數控彎管機彎曲回彈對成型質量影響的分析

汪鵬飛，李殿起，張少華，王帥帥

(沈陽工業大學機械工程學院，沈陽 110870)

數控彎管機彎曲回彈對成型質量影響的分析

汪鵬飛，李殿起，張少華，王帥帥

(沈陽工業大學機械工程學院，沈陽 110870)

在管件彎曲成型過程中，管件的回彈特性對管件成型質量的影響至關重要，回彈量是衡量管件質量和性能的關鍵環節。研究彎管彎曲原理及變形成型的過程，分析回彈量及工藝參數對管件彎曲成型中外徑拉裂、內徑擠壓、回彈和管壁變形的影響，推導出相對壁厚、相對彎曲半徑等工藝參數對成型質量影響的計算公式，彎曲管件的受力分析，得出相對彎曲半徑對管件壁薄厚的變化有影響，驗證了回彈是管件彎曲力卸載后的固有特性。并對彎管工藝參數進行了數學分析，通過對回彈量及工藝參數的計算推導，得出的數據對降低管件彎曲成型出現的質量缺陷有參考價值和理論意義。

回彈；成型質量；工藝參數；相對壁厚；相對彎曲半徑

0 前言

數控彎管管材由于塑形、韌性、輕量、性能高等優點廣泛應用于航空、航海、鐵路以及輕工業等領域，這對數控彎曲管材的精度、性能要求就更高。而決定數控彎管零件成型質量的主要因素是回彈量，回彈工藝的處理嚴重制約著彎曲技術的水準。回彈是彎曲管件在卸載彎曲力之后的固有特性，所以回彈是彎曲管件成型過程中影響質量不可消除的因素[1-4]。因此,對彎管管件彎曲成型過程中出現的回彈特性及原理進行重點分析，進而了解成型參數對回彈特性的影響，提高了數控彎管彎曲技術的發展。根據彎曲成型工藝(圖1毛坯坯彎曲成型)可知管件在彎曲成型中會出現很多缺陷，有彎曲破裂、彎曲變形、凸起、并在受力彎曲時管壁的外凸側受拉應力而變薄，外凹側受擠壓而變厚，這是困擾管件彎曲的難題。本課題研究了管件彎曲成型的機理，利用受力分析原理分析了回彈在彎曲成型中的關系，建立了回彈量數學模型，并結合數控彎曲工藝參數分析彎曲半徑、彎曲角度對成型質量的影響，推導出了工藝參數變化對管件薄厚及橫截面變形的關系。研究工藝參數對加工質量的影響是彎曲管件彎曲成型的主要目的，為彎曲成型過程、彎曲加工參數分析、回彈分析、彎管質量提供了理論分析[5]。

圖1 毛坯件彎曲成型

1 彎管彎曲機理及成型過程

管件隨送料小車進入夾模中，受到壓膜施加的壓力開始彎曲變形，管坯外凸側受到正向力而拉伸變長，內凹側受到正向擠壓而縮短，受力過程中管件發生不同形變，使彎曲曲率和彎曲角度發生變化。隨著外力不斷增加，彎曲變形的程度也增大。管件在整個變形過程中由彈性彎曲變形階段到塑形彎曲變形階段，圖2所示管件彎曲變形受力分布。

圖2 管件彎曲變形受力分布

彈性彎曲變形過程：管坯在彈性變形階段，正應力沿軸向橫截面呈線性分布，有胡克定律公式可知

σ=Eε

(1)

式中，σ為正應力；比例系數E為材料的彈性模量；ε表示應變。

應力σ與應變ε呈線性關系，所以管件切應力為零的軸向應力中性層與應變中性層相互重合且與管件軸心重合。管件以軸心線為界，可將管材變形分為拉伸變形和壓縮變形兩部分，且應力分布均勻，如圖3所示管件彎曲變形應力分布。

圖3 管件彈塑變形及應力分布

塑性彎曲變形過程：當管件經過彈性變形時，若卸載外力管件將完全恢復原形，若繼續施加外力，管件將產生塑性變形，管件外層與內層結構首先達到材料應力的屈服極限值。管件在塑性變形下不能完全恢復原形，材料變形屬性發生變化。此時應力中性層與應變中性層發生偏移，中性層偏離截面中心軸線，而曲率ρ隨著彎曲變形的增大向曲率中心偏移，應力變化量大于應變變化量，所以當彎曲塑性變形不大時，其受力分析計算的變化量可以不考慮。隨著外力的不斷增加，管材外層、內層及中性層都將發生塑性變形[7]。外力卸載后管件保持一定量的彎曲變形而成型，但很多管件在彎曲成型后，由于部分彈性變形恢復而形成回彈現象。

2 數控彎管受力及回彈量的分析

管件彎曲時，彎曲區內凹側受壓應力；外凸側受拉應力。當撤去外部施加力時，管件會發生兩種平衡情況，即彈性變形和塑性變形。當施加的外力卸載后，兩種變形都會發生彈性恢復，這種現象稱之為管件的回彈特性?；貜検枪芗墓逃刑匦詿o法完全消除，回彈引起的后果是管件要求的形狀與模具實際形狀有偏差，偏差會降低管件的性能和質量。

2.1 管件彎曲受力計算分析

圖5 管件彎曲產生的楔角

管件彎曲的切向應變分析；彎曲變形后導管中心發生偏移，彎曲半徑增大，所以計算彎曲半徑應考慮變化量，則

Rω=R+Rmsinω

(2)

彎曲變形外徑

R外=R+Rm

(3)

由三角函數定理

(4)

由圖5可知：

Ψ=π-γ-β

(5)

(6)

即

Rm)sinβ/(R+Rmsinω)]-β}

(7)

中性層L中為

L中=(R-Rmsinα)·{π-arcsin[(R+

Rm)sinβ/(R-Rmsinα)]-β}

(8)

arcsin[(R+Rm)sinβ/(R-Rmsinα)]-β}

(R+Rmsinω)θ+(R+Rmsinω)·{π-

(9)

由式(9)可知管件應變與彎曲半徑、偏移量、楔角有關。由圖2可知管件受力，根據工程力學強度理論得厚應變

εt+εR+εD=0

(10)

εD=0?εt=-εR

(11)

管件受力彎矩計算，彎矩M的計算公式

(12)

管件橫截面面積A為 dA=tRmdω

式中，t表示管件壁厚度；Rm為平均半徑。

2.2 管件回彈量的數學分析

用R、θ分別表示管件彎曲半徑、彎曲角度，消除施加外力后，管件維持一定的變形量而成型，由于管件有回彈特性，加工彎管時應考慮回彈量對管件的影響。在計算分析回彈量時，假設有一大小相等的彎矩M′在相反方向施加彎矩力，則M=M′管件彎曲成型后中性層不發生變化。

θρ=θ′ρ′

(13)

式中，θ為加工前彎曲角度；θ′為成型后彎曲角度；ρ為加工前曲率；ρ′為成型后曲率。

則回彈變化量為

Δθ=θ-θ′

(14)

由式(13)代入可知

(15)

管件彎曲過程中，管件的總變形量分為彈性階段彈性變形量和塑性階段彈性變形部分恢復后的變形量。若ε為總變形量，ε′為彈性變形量，ε″為塑性階段殘余變形量，可知：

ε=ε′+ε″

(16)

環形圓心的慣性矩

(17)

整理管件彎曲各應變值可知

(18)

將各式代入式(15)整理可得回彈量

(19)

2.3 影響回彈量的參數

通過對管件彎曲回彈的分析可知，影響管件回彈的因素很多，并且方式也很復雜，從管件參數方面可分為三類：

(1)管件材料的的固有屬性，有回彈量公式可知材料的彈性模量E越小，管件材料系數n越小，回彈量Δθ就越大[6]。

(2)管件其他參數不變，管件相對彎曲半徑越大，即管件變形量就越小，回彈量越大。

(3)管件彎曲角度對回彈量也有影響，管件彎曲角度越大，則管件變形區域就越大，但單位區管件變形就縮小，變形所占比例增大，回彈量也增大。

3 影響管壁薄厚變化的參數

對管件彎曲成型質量影響的因素很多，尤其對管件受力后管壁薄厚變化的影響，分析每一個參數對管件壁厚的影響很困難，相對彎曲半徑和彎曲角度是影響管件壁薄厚的主要因素，因此僅分析這兩參數的影響規律[8-10]。

(1)彎曲半徑對管壁薄厚變化的影響。對回彈量的分析表明，隨著相對彎曲半徑的增大，管件變形程度減小，則管件壁厚的變化量也減小。

(2)彎曲角度對管壁薄厚變化的影響。彎曲角對管件壁厚的影響是壁厚變化量隨彎曲角的增大而增大，減小而減小。

4 結束語

本文研究了數控彎管設備加工過程中出現的回彈現象，并對回彈量進行了詳細分析與數學建模，分析了管件彎曲過程中的受力情況，以及管件受力對回彈量的影響。還分析了回彈量與管件工藝參數的關系，回彈量對管件質量的影響，解決了管件加工過程需要考慮的工藝參數、材料參數等數據。實踐表明理論分析為彎管加工提供了實際參考數據和理論支持。

[1] 王同海. 管材塑性加工技術[M].北京:機械工業出版社,1998:28-29.

[2] 余方勤. 圓管無芯彎曲壁厚變薄量研究[M].鍛壓技術,1998(05)

[3] 李晉敏. 塑性加工技術[M].北京:機械工業出版社,2004:70-131.

[4] 梁炳文. 板材成型塑性理論[M].北京:機械工業出版社,1987.

[5] 潘昌平. 管材彎曲回彈及彎管機控制系統的研究[D].吉林:吉林大學,2008.

[6] 李振強. 大直徑薄壁導管數控彎曲回彈解析及工藝數據庫[D].西安:西北工業大學，2007.

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[8] 王光祥,楊合,李恒,等.工藝參數對薄壁數控彎管成型質量影響的實驗研究[J].機械科學與技術,2005,24(08).996-998.

[9] 車明. 薄壁管彎曲成型質量分析及 工藝參數優化研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2014.

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The effect of pipe bending springback on the formingquality of CNC pipe bender

WANG Peng-fei，LI Dian-qi，ZHANG Shao-hua，WANG Shuai-shuai

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

In the pipe bend forming process, the springback characteristic is very important to the pipe forming quality, and the springback amount is a key link to measure pipe quality and performance. The bend deformation principle and forming process of bend pipe were studied. Through analyzing the process parameters and springback amount effect on the outside diameter cracking, inside diameter extrusion, springback and pipe wall deformation in the pipe bend forming, it obtained formula that reflected the influence of relative bending radius and relative wall thickness on forming quality, meanwhile, it also got the affect of relative bending radius on the pipe wall thickness change by analyzing the pipe force. All above proved that springback is an inherent characteristic after the pipe bending force is unloaded. The process parameters of bending pipe were analyzed mathematically.The data come from the springback and process parameters have reference value and theoretical significance to reduce the quality defect of pipe bending forming.

springback;forming quality;process parameter;relative wall thickness;relative bending radius

TH162

A

1001-196X(2017)05-0042-04

2017-01-25；

2017-03-17

汪鵬飛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為金屬管材數控彎曲及仿真分析。