随着现代工业技术的迅速发展,航空、航天等高技术领域的弯管件复杂程度越来越大,对弯管件的成形质量和成形极限要求也越来越高,这就迫切需要研究和发展管材精确数控绕弯成形技术。21-6-9高强不锈钢管因具有高的强度、优良的耐腐蚀和耐高压性以及良好的抗高温氧化性,在航空、航天等高技术领域的管路系统中得到了广泛的应用。但该管材因屈服强度和抗拉强度高、延伸率低、屈弹比大等导致其成形难度大和成形质量差等问题。为此,本文以21-6-9高强不锈钢管为研究对象,对其在多模具约束多因素耦合下的数控绕弯成形过程所涉及的壁厚变化、截面畸变和回弹等关键问题进行了系统深入的研究。主要研究内容及成果如下:基于平面应变假设和指数硬化模型,推导了管材数控绕弯成形中不同方向的应力分布、中性层曲率半径、弯曲力矩、壁厚变化率和截面畸变率的近似计算公式;采用虚功原理建立了管材数控绕弯回弹解析模型,经验证表明,该模型是目前最接近实验值的理论解析模型,可用于管材数控绕弯回弹的初步估算。基于ABAQUS有限元平台,建立了21-6-9高强不锈钢管数控绕弯成形及回弹全过程三维弹塑性有限元模型,给出了建模过程所涉及的关键技术处理方法,并从网格尺寸、质量放大、能量曲线和实验结果等方面验证了该模型的稳定性和可靠性。采用该模型研究了无芯绕弯和有芯绕弯(芯棒类型包括圆柱式芯棒、圆柱球头式芯棒和球窝式芯棒)对21-6-9高强不锈钢管数控绕弯成形壁厚变化和截面畸变的影响,结果表明,配备芯棒是获得合格弯管件的必要条件,且以圆柱球头式芯棒为佳。在圆柱球头式芯棒的条件下,系统研究了几何参数、材料参数和工艺参数对21-6-9高强不锈钢管数控绕弯成形壁厚变化和截面畸变的影响。结果表明,1)随着弯曲角度增加,壁厚变化率和截面畸变率先增加后趋于稳定,且在相同弯曲角度下,弯管外侧壁厚减薄率均大于内侧壁厚增厚率;随着相对弯曲半径减小,壁厚变化率和截面畸变率均增大,并且要获得合格弯管件的相对弯曲半径必须大于2。2)增大弹性模量、硬化指数或减小强度系数、屈服强度,可减小截面畸变率;增大强度系数、硬化指数或减小屈服强度,可减小壁厚变化率,而弹性模量对壁厚变化率影响不大;泊松比对壁厚变化率和截面畸变率几乎没有影响。3)增加管材与防皱块间隙、管材与芯棒间隙或减小管材与弯曲模间隙、管材与压块间隙可减小壁厚减薄率;减小管材与芯棒间隙或增加管材与压块间隙可减小壁厚增厚率,而其他管材与模具间隙对壁厚增厚率的影响不显著;减小管材与弯曲模间隙、管材与压块间隙、管材与芯棒间隙或增加管材与防皱块间隙可减小截面畸变率。4)减小管材与芯棒摩擦系数可减小壁厚减薄率,其他管材与模具摩擦系数对壁厚减薄率的影响不大;增大管材与弯曲模摩擦系数、管材与防皱块摩擦系数、管材与芯棒摩擦系数可减小壁厚增厚率,而管材与压块摩擦系数对壁厚增厚率的影响不大;增大管材与弯曲模摩擦系数、管材与防皱块摩擦系数或减小管材与芯棒摩擦系数可减小截面畸变率,而管材与压块摩擦系数对截面畸变率的影响不大。5)随着芯棒伸出量的增加,壁厚减薄率增加,壁厚增厚率变化不大,截面畸变率减小。6)弯曲速度和压块助推速度对壁厚变化率和截面畸变率的影响不大。深入研究了21-6-9高强不锈钢管数控绕弯成形及回弹全过程变形行为以及卸载回弹规律。结果表明,抽芯和回弹时弯管切向应力均发生卸载,并且回弹后弯管内外侧切应力出现反向加载现象;弯管回弹角随着弯曲角度的增加几乎呈线性增加,弯管回弹半径随着弯曲角度增加而减小的变化规律满足Allometric函数关系;分别提出了通过求解回弹前后两直线方程夹角来计算回弹角以及拟合回弹前后弯管内脊线圆弧半径来计算回弹半径的方法。系统研究了材料参数和工艺参数对21-6-9高强不锈钢管数控绕弯回弹行为的影响。结果表明,1)随着弹性模量的减小或强度系数、屈服强度的增大,回弹增大,而硬化指数和泊松比对回弹的影响较小。2)随着芯棒伸出量、管材与压块间隙的减小或管材与弯曲模间隙、管材与芯棒间隙、管材与弯曲模摩擦系数、管材与防皱块摩擦系数、管材与芯棒摩擦系数的增大,回弹增大。3)弯曲速度对回弹角的影响较大,而对回弹半径几乎没有影响;随着管材与防皱块间隙的增大,回弹先减小后增大;压块助推速度和管材与压块摩擦系数对回弹的影响不大。4)回弹对材料参数的敏感性比对工艺参数的大,其对材料参数的敏感性从大到小依次为:强度系数、弹性模量、屈服强度、硬化指数和泊松比;回弹对工艺参数最敏感的是芯棒伸出量,最不敏感的是管材与防皱块间隙或弯曲速度。5)提出了可以对21-6-9高强不锈钢管数控绕弯回弹角和回弹半径同时进行补偿的方法,该方法的有效性通过了实例验证。以上研究结果对克服21-6-9高强不锈钢管成形难度,提高其弯曲成形性能和成形质量具有重要的理论和应用价值,可为某航空飞机管路系统中的21-6-9高强不锈钢弯管件的数控绕弯成形生产提供理论和技术支撑。