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基于ABAQUS的铝合金薄壁管数控弯曲成形仿真分析

2017/8/1    来源:互联网    作者:赵彦涛  陶现宾  李学敏  陈乃玉  孟旭      
关键字:铝合金薄壁管  数控弯曲成形  壁厚减薄率  工艺参数  有限元法  
本文根据管件数控弯曲成形原理,以薄壁管壁厚减薄率为研究对象,利用有限元仿真软件ABAQUS建立了仿真模型,为制定合理的铝合金数控弯曲成形工艺参数提供了理论依据。

    0 引言

    管材的塑性加工可以满足对产品轻量化、强韧化、精确化和低消耗等方面的要求,因而该成形技术已成为先进塑性加工技术面向21世纪研究与发展的重要方向。管材弯曲成形是将管材毛坯弯制成具有一定弯曲半径、一定弯曲角度和形状的塑性加工工序,管材弯曲成形是管材塑性加工技术的重要组成部分。管材弯曲成形方法主要有滚弯、推弯、压弯、激光弯曲成形、感应加热弯曲及数控弯管六种方式。数控弯管工艺是传统弯管工艺结合数控技术而发展起来的一种先进管材弯曲成形技术,数控弯管工作原理如图1所示:弯模固定在机床主轴上并随主轴一起旋转,管件的一端由夹模夹紧在弯模上,在管件与弯模的切点附近外侧装有压模,弯模内侧装有防皱模,管件内部塞有芯轴,当弯模绕机床主轴转动时,管件绕弯模逐渐弯曲成形。

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    近些年来,伴随着我国航空航天事业的发展,铝合金薄壁管得到了大量的应用,其相比不锈钢管件具有轻量化、比强度高的优点,相比钛合金管件具有价格低廉的优势。但是铝合金薄壁管数控弯曲成形是一个几何非线性、材料非线性及边界非线性耦合的复杂物理过程,在成型过程中,各工艺参数对成形质量影响很大,并且容易出现外侧管壁减薄破裂、内侧管壁增厚起皱、横截面畸变及卸载后回弹等多种缺陷。这些缺陷是包括弯曲成形在内的工程界未能有效解决的技术难题,也是当今国内外学者研究的热点与难点。

    国内外学者在管材弯曲成形方面进行了大量的研究,这些研究主要集中在管材弯曲成形理论研究和相关成形工艺参数对弯管成形质量的研究,所用到的方法主要包括理论解析法、数值模拟法和实验法。NC.Tang通过塑形变形理论推导出了管弯曲过程中的相关理论公式,给出壁厚减薄率、壁厚增厚率等七个问题的理论解。武世勇等通过ANSYS软件建立了不包含防皱模和芯轴的有限元模型,对管件弯曲成形进行了分析。FordePaulsen等通过MARC软件对矩形管件弯曲成形进行了分析。YuansongZeng等研究了管材内压和摩擦润滑条件对管件变形的影响。唐鼎等针对芯轴形式对铜管弯曲成形质量的影响进行了研究。余方勤等给出了管件弯曲后外侧壁厚的计算公式。金国明等对管件弯曲成形的常见缺陷及芯轴的选取与使用进行了较好的经验性总结。鄂大辛等通过试验对小直径管无芯弯曲壁厚变形进行了研究。古涛等通过有限元模拟与试验结合的方法对管材弯曲壁厚变形进行了研究分析。YangHe等采用数值模拟方法,结合理论和实验研究了模具和管件的间隙对薄壁管截面质量的影响。寇永乐采用实验法,结合有限元数值模拟和理论解析法,研究了与铝合金薄壁管小弯曲半径数控弯曲成形质量密切相关的应力应变分布、壁厚变化和截面畸变等关键问题。Jae-bong丫&叩等通过PAM-STAMP对数控弯曲成形进行了仿真分析,得出芯轴是影响弯曲过程中管件壁厚减薄的重要因素。夏常平对矩形管弯曲过程中的管壁变形进行了分析,并提出了简易计算管壁变形量的计算方法。朱成龙等[通过AN-SYS/LS_DYNA对管件数控弯曲成形进行了仿真分析,研究了摩擦系数、压模压力、进给率对截面畸变的影响规律。詹梅等通过对数控弯管过程进行三维有限元模拟,得到了芯轴提前量、芯轴与管材间的间隙对管壁厚减薄的影响规律。陈戟铭以薄壁管数控弯曲三维有限元模拟系统TBS-3D为平台,针对薄壁管数控弯曲成形过程开发了壁厚变薄分析模块,研究了芯棒伸出量、弯曲速度、相对弯曲半径和材料硬化指数对管件壁厚变薄的影响规律。李恒等通过ABAQUS软件以50mmX1mm(外径X壁厚)系列不锈钢和铝合金大口径薄壁小弯曲半径为例,实现了包括弯管、抽芯、卸载回弹的完整的数控弯曲有限元模型的建立,并通过实验做了可靠性评估。詹浩通过三维弹塑性大变形理论研究和分析了管材在特定模具下的成形过程,并且编制了三维弹塑性大变形有限元程序,实现了管材弯曲成形过程的模拟,获得了设计模具和确定工艺参数的有关参考数据。李增楼通过Marc软件对数控弯曲成形进行了仿真分析,研究了相对弯曲半径、相对壁厚、助推力对弯管成形质量的影响规律。

    本文基于有限元法,通过有限元软件ABAQUS建立了管件数控弯曲成形的有限元模型,结合数控弯曲成形原理,以壁厚减薄率为研究对象,对其进行仿真分析,研究了模具的摩擦系数、芯轴提前量、芯轴与管件间隙以及管件进给率对铝合金薄壁管件壁厚减薄的影响规律,为制定合理的数控弯管工艺参数提供了理论依据。

    1 数控弯曲成形有限元仿真

    图2(a)所示为数控弯曲成形的简化几何模型,由数控弯管模具和管件组成,其中数控弯管模具由弯模、防皱模、夹模、压模和芯轴组成。图2(b)为其装配后的有限元模型。

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    1.1 材料参数

    管件材料为5A06型铝合金,密度为,弹性模量为,屈服应力为,泊松比为0.3。

    1.2 单元类型

    管件和数控弯管模具(弯模、防皱模、夹模、芯轴、压模)均采用三维壳单元。管件为变形体,单元类型为S4R,厚度为1mm;数控弯管模具(弯模、防皱模、夹模、芯轴、压模)均设为刚体,单元类型为R3D4。

    1.3 接触处理

    各个接触对均采用罚函数法,管件与弯模、防皱模、芯轴、压模的摩擦系数分别取0.1、0.05、0.05、0.2。

    1.4 载荷及边界条件

    约束芯轴与防皱模6个方向的自由度;释放压模与管件轴线方向平行的自由度,约束其余5个自由度;夹模与管件靠近弯模方向的末端进行耦合,并且将夹模与弯模进行梁连接;释放弯模绕轴线方向的自由度,约束其余5个自由度,并且施加一个绕轴线90°的转角。

    2 仿真结果分析

    2.1 管件与模具间不同摩擦系数对壁厚减薄率的影响

    管件与压模间的摩擦系数与最大减薄率的关系曲线如图3所示。从图3的关系曲线中可以看出,随着摩擦系数的增大,最大壁厚减薄率的变化可以分为三个阶段。第一阶段:当摩擦系数小于0.2时,随着摩擦系数的增大,壁厚减薄率随之减小,此阶段可以看成是线性下降阶段。这是由于当摩擦系数在此阶段逐渐增大时,压模与管坯的摩擦力随之逐渐增大,并且摩擦力的方向与管坯弯曲的方向相反,因此促进了管件外侧壁厚的拉伸减薄。第二阶段:当摩擦系数在0.2到0.4时,随着摩擦系数的增大,壁厚减薄率随之减小,但是减小幅度减弱,此过程可以看成是非线性下降阶段。第三阶段:当摩擦系数大于0.4时,随着摩擦系数的增大,壁厚减薄率逐渐增大,此过程可以看成是非线性上升阶段。这是由于当摩擦系数超过一定数值后,压模与管件的摩擦力逐渐增大,管件需要更大的拉力才能弯曲,因此造成壁厚减薄率增大。

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    图3 管件与压模/弯模间的摩擦系数与最大壁厚减薄率关系曲线

    管件与弯模间的摩擦系数与最大减薄率的关系曲线如图3所示。从图3的关系曲线中可以看出,最大减薄率随着摩擦系数的增大而减小。其原因与管件与压模间摩擦系数与最大减薄率关系曲线中的第一阶段相同。

责任编辑:张纯子
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