薄壁小半徑不銹鋼彎頭數控彎管關鍵技術研究

 薄壁小半徑不銹鋼彎頭彎脹成形的基本工藝路線是: 根據零件結構確定管坯尺寸后，先利用數控彎管機將管坯彎曲至成形質量可控、使用性能穩定的彎管，此時彎管的外徑小于彎頭，彎曲半徑大于彎頭，相對彎曲半徑ro/Do> 1.5。然后使用充液成形設備將彎管脹形，改變彎管內外側彎曲弧度，使管材中軸線發生偏移，成形為相對彎曲半徑r/D<1的不銹鋼彎頭零件。薄壁小半徑不銹鋼彎頭彎脹成形工藝同其他的管材多步驟成形工藝一樣，不銹鋼管件的預成型形狀和成形質量對零件終成形的成敗有很大影響，因此需要對管材數控彎曲的彎管形狀參數和加工工藝參數進行優化設計。浙江至德鋼業有限公司通過將幾何約束和材料塑性對預成型形狀的制約公式化，理論推導出彎管形狀參數的設計范圍;結合有限元模擬和正交試驗法優化多參數影響下的管材數控彎曲過程，分析出最佳工藝參數組合，獲得了成形質量良好的彎管模擬結果，為后續終成形的研究打下基礎。

  浙江至德鋼業有限公司對薄壁小半徑不銹鋼彎頭數控彎管工藝關鍵技術進行了研究，獲取了最佳的工藝參數組合，并得到了成形質量良好的有限元模擬結果，為后續數控彎管的實驗和終成形的工藝研究提供了支持與指導。具體結論如下:

 1. 薄壁小半徑不銹鋼彎頭的預成型形狀直接關系著零件終成形能否成功實施。根據管件在終成形過程中將受到的幾何約束與材料塑性的制約，推導出薄壁小半徑彎頭類零件預成型形狀參數的取值范圍公式，并通過該公式確定了管坯外徑和預彎半徑的取值:D=22mm, r=36mm,

  2. 在數控彎管工藝中，壁厚減薄率和橢圓畸變率的主要影響因素有壓模壓力、助推力、芯軸間隙、芯軸伸出量和夾緊模咬入。通過正交試驗獲知:芯軸間隙和助推力對壁厚減薄率影響最大，芯軸間隙和芯軸仲出量對橢圓畸變率影響最大;數控彎管的最佳工藝參數組合為:壓模壓力13kN、助推力1kN、芯軸間隙0.1mm、芯軸伸出量4mm.夾緊模咬入0.1mm。

 3. 采用優化后的工藝參數進行數控彎管有限元模擬，得到壁厚減薄率17.3%。橢圓畸變率2.44%的彎管模擬結果，成形質量符合航標規定。通過截面分析獲知:彎曲段壁厚沿截面周向呈正弦分布，彎管外側明顯減薄、內側明顯增厚;壁厚減薄率和橢圓畸變率沿彎管軸向變化規律均為先增大后減小，其中壁厚減薄率在600截面上取最大值，橢圓畸變率在75°截面上取最大值。

 經過上述分析可知，在有限元模型各接觸面的摩擦系數和不銹鋼彎頭模擬彎曲速度一定的情況下，加工工藝參數對管材數控彎曲成形質量的主要的影響因素有壓模壓力、助推力、芯軸直徑、芯軸伸出量和夾模夾緊力。本次研究主要基于以上因素對有航標規定的成形質量指標-壁厚減薄率和橢圓畸變率的影響規律，來進行工藝參數的優化。 選擇正交表設計正交試驗，留一空白列進行方差分析。因素中將芯軸直徑等效替換成通用性更強的芯軸間隙，將夾模夾緊力等效替換成夾緊模咬入距離以方便水平量化。試驗計劃與試驗結果如表所示。

 1. 工藝參數對壁厚減薄率的影響

 從圖可以看出，對不銹鋼彎頭壁厚減薄率影響最大的工藝參數為芯軸間隙和助推力，其次為芯軸伸出量;壓模壓力在取值偏大時有使壁厚減薄率增大的趨勢，而夾緊模咬入則基本沒有影響。

 2. 工藝參數對橢圓畸變率的影響

  從圖可以看出，對不銹鋼彎頭橢圓畸變率影響最大的工藝參數為芯軸間隙，其次為芯軸伸出量，其余因素的影響都不明顯。

 3. 最佳工藝參數組合

    至德鋼業通過對不銹鋼彎頭檢測試驗結果進行直觀分析，可以獲得最佳的因素水平組合。對于壁厚減薄率，壓模壓力、助推力、芯軸間隙、芯軸伸出量、夾緊模咬入的最佳因素水平。兩組最佳水平中，壓模壓力和芯軸間隙的取值不同。由方差分析可知，在實際生產過程中壓模壓力對不銹鋼彎頭壁厚減薄率影響的顯著性高于橢圓畸變率，故壓模壓力的取值優先考慮減小壁厚減薄率。從表可知，試驗結果中的橢圓畸變率相比壁厚減薄率更為危險，即更有可能超出航標規定的臨界值，因此芯軸間隙作為顯著影響因素，其取值應優先考慮降低橢圓畸變率。