薄壁不銹鋼管數控繞彎成形數值仿真及工藝研究

馮蘇樂,簡翰鳴,李年富,王業偉,徐愛杰,楊學勤

(上海航天精密機械研究所,上海201600)

0 引言

不銹鋼薄壁彎管具有強度高、輕量化等特性,在運載火箭增壓輸送系統管路中得到廣泛應用。傳統彎管成形工藝為模具壓制半邊管后對焊成形,存在焊后變形大、尺寸精度低、手工校形和修配工作量大等問題,如圖1所示;而采用數控繞彎工藝可有效解決傳統工藝成形難題。近年來,國內外學者針對數控繞彎過程缺陷開展了大量研究,林艷等[1]研究了薄壁彎管成形過程中容易產生的缺陷形式,并給出了成形方法;鄂大辛等[2]通過大量彎管工藝試驗,分析了不銹鋼等管材彎曲成形過程中材料變化,截面畸變等缺陷;武世勇等[3]采用ANSYS等數值模擬軟件對彎管零件成形進行有限元分析,并對成形后的產品尺寸與數值模擬結果進行對比驗證;國外AI-Qureshi等[4]采用彈塑性理論對彎管成形進行分析,得出了近似公式用以預測回彈及殘余應力。本文采用理論分析與試驗結合的方法,利用有限元仿真軟件Dynaform對彎管成形工藝參數進行研究,實現了薄壁不銹鋼彎管一體化成形。

圖1 傳統拼焊工藝制得的彎管Fig.1 Traditional tailor welded elbow

1 成形工藝分析

數控繞彎成形原理如圖2(a)所示。管材一端由夾緊塊壓緊在彎曲輪鑲塊上,在管材與彎曲輪切點附近外側裝有壓塊,內側裝有防皺塊,管件內部有芯棒與芯頭支撐,當彎曲輪繞機床主軸轉動時,管件就繞彎曲輪逐漸彎曲成形[5]。該方法可以一次整體成形出彎管零件,消除了兩條焊縫,避免了焊后變形和焊接缺陷的產生[6]。

圖2 數控彎管示意圖Fig.2 Schematic diagram of numerical control bending

本文試驗的彎管零件壁厚為0.8mm,管材外徑為φ65mm,相對彎曲半徑為1.8D(D為管材外徑),屬于薄壁小彎曲半徑彎管,如圖2(b)所示,材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。在現有的數控繞彎方法中,針對小彎曲半徑薄壁管(壁厚＜1mm)極易產生起皺、畸變、開裂等缺陷,從而影響產品質量。其中,壁厚減薄率及型面畸變量常作為衡量彎管質量的重要指標之一,壁厚減薄率為Δt=(t-t′)/t×100%(t為原始壁厚,t′為彎曲后最小壁厚),截面畸變率為ΔD=(D-D′)/D×100%(D為管材外徑,D′為彎曲后縱向管徑)[7]。針對運載火箭增壓輸送系統彎管零件,其產品質量要求相對普通彎管更高,即截面畸變率要求≤5%,產品減薄率≤20%,同時要求零件表面無起皺等缺陷。因此,如何控制零件變形,保證材料流動均勻,避免彎曲過程出現上述缺陷成為本文研究的重點。

針對產品結構尺寸,確定了成形工藝參數,包括:夾塊尺寸L1,壓塊/防皺塊尺寸L2,芯棒伸出量e,芯棒直徑d′,彎曲速度V1、V2,毛坯尺寸Q,芯頭直徑d等。

1)夾塊尺寸L1根據公式L1=(2～3)D,確定L1=130mm。

2)壓塊/防皺塊尺寸L2根據式(1)確定

式中,α為所彎管材最大彎曲角度,D為管材外徑,R1為彎曲輪彎曲半徑。通過計算得到L2=230mm。

3)芯棒伸出量e根據式(2)[8]確定

式中,R為相對彎曲半徑,單位為mm;d0為管材內徑,單位為mm;x為管材內壁與芯棒間隙,x一般取(9%～12%)t(t為管材壁厚),單位為mm。通過計算得到e=5.45mm。

4)芯棒直徑d′根據公式d′=d0-x,確定d′=63.32mm。

5)毛坯尺寸Q按零件理論展開尺寸加夾塊余量,得到Q=600mm。

減薄率和畸變量不僅和材料的力學性能參數有關,還與芯頭直徑縮減量、彎曲速度等工藝參數有關。在初始工藝參數設置條件下,本文主要研究彎曲速度、芯頭直徑縮減量等工藝參數對成形過程的影響。

1)彎曲速度V包括助推速度V1和夾塊彎曲速度V2,為保證彎曲過程變形均勻,一般要求V=V1=V2。針對薄壁管彎曲成形,分析彎曲速度V對零件減薄及型面畸變情況的影響。

2)由于零件彎曲角度大且壁薄,因此為防止產生截面畸變,需要多個芯頭彎曲成形,而每個芯頭的直徑不盡相同,單個芯頭直徑d1、d2、d3應距離芯棒由近至遠而逐漸減小,因此縮減量δ定義為δ=d1-d2=d2-d3,該縮減量對于零件壁厚及畸變的控制尤為重要,因此本文研究縮減量δ對零件壁厚及畸變程度的影響。

2 仿真分析

2.1 數值模擬模型建立

數控繞彎過程是集材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性的大位移、非穩態塑性成形過程[9]。利用有限元分析軟件Dynaform以及與之相配套的有限元求解器LS-DYNA,對彎曲成形過程進行有限元仿真。首先對1Cr18Ni9Ti不銹鋼力學性能進行分析,在完成單向拉伸性能試驗后利用板材成形性能實驗機BHB-80對材料成形極限測試,由試樣獲得的極限應變點,進行二次曲線最小二乘擬合,得到擬合的FLD曲線見公式(3)[10],并將材料性能數據導入有限元分析軟件中進行仿真。仿真成形模型包括芯棒、芯頭、防皺塊、彎曲輪、壓塊、夾緊塊和鑲塊構成[11],如圖3所示。1Cr18Ni9Ti的擬合FLD曲線為

圖3 彎管成形有限元模型Fig.3 Finite element analysis model

2.2 模擬結果

分別分析彎曲速度V=1mm/s～10mm/s條件下彎曲后管材的壁厚減薄和畸變情況,圖4為數值模擬計算結果。從圖4中可知,管材壁厚減薄率首先隨彎曲速度的增加迅速下降,當彎曲速度增加到7mm/s時,管子壁厚變薄率減小至19%;此后隨著彎曲速度的增加,管子壁厚增厚趨勢有所上升,而截面畸變率在3%～6.4%之間趨于平緩變化。這表明彎曲速度的適當增加有利于促進變形區材料的流動補充,減少局部大變形的可能性,降低零件彎曲過程減薄率,但過快的彎曲速度將增大助推力和摩擦力,導致減薄趨勢上升,而截面畸變程度與彎曲速度的關系不大。

芯頭直徑縮減量對零件壁厚及畸變程度的變化如圖5所示,從圖5中可知,當芯頭直徑縮減量δ從0.1mm增大至1.0mm過程中,初始階段隨著δ的增加,壁厚減薄率在逐漸減小。當δ達到0.7mm時壁厚減薄趨于平緩,此時壁厚最大減薄率為18%。

圖4 彎曲速度對成形質量的影響Fig.4 Effect of bending speed on forming quality

圖5 芯頭直徑縮減量對成形質量的影響Fig.5 Effect of core diameter reduction on forming quality

截面畸變率隨著δ的增加呈現逐步上升趨勢,由最初的1%(δ=0.1mm)逐步增加至5%(δ=0.8mm),隨著δ繼續增加截面畸變率開始迅速增大。這是由于隨著芯頭縮減量的增加,彎曲過程中芯頭與管壁的間隙逐漸增大,摩擦阻力減小導致零件壁厚減薄率降低,但間隙的增大造成管材內部支撐不足使截面畸變趨于嚴重,根據模擬結果,當δ在0.6mm～0.8mm范圍內時,可使材料減薄與截面畸變達到相對平衡。

綜上所述,相對于彎曲速度指標,芯頭直徑縮減量δ對零件成形過程中的壁厚減薄及截面畸變影響更大。

3 彎曲成形試驗

3.1 試驗條件

在數值模擬基礎上,利用CNC單模液壓彎管機W27YPC-74(見圖6)進行了彎管試驗。初始工藝參數設置如下:管坯尺寸為φ65mm×0.8mm×600mm,彎曲半徑為122.5mm,彎曲角度設定為80°,芯棒伸出量調整為5mm,芯棒參數為φ63.4mm×300 mm,芯頭采用鉸鏈連接,個數為3。

圖6 數控繞彎試驗模具Fig.6 Numerical control bending device

3.2 工藝參數優化

在初次試驗過程中,為便于后續修模,設定芯頭縮減量為0,即各芯頭直徑保持一致,在此條件下,試驗不同彎曲速度對成形過程的影響,當助推速度V1大于夾塊速度彎曲速度V2時,造成管材內側產生較大的起皺變形,如圖7(a)所示。調整助推速度V1與夾塊速度彎曲速度V2匹配后,管材起皺變形消除,如圖7(b)所示。根據實驗可知,當V1=V2=8mm/s時,成形零件壁厚相對均勻,此時零件減薄量在25%左右,截面畸變率為2%。

圖7 成形過程起皺缺陷及消除Fig.7 Wrinkle defects in forming and elimination

在第一步基礎上,進一步修模試驗不同芯頭直徑縮減量δ對成形過程的影響。當δ為0.3mm時,經過試驗零件的減薄量降低至22%,而截面畸變率增大至3%;進一步增加δ至0.6mm時(如圖8所示),產品彎曲后最小壁厚0.65mm,壁厚減薄量為18.8%,最大截面畸變量為4%,在滿足零件壁厚條件下,管材外側受到芯頭的有效支撐,變形相對較均勻,兩指標相對均衡,滿足設計要求;再增大δ至1.0mm時(如圖9所示),此時零件截面畸變率迅速增大至7%,由于外側管壁無法受到有效支撐,彎曲后零件產生較大程度畸變。

最終成形的合格產品如圖10所示。

圖8 芯頭直徑縮減量δ0.6mm試驗結果Fig.8 Test of core diameter reduction 0.6mm

圖9 芯頭直徑縮減量δ1.0 mm試驗結果Fig.9 Test of core diameter reduction 1.0mm

圖10 合格彎管零組件Fig.10 Bending forming tube

3.3 顯微組織分析

為分析成形后材料內部顯微組織的變化情況,分別在彎管A區域、B區域以及母材C區域(對應位置見圖8(a))進行取樣,如圖11所示。從圖11中可以看出,非變形區材料晶粒呈均勻分布,在變形區域A(管材外側),材料受到拉應力作用,晶粒沿壓延方向伸長,組織更為細密,成行排列的方向性更明顯,加上彎曲變形的存在,形成形變強化效果,相對母材區域該處強度得到提高;在變形區域B(管材內側),由于材料受到壓應力作用,纖維狀組織方向性排列不明顯,形變強化導致零件強度得到提高。

圖11 不同區域顯微組織(200X顯微鏡,浸蝕劑:FeCl3溶液)Fig.11 Microstructure of different regions(200X microscope,corrosion:FeCl3 solution)

3.4 產品試生產

在工藝試驗基礎上,開展了彎管零件試生產工作,并針對試生產過程中遇到的實際問題進行了歸納總結,形成了如下經驗要點:

1)根據管材規格選擇合適的芯頭,一般芯頭與管材單面間隙為0.1mm～0.3mm;

2)各芯頭應按直徑從大至小進行裝配,距離芯棒最近球節直徑最大,依次排列;

3)各芯頭與卡環裝配應保證牢固、可靠,避免產生偏心、阻塞;

4)當最小芯頭磨損至直徑小于管徑10%以上時,需更換芯頭;

5)不銹鋼數控彎曲試生產過程中常見的質量缺陷和解決方法,具體如表1所示。

表1 不銹鋼數控彎曲試生產過程中常見的質量缺陷和解決方法Tab.1 Common quality defects and solutions in stainless steel NC bending

4 結論

本文研究了芯頭縮減量、彎曲速度等工藝參數對數控繞彎的影響,得到在彎曲速度為8mm/s,減小芯頭縮減量為0.6mm時,成形零件截面畸變不超過4%,最小壁厚0.65mm。成功制得了不銹鋼薄壁彎管零件,采用改進工藝具有如下優勢:

1)零件成形可靠性高。采用數控彎曲可以一次整體成形出彎管零件,消除了兩條焊縫,消除了焊接過程中產生的焊接變形和焊接缺陷,且成形零件壁厚均勻,整體質量好,可靠性高。

2)成形工序少。采用數控彎曲成形工藝,減少了鈑金修配、半邊管縱縫焊接、焊后鉗工修配等4道工序,將原先11道成形工序減少為7道。

3)成形精度高。數控彎曲成形工藝可以避免傳統彎曲工藝中容易出現的起皺和截面畸變等失效形式,可以提高大多數彎管的成形精度,如圖12所示,從而整體提升火箭產品質量可靠性。

圖12 不同工藝方法零件外觀對比Fig.12 Appearance comparison between different forming methods