）為研究對(duì)象、管材毛坯為變形體進(jìn)行有限元分析，網(wǎng)格類型為C3D8R。固定模、彎曲模、導(dǎo)向和夾鉗為剛體，單元類型為R3D4。有限元模型如圖6所示。

圖5 鋁合金應(yīng)力–應(yīng)變曲線及力學(xué)性能參數(shù)

圖6 管件成形有限元模型

3.2 平面管件穩(wěn)定區(qū)工藝參數(shù)預(yù)測(cè)

在成形過(guò)程中，平面管件的穩(wěn)定區(qū)成形是一個(gè)均勻變形過(guò)程，每個(gè)單元的邊界條件是一樣的。因此，當(dāng)管件的材料參數(shù)和幾何參數(shù)確定時(shí)，彎曲模偏移量（對(duì)應(yīng)理論彎曲模角度）和管件成形彎曲半徑是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，那么就可以通過(guò)非線性擬合的方式來(lái)擬合工藝參數(shù)和管件成形彎曲半徑之間的關(guān)系。

仿真模擬設(shè)計(jì)采取單一變量的方法，管件直徑為10 mm，管件厚度為2.5 mm。彎曲模的偏移量分別為17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28 mm。

根據(jù)仿真結(jié)果可對(duì)管件軸線曲率進(jìn)行描述。通過(guò)二次曲線方程可對(duì)偏移量與成形彎曲半徑之間的映射關(guān)系進(jìn)行非線性擬合，結(jié)果如圖7所示，擬合得到–曲線方程為=0.002 3662?0.711 9+ 69.93，相關(guān)系數(shù)為0.999 1，說(shuō)明擬合程度很好。

圖7 彎曲模偏移量與彎曲半徑的關(guān)系

根據(jù)知識(shí)表示模型，將得到的平面穩(wěn)定區(qū)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在知識(shí)庫(kù)中的平面穩(wěn)定區(qū)部分，以方便獲取對(duì)應(yīng)的彎曲模偏移量，并且根據(jù)彎曲模偏移量與彎曲半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)知識(shí)庫(kù)中未存在的彎曲模偏移量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.3 平面管件過(guò)渡區(qū)工藝參數(shù)優(yōu)化

平面管件的穩(wěn)定區(qū)可以通過(guò)上述–關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)，而過(guò)渡區(qū)目前還沒(méi)有準(zhǔn)確的描述方法，所以該區(qū)域的成形不易控制，從而平面多彎管件的成形偏差主要集中在過(guò)渡區(qū)內(nèi)，因此平面彎曲成形應(yīng)重點(diǎn)研究過(guò)渡區(qū)管件的工藝參數(shù)，以降低過(guò)渡區(qū)目標(biāo)管件的誤差為最終目標(biāo)。如圖8所示，過(guò)渡區(qū)管件的成形與時(shí)間長(zhǎng)短和工藝參數(shù)是否線性變化有關(guān)。管件彎曲仿真模擬采用控制變量法來(lái)逐一分析不同彎曲模偏移速度變化曲線對(duì)成形管件幾何特征的影響，以管件成形偏差為響應(yīng)量來(lái)分析不同加載模式對(duì)過(guò)渡區(qū)成形的影響。

圖8 過(guò)渡區(qū)變化類型

以目標(biāo)管件軸線（如圖9所示）為例，根據(jù)管件幾何逼近方法，首先對(duì)平面穩(wěn)定幾何特征進(jìn)行分析，將軸線劃分為2個(gè)穩(wěn)定段，直線段對(duì)應(yīng)的偏移量為0 mm（彎曲角度為0 rad），圓弧段對(duì)應(yīng)的彎曲模偏移量為20 mm（彎曲角度為?0.761 rad），通過(guò)成形直線– 圓弧型管件來(lái)分析不同過(guò)渡方式對(duì)成形的影響，成形過(guò)程設(shè)置直線段為起始成形端。

圖9 平面目標(biāo)管件軸線

3.3.1 過(guò)渡方式對(duì)管件成形的影響

在對(duì)平面管件進(jìn)行多彎曲成形時(shí)，選擇不同的加載模式對(duì)過(guò)渡區(qū)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，由于彎曲模變化的速度不同，那么成形曲率以及最終管件形狀也不相同。

過(guò)渡區(qū)的變化曲線采取二次函數(shù)曲線（2++=0），其中、、為常數(shù)，=(1?2)/。設(shè)置過(guò)渡時(shí)間為1 s，的取值為0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3，分別對(duì)應(yīng)F1—F6加載模式，過(guò)渡區(qū)的具體加載幅值曲線如圖10所示。

圖10 過(guò)渡區(qū)F1—F6加載模式幅值曲線

由于平面管件成形僅受彎曲模偏移量影響，因此可以用曲線的起始端和終點(diǎn)端的切線夾角來(lái)表示曲線的彎曲角度。試驗(yàn)管件軸線與目標(biāo)軸線的比對(duì)方法如下：將圓弧段對(duì)齊重合，比對(duì)另一端端點(diǎn)的切線偏移角度和兩點(diǎn)間的偏移距離。當(dāng)成形管件軸線的彎曲程度大于目標(biāo)管件軸線的彎曲程度時(shí)，切線夾角數(shù)值為正值，小于時(shí)為負(fù)值。

測(cè)量過(guò)渡區(qū)F1—F6加載模式的管件軸線與目標(biāo)管件軸線的偏移角度與偏移距離，結(jié)果如圖11所示。

圖11 過(guò)渡區(qū)F1—F6加載模式的管件軸線與目標(biāo)管件軸線的偏移角度與偏移距離

對(duì)比仿真模擬結(jié)果可知，在該段時(shí)間內(nèi)，通過(guò)改變加載方式可以影響過(guò)渡區(qū)偏差，但是距離目標(biāo)管件的偏差還是很大，所以需要通過(guò)改變時(shí)間來(lái)繼續(xù)分析和優(yōu)化過(guò)渡區(qū)加載軌跡。

3.3.2 過(guò)渡時(shí)間對(duì)管件成形的影響

在不同的過(guò)渡時(shí)間下將過(guò)渡區(qū)的區(qū)間范圍分為3種情況進(jìn)行討論。

1）過(guò)渡區(qū)的區(qū)間長(zhǎng)度占起始段和末尾段區(qū)間長(zhǎng)度各一半。設(shè)置彎曲模的幅值曲線如圖12所示，偏移量的變化時(shí)間為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 s，對(duì)應(yīng)的加載模式分別為M1、M2、M3、M4、M5、M6。

圖12 過(guò)渡區(qū)M1—M6加載模式

2）過(guò)渡區(qū)的區(qū)間長(zhǎng)度占起始段區(qū)間長(zhǎng)度。設(shè)置彎曲模的變化幅值曲線如圖13所示，偏移量的變化時(shí)間為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 s，對(duì)應(yīng)的加載模式分別為L(zhǎng)1、L2、L3、L4、L5、L6。

圖13 過(guò)渡區(qū)L1—L6加載模式

3）過(guò)渡段的區(qū)間長(zhǎng)度占末尾段區(qū)間長(zhǎng)度。設(shè)置的幅值曲線如圖14所示，偏移量的變化時(shí)間為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 s，對(duì)應(yīng)的加載模式分別為N1、N2、N3、N4、N5、N6。

圖14 過(guò)渡區(qū)N1—N6加載模式

分析以上3種情況可知，L、M和N模式在相同時(shí)間下的過(guò)渡段彎曲角度是相同的；在同一模式、不同時(shí)間下，過(guò)渡段的彎曲角度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而變大。

當(dāng)成形管件軸線過(guò)渡區(qū)在M加載模式下時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果如圖15所示，目標(biāo)管件軸線介于M5和M6加載模式之間，對(duì)應(yīng)的時(shí)間在1.2～1.8 s之間；當(dāng)成形管件軸線過(guò)渡區(qū)在L加載模式下時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果如圖16所示，目標(biāo)管件軸線大于L6加載模式下的，對(duì)應(yīng)的時(shí)間也大于1.8 s；當(dāng)成形管件軸線過(guò)渡區(qū)在N加載模式下時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果如圖17所示，目標(biāo)管件軸線介于N3和N4加載模式之間，對(duì)應(yīng)的時(shí)間在0.9～1.2 s之間。過(guò)渡區(qū)N加載模式代表占較大曲率穩(wěn)定區(qū)的模式，L代表占較小曲率穩(wěn)定區(qū)的模式，M代表占2個(gè)穩(wěn)定區(qū)的模式。而模式N的過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度最短，其次為模式M的，模式L的過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度最長(zhǎng)。綜上可知，一般選取加載模式N。

圖15 過(guò)渡區(qū)M1—M6加載模式的管件軸線與目標(biāo)管件軸線的偏移角度與偏移距離

圖16 過(guò)渡區(qū)L1—L6加載模式的管件軸線與目標(biāo)管件軸線的偏移角度與偏移距離

圖17 過(guò)渡區(qū)N1—N6加載模式的管件軸線與目標(biāo)管件軸線的偏移角度與偏移距離

由于彎曲模偏移量是直接對(duì)成形管件的曲率造成影響，在針對(duì)模式N時(shí)，可對(duì)彎曲角度與彎曲模線性變化時(shí)間進(jìn)行關(guān)系擬合，由于管件過(guò)渡區(qū)的成形復(fù)雜，因此用非線性二次曲線函數(shù)對(duì)其擬合，擬合結(jié)果如圖18所示，擬合曲線方程為=1.159×10?42? 0.039 41+0.930 7，相關(guān)系數(shù)為0.999 3，說(shuō)明擬合程度很好。由曲線擬合的結(jié)果可以計(jì)算出偏移角度為0°時(shí)過(guò)渡區(qū)的時(shí)間為0.93 s，將該時(shí)間和過(guò)渡區(qū)兩端穩(wěn)定區(qū)的半徑等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中，以方便之后獲取該段過(guò)渡區(qū)的工藝參數(shù)。

圖18 N模式過(guò)渡區(qū)時(shí)間與偏移角度的關(guān)系

4 實(shí)例驗(yàn)證

以圖9所示的軸線為目標(biāo)管件軸線進(jìn)行成形，分段提取其幾何信息并進(jìn)行工藝分析，得到第1段管長(zhǎng)為80 mm的直線型管件，第2段管長(zhǎng)為100.18 mm、半徑為82 mm的圓弧型管件，且第1段與第2段之間的過(guò)渡區(qū)為直線–圓弧型。

保持管件推進(jìn)速度為50 mm/s不變，平面管件彎曲成形工藝參數(shù)主要包括彎曲模偏移量和推進(jìn)時(shí)間。對(duì)于直線型管件，彎曲模偏移量為0 mm，根據(jù)推進(jìn)速度和直線長(zhǎng)度得到推進(jìn)時(shí)間為1.6 s；對(duì)于圓弧型管件，基于管件成形知識(shí)庫(kù)，根據(jù)管徑、管厚、管長(zhǎng)與半徑等幾何參數(shù)檢索出偏移量為28 mm、時(shí)間為2.003 6 s，如圖19所示；對(duì)于直線?圓弧型過(guò)渡區(qū)管件，基于管件成形知識(shí)庫(kù)，根據(jù)管徑、管厚、管長(zhǎng)、起始端半徑1和終點(diǎn)端半徑2檢索出過(guò)渡時(shí)間為0.93 s，如圖20所示。

根據(jù)獲得的各段工藝參數(shù)最后可得到整個(gè)管件的初始工藝參數(shù)，彎曲模加載幅值曲線如圖21所示。數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置同上節(jié)一致，直線段對(duì)應(yīng)的彎曲模偏移量為0 mm，圓弧段對(duì)應(yīng)的偏移量為28 mm，推進(jìn)速度為50 mm/s，過(guò)渡區(qū)時(shí)間為檢索得到的0.93 s。

在數(shù)值模擬過(guò)程中，為了分析過(guò)渡段對(duì)整段目標(biāo)管件帶來(lái)的影響，利用式（3）計(jì)算逼近結(jié)果的總體偏差，逼近結(jié)果和偏差分布云圖如圖22所示?？梢钥闯?，在圓弧段配準(zhǔn)的情況下，直線段與目標(biāo)管件的偏移角度為0.270 1°，整個(gè)管件的逼近殘差Δ為0.230 1 mm，最大偏差max出現(xiàn)在直線–圓弧的過(guò)渡區(qū)內(nèi)，為0.390 7 mm。逼近殘差Δ和最大偏差max與管件總長(zhǎng)度的比值分別為0.127 4%和0.216 2%，基本可以滿足工程計(jì)算問(wèn)題。

圖19 平面穩(wěn)定區(qū)管件工藝知識(shí)

圖20 平面過(guò)渡區(qū)管件工藝知識(shí)

圖21 彎曲模加載幅值曲線

圖22 平面管件逼近結(jié)果及偏差分布

式中：Δl為空間曲線上節(jié)點(diǎn)與螺旋線對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的距離；為節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)；、為逼近誤差限。

5 結(jié)論

1）提出了平面管件成形工藝知識(shí)表示方法。

2）分析了彎曲模偏移量與管件圓弧半徑之間的關(guān)系，得到了–二次曲線方程的映射關(guān)系。

3）分析了平面管件過(guò)渡區(qū)加載模式N、M、L對(duì)成形管件的偏移角度和偏移距離的影響，得出了加載模式N對(duì)過(guò)渡區(qū)的影響最小，從而降低了成形管件與目標(biāo)管件之間的偏差。

4）基于上述流程，提出了基于知識(shí)庫(kù)的平面管件工藝獲取策略，并驗(yàn)證了策略的有效性。

[1] 張深, 吳建軍. 空間彎管的回彈預(yù)測(cè)[J]. 航空學(xué)報(bào), 2011, 32(5): 953-960.

ZHANG Shen, WU Jian-jun. Springback Prediction of Non-Planar Tube Bending[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2011, 32(5): 953-960

[2] 尚琪, 喬順成, 吳建軍, 等. 管件彎曲過(guò)渡區(qū)研究及回彈控制[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2020, 27(1): 38-45.

SHANG Qi, QIAO Shun-cheng, WU Jian-jun, et al. Research on the Bending Transition Zone of Pipe Fittings and Springback Control[J]. Chinese Journal of Plastic Engineering, 2020, 27(1): 38-45.

[3] 尚琪. 空間管件回彈控制及在數(shù)控彎管機(jī)中的應(yīng)用[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2019: 17-19.

SHANG Qi. Springback Control of Space Pipe Fittings and Its Application in CNC Pipe Bending Machine[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2019: 17-19.

[4] 王永安. 大直徑薄壁管材繞彎成形缺陷分析及工藝參數(shù)優(yōu)化[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2017: 13-15.

WANG Yong-an. Defect Analysis and Process Parameter Optimization of Large-Diameter Thin-Walled Pipe Bend-ing Forming[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical Univer-sity, 2017: 13-15.

[5] 王永安, 吳建軍, 李非凡, 等. 薄壁管數(shù)控彎曲成形工藝參數(shù)區(qū)間研究[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2018, 25(1): 111-118.

WANG Yong-an, WU Jian-jun, LI Fei-fan, et al. Study on the Parameter Interval of CNC Bending Forming Process for Thin-Walled Tubes[J]. Chinese Journal of Plastic Engineering, 2018, 25(1): 111-118.

[6] 李海峰, 楊合, 詹梅, 等. 基于數(shù)據(jù)庫(kù)的薄壁管數(shù)控彎曲知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2008, 15(4): 32-36.

LI Hai-feng, YANG He, ZHAN Mei, et al. Construction of Database-Based CNC Bending Knowledge Base for Thin-Walled Tubes[J]. Chinese Journal of Plastic Engineering, 2008, 15(4): 32-36.

[7] GUO X, XIONG H, XU Y. El-U-R Relationship Prediction Method for Aluminum Alloy Circular Tube Free-Be-n-ding Process Based on Sensitivity Analysis of Material Parameters[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, 99(58): 1967-1977.

[8] GUO X, CHENG X, XU Y, et al. Finite Element Modelling and Experimental Investigation of the Impact of Filling Different Materials in Copper Tubes during 3D Free Bending Process[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2020, 33(2): 721-729.

[9] GUO X, XIONG H, LI H, et al. Forming Characteristics of Tube Free-Bending with Small Bending Radii Based on a New Spherical Connection[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2018(133): 72-84.

[10] ENGEL B, KERSTEN S, ANDERS D. Spline-Int-erp-ol-a-tion and Calculation of Machine Parameters for the Three-Roll-Pushbending of Spline-Contours[J]. Steel Research International, 2011, 82(10): 1180-1186.

[11] ENGEL B, KOPFER P. Improving the Curvature of Bent Profiles by Adjusting the Process Kinematics of the Three-Roll-Push bending Process[C]// Proceedings of the 1st International Tube and Profile Bending Conference, 2011: 127-130.

[12] SONG F, YANG H, LI H, et al. Springback Prediction of Thick-Walled High-Strength Titanium Tube Bending[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2013, 26(5): 1336-1345.

[13] 郭玲, 楊合, 邱晞, 等. 具有預(yù)成形設(shè)計(jì)的薄壁彎管數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2007, 14(2): 80-85.

GUO Ling, YANG He, QIU Xi, et al. Research and Development of Database Management System for Thin-W-a-lled Elbows with Pre-Forming Design[J]. Chinese Journal of Plastic Engineering, 2007, 14(2): 80-85.

[14] 郭玲. 薄壁管數(shù)控彎曲數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2007: 22-23.

GUO Ling. Research and Development of Database Management System for CNC Bending of Thin-Walled Tubes[D]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University, 2007: 22-23.

[15] 張?jiān)隼? 空間管件塑性成形回彈的預(yù)測(cè)及控制策略研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2019: 26-69.

ZHANG Zeng-kun. Research on the Prediction and Control Strategy of Plastic Forming Springback of Space Pipe Fittings[D]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University, 2019: 26-69.

[16] ZHANG Z K, WU J, LIANG B, et al. A New Strategy for Acquiring the Forming Parameters of a Complex Spatial Tube Product in Free Bending Technology[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2020, 282: 116662.

[17] WU J, ZHANG Z, SHANG Q, et al. A Method for Investigating the Springback Behavior of 3D Tubes[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2017, 131: 191-204.

[18] WU J, ZHANG Z. An Improved Procedure for Manufacture of 3D Tubes with Springback Concerned in Flexible Bending Process[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2021, 34(11): 267-276.

[19] ZHANG Z, WU J, GUO R C, et al. A Semi-Analytical Method for the Springback Prediction of Thick-Walled 3D Tubes[J]. Materials & Design, 2016, 99: 57-67.

[20] ZHANG Z, WU J, ZHANG S, et al. A New Method for Springback Control Based on Theory Analysis and Displacement Adjustment[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2016, 105: 330-339.

[21] 丁惠忠. 基于運(yùn)動(dòng)控制器的智能彎管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2021, 43(2): 82-87.

DING Hui-zhong. Intelligent Pipe Bender Numerical Control System Based on Motion Controller[J]. Manufacturing Automation, 2021, 43(2): 82-87.

[22] 劉夢(mèng)飛, 張磊, 陳泳. 制造工藝知識(shí)建模與應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2020, 36(3): 105-110.

LIU Meng-fei, ZHANG Lei, CHEN Yong. Research on Modeling and Application of Manufacturing Process Knowledge[J]. Mechanical Design and Research, 2020, 36(3): 105-110.

[23] 李秀玲, 張樹(shù)生, 黃瑞, 等. 面向工藝重用的工藝知識(shí)圖譜構(gòu)建方法[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 37(6): 1174-1183.

LI Xiu-ling, ZHANG Shu-sheng, HUANG Rui, et al. Process Knowledge Map Construction Method for Process Reuse[J]. Journal of Northwest Polytechnic University, 2019, 37(6): 1174-1183.

[24] 王天龍, 陳泳, 劉夢(mèng)飛. 復(fù)雜工藝參數(shù)決策知識(shí)建模與應(yīng)用[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 55(10): 1237-1245.

WANG Tian-long, CHEN Yong, LIU Meng-fei. Modeling and Application of Complex Process Parameter Decision Knowledge[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2021, 55(10): 1237-1245.

[25] 韓景宏. 自由彎管的運(yùn)動(dòng)控制原理研究[D]. 秦皇島: 燕山大學(xué), 2021: 15-21.

HAN Jing-hong. Research on Motion Control Principle of Free Bend[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2021: 15-21.

Acquisition Strategy of Forming Process of Flat Variable Curvature Pipe Fitting

SONG Chao-yang1, WU Jian-jun1, XU Xin-liang2, WU Wei2, LIU Long1, YU Zhong-ping1, ZHANG Zong-cai1, WANG Meng-yuan1, GAO Sheng1

(1. School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710000, China; 2. AVIC Manufacturing Technology Institute, Beijing 100000, China)

The work aims to obtain the initial process parameters of flat pipe fittings in bending forming. Based on the bending forming principle of flat arc pipe fitting, the forming pipe fitting was divided into stable section and transition section. For the stable section, the mapping relationship between the bending radius of the flat arc pipe fitting and the bending die offset was analyzed, and the nonlinear equation was obtained by quadratic curve fitting to facilitate the prediction of the forming process parameters in the stable section of the pipe fitting; For the transition section, the optimal transition mode was determined by analyzing the effects of the deflection of the bending die in different modes on the forming of the integral pipe fitting. Combined with the above analysis, based on the knowledge base of pipe fitting forming process, a method for planning and predicting the process parameters of flat pipe bending was put forward and was verified through forming simulation. The approximate residual error of the whole pipe fitting was 0.230 1 mm, the maximum deviation was 0.390 7 mm, the ratio of the approximate residual error and the maximum deviation to the total length of the pipe was 0.127 4% and 0.216 2% respectively, It is verified that this method can effectively obtain the forming process parameters of flat variable curvature pipe fittings.

pipe fittings forming; process knowledge; process planning

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.001

V261.2

A

1674-6457(2022)09-0001-09

2022–03–08

基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（173計(jì)劃）（2020–JCJQ–ZD–188–01）；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（S2020–YF– ZDCXL–ZDLGY–0029）

宋朝陽(yáng)（1998—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧纤苄约庸ぜ俺尚渭夹g(shù)。

吳建軍（1963—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧纤苄约庸ぜ俺尚渭夹g(shù)。

責(zé)任編輯：蔣紅晨