助推装置对数控绕弯塑性变形作用机理的模拟研究

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1、http://www.paper.edu.cn1助推装置对数控绕弯塑性变形作用机理的模拟研究1111李恒，杨合，詹梅，谷瑞杰西北工业大学材料科学与工程学院材料成型与控制系（710072）E-mail:lh@mail.nwpu.edu.cn,yanghe@nwpu.edu.cn摘要：助推装置对管材施加轴向推力，改善了材料的弯曲流动状态，近年来在航空航天等领域的高难度管件弯制中得到广泛的应用，但由于一直尚未获得该装置对绕弯过程塑性变形行为的影响机理以及对失稳起皱、壁厚减薄和截面畸变等缺陷的交互影响机理，极大限制了该工装对于弯制大口径薄壁管小弯曲半径难弯条件下的应用潜力，阻碍了薄壁管

2、数控绕弯成形这一先进塑性成形技术的发展。本文在对该成形过程变形特点及助推作用进行分析的基础上，给出了压块助推和顶推4种可能的匹配方式以及顶推机构的5种施加方式顺序，提出利用助推系数来表示助推水平，并建立了定量指标相对滑动距离用以检验不同助推水平的助推效果；然后利用动态显式有限元软件ABAQUS/Explicit，建立了包括弯曲、抽芯、卸载的完整绕弯过程弹塑性有限元模型，在获得顶推的最佳作用方式基础上，深入研究了三种匹配方式下助推水平对绕弯过程塑性变形行为的影响机理．研究发现，1）各种助推匹配方式对于管材失稳起皱的影响较小，对壁厚减拨以及截面畸变的影响较大。2）三种匹配方式对绕弯

3、成形过程的影响机理及效果各不相同。相比较而言，压块和顶推同步加载方式成形最稳定和最有效。3）管材弯曲段材料的塑性弯曲变形以及冷作加工硬化效应，使得弯曲切点后段材料逐渐缓慢。侧推水平应与管材不均匀流动速度相匹配。研究表明，助推作用对于小弯曲半径条件下管材绕弯影响显著。关键词：数控弯曲，ABAQUS/Explicit，助推装置，失稳起皱，不均匀流动1.引言薄壁管数控绕弯成形需多个模具的精密协作和诸多成形参数的严格控制。若成形参数选取不当，易发生起皱、过度减薄（开裂）、截面过度畸变、回弹和过度伸长等多种缺陷。近年来航空、航天和汽车等高科技领域对大口径薄壁难弯管件小弯曲半径（R/D＜1

4、D）精确成形的日益使用需求，更使得对该塑性成形过程及失稳缺陷产生机理进行研究成为一个迫切而具挑战性的课题。在管件弯曲的诸多影响参数中，助推装置（带顶推）近年来在以上领域逐渐得到了重视和应用，成为影响管件绕弯稳定精确成形的关键因素。如图1所示，在成形过程中，助推装置（压块）通过与管件外壁的摩擦作用而将材料向弯曲变形区方向推动，从而可以极大地减少管材外侧壁厚减薄量；然而，对于超过一定口径的薄壁管件小弯曲半径弯曲成形要求，侧推装置的作用有限，需要在管子末端直接施加轴向顶推力，才能保证管子的顺利成形。侧推装置（带顶推）相关参数和动作方式严重影响着管材弯曲过程中的塑性变形状1本课题得到国

5、家杰出青年科学基金（项目编号：50225518）、国家自然科学基金（项目编号：59975016、50175092）、高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划与高校博士点专项科研基金（项目编号：20020699002）和航空科学基金（项目编号：04H53057）资助-1-http://www.paper.edu.cn态，决定着以上各种缺陷是否产生。因此，研究带顶推作用的助推装置对数控绕弯这一先进成形过程以及失稳缺陷产生机理，对于提高管材的成形极限和成形精度和发展数控绕弯成形技术具有重要价值。然而，由于数控绕弯过程从物理本质上讲是一个多因素耦合作用下的多重非线性的复杂物理过程。特别是成

6、形过程中过于复杂的动态接触条件和大口径薄壁管材的加工条件，更使得管件不均匀塑性变形加剧。仅用理论解析或实验方法难以有把握地对成形过程进行深入系统的研究；有限元模拟作为适用于复杂成形过程分析的数值手段，在理论分析或实验研究的基础上可用来对这一成形过程进行模拟分析。迄今为止，关于数控绕弯成形技术及有限元模拟方面的研究尚较少，大多数相关研究多侧重于通过实验做一些定性的分析，或利用一些软件对该过程进行简单的模拟以获得弯曲成形后的壁厚分布情况，以保证为后续的液压加工提[1-6]供足够的变形空间。Yang等人建立了刚塑性有限元模型，并研究了薄壁管数控弯曲过程[7-9]中失稳起皱等问题，但对

7、于顶推加载路径下管材的塑性弯曲变形机理尚没有涉及到。而在实际生产中，由于缺乏关于带顶推的助推装置对绕弯成形过程的作用机理及足够的数据积累，该装置利用何种作用方式和参数的如何选取的问题只能通过工业现场“errorandtrial”的方式进行，极大增加了制造成本和制造周期，没有充分利用先进数控设备的高效优势，且所得的实验结果不具有普适性。基于以上分析，本文在对该成形过程变形特点进行理论分析的基础上，研究建立该成形过程的三维弹塑性有限元模型，研究助推装置（包括侧推和顶推装置）对薄壁管数控绕弯成形过