1、管件数控弯曲工艺参数对回弹的影响 王博怀 朱目成 王雅萍 孙轩 西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室 摘 要： 管件数控绕弯卸载后会产生回弹现象, 为更好提高船舶管件绕弯成形质量, 需要对弯曲卸载后的回弹进行有效控制。基于有限元软件 Dynaform 平台建立船用20#管数控弯曲及回弹的三维有限元模型, 模拟了管件绕弯卸载后的回弹过程, 通过正交实验设计, 对回弹角度数据进行极差分析和方差分析, 研究了工艺参数对回弹影响的显著性及规律。结果表明:对回弹角度影响显著的工艺参数顺序依次是:防皱模与管件间隙、弯模与管件间隙、芯棒前伸量、镶块与管件间隙;回弹随着弯模间隙的增大而增大, 随芯棒前
2、伸量、镶块间隙、防皱模间隙的增大而减小。同时建立显著性工艺参数与回弹角度的回归预测模型, 经对比验证, 此模型得到的结果与虚拟正交试验之间的相对误差不超过 5%。关键词： 管件回弹; 弯曲工艺参数; 正交试验; 回归分析; 作者简介：王博怀 (1990) , 硕士研究生, 研究方向为机械设计理论、过程测试技术研究, E-mail:收稿日期：2017-08-29基金：国家科技支撑计划项目 (2014BAF12B05) Analysis of the Significance of Technological Parameters of Tube Bending on SpringbackWang
3、 Bohuai Zhu Mucheng Wang Yaping Sun Xuan Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process, Southwest University of Science Abstract： Springback can happen after the unloading of numerical control bending of the pipe fitting.In order to improve the forming quality of the bending of ship
4、 pipe fitting, the effective control of the springback after bending unloading is needed.Based on the finite element software Dynaform platform, a threedimensional finite element model of numerical control bending and springback ship 20# tube is established, simulating the procedure of the springbac
5、k after the unloading.Through orthogonal experimental design, the range analysis and the variance analysis of the data of springback angle are carried out and the significance and regularity of technological parameters on springback are studied.The results show that for the springback angle, the seq
6、uence of significant technological parameters are as follows:the gap between the anticrease die and pipe, the gap between the bending die and the pipe, the extension of the mandrel and the gap between the insert and the pipe.The springback increases with the increase of the die clearance, and decrea
7、ses with the increase of the mandrel advance, the gap between the inserts and the gap of the anticrease die.At the same time, the regression prediction model of significant process parameters and springback angle is established.After comparison and verification, the relative error between the model
8、and the virtual orthogonal test is not more than 5%.Keyword： The pipe springback; Bending process parameter; Orthogonal design; Regression analysis; Received： 2017-08-29船舶管件以各种弯曲角度密布在船体空间, 输送着各类高温高压气体、液体, 为船舶正常行驶发挥着重要作用。在有限的船体空间中, 管件的合理布局将高效节省内部空间, 在船体内部各个管件安装部位都有着严格的角度要求, 因此, 现代船舶内部对于管件绕弯成形后的定形角度有严
9、格的要求。在弯曲段由于回弹使弯曲角度变化导致连接处管件承受额外载荷, 严重时连接处会发生破裂, 造成严重的安全事故。同时, 回弹将极大影响管件弯制的效率, 弯曲角度的变化必然会影响管件的顺利安装, 拖慢船舶制造的时间周期。因此, 对于船用管材的弯曲回弹控制要求较高。20#管作为最常见的船用管材, 其强度低, 韧性、塑性和焊接性均好, 广泛应用在船舶工程领域。船用管件通常需要在舱体内有限的空间合理布局进行各种介质的传输, 其弯曲角度在船舶各部位设计时需充分考虑。目前我国大型造船厂最常用的管件固定弯曲角度范围在 0180, 对于管件初始数控绕弯回弹角度有着明确限制, 尤其对于精密部位弯曲角度更有着
10、严格的要求。目前, 国内外相关学者对管件数控绕弯卸载后回弹问题进行了大量研究, 主要从理论研究、实际试验和有限元分析 3 个方面展开。文献1研究了管件弯曲时回弹角与曲率半径近似模型, 此模型充分考虑了金属管材弯曲时的硬化规律, 相较其它模型更具优越性, 但缺点是忽视了管材中性层的移动;文献2基于材料分段非线性本构模型对 1Cr18Ni9Ti 管材建立了回弹预测模型, 总结分析了各工艺参数对管件数控弯曲时回弹角的影响规律, 并进行了可靠性验证。文献3模拟了管件弯曲成形及卸载后的回弹规律, 通过方差分析得出了各工艺参数对于回弹的显著性影响, 根据影响规律调整工艺参数后进行弯曲试验, 在适当减小弯模
11、与管件间隙、增大芯棒前伸量和压模与管件间隙, 通过比较优化前后的回弹角度, 得出了大口径薄壁管在弯曲角度为 90和 195下的回弹角度均有一定的减小。文献4基于 Abaqus 平台对 TA18 高强度钛合金管件数控绕弯进行了模拟分析, 并进行了可靠性评估, 并通过数理统计方法得出了工艺参数对于弯曲卸载后回弹的影响。文献5建立了管件的回弹预测模型, 但所得误差较大, 原因是在分析管件弯曲段应力应变关系时没有考虑壁厚变化对于回弹的影响;文献6在大量实际绕弯数据基础上分析了回弹角与管件相对壁厚、弯曲角度以及相对弯曲半径三者的关系, 同时验证了回弹角与弯曲角度和相对弯曲半径有较强的线性关系。实际试验和
12、理论计算都无法对管件数控绕弯卸载后回弹问题进行精确分析, 实际实验需要耗费大量的人力物力, 且不能很好地控制管件与各模具间隙变化, 而理论计算都是建立在大量精简和假设的基础上, 分析结果误差较大。有限元分析可以模拟非线性、复杂接触条件问题, 同时可以精确控制加工参数, 基于Dynaform 有限元分析软件结合项目尺寸要求, 本文以规格为 140 mm4.5 mm (t) 420mm (R) 的 20#管件作为研究对象建立三维模型, 结合正交试验对回弹数据进行方差分析, 得到了数控绕弯时影响回弹的显著性工艺参数及趋势, 通过数理统计软件 SPSS 建立回弹角度预测模型。分析结果能为实际管件数控绕
13、弯过程回弹预测提供指导。1 有限元建模及可靠性验证1.1 管件弯曲有限元模型的建立以规格为 140 mm4.5 mm (t) 420 mm (R) 的管件作为研究对象, 基于Dynaform 有限元软件分析平台, 建立动态三维弹塑性模型, 如图 1 示。模型中管件弯曲角度 =90, 弯曲半径 R=420 mm。模型中管材和模具均采用有弯曲和膜特征的 shell163 薄壳单元, 采用自适应生成网格, 网格大小为 6, 压紧块、弯曲模、夹紧模、弯模襄块与管材之间采用库伦摩擦模型。图 1 管件弯曲三维模型 Fig.1 3D model of rotary bending 下载原图根据具体项目要求,
14、 管件材料选用船舶管系中最常用的 20#, 结合常用船舶管件尺寸参数要求, 参考文献7, 管径尺寸范围 89-219, 管件的弯曲半径为外径的 3 倍, 研究用管件尺寸参数如表 1 示。表 1 管件尺寸参数 Table 1 Parameters of tube 下载原表 1.2 材料模型通过型号为 R-9020LN 电液伺服拉扭疲劳试验机对 20#管件进行了室温单向拉伸试验, 拉伸后实际的应力-应变曲线如图 2 所示, 材料的性能参数见表 2。图 2 20#钢管应力应变曲线 Fig.2 True stress-strain curve of 20#tube 下载原图表 2 20#钢管的材料参数
15、 Table 2 Mechanical parameters of 20#steel 下载原表 1.3 有限元模型的可靠性评估为验证有限元模型的可靠性, 按照表 1 管件参数和表 4 第 1 组工艺参数在型号为 W28K-114 三维数控弯管机上进行数控弯曲实验, 并按照相应的参数设置进行有限元仿真。利用智能弯管测量仪8分别测量弯曲 30, 60, 90时的弯曲成形角度, 其测量原理如图 3 所示。利用 Dynaform 后处理软件 eta/post 进行管件成形角度的测量。实验成形角度与有限元成形角度比较如表 3, 其中角度偏差度如式 (1) 所示:由表 3 可以看出实际实验成形角度与仿真成
16、形角度偏差在 5%以内, 说明所建立的有限元模型是可靠的。图 3 管件成形角度测量原理 Fig.3 Angle measurement principle of pipe fitting 下载原图表 3 弯曲成形角度比较 Table 3 Comparison of pipe bending forming angle 下载原表 2 试验结果处理及分析2.1 工艺参数正交试验设计实际管件数控弯曲成形是一个多因素共同作用的过程, 通过控制弯模参数、芯棒参数、防皱模参数、镶块参数、压模参数以及夹模参数实现管件的数控弯曲成形。根据以上工艺参数在正交试验中设计因素取 12, 每个因素水平度取 3, 选取
17、正交表 L27 (3) 进行虚拟正交实验, 如表 4 所示。根据正交试验设计, 在分析软件 Dynaform 中设置相对应参数, 在模拟回弹过程的前处理计算完成后, 在 Dynaform 后处理软件 eta/post 中测量管件绕完后的成形角度。回弹角度为管件回弹后定形的角度与回弹前定形的角度之差, 由于管件在弯曲段中性层难以确定, 因此将管件除去弯曲段两部分内侧边缘线的夹角作为绕弯后的成形角, 在进行角度测量时, 回弹前和回弹后必须取内侧边缘线相同节点, 通过对 9 次试验的回弹角进行整理, 得到 27 组回弹数据如表 5 所示。表 4 正交试验因素和水平 Table 4 Virtual o
18、r orthogonal test factors and their levels 下载原表 表 5 回弹角度结果 Table 5 Springback angle results 下载原表 2.2 结果与讨论正交试验设计固然有其分析便捷特点, 但在多因素共同作用的数控弯管成形中无法判断各因素对实验结果影响的显著性, 并且在实验过程和结果测定中存在的必然误差无法估计。通过数理统计中的方差分析可以看出在 20#管件数控弯曲过程中工艺参数对回弹影响的显著性。方差分析参见文献9。回弹角度方差分析表如表 6 示。在 F 分布分位数表中分别查出 F0.01 (fF, fE) 和 F0.05 (fF,
19、fE) 的值, 其中 fE为误差的自由度, f F为因素的自由度。将方差分析中 12 个因素的 F 值与查表所得两个值进行比较, 若 FF0.01 (fF, fE) , 则影响高度显著;若 F0.01 (fF, fE) FF0.05 (fF, fE) , 则影响显著;若 FGBI。其他工艺参数对回弹的影响不显著。表 6 方差分析表 Table 6 Table of variance analysis 下载原表 同时得出了工艺参数对管件弯曲回弹角影响的直观分析, 按因素分别计算出了本文 12 个因素在 3 个水平下回弹角的平均值, 作出各因素不同水平下管件平均回弹角变化图如图 4 所示。由图 4
20、 可以明显看出方差分析中显著性因素 K, G, B 和 I 下不同水平时相较其他因素的明显变化, 极差的大小反映了工艺参数对回弹影响大小。其规律如下:回弹角随镶块间隙、防皱模间隙、芯棒前伸量的增大而减小, 随着弯模间隙的增大而增大。这是因为:在管件数控弯制过程中, 弯模随着管件同时移动, 其位置发生变化, 其余模具位置固定不变, 同时管件中轴线始终保持与弯模外侧相切, 弯模间隙增大导致管件的弯曲半径增大使得回弹角度增大。随着管件内部芯棒前伸量增大, 在弯曲时塑性变形增大, 管件外侧壁由于芯棒前伸量的支撑拉伸更加充分, 从而弹性变形减小使得回弹角度减小;镶块和防皱模由于在管件弯制过程中作用位置关
21、系, 两者对于回弹趋势影响是相近的, 间隙增大时, 在夹模和压模的压力下管件更加紧贴防皱模和镶块, 管件受防皱模和镶块的压力方向与回弹方向相反, 对管件回弹趋势起到抑制作用, 同时随着间隙越大抑制作用也越强;防皱模对回弹影响最大是因为其导致管件内侧失稳, 两者间隙增大时加速管件内侧壁起皱, 塑形变形加强增大了对回弹的抑制。图 4 各因素不同水平下管件平均回弹角度变化图 Fig.4 The average Springback angle in different levels of various factors 下载原图3 回弹角度回归模型建立管件数控绕弯成形过程中影响回弹的工艺参数较多,
22、为了能够有效预测 20#管件在弯曲 90时的回弹角度大小, 本文选取防皱模间隙 K、弯模间隙 G、芯棒前伸量 B、镶块间隙 I 这 4 个影响显著性参数为研究对象, 通过线性回归方法建立管件数控绕弯回弹角与显著性工艺参数之间的模型:式中, t 为预测回弹角度; 为系统随机误差:x 0, x1, x2, x3为线性回归系数。通过正交试验的模拟条件及结果, 基于 SPSS 专业统计软件分析, 得回归预测模型为:3.1 回归方程显著性检验回弹角的一次回归模型的相关系数 R 为 0.936, 查相关系数表10得R0.01=0.487, 由于 RR0.01, 则说明该方程高度显著。该线性回归模型的方差分
23、析表见表 7。通过 F 分布表9查出水平 为 0.05 的值, F 0.05 (4, 22) =2.82。将各因素的 F 值与该值进行比较, 有 F=10.463F0.05 (4, 22) =2.82, 说明在检验水平 =0.05 下所建立的回归方程 (3) 是高度显著的。3.2 预测模型数据与虚拟正交试验数据对比从表 5 的回弹结果表中随机选取 10 组值与预测方程计算值进行对比, 定义如式 (4) 的偏差度 e 公式:式中, P 1为回归方程的预测值, P 2为虚拟正交试验值。对比结果如表 8 所示, 可以清晰的看出最大偏差均不超过 5%, 说明根据分析结论所得的显著性工艺参数建立的回归方
24、程可以准确地对 20#管件弯曲数控绕弯时的回弹进行准确预测。表 7 回归模型方差分析表 Table 7 Analysis table of regression model variance 下载原表 表 8 预测模型与虚拟实验数据对比 Table 8 Comparison of prediction model and virtual test data 下载原表 4 结论(1) 通过有限元建模计算出正交表所列因素和水平下的回弹角度, 对所得 27 组实验数据进行方差分析, 得到了影响 20#管件数控弯曲回弹的显著性工艺参数, 其显著性影响由高到低依次为:防皱模间隙 K、弯模间隙 G、芯棒前
25、伸量 B、镶块间隙 I。(2) 显著性工艺参数对 20#管件数控弯曲回弹角的影响规律为:回弹角度随着弯模与管件间隙的增大而增大, 随着防皱模与管件间隙、镶块与管件间隙、芯棒在管件的前伸量这 4 个量的增大而减小。(3) 利用回归思想建立防皱模间隙、弯模间隙、芯棒前伸量、镶块间隙这 4 个显著性工艺参数与回弹角之间的回归预测模型, 该模型可以在实际数控弯曲20#管件弯制时对回弹角度进行准确预测。参考文献1巫帅珍, 王雅萍, 赵冬梅.管件弯曲成形回弹预测模型研究J.机械设计与制造, 2015, (5) :63-68. 2贾美慧, 唐承统.不锈钢管材弯曲成形回弹预测模型研究J.北京理工大学学报, 2
26、012, 32 (9) :910-914. 3巫帅珍, 王雅萍, 罗月迎.绕弯成形工艺参数对薄壁管回弹的影响分析J.机械设计与制造, 2015, (11) :208-214. 4宋飞飞, 杨合, 李恒, 等.TA18 高强钛管数控弯曲回弹工艺参数影响的显著性分析J.稀有金属材料与工程, 2013, (1) :43-48. 5刘婧瑶, 唐承统, 宁汝新.薄壁管纯弯曲塑性成形分析及回弹计算J.塑性工程学报, 2009, 16 (2) :5-14. 6朱超强, 舒晋君.1Cr18NI9Ti 管弯曲回弹影响因素的实验研究J.技术与市场, 2016, 23 (6) :105-106. 7陈铁铭.船舶管系M.北京:人民交通出版社, 2007:147. 8胡勇, 王呈方.弯管工艺中回弹、伸长和成形半径的确定方法J.锻压机械, 1997, (2) :35-38. 9易正俊.数理统计及工程应用M.北京:清华大学出版社, 2014:225. 10张勤.生物统计学M.北京:中国农业大学出版社, 2008:334.
