数控弯管变形控制分析

数控弯管变形控制分析

张晓峰  李小曼

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089）

摘要：导管是飞机的关键零件之一，对于飞机的制造意义重大，数控弯管技术是其成形的主要制造工艺。结合数控弯管的工艺特点，分析了管件弯曲过程中产生变形缺陷的原因，总结出有效控制并改善缺陷的工艺措施。

关键词：数控弯管；中性层；回弹

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塑性成形技术，能够实现材料的成形和改性，在材料加工工程中占有重要地位。管材塑性加工是以管材作毛坯，通过塑性加工手段，制造管材零件的加工技术。数控弯管工艺是传统弯管工艺结合机床工业和数控技术发展而产生的一种新工艺。数控弯管工艺不仅能够使管材塑性弯曲成形过程高技术化，而且能够满足对弯曲件生产过程精确化、高效率的需要，因此在航空航天工业的管材弯曲成形中，薄壁管的数控冷弯加工已代替传统的弯曲工艺，占据了重要地位。

1  数控弯管工艺

数控弯管工艺是传统绕弯工艺结合机床工业和数控技术的发展而产生的一种工艺，数控弯管机由弯曲头组件，小车、床身、液压动力机构、电力柜及操作控制台等组成。采用先进的数控弯管机床实现绕弯工艺，可以方便地调节工艺参数，因此数控弯管机可以既准确又稳定地完成弯曲、送进、转角等动作，保证了管制件的弯曲准确度。但是该工艺的模具结构比较复杂，制件质量对工艺参数敏感，尤其是对于弯制薄壁管制件的情况，如果工艺参数选择不当，则很容易出现起皱现象导致零件甚至是模具的报废。

图1  数控弯管工作原理

2  数控弯管变形缺陷及产生的原因

2.1  数控弯管变形缺陷的分类，如图2所示。

(1)横截面形状畸变。在管材弯曲加工时，若不采取必要的措施，弯曲后的横截面或大或小的都将发生畸变，近似为椭圆形。

(2)在弯曲变形区外侧壁会产生壁厚变薄。变薄量最大的部位在最大变形处，变薄过度时导致破裂。

(3)在弯曲变形区内侧壁会产生壁厚增厚、起皱。弯曲时变形区内侧壁壁厚增加，若变形程度过大，则管壁丧失稳定，引起皱褶。

(4)回弹问题。由于材料变形过程中存在弹性变形，因此在弯曲工艺结束后制件会发生回弹现象影响曲率精度。

               图2 弯管主要变形缺陷

2.2  数控弯管变形缺陷产生的原因

2.2.1  横截面形状的变化

首先分析空心管坯弯曲加工时其横截面形状的变化情况。如图3所示，管材在弯矩M作用下弯曲时，弯曲变形区的中性层外侧受切向拉应力，内侧受切向压应力。由于弯曲内、外侧管壁切向应力在法向的合力(外侧切向拉应力)的作用，使弯曲变形区的圆管横截面在法向受压而产生畸变，即法向直径减小、横向直径增大，而成为近似椭圆形。为了定量分析这种变化的大小，可采用长轴变化率（Dmax-D）/D 和短轴变化率（D-Dmin）/D研究其变化情况。由于用长轴变化率、短轴变化率不可能从整体上反映截面形状变化的实质，故生产中常用椭圆率衡量：

椭圆率=（Dmax－Dmin ）/Dmax×100%

式中Dmax、 Dmin ——在弯曲后管材同一横截面的任意方向，测得的最大、最小外径尺寸。弯曲程度越大，截面椭圆率亦越大。

图3 横截面形状的变化

2.2.2  管壁壁厚的变化

由应力应变状态分析可知，在弯曲中性层外侧由于切向拉应力作用而使壁厚减薄，在中性层内侧由于切向压应力作用而使壁厚增厚，且位于最外侧和最内侧的管壁壁厚变化最大。因此，导致了壁厚不均的现象。生产中常用壁厚减薄率作为衡量壁厚变化大小的技术指标：

壁厚减薄率=（t－tmin）/ t×100%

式中：t=管材原始壁厚(mm)； tmin——管材弯曲后最小壁厚(mm)。

2.2.3  起皱

管材弯曲变形时，中心层内侧纤维缩短，材料受切向压缩应力使管壁增厚出现皱褶。

2.2.4 回弹

管材弯曲与任何一种塑性成形过程一样伴随有弹性变形，当载荷卸去后，弯曲中性层外侧的纤维因弹性恢复而缩短，内侧纤维因弹性恢复而伸长，故使弯曲曲率和弯曲角发生变化，这种现象称为回弹。

3数控弯管变形缺陷的控制措施

3.1  横截面形状变化的控制

管材弯曲件截面形状的畸变，一方面可能引起截面积的减小，从而增大流体流动的阻力，另一方面也影响管件在结构中的功能效果。因此管材弯曲加工时，必须采取各种措施防止截面形状的畸变。

防止截面形状畸变的有效途径是：

（1）在弯曲变形区用芯棒支撑截面，防止截面产生畸变。

（2）在弯曲管坯内填充颗粒状介质（砂、盐等）、流体介质（水、油）、弹性介质（橡胶）或低熔点合金等，也可代替芯棒的作用，以防截面畸变。

（3）在弯曲变形区用模具型腔表面从管材外面限制截面形状，做成与之相吻合的模具型腔，以阻碍截面的歪扭，限制截面的畸变。

3.2  弯曲变形区外侧壁厚变薄的控制

管材壁厚的减薄，必然降低管件承受内压的能力，影响管件的使用性能。减小管壁厚度变薄的主要途径是：

（1）降低中性层外侧产生拉伸变形部位的拉应力数值。

（2）改变变形区的应力状态，增加压应力的成分。

3.3 弯曲变形区内侧管壁增厚及起皱的控制

管材弯曲时内侧壁的起皱，是管材弯曲技术应用和发展中面临的难题。生产中常用的校形工艺有：在弯管内通以高压液体的液压校形法；将钢球压入管内，并使之通过的钢球校形法。

3.4  弯曲回弹的控制

以前大都是依靠生产现场的经验数据，通过试验修正达到消除回弹影响的目的。目前的数控弯管机自带回弹修正软件，能很好地解决此问题。

4  结论

要有效的控制数控弯管变形，首先要有合格的模具，模具安装正确，以达到支撑控制截面畸变的作用；其次是弯管工艺参数合理，以有效控制切向应变，最后是有合适的润滑以保证前两个条件能充分发挥作用。

其次，弯曲变形区用芯棒支撑截面，在弯曲管坯内填充介质或做模具型腔从管材外面限制截面形状，能防止截面产生畸变。改变变形区的应力状态，增加压应力的成分，可达到减小壁厚变薄量的目的。内放芯棒，外靠防皱块，合理的芯棒与管壁之间间隙，可有效的控制起皱。通过数控弯管机自带回弹修正软件，解决回弹问题等等。这些都是控制数控弯管变形的有效措施。

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