管材多輥彎曲成形及其回彈有限元分析

摘 要：為探究彎管成形過程中回彈的影響規(guī)律，提高加工精度，以6061-T6鋁合金管材為例，利用ABAQUS有限元軟件進行仿真實驗，探究彈性模量、泊松比、管壁厚度等材料參數(shù)和送料速度、摩擦因數(shù)等工藝參數(shù)對管材彎曲回彈的影響。結(jié)果表明：在3項材料參數(shù)中泊松比對管材彎曲回彈角度的影響最小，壁管厚度的影響程度最大，工藝參數(shù)中摩擦因數(shù)的增加會使回彈角度先增加后減小，送料速度的影響程度小于摩擦因數(shù)。

關(guān)鍵詞：滾彎成形；有限元；彎曲回彈；材料參數(shù)；工藝參數(shù)

中圖分類號：TG386.3+1 文獻標志碼：B 文章編號：1671-5276（2024）04-0182-05

FEM Analysis on Multi-roll Bending Forming and Springback of Tubes

LI Chaoyu¹，QIAN Yuhai²

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016，China；2. Shandong Aluminum Valley Industrial Technology Research Institute Co.， Ltd.， Zouping 256200， China）

Abstract：In order to explore the influence law of springback in bend forming process and improve the processing accuracy， taking 6061-T6 aluminum alloy pipe as an example， conducts simulation experiments by ABAQUS finite element software， and explores the influence of material parameters of elastic modulus， Poisson's ratio， pipe wall thickness and process parameters of feeding speed and friction coefficient on pipe bending and springback. The results show that Poisson ratio has the smallest effect on the springback angle of the tube bending， while wall tube thickness has the largest effect. The increase of friction coefficient will make the springbackangle increase first and then decrease， and the effect of feeding speed is less than that of friction coefficient.

Keywords：roll bending; FEM; bending springback; material parameters; process parameters

0 引言

隨著中國航天、車船、石化工業(yè)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，各行業(yè)對新型彎管的需求不斷增加，彎管作為工業(yè)生產(chǎn)的大命脈，是為各種航天飛船、車船設備提供源源不斷的油、水、氣等資源的大血管。這些金屬彎管是航天發(fā)動機管路系統(tǒng)的重要組成部分，同時也是車輛、船舶管路系統(tǒng)及石化環(huán)境控制系統(tǒng)不可或缺的組件。根據(jù)相關(guān)文獻，為了提高管路系統(tǒng)空間利用率，許多流體管道輸送系統(tǒng)關(guān)鍵部位的彎曲管材空間使用率達到90%左右。因此為了在有限空間內(nèi)布置如此高密度的彎曲管材，并確保每一個彎管能滿足運輸和使用壽命的要求，這促進了新的彎曲材料和管彎曲成形工藝的開發(fā)和持續(xù)改進。

鋁合金彎曲構(gòu)件作為一種輕質(zhì)、高比強度、耐腐蝕、低密度的構(gòu)件，是現(xiàn)代航空航天管道系統(tǒng)和車船管道系統(tǒng)中應用最廣泛的關(guān)鍵材料。在我國研制的某型戰(zhàn)斗機的管路系統(tǒng)中，鋁合金構(gòu)件占彎曲構(gòu)件的40%。國外空客A320客機中鋁合金彎曲件占比41.8%，充分體現(xiàn)了鋁合金彎曲件在各類工業(yè)設備管道系統(tǒng)中的重要地位。

盡管有上述優(yōu)點，但鋁合金彎曲件在實際彎曲過程中難免存在固有缺陷。管材彎曲回彈是影響管材彎曲成形的重要因素，幾乎所有形式的管材彎曲成形過程中都存在彎曲回彈現(xiàn)象。這將嚴重降低管材彎曲成形的幾何精度，而且在管材幾何形狀擁擠的情況下，在管道系統(tǒng)中不僅會對管道空間布置產(chǎn)生極大的挑戰(zhàn)，還會改變流體輸送路線的方向，這導致在輸送過程中產(chǎn)生較大的阻力。因此探究管材彎曲成形過程中各項參數(shù)對回彈的影響規(guī)律是十分必要的。

郭訓忠等^[1]對數(shù)控繞彎與三維自由彎曲技術(shù)做了研究，并進一步在工藝優(yōu)化方面取得了一定的創(chuàng)新性成果。萬鵬等^[2]進行了小直徑厚壁數(shù)控彎管的回彈仿真與試驗，分析管材壁厚、彎曲半徑、彎曲速度對彎曲回彈半徑的影響。杜春江等^[3]對非均勻厚壁管料折彎仿真并進行試驗，表明仿真計算能快速地對折彎特性進行分析。任勝樂等^[4]系統(tǒng)地總結(jié)了各國研究人員通過理論、有限元仿真、實驗研究等方法在管材彎曲方面的研究進展，并提出結(jié)合數(shù)據(jù)庫等就能控制研究方法進行更深入研究。吳磊等^[5]對管材彎曲的特性與管材彎曲成形工藝做了研究，指出了目前存在的一些問題，并對無模冷成形技術(shù)進行了論述。張深等^[6]對多種材料與不同截面形狀的金屬彎管件進行了研究，發(fā)現(xiàn)實驗法對解決回彈問題的有效手段。徐雪峰等^[7]對內(nèi)脹冷推彎工藝進行了研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壓的增加能有效減少截面畸變，同時側(cè)壁的減薄趨勢將增大，其相對壁厚越大，畸變越大。WU等^[8]通過理論模型、有限元模型和實驗研究了三維金屬管材的回彈行為，研究發(fā)現(xiàn)回彈后彎曲半徑和彎曲角度均會隨著加載指數(shù)的增大而增大，合理地控制加載指數(shù)有利于提高預測精度。

本文將以6061-T6鋁合金為研究對象，管材彎曲的整體參數(shù)為管徑32mm，彎曲角度720°，螺旋角度2°，彎曲半徑160mm。其仿真結(jié)果如圖1所示。

1 管料拉伸試驗

本文所研究的管材材料為6061-T6鋁合金，分別對壁厚為1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm的管材進行單向拉伸試驗。由電火花線切割機進行試樣切割，具體試樣如圖2所示。

使用三思縱橫科的UTM5504X型電子萬能試驗機進行試驗，如圖3所示。試樣的拉伸速度均為1mm/s。

試驗所得數(shù)據(jù)為拉伸力F與變形量ΔL的關(guān)系，通過數(shù)據(jù)處理能夠得到6061-T6鋁合金管材的各項材料參數(shù)，如表1所示。

2 有限元分析法

本文將利用ABAQUS仿真軟件對多輥彎曲過程進行分析。ABAQUS仿真軟件是一款功能強大的工程軟件，其有豐富的材料模型庫，可以模擬多種工程材料的性能。該軟件廣泛應用在各類工程作業(yè)中，為人們的生產(chǎn)制造提供了非常便利的方式。管材有限元仿真流程如圖4所示。

導向輥的直徑為29mm，成形輥的直徑為19mm，共有8個導向輥和1個成形輥。在彎曲角度為90°、彎曲半徑160mm的條件下探究各項材料參數(shù)與工藝參數(shù)對彎曲角度回彈的影響規(guī)律。多輥滾彎的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

ABAQUS仿真的操作步驟如下。

設置材料屬性：材料密度為2.75kg/mm³，彈性模量為63.98GPa，泊松比為0.3，屈服強度為214.81MPa，硬化指數(shù)為0.057，強度系數(shù)為297.12。管料設置為殼單元，殼厚度設置為1mm。

在分析步中設置動態(tài)、顯式求解器，時間長度設置為40.212 4。

設置管材的邊界條件，分別設置成形輥的位移，導向輥固定且沿軸向自由，以10mm/s的速度推動管材沿導向管運動。

對管材模型劃分網(wǎng)格，采用殼單元網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為S4R，網(wǎng)格大小為4，成形輥與導向輥為解析剛體，不劃網(wǎng)格。

最后創(chuàng)建仿真作業(yè)，并查看后處理結(jié)果。

3 材料參數(shù)對回彈過程的影響規(guī)律

材料的力學參數(shù)是影響材料塑性成形的重要因素，本節(jié)基于ABAQUS有限元軟件，以單因素法對彈性模量、泊松比、管材壁厚在彎曲成形過程中的回彈影響規(guī)律進行研究。

3.1 彈性模量對回彈的影響規(guī)律

彈性模量是衡量管材多輥彎曲回彈難易程度的重要參數(shù)，彈性模量越大，材料在相同的應力條件下發(fā)生的彈性變形越小。本小節(jié)將會改變管材彈性模量的值來進行管材的多輥彎曲回彈模擬，探究彈性模量對于回彈的影響規(guī)律。選取的彈性模量分別為60GPa、70GPa、80GPa、90GPa、100GPa，如表2所示。有限元仿真得到的實驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在一定范圍內(nèi)隨著彈性模量的減小會造成管料彎曲回彈的減小，但當彈性模量為60GPa時回彈角度反而最大。因此可以看出彈性模量是影響管料多輥彎曲回彈的重要因素之一。

3.2 泊松比對回彈的影響規(guī)律

泊松比是衡量材料橫向變形能力大小的參數(shù)，在多輥彎曲過程中彎曲模具會作用一個推力和彎矩于管材，管材內(nèi)部同時會產(chǎn)生軸向、周向應力。因此泊松比不同的材料產(chǎn)生相同軸向應力，但會產(chǎn)生不同的周向應力。當彎曲模具卸載時，管材內(nèi)部的軸向和周向應力會同時釋放，不同周向應力的管料發(fā)生彈性恢復的程度不同。按表3參數(shù)設計實驗，所得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，彎曲的回彈角度的變化隨泊松比的改變不大，且在一個小范圍內(nèi)波動。由此可見泊松比對于回彈雖有影響但影響程度沒有彈性模量大。

3.3 管材壁厚對回彈的影響規(guī)律

管料壁厚是管材的幾何參數(shù)之一，本次模擬采用的管材管徑為32mm。由于管材壁厚的不同，在多輥彎曲成形結(jié)束后參與彈性釋放的材料會有所不同。壁厚越厚的管材參與彈性釋放的材料越多，因此壁厚會是影響管材多輥彎曲回彈的因素。

本節(jié)將按表4參數(shù)進行仿真實驗，彈性模量取拉伸實驗結(jié)果。選取壁厚分別為1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm壁厚的管材進行多輥彎曲有限元仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出壁厚在1～3mm的變化范圍內(nèi)，管材的回彈角度隨著管材的壁厚增大而增大，在2～3mm變化范圍內(nèi)的影響較大，且變化幅度超過了彈性模量與泊松比，故在實際的加工過程中需要著重考慮到壁厚的影響。

4 工藝參數(shù)對回彈過程的影響規(guī)律

為了改善管材多輥彎曲成形精度，需要詳細地研究工藝參數(shù)對多輥彎曲回彈的影響規(guī)律，并確定最優(yōu)工藝參數(shù)。本節(jié)針對多輥彎曲成形的工藝特點，分別研究送料速度與摩擦因數(shù)對管材多輥彎曲回彈的影響。

4.1 送料速度對回彈的影響規(guī)律

管材送料速度影響著管材彎曲變形的程度，增大管材塑性流動的能力，這會導致材料的加工硬化和塑性的降低，影響著管材多輥彎曲回彈恢復的程度。選取的管材送料速度分別為6mm/s、8mm/s、10mm/s、12mm/s、14mm/s（表5），仿真分析的實驗結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，送料速度對于管材的彎曲回彈也同樣存在著影響，送料速度對回彈角度的影響并不是線性影響。在此項試驗中推料速度設置為12mm/s最為合適，彎曲成形的回彈角度最小。

4.2 摩擦因數(shù)對回彈的影響規(guī)律

管材在多輥彎曲成形過程中始終與彎曲模具接觸，因此在接觸面上會有摩擦力阻礙管材彎曲時的塑性流動，而不同的摩擦因數(shù)會引起不同的摩擦力，導致管材彎曲時的應力也不同，從而影響管材彈性應力釋放。選取的摩擦因數(shù)分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5（表6）。仿真實驗結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，在管材彎曲的過程中回彈角度會隨著摩擦因數(shù)的減小先增大后減小，在摩擦因數(shù)為0.2時回彈角度達到最大值，隨后繼續(xù)增大摩擦因數(shù)能有效減小回彈角度。

5 結(jié)語

1）研究表明，材料參數(shù)中彈性模量、泊松比、管材壁厚對管材多輥彎曲回彈有著不同程度的影響，其中泊松比的影響最小，在0.25時達到最大值，0.35時為最小值，減小了10.98%；管材壁厚對回彈角度的影響程度最大，回彈角度隨著壁厚的增加而增加，在壁厚為1.5mm時彎曲回彈角度最小，相比于3mm壁厚時的回彈角度減小了19.08%。在加工管壁較厚的材料時應重點考慮到回彈角度對加工精度的影響。

2）在工藝參數(shù)中摩擦因數(shù)也是影響管材多輥彎曲回彈的重要因素，在摩擦因數(shù)為0.2時回彈角度達到最大值，繼續(xù)增大摩擦因數(shù)有利于減小回彈角度，在實際的加工過程中合理地利用潤滑脂可以有效地減小摩擦因數(shù)對彎曲回彈角度的影響。送料速度對彎曲回彈角度的影響較小，在此項試驗中最佳的送料速度為12mm/s，相比于送料速度14mm/s時減小了6.71%。

參考文獻：

[1] 郭訓忠，陶杰，王輝.航空導管先進成形技術(shù)的研究進展[J].南京航空航天大學學報，2020，52（1）：12-23.

[2] 萬鵬，劉振，姜銀方.小直徑厚壁管回彈的有限元仿真及試驗[J].熱加工工藝，2015，44（3）：159-161.

[3] 杜春江，瞿亦峰，陳亞峰.非均勻厚壁管料彎折成形及回彈仿真[J].機床與液壓，2011，39（17）：126-127，56.

[4] 任勝樂，賴一楠，張元，等.管材彎曲成形理論與技術(shù)研究進展[J].哈爾濱理工大學學報，2011，16（6）：31-35.

[5] 吳磊，張亞民，黃凱東.彎管成形工藝及管材彎曲特性的研究現(xiàn)狀[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2016，29（4）：23-25.

[6] 張深，吳建軍，王強，等.金屬管材彎曲成形回彈問題研究[J].航空制造技術(shù)，2014，57 （10）：45-50.

[7] 徐雪峰，邱澤宇，華如雨，等. 內(nèi)壓與相對壁厚對薄壁管材彎曲成形的影響[J]. 塑性工程學報，2018，25（6）：77-84.

[8] WU J J， ZHANG Z K， SHANG Q， et al. A method for investigating the springback behavior of 3D tubes[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 2017，131/132：191-204.

收稿日期：2022-11-25