劉鴻智

【摘 要】隨著我國工業(yè)的高速發(fā)展，管材制造行業(yè)也得到快速發(fā)展，在生產(chǎn)管材時，彎曲管材零件具有很大的優(yōu)越性，如質(zhì)量小、剛度強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等，所以在現(xiàn)代化的工業(yè)建設(shè)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。而在進(jìn)行管材彎曲的過程中，很容易出現(xiàn)管材斷裂或內(nèi)壁增厚等問題，影響了施工效率，增加了施工成本。不銹鋼材料具有耐腐蝕、耐沖擊等優(yōu)良的特性，因此可以將不銹鋼材料用于薄壁管材的制作過程。文章以當(dāng)前我國管材制造的發(fā)展現(xiàn)狀為研究基礎(chǔ)，依據(jù)管材彎曲可塑性理論，并通過建模及采用科學(xué)的分析方法，對薄壁管材小彎曲成型質(zhì)量進(jìn)行了研究和分析。

【關(guān)鍵詞】薄壁管材;小彎曲成型;質(zhì)量

【中圖分類號】TG306 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0136-03

薄壁管材的彎曲過程是指，通過特定的加工模具對施工管材進(jìn)行加工處理，從而使之成為項(xiàng)目施工所需的零件的過程。經(jīng)過彎曲工序之后的薄壁管材在重量、機(jī)構(gòu)及剛度等方面都有著很強(qiáng)的優(yōu)勢，因此在現(xiàn)代工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。例如，石油化工行業(yè)、鍋爐行業(yè)及船舶行業(yè)等。在對薄壁管材進(jìn)行彎曲處理的過程中，不同管材有著不同的成型方式，比如壓彎工藝、拉彎工藝及繞彎工藝等;以加工管材在加工成型過程中是否需要進(jìn)行加熱為依據(jù)，其施工方式可分為兩種：一種是熱彎，另一種是冷彎;根據(jù)管材應(yīng)用過程中是否用到芯棒，管材的成型過程包括有芯彎曲及無芯彎曲兩種。在管材彎曲的過程中，由于涉及因素較多，所以很容易出現(xiàn)截面畸形的問題，嚴(yán)重影響管材彎曲的質(zhì)量及后期的加工效率。本文以不銹鋼類管材為研究對象，對薄壁管材小彎曲成型質(zhì)量進(jìn)行了探究，旨在為我國管材制造提供可靠的理論依據(jù)。

1 薄壁管材冷彎仿真中的芯棒建模研究

1.1 彎管成型工作原理

管材的繞彎成型是指，把整個所需加工的管材纏繞在提前選好的加工彎曲模上，通過相應(yīng)的施工手法對管材進(jìn)行加工處理，并通過各個模具之間的相對運(yùn)動，以拉壓成型的施工方式制作出成型管材的過程。其中，主要的成型模具有彎曲模具、夾緊模具、加壓模具、芯棒及防皺塊等。彎曲模具轉(zhuǎn)動的基礎(chǔ)是數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動過程。而在設(shè)計夾緊模具、加壓模具、芯棒及防皺塊位置時，則需要充分考慮管坯的位置，在這個過程中加壓模具及芯棒的作用是為整個管件提供必要的剛性支撐，盡可能地降低薄壁管材在彎曲加工的過程中因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)而造成的質(zhì)量缺陷的可能性。通過對夾緊模施加壓力，將管坯末端與彎曲模上的金屬鑲塊緊密連接，起到對薄壁管件及彎曲模進(jìn)行加固的目的。壓模工序，一方面是為了向薄壁管材施加一定的壓力，從而幫助薄壁管材更好、更快地進(jìn)入彎曲模;另一方面通過對薄壁管材進(jìn)行水平方向的固定，可以使薄壁管材發(fā)生形變的部位同彎曲模緊密地銜接在一起，從而確保彎曲模在實(shí)際運(yùn)作過程中能夠帶動薄壁管材一同旋轉(zhuǎn)，從而正確引導(dǎo)管材沿著模具上的規(guī)定軌道發(fā)生變形，得到所需的管材形狀。

1.2 管材成型的力學(xué)基礎(chǔ)

薄壁管材在實(shí)際加工的過程中，會隨著加工環(huán)節(jié)的進(jìn)行而發(fā)生一定的彈性形變、塑性形變及破裂，本文僅對彈性形變及塑性形變進(jìn)行探討。薄壁管材在外力M的作用下，管材外側(cè)材料將在切向作用力下被動拉長，而薄壁管材內(nèi)側(cè)的材料則會在切向作用力的作用下被動縮短。在薄壁管材外側(cè)的應(yīng)力應(yīng)變的狀態(tài)下，這其中橫向應(yīng)力、切向應(yīng)力及徑向應(yīng)力分別記為σD、σθ和σr。在薄壁管材的外側(cè)處記σ=σθ、σ2=σD、σ3=σr，管材內(nèi)側(cè)處記σ1=σθ、σ2=σD、σ3=σr。不難發(fā)現(xiàn)，此時薄壁管材所受到的外力為（+σ1，+ε1），而管材的內(nèi)側(cè)則受到了壓縮作用為（-σ1，-ε1）。除此之外，管材在加工的過程中，各個縱向?qū)又g會發(fā)生擠壓，從而產(chǎn)生了鏡像壓縮應(yīng)力（-ε1），其中最大值出現(xiàn)在中性層上。在對薄壁管材進(jìn)行加工彎曲的過程中，在成型模具的影響下，導(dǎo)致薄壁管材只能在水平方向上發(fā)生形變，相應(yīng)地也產(chǎn)生了一定的橫向應(yīng)力（+σ2）?；诖?，薄壁管材在彎曲的過程中可近似地認(rèn)為這種形變過程是發(fā)生于整個平面當(dāng)中的。所以，在外載荷力M的作用下，因受到（+σ1）的作用，所以薄壁管材的中性層的外側(cè)部分會變薄，而受到（-σ1）的作用，薄壁管材的管壁處則會出現(xiàn)一定程度的增厚。

1.3 芯棒結(jié)構(gòu)仿真策略研究

在薄壁管材的加工彎曲過程中，芯棒結(jié)構(gòu)起到了一定的支撐作用。根據(jù)各種的成型管材的具體要求，芯棒分類有兩種，其一是硬性芯棒，其二則是軟性芯棒。如何合理、正確地對軟性芯棒進(jìn)行模擬是迫切需要解決的問題。在進(jìn)行管材彎曲的過程中，芯軸不會與管件材料接觸，也不會產(chǎn)生相互作用，所以在薄壁管材的彎曲過程中，仿真模型不需考慮芯軸的受力問題及變形問題，只需考慮對芯頭提供合理的約束力，確保芯頭能夠正常工作。

2 不銹鋼管材小彎曲仿真模型的建立

管材成型參數(shù)見表1。

對于外徑大小為120 mm，彎曲半徑大小為144 mm（R/D=1.2）的薄壁小彎曲半徑管材，在管材進(jìn)行90°彎曲后，管材因受到外力的作用，相比中性層而言，在長度上減少了 ，相應(yīng)的薄壁管材在發(fā)生嚴(yán)重堆積的情況下，也容易出現(xiàn)起皺問題，其外側(cè)在外力的作用下，相比中性層在長度上增長了 ，也就更容易出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。

據(jù)研究可知，管材彎曲半徑為144 mm時，彎曲90°之后，視中性層為L0且保持不變，則管材內(nèi)側(cè)的長度會從L0變?yōu)長1，外側(cè)的長度由L0變?yōu)長2。

可得：

3 管材彎曲的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 芯頭連接件超彈體—鋼絲繩的轉(zhuǎn)換

在進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析的過程中，應(yīng)采用剛體材料制作芯頭模型，作為具有優(yōu)良柔韌性的超彈體Mooney-Rivlin材料模型，有著較強(qiáng)的剛度及足夠的抗拉伸性能，因此可以作為芯頭間的鏈接件的芯軸。在對薄壁管材進(jìn)行彎曲時，雖然超彈體連接件不會與管件發(fā)生相互作用，但是卻因與管件接觸而存在一定的受力關(guān)系，并可能會發(fā)生一定程度的形變運(yùn)動，考慮到客觀原因，其能夠很好地反映出芯球連接件鋼絲繩材料特性的實(shí)際情況。由仿真結(jié)果可知超彈體材料的相應(yīng)特性，從而可更準(zhǔn)確地推斷出實(shí)際施工過程中所用連接件材料的相關(guān)特性。根據(jù)芯棒所用鋼絲繩的特殊要求，以及管材在彎曲時鋼絲繩的受力特點(diǎn)不難發(fā)現(xiàn)，這種鋼絲和普通的承受拉力載荷所用的鋼絲繩是不一樣的，芯棒所用的鋼絲繩要有一定的剛度，要能承受一定強(qiáng)度的彎曲，在承受彎曲載荷的時候可以保持相對穩(wěn)定，與此同時，芯棒用的鋼絲繩還要有足夠的柔韌性，避免在制造過程中對管件造成損傷?？蛇x擇的鋼絲繩的種類有很多，在選擇鋼絲繩的時候，應(yīng)依據(jù)鋼絲繩的結(jié)構(gòu)及公稱直徑這2個主要參數(shù)進(jìn)行選擇。具體的方法如下：①以鋼絲繩的具體規(guī)格為依據(jù)，根據(jù)其直徑d、數(shù)目n，以及排列方式等計算出所需鋼絲繩的彎曲剛度大小K1。②在對管壁進(jìn)行彎曲加工的過程中，先通過超彈體同模型間進(jìn)行連接，然后通過仿真計算，得出合理的超彈體材料的模型參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)，以及超彈體的機(jī)頭尺寸D0，得出超彈體的彎曲剛度K0。③設(shè)鋼絲繩的彎曲剛度K1等于超彈體的彎曲剛度K0，這樣就可以得出鋼絲繩的股數(shù)及公稱直徑的大小D1。

3.2 管材所用芯軸參數(shù)的計算

3.2.1 超彈體彎曲剛度計算

在相應(yīng)的仿真分析過程中，可通過Mooney-Rivlin模型確切地描述超彈體的材料特性，如材料的密度ρ、材料的泊松比v、C10、C01，以及材料的一些表征。記超彈體材料的彈性模量E0與其HS與Mooney-Rivlin模型的參數(shù)關(guān)系如下：

可以得出2個參數(shù)C01與C10硬度HS的關(guān)系如下：

連接體超彈體的彎曲剛度如下：

通過對304 L不銹鋼薄壁管件彎曲仿真的分析可知，超彈體材料模型設(shè)置參數(shù)如下。密度：ρ=1.2c-6 kg/mm3;泊松比：v=0.495、C10=40、C01=10;將C01、C10帶入公式，可知超彈體的彈性模量如下：

超彈體的結(jié)構(gòu)尺寸D0為40 mm，可得超彈體的彎曲剛度如下：

3.2.2 鋼絲繩彎曲剛度計算

在進(jìn)行鋼絲繩選擇的時候，應(yīng)充分考慮不同鋼絲繩的用途。在選擇芯軸處的鋼絲繩時，考慮到抗彎曲性及抗疲勞的高耐性，則應(yīng)選擇在這方面性能較好的鋼絲繩。與此同時，要選擇直徑較小的鋼絲繩，直徑小的鋼絲繩繞行比較好，更容易彎曲。記整個鋼絲的當(dāng)量彈性模量為E1，材料的泊松比為v1。根據(jù)鋼絲的直徑d、鋼絲的數(shù)目n及鋼絲的排列方式，計算出所需鋼絲繩的彎曲剛度大小K1。

設(shè)鋼絲繩的彎曲剛度等于超彈體的彎曲剛度：令K0=K1;且E1= ;得d=（4.23×103 ）4。

根據(jù)選定的σD及鋼絲繩破斷拉伸的試驗(yàn)方法，可以得出鋼絲繩的直徑d，得出鋼絲繩的公稱直徑D1=46 mm。

3.3 仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析

在安置好各個模具之后，應(yīng)該將所有的加工參數(shù)統(tǒng)一都調(diào)整到與仿真優(yōu)化結(jié)果一致的參數(shù)后，再進(jìn)行后續(xù)的加工工作。試驗(yàn)研究表明，管材在總體成型方面表現(xiàn)較好，并沒有出現(xiàn)上述質(zhì)量問題，在整個實(shí)驗(yàn)完成之后，應(yīng)立即把已經(jīng)成型的管材取出來，將其放在相應(yīng)的檢測儀器上，一個小時后可以測得成型管材的夾角為92.23°;經(jīng)過有限元仿真后，可計算所得出的管材夾角為91.89°。造成這種差異的原因是在實(shí)際的仿真過程中，僅對管材的回彈量進(jìn)行了計算，忽略了因塑性收縮所引起的體積的改變。但是，這兩種誤差也還在允許的范圍之內(nèi)，這也就進(jìn)一步證實(shí)了仿真結(jié)果的科學(xué)性與可靠性。通過紅外線測厚儀對成型的管材的厚度進(jìn)行測量，并將數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在減薄率、增厚率和截面畸變率3個方面的差異做圖進(jìn)行對比。

4 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合國內(nèi)外的先進(jìn)研究成果及相應(yīng)的理論依據(jù)，經(jīng)過對比分析，采用數(shù)值仿真及相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等試驗(yàn)方法，對薄壁管材的小彎曲成型質(zhì)量進(jìn)行探究，并得出了一系列結(jié)論。{1}結(jié)合芯棒結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理，對同一芯棒進(jìn)行了仿真，提出了相關(guān)的建模仿真策略。{2}采用適當(dāng)?shù)幕竟?，采用?dāng)量法縮短了計算時間，有效地提升了仿真計算的效率。{3}針對薄壁管材小彎曲制造過程中易出現(xiàn)截面畸形的問題，采用可變拋物線式芯頭模型建立芯棒結(jié)構(gòu)，為管材內(nèi)壁提供了更好的支撐。{4}根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計了加工彎曲的模具，設(shè)置了合理的施工參數(shù)，并正確翻譯了仿真模型中所涉及的相關(guān)材料，順利進(jìn)行了彎曲實(shí)驗(yàn)，并證實(shí)有限元仿真方法對薄壁管材小彎曲成型質(zhì)量研究的可靠性。

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]