王翠竹, 汪 倩,潘發(fā)興,王春華,李飛鵬,范紹平,王小虎,袁洞明

(1. 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代制造學(xué)院,四川 廣元 628000;2. 西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610031)

0 引 言

近年來(lái),金屬薄壁矩形截面彎管件被廣泛應(yīng)用,但其在繞彎成型中暴露出的各種質(zhì)量問(wèn)題也日益引起工藝設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。這些問(wèn)題主要表現(xiàn)為成型后彎管件的矩形截面畸變嚴(yán)重、頂板減薄率過(guò)大甚至開裂、底板失穩(wěn)起皺明顯、回彈角度難以精確補(bǔ)償?shù)取６@些問(wèn)題的產(chǎn)生與否以及程度大小則受到諸如管坯材料的力學(xué)性能、管坯截面的尺寸、彎曲角與相對(duì)彎曲半徑的大小、各種工藝參數(shù)的取值等多種因素的影響。有鑒于此,國(guó)內(nèi)專家關(guān)于此方面問(wèn)題已開展了大量研究。如劉郁麗等[1-10]利用數(shù)值仿真方法探索了各參數(shù)對(duì)鋁合金矩形管與黃銅矩形管繞彎成型后質(zhì)量的影響;劉紅等[11]研究了繞彎速度對(duì)大口徑薄壁低碳鋼矩形管90°繞彎后底板起皺程度的影響;邢忠文等[12]、牛衛(wèi)中等[13]分別研究了尺寸參數(shù)對(duì)高強(qiáng)鋼矩形管與方管90°繞彎后成型質(zhì)量的影響;王翠竹等[14-15]研究了芯管間隙大小對(duì)JAC590Y高強(qiáng)鋼矩形管180°繞彎時(shí)彎曲角度與半徑對(duì)Q345鋼矩形管繞彎截面畸變的影響。然而,到目前為止,針對(duì)彎曲半徑對(duì)管子成型質(zhì)量的研究主要針對(duì)鋁合金矩形管與和圓管[16-18]。本文利用塑性成型領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的Dynaform軟件對(duì)兩種厚度Q345鋼薄壁矩形管在徑高比R/h0處于3～5范圍內(nèi)的繞彎成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,探討徑高比對(duì)Q345高強(qiáng)鋼薄壁矩形管彎管成型質(zhì)量的影響。并在R/h0為3且加工質(zhì)量合格時(shí),討論能達(dá)到的最大彎曲角度極限。

1 金屬薄壁矩形管件的繞彎成型及其質(zhì)量缺陷

繞彎成型是廣泛應(yīng)用于各種新型金屬薄壁管道彎曲成型工藝的一種關(guān)鍵工藝方式,具有成型精度高、工藝效率高、彎曲質(zhì)量好、便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。如圖1所示,將金屬薄壁矩形管坯裝入繞彎?rùn)C(jī)中,利用夾塊和鑲塊夾緊其頭部,通過(guò)外部壓塊、防皺塊及內(nèi)部芯棒、芯頭來(lái)支撐其管身,當(dāng)彎曲模以角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí),管坯就隨著彎曲模同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng),以彎曲半徑R(即管坯橫截面形心到彎曲模軸線的距離)繞彎到所規(guī)定的彎曲角α。

圖1 金屬薄壁矩形管件的繞彎成型Fig.1 Rotary-draw bending of metallic thin-walled rectangular tubes

實(shí)踐證明,成型后的管件在其彎曲段任一由截面角φ(見圖1,0<φ<α)所確定的徑向截面上,都會(huì)產(chǎn)生如圖2所示的畸變形式。即管件的兩側(cè)板會(huì)向外側(cè)突出,頂板、底板則向內(nèi)凹陷;彎曲中性層頂板厚度有所減薄,而底板厚度則有所增加,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)起皺。

為了更清晰地進(jìn)行質(zhì)量缺陷分析,定義管件彎曲段任一徑向截面上中面高度縮減率η=1-h1/h0;局部壁厚減薄率Δ=1-t1/t0;圖2中,w1、h1、t1分別為管件彎曲段在該徑向截面上的最大寬度、中面高度與最小壁厚,如圖2(b)所示。

2 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

2.1 管坯的材料及其尺寸參數(shù)

Q345為一種廣泛應(yīng)用于橋梁、汽車、船舶、建材、壓力容器等行業(yè)的低碳合金鋼,其薄壁的鋼板在標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)與低應(yīng)變率條件下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表1[19]。

(a) 管坯橫截面形狀

(b) 管件徑向截面形狀

表1 Q345鋼的力學(xué)性能參數(shù)

現(xiàn)采用符合國(guó)標(biāo)GB/T 3094—2012[20]的2種尺寸Q345冷拔矩形鋼管作為管坯,其橫截面形狀如圖2(a)所示,尺寸如表2所示。

表2 管坯的尺寸

2.2 有限元模型

在Dynaform軟件平臺(tái)上可以構(gòu)建薄壁矩形管坯和彎曲模、夾塊、鑲塊、壓塊、防皺塊、芯棒與芯頭等工裝的三維有限元模型,如圖3所示。其中管坯進(jìn)行四邊形殼單元網(wǎng)格劃分,取網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.5～3.0 mm,而彎曲模、夾塊、鑲塊、壓塊、防皺塊、芯棒與芯頭等則被簡(jiǎn)化為剛體。對(duì)各模具部件位移和轉(zhuǎn)角的運(yùn)動(dòng)形式通過(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)的載荷來(lái)施加,各種維持不變的工藝參數(shù)被設(shè)定為表3所列數(shù)據(jù)。

圖3 仿真中的有限元模型Fig.3 Finite element model in the simulation

表3 仿真中設(shè)定的工藝參數(shù)

2.3 管材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與硬化模量

ε1=ln(1+Agt)=ln[1+(0.16～0.17)]≈0.15,

σ1=Rmeε1=578e0.15≈672 MPa。

于是得管材的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為

σ=σ1(ε/ε1)ε1=672(ε/0.15)0.15=893ε0.15,

管材的硬化模量Et=σ1≈672 MPa。

3 彎曲半徑對(duì)管件成型質(zhì)量的影響

將前述尺寸的矩形管坯在表3所列工藝參數(shù)下按表4所列模擬工況1～10,即5種彎曲半徑下分別進(jìn)行繞彎仿真(即相對(duì)彎曲半徑為R/h0),鑒于之前論文[15]中各參數(shù)對(duì)于Q345矩形管側(cè)板寬度擴(kuò)展率的研究,已得出相對(duì)彎曲半徑R/h0對(duì)彎曲段側(cè)板寬度擴(kuò)展率影響較小,所以在此不做進(jìn)一步研究。

表4 不同相對(duì)彎曲半徑R/h0下的工況

3.1 R/h0對(duì)管件彎曲段中面高度縮減率的影響

圖4、5分別為模擬工況1～5,即管件壁厚t為2 mm時(shí)以及模擬工況6～10,即管件壁厚為3 mm 時(shí)管件中面高度縮減率η與截面角φ之間的關(guān)系曲線。10種工況所得數(shù)據(jù)顯示:在5種相對(duì)彎曲半徑R/h0下,無(wú)論相對(duì)彎曲半徑R/h0取何值,其中面高度縮減率在50°～150°范圍內(nèi)穩(wěn)定,并且當(dāng)t=2 mm時(shí),R/h0越小,中面高度縮減率在110°～150°范圍內(nèi)變化越明顯,而在t= 3 mm時(shí)其中面高度縮減率大約在50°～150°范圍保持穩(wěn)定,但數(shù)值小于t=2 mm的情況,且當(dāng)R/h0=3時(shí)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)R/h0為3.5的情況。可見,當(dāng)R/h0為3時(shí),此時(shí)兩種厚度情況下加工出彎管已嚴(yán)重變形,并且在R/h0和壁厚同時(shí)影響的情況下,R/h0影響較大,因此在實(shí)際加工中,著重先考慮調(diào)整R/h0以滿足加工要求。

圖4 5種彎曲半徑下管件的η與φ的關(guān)系曲線(t=2 mm)Fig.4 Relation curves between η and φ of tubesin 5 relative bending radius(t=2 mm)

圖5 5種彎曲半徑下管件的η與φ的關(guān)系曲線(t=3 mm)Fig.5 Relation curves between η and φ of tubes in 5 relative bending radius (t=3 mm)

3.2 R/h0對(duì)管件彎曲段局部壁厚減薄率的影響

圖6為當(dāng)管件壁厚為2 mm時(shí),5種管件各橫截面上壁厚減薄率與截面角之間的關(guān)系。由圖6可知,無(wú)論R/h0取何值,其壁厚減薄率集中穩(wěn)定在彎曲件截面角φ為150°～160°的區(qū)間,此現(xiàn)象也與圖4所示管件中面高度縮減率η與截面角φ之間的關(guān)系曲線相似。當(dāng)管件壁厚為3 mm時(shí),除了相對(duì)彎曲半徑R/h0取3時(shí),其壁厚減薄率出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,其他壁厚減薄率基本在彎曲段處于穩(wěn)定狀態(tài),如圖7所示。在管件壁厚為2 mm和3 mm時(shí),兩者都隨著相對(duì)彎曲半徑R/h0增大,其最大壁厚減薄率Δmax減小,并且R/h0為3時(shí),兩者最大壁厚減薄率Δmax的數(shù)值達(dá)到27%左右,結(jié)合圖4、5趨勢(shì),此時(shí)彎出的管件明顯不合格。

圖6 5種彎曲半徑下管件的Δ與φ的關(guān)系曲線(t=2 mm)Fig.6 Relation curves between Δ and φ of tubes in 5 relative bending radius (t=2 mm)

圖7 5種彎曲半徑下管件的Δ與φ的關(guān)系曲線(t=3 mm)Fig.7 Relation curves between Δ and φ of tubes in 5 relative bending radius (t=3 mm)

4 R/h0為3時(shí)極限彎曲角度的討論

4.1 彎曲角α對(duì)管件彎曲段局部壁厚減薄率的影響

在t=2 mm和t=3 mm時(shí),管件彎曲180°～30°情況下,其最大壁厚減薄率Δmax由27%下降到15%左右,兩種管件在60°～30°區(qū)間下降值就達(dá)到8%左右,下降趨勢(shì)較大,如圖8所示。為此在60°～30°區(qū)間下,再次討論彎曲角α對(duì)管件彎曲段中面高度畸變的影響。

圖8 管件的Δmax與α之間的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between Δmax and α of tubes

4.2 彎曲角α對(duì)管件彎曲段中面高度縮減率的影響

圖9, 10分別為t=2 mm和t=3 mm時(shí),不同彎曲角α下管件中面高度縮減率η與截面角φ之間的關(guān)系曲線。由圖9, 10可知:兩種厚度下,當(dāng)彎曲角α在50°～60°時(shí),中面高度縮減率都在靠近夾塊與鑲塊一端數(shù)值較大。而當(dāng)彎曲角α為40°～30°時(shí),兩種壁厚管件ηmax相差值接近,隨彎曲角α變大,兩者差值逐漸變大,如圖11所示。

圖9 4種彎曲角下管件的η與φ的關(guān)系曲線(t=2 mm)Fig.9 Relation curves between η and φ of tubesin 4 bending angles (t=2 mm)

圖10 4種彎曲角下管件的η與φ的關(guān)系曲線(t=3 mm)Fig.10 Relation curves between η and φ of tubesin 4 bending angles (t=3 mm)

圖11 管件的ηmax與α的關(guān)系曲線Fig.11 Relation curve between ηmax and α of tubes

圖12 管件的Δmax與α之間的關(guān)系曲線Fig.12 Relation curve between Δmax and α of tubes

針對(duì)以上現(xiàn)象,可進(jìn)一步分析出兩種管件在60°～40°區(qū)間內(nèi),彎曲角α對(duì)管件質(zhì)量影響較大。圖12為兩種管壁厚度情況下,Q345矩形管繞彎不同角度后彎管的最大壁厚減薄率關(guān)系曲線。由圖12可知:當(dāng)彎曲角α從50°減少為40°,兩種壁厚管件和最大壁厚減薄率都降低了4%左右,其他彎曲角α變化段,最大壁厚減薄率相差變化不大。因此能得出彎曲角α在50°～40°區(qū)間變化下對(duì)管件的壁厚減薄率影響較大,再結(jié)合圖11,彎曲角α在50°～40°區(qū)間變化下對(duì)管件橫截面畸變影響嚴(yán)重,可判斷出,Q345鋼矩形管彎曲成型中,當(dāng)徑高比R/h0為3時(shí),滿足管件彎曲質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下,最大能彎曲角度極限值在40°左右。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了觀察Q345鋼矩形管繞彎成型后的效果,采用DW-50NC型單頭液壓彎管機(jī)在表3所設(shè)的工藝參數(shù)與彎曲半徑R=70 mm下,對(duì)表2所列中2 mm壁厚管坯分別繞彎30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°,所得到的彎管如圖13所示,并在彎曲角α=150 °繞彎的彎管在φ=120°的橫截面處截?cái)?所得截面的實(shí)際形狀如圖14所示(圖中所圈位置為該截面壁厚最薄處,箭頭處是彎管中面高度縮減程度)?？梢钥闯?對(duì)Q345鋼矩形管繞彎成型時(shí),彎管中面高度縮減程度及壁厚減薄情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真中反映出的情況基本上是一致的。

圖13 不同彎曲角度的Q345鋼彎管

圖14 Q345鋼彎管橫截面的實(shí)際形狀Fig.14 The actual cross-sectional shape of Q345 steel bent tube

6 結(jié) 論

1) 對(duì)于Q345鋼薄壁矩形管的繞彎成型,控制彎管成型質(zhì)量的關(guān)鍵在于限制ηmax與Δmax的數(shù)值,兩種厚度下彎管的中面高度縮減程度與壁厚減薄最為嚴(yán)重的情況均是在相對(duì)彎曲半徑R/h0為3時(shí),并且此時(shí)的值遠(yuǎn)大于相對(duì)彎曲半徑R/h0為3.5情況下的數(shù)值,因此在遇到大彎曲時(shí),首先需考慮R/h0滿足加工質(zhì)量要求。

2) 在滿足彎出合格件的情況下,無(wú)論相對(duì)彎曲半徑R/h0的取值為何,壁厚越小,大角度彎曲時(shí)截面角φ在140°～150°區(qū)間內(nèi),截面畸變最大。

(3) 當(dāng)彎管的相對(duì)彎曲半徑R/h0為3時(shí),兩種壁厚管件均在彎曲角α為40°～50°區(qū)間內(nèi)最大中面高度縮減率ηmax和最大壁厚減薄率Δmax數(shù)值劇增,此時(shí)彎出管件已失穩(wěn)不合格,故兩種厚度的管坯,若選擇相對(duì)彎曲半徑R/h0較小時(shí),厚度對(duì)管坯彎曲質(zhì)量影響較弱,相比,應(yīng)盡量考慮調(diào)整彎曲角度的取值范圍。