异质双金属复合管数控绕弯成形规律及参数优化

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异质双金属复合管以其高性能、低成本、能够适应严苛的服役环境,在石油、海洋、核能、交通和国防等领域的应用日益增加高,而管材数控绕弯成形技术则是管路系统中重要的构件——弯管的首选加工技术。然而,在管材弯曲过程中,容易出现外弧侧减薄甚至开裂、内弧侧增厚乃至起皱及截面畸变等缺陷,而复合管由于基、覆管材料性能的差异和结合界面的存在,使得其弯曲机理更加复杂,缺陷控制更加困难,这些问题严重制约着异质双金属复合管数控绕弯件成形质量和弯曲工艺性能的提高。为此,本文采用有限元模拟方法为主,实验与理论方法为辅的研究方式,系统深入地研究了20#/T2双金属复合管数控绕弯成形过程,主要研究内容及结论如下:(1)建立了异质双金属复合管数控绕弯成形的三维有限元模型,解决了异质双金属复合管几何模型的建立、边界条件处理以及网格划分、质量缩放等建模关键问题,并通过实验对有限元模型的可靠性进行了验证。(2)基于所建立的有限元模型,分析了双金属复合管数控弯曲过程中的变形行为。发现:管坯材料在经过弯曲切点之前大约20°左右开始变形,到达弯曲切点之后变形基本结束;外弧侧变形程度大于内弧侧,应变中性层朝着内弧侧移动;在结合界面上存在应力不连续现象,但应变并未出现不连续;基覆管之间材料性能差异及结合界面的存在能够减缓壁厚变化情况,而对于截面椭圆率影响不大。(3)随着相对弯曲半径的增加,壁厚变化率及截面椭圆率基本上都呈现基本为线性降低的特点;随着芯棒伸出量的增加,壁厚减薄率降低,截面椭圆率减小;随着压块助推速度的增加,壁厚减薄率稍有降低,截面椭圆率稍有减小。(4)增加复合管与芯棒间隙或减小复合管与弯曲模、压块间隙,或者减小复合管与芯棒摩擦系数或增加压块与复合管摩擦系数,可以改善外弧侧壁厚减薄缺陷;减小复合管与弯曲模、芯棒间隙,或者增大复合管与弯曲模摩擦系数、复合管与防皱块摩擦系数、复合管与芯棒摩擦系数可以降低外弧侧管壁的增厚;减小复合管与弯曲模、压块、芯棒间隙则,或者增加管材与弯曲模、压块摩擦系数或减小管材与芯棒摩擦系数可以减小弯管的截面畸变程度。(5)选取成形过程中影响最为显著的四个工艺参数芯棒伸出量、复合管与芯棒以及弯曲模之间的间隙、芯棒与复合管摩擦系数作为设计变量进行正交试验分析。综合考虑异质双金属复合管的椭圆率和壁厚变化率,确定优选工艺参数组合为:芯棒伸出量为3mm、芯棒与复合管间隙为0.15mm、管材与弯曲模间隙为0.05mm、芯棒与复合管摩擦系数为0.05。
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