摩擦对大口径铝合金薄壁矩形管数控绕弯成形起皱的影响研究

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1、南昌航空大学学士学位论文1绪论1.1引言铝合金薄壁矩形管绕弯技术是矩形管绕弯技术向先进塑性加工技术发展的必然趋势，在制造领域具有广阔的应用前景。薄壁矩形管绕弯成形技术是薄壁管数控精确弯曲技术的重要组成部分，也是航空、航天领域薄壁轻量化构件制造和通信、卫星地[1]面站、微波测量等领域矩形波导管制造的先进塑性加工技术。绕弯成形由于具有成形精度高、效率高和易于实现自动化等特点，在薄壁矩形管绕弯成形中占有十分重要[2]的地位，已成为先进塑性加工技术面向21世纪研究与发展的一个重要方向。管材的弯曲过程基本上同板

2、料成形一样，但是由于其空心的特点，在弯曲过程中容易出现管内侧失稳起皱、管外侧减薄或开裂、管材截面畸变、卸载后的管件回弹及轴向伸长等缺陷，特别是管材内侧失稳起皱，严重地影响着其弯曲质量和弯曲精度的提高。随着微波通讯等技术的发展，要求现代微波通信中的矩形波导管向着弯曲成形质量更高的方向发展，使得薄壁矩形管绕弯成形研究成为了薄壁矩形管绕弯加工精确成形中亟待解决的关键问题之一。铝合金薄壁矩形管在多模具相互约束下绕弯成形过程复杂，影响因素多。本文以有限元模拟研究为基础，确定合理的摩擦模型，基于ABAQUS/Ex

3、plicit平台建立符合实际该成形过程三维有限元模型，针对薄壁矩形管绕弯成形过程进行模拟研究，分析摩擦接触条件对薄壁矩形管弯曲成形过程的影响；获得摩擦系数对起皱的影响规律,然后基于摩擦因素对失稳起皱影响的虚拟正交实验研究，实现对薄壁矩形管数控绕弯成形过程摩擦的主动控制，提出解决弯曲成形过程中失稳起皱的有效措施。这些研究对生产中解决实际生产问题和优化工艺参数有重要的参考价值。[3]1.2薄壁矩形管绕弯成形过程1.2.1绕弯成形原理一般情况下，管材的冷作弯曲加工，大都采用绕弯方式。根据弯曲加工的机械程度，

4、绕弯可分为手工弯曲和弯管机弯曲两种。手工弯曲是利用简单弯管装置对管材进行弯曲加工，不需要专用的弯管设备，虽然手工弯管装置制造成本低、调试方便、使用灵活，但劳动量大、生产效率低，只适合精度要求低、小批量弯管生产。弯管机绕1南昌航空大学学士学位论文弯是在立式或卧式弯管机上进行弯曲加工，生产效率高、弯管质量好，广泛应用于大批量生产场合，根据其工艺特点，又可分为有芯弯管、无芯弯管两种。压块弯曲切点夹紧块压块弯曲切点管件管件芯棒芯棒防皱块镶块防皱块弯曲弯夹镶模曲紧块模块(a)弯曲前管件位置(b)弯曲时管件位置图

5、1-1绕弯成形原理示意图图1-1所示为矩形管有芯绕弯成形时工作状态示意图。矩形管材外侧装有压块，内侧有防皱块，内部装有芯棒，芯棒上有芯头，管材头部由夹紧块夹在弯曲模上，与弯曲模间没有相对滑动。当弯曲模转动时，在各模块的配合下，管材即可绕弯曲模中心一起转动到设定的弯曲角度，产生连续的塑性弯曲变形，实现绕弯成形。然后夹紧块和压块松开，芯棒抽出，取出管件，弯曲模和夹紧块复位，完成一次弯曲动作。[4-5]薄壁矩形管绕弯成形过程分为以下三个阶段。（1）弹性变形阶段矩形管弯曲变形的初始阶段，中性层外侧材料纤维受拉

6、产生弹性伸长，中性层内侧材料则产生弹性压缩，沿高度方向以中性层为界分为拉伸变形区和压缩变形区，应力沿截面呈线性分布，应力与应变关系遵守虎克定律，故应力中性层和应变中性层相互重合并通过截面中心。卸载后管材由于弹性又回到原始状态。（2）弹塑性变形阶段随着弯曲变形的进行，管材最外层材料和最内层的材料应力最先达到屈服极限，变形性质由弹性变为塑性。随着弯曲过程的进一步进行，塑性变形逐渐扩展到中性层，弯曲过程中应力中性层和应变中性层产生分离，不通过断面中心，而是随着曲率的增大逐渐向曲率中心方向内移，并且应力中性层

7、的移动比应变中性层的移动要快。因此在卸载后，管材不能完全恢复到原来状态。（3）立体纯塑性弯曲阶段2南昌航空大学学士学位论文当弯曲件的相对弯曲半径很小时，由于变形程度很大，可近似地认为整个横剖面都已发生塑性变形。此时径向应力与宽度方向应力不能忽略不计，材料的任意一点均处于立体应力状态。1.2.2绕弯成形特点薄壁薄壁矩形管绕弯成形是一个涉及材料非线性、几何非线性及边界条件非线性等多因素影响的过程，而且各因素之间还可能出现相互耦合作用，因此绕弯成形过程相当复杂，导致其成形过程具有以下特点：（1）影响因素多，

8、模具结构复杂。薄壁矩形管弯曲模块包括:弯曲模、压块、防皱块、芯棒和夹紧块等。这些模块共同约束着管材，绕弯成形时需要它们协同作用和严格配合，任何一部分配合不良，都会对影响着绕弯过程中管材的应力应变分布规律，造成管件失稳起皱、截面畸变、拉裂、折叠等严重的缺陷，影响管材的成形质量，[6]轻者使零件报废，重者破坏模具。（2）成形过程复杂，理论解析难点多。薄壁矩形管绕弯成形过程中应力中性层和应变中性层都会发生内移，和板料弯曲一样弯曲后应变中性层和应力中性层不重[7