基于流动速度场控制的挤压成形弯曲管件过程研究

摘要

随着交通工具轻量化的推进和航空航天技术的迅猛发展，弯曲管材以其高比强度和高比刚度而应用领域日益广泛，汽车、大型飞机等产业的发展也对铝合金薄璧弯管质量提出了更高需求，开发管材弯曲新工艺的研究成为成形技术发展的一个重要方向。
　　 本课题组根据金属流动的不平衡性原理提出了偏心挤压成型管材弯曲件的方法。采用偏心结构设计，并在模具结构、坯料、工艺参数等方面采取措施，加大金属流动的不平衡性，利用材料在管材挤压过程中流动的不对称性，直接通过挤压得到管材弯曲件，实现管材的挤压、弯曲一次性成形。
　　 本文首先采用有限元法，通过有限元商用软件DEFORM对成形过程进行数值模拟分析，基于材料流动控制的方法研究了偏心挤压成型管材弯曲件。得出其材料流动模式、应力分布情况、载荷变化以及制件弯曲变形情况，分析表明采用该方法得到的管材弯曲件应力分布均匀，壁厚均匀，弯曲曲率半径一致；随后在此基础上对模型进行优化，设计出试验所需模具，首先通过软质材料橡皮泥、Pb进行试验验证分析，并对变形后制件的壁厚以及曲率半径进行分析，验证了此方法的可行性。
　　 其次对差速挤压成型管材弯曲件的过程进行了有限元数值模拟分析，采用双凸模作用，通过挤压弯曲复合成形的方法在模具内将一块或多块坯料挤出弯曲复合成形管材弯曲件，通过控制挤出速度梯度可以在挤出的过程中实现不同角度的弯曲，控制管材曲率半径和璧厚精度。通过双凸模作用下的成形过程的有限元分析得到其速度场分布情况、材料流动模式、应力分布情况、壁厚分布情况、载荷变化情况以及制件弯曲变形情况。结果表明应力分布均匀，壁厚均匀，通过控制速度梯度可以实现对弯曲曲率半径的控制。
　　 数值模拟研究以及验证试验表明该方法成形过程中金属流动均匀，管材曲率半径和璧厚精度可控，并有效地改进了弯曲成形管材质量。同时，为在此基础上实现在多凸模的作用下，多个方向的弯曲成形奠定了良好的基础。