CN102601186A - 一种数控弯管成形回弹半径和回弹角的精确控制方法 - Google Patents

Abstract

一种数控弯管成形回弹半径和回弹角的精确控制方法，先对回弹半径进行补偿，在成形半径满足成形精度后，再在成形半径下进行回弹角的补偿。数控弯管回弹半径的补偿采用修正模具法，通过减小弯曲半径使得弯管回弹后的成形半径满足精度要求；数控弯管回弹角的补偿采用过弯法，通过过弯一定角度使得弯管回弹后的成形角度满足精度要求。本发明采用先补偿弯曲半径、再补偿弯曲角的方法，满足了航空标准所要求的管件弯曲精度，并且具有工艺方法简单可靠，效率高，工艺成本低的特点，应用于高强钛管的数控弯曲成形，解决了高强钛管显著回弹角及回弹半径的控制问题，获得满足高精度几何尺寸要求的钛管管件。

Description

一种数控弯管成形回弹半径和回弹角的精确控制方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体是一种数控弯管成形回弹半径和回弹角的精确控制方法。

背景技术

弯管零件由于容易满足对产品轻量化、高强度和低消耗等方面的要求，在航空和航天等高技术领域中得到了广泛应用，除大量应用于气体、液体的输送管路外，也广泛用作金属结构件。数控弯管技术不仅能够使管材塑性弯曲实现精确成形，可以快速形成批量生产能力，而且具有高效、节能、质量稳定的特点，并易于实现数字化和高技术化，因此，在航空和航天等高技术领域，管材数控弯曲成形已经发展成为一种先进适用技术。

数控弯管成形全过程包括弯曲、抽芯和回弹三个变形过程。对于管弯曲成形来说，弯管内、外侧切向分别受拉应力和压应力作用，材料成形过程结束后，去除模具约束时，弯管件应力发生卸载，使得弯管件产生回弹。由于成形时弯管内、外侧应力状态相反，卸载时弯管内、外侧回弹效应相互迭加，弯管件的回弹相对于别的成形方式更为显著。回弹使得弯管件的成形角度减小，成形半径增加，弯管件的成形角度和成形半径与弯曲角度和弯曲半径产生偏差。数控弯管成形中的回弹是影响其成形精度的一个主要因素，当回弹量超过误差所允许的范围时，零件的几何精度和形状精度就难以满足要求，从而会直接影响到弯管的使用性能，以及和其它部件的连接效果等。因此，在实际成形过程中为了获得精度较高的数控弯管零件，满足航空标准要求，需要对管材数控弯曲的回弹进行精确控制。目前，实践中通常基于经验或试错法，仅仅采用过弯法对回弹角进行补偿控制，这不但消耗大量财力、物力及时间，且没有考虑回弹半径的补偿，不能满足航空标准对于高精度管件的几何尺寸要求。

发明内容

为克服现有回弹控制技术中存在的耗费精力物力且没有考虑回弹半径的缺陷，本发明提供了一种数控弯管成形回弹半径和回弹角的精确控制方法。

本发明的具体步骤如下：

步骤1，确定回弹半径；在稳定成形条件下进行有限元建模模拟，获得回弹半径ΔR；

步骤2，更新弯曲半径R₁；通过公式(1)，根据得到的回弹半径ΔR更新弯曲半径R₁

R₁＝R₀-ΔR                    (1)

其中，R₀为预定要实现的弯曲半径，R₁为更新后的弯曲半径，ΔR为回弹半径；

步骤3，确定弯管件的成形半径

对更新弯曲半径R₁后的管材数控弯曲及回弹过程进行有限元模拟，得到弯管件的成形半径

步骤4，确定弯管件的成形半径误差ER₁；通过公式(2)，在更新后的弯曲半径R₁下得到弯管件的成形半径误差ER₁

$E{R}_1=R_1^{\′}-R_0---\left(2\right)$

其中，ER₁是管件的成形半径误差；

步骤5，判断成形半径误差是否满足误差容限；通过公式(3)判断

|ER₁|＞δR                    (3)

由于管件的成形半径误差ER₁大于误差容限δR，成形半径不满足精度要求，回到步骤2，对管材的弯曲半径R₁进行再次更新；通过公式(4)，以获得新的弯曲半径R_n，n＝2，3，4…

R_n+1＝R_n-ER_n                  (4)

其中，ER_n是管件的成形半径误差；

直至管材的成形半径误差ER_n小于等于误差容限δR；

当管件的成形半径误差ER_n小于等于误差容限δR时，成形半径满足精度要求，得到此时管件的回弹角度Δθ；

步骤6，更新弯曲角度θ₁；通过公式(5)，根据得到的回弹角度Δθ更新弯曲角度θ₁

θ₁＝θ₀+Δθ                 (5)

其中，θ₀为预定要实现的弯曲角度，θ₁为弯曲角度，Δθ为回弹角度；

步骤7，确定弯管件的成形角度

对更新弯曲角度θ₁后的管材数控弯曲及回弹过程进行有限元模拟，得到弯管件的成形角度

步骤8，确定弯管件的角度误差Eθ₁；通过公式(6)在更新后的弯曲角度θ₁下得到弯管件的成形角度误差Eθ₁

$E{\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_1^{\′}-{\mathrm{\θ}}_0---\left(6\right)$

其中，Eθ₁是管件的成形角度误差；

步骤9，判断成形角度误差是否满足误差容限；通过公式(7)判断

|Eθ₁|＞δθ                  (7)

由于管件的成形角度误差Eθ₁大于误差容限δθ时，成形角度不满足精度要求，返回步骤6，对管材的弯曲角度θ₁进行再次更新；通过公式(8)，以获得新的弯曲角度θ_n，n＝2，3，4…

θ_n+1＝θ_n-Eθ_n               (8)

其中，Eθ_n是管件的成形角度误差；

直至管材的成形角度误差Eθ_n小于等于误差容限δθ；

当管件的成形角度误差Eθ_n小于等于误差容限δθ时，成形角度满足精度要求，补偿流程结束。则实际成形中弯曲半径为R_n，弯曲角度为θ_n。

所述步骤1中所述的稳定成形条件是管壁内侧无起皱，并且最大截面畸变率和最大壁厚减薄率均满足弯管成形要求。

本发明在对数控弯管回弹进行控制时同时考虑了回弹半径的补偿和回弹角的补偿。由于回弹半径与弯曲角度无关，而回弹角度却随弯曲角度和弯曲半径的变化而变化。因此，要更有效更精确地控制回弹，本发明先对回弹半径进行补偿，在成形半径满足成形精度后，再在成形半径下进行回弹角的补偿。数控弯管回弹半径的补偿采用修正模具法，通过减小弯曲半径使得弯管回弹后的成形半径满足精度要求；数控弯管回弹角的补偿采用过弯法，通过过弯一定角度使得弯管回弹后的成形角度满足精度要求，

本发明采用先补偿弯曲半径、再补偿弯曲角的方法，快速有效地进行弯管回弹的补偿，能够将弯管成形的尺寸精度误差控制在很小的范围内，以满足航空标准所要求的管件弯曲精度，并且具有工艺方法简单可靠，效率高，适用性广，不需要采用额外的工具设备，工艺成本低的特点。本发明应用于高强钛管的数控弯曲成形，解决了高强钛管显著回弹角及回弹半径的控制问题，获得满足高精度几何尺寸要求的钛管管件。

附图说明

图1为数控弯管回弹补偿流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种数控弯管成形回弹半径和回弹角的精确控制方法。

成形管材为管径9.525mm，壁厚0.508mm的TA18高强钛管，成形半径为28.575mm，管材成形角度为70°，具体步骤如下：

步骤1，确定回弹半径。在稳定成形条件下，采用LS-DYNA软件进行有限元建模模拟，获得回弹半径ΔR。所述的稳定成形条件是管壁内侧无起皱，并且最大截面畸变率和最大壁厚减薄率均满足弯管成形要求，在本实施例中，最大截面畸变率要求小于等于5％，最大壁厚减薄率要求小于等于25％。获得的回弹半径为2.781mm；

步骤2，更新弯曲半径R₁。通过公式(1)，根据得到的回弹半径更新弯曲半径R₁

R₁＝R₀-ΔR＝28.575-2.781＝25.794                    (1)

其中，R₀为预定要实现的弯曲半径，R₁为更新后的弯曲半径，ΔR为回弹半径；

步骤3，确定弯管件的成形半径

采用LS-DYNA软件，对更新弯曲半径R₁后的管材数控弯曲及回弹过程进行有限元模拟，得到弯管件的成形半径

$R_1^{\′}=27.830$

步骤4，确定弯管件的成形半径误差ER₁。通过公式(2)，在更新后的弯曲半径R₁下得到弯管件的成形半径误差ER₁

$E{R}_1=R_1^{\′}-R_0=27.830-28.575=-0.745---\left(2\right)$

其中，ER₁是管件的成形半径误差；

步骤5，判断成形半径误差是否满足误差容限。本实施例中，成形半径误差容限δR为1mm，通过公式(3)判断

|ER₁|＜δR＝1                                       (3)

由于管件的成形半径误差ER₁小于误差容限δR，成形半径满足精度要求，因此，以该弯曲半径R₁作为回弹半径补偿的弯曲半径，并且得到此时的回弹角度Δθ为8.311°；

步骤6，更新弯曲角度θ₁。通过公式(5)，根据得到的回弹角度Δθ更新弯曲角度θ₁

θ₁＝θ₀+Δθ＝70+8.311＝78.311                     (5)

其中，θ₀为预定要实现的弯曲角度，θ₁为更新后的弯曲角度，Δθ为回弹角度；

步骤7，确定弯管件的成形角度

采用LS-DYNA软件，对更新弯曲角度θ₁后的管材数控弯曲及回弹过程进行有限元模拟，得到的管材的成形角

${\mathrm{\θ}}_1^{\′}=69.490$

步骤8，确定弯管件的角度误差Eθ₁。通过公式(6)在更新后的弯曲角度θ₁下得到弯管件的角度误差Eθ₁

$E{\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_1^{\′}-{\mathrm{\θ}}_0=69.490-70=-0.51---\left(6\right)$

其中，Eθ₁是管件的成形半径误差；

步骤9，判断角度误差是否满足误差容限，本实施例中，成形角度误差容限δθ为1°，通过公式(7)判断

|Eθ₁|＜δθ＝1                            (7)

由于管件的成形角度误差小于误差容限，成形角度满足精度要求，因此，以该弯曲角度θ₁作为回弹角补偿的弯曲角度；

综上所述，对于本实施例，实际成形条件为：弯曲半径为25.749mm，弯曲角度为78.311°。

实施例二

本实施例是一种数控弯管成形回弹半径和回弹角的精确控制方法。

成形的管为的管径9.525mm，壁厚0.508mm的TA18高强钛管，弯曲半径为28.575mm，管材弯曲角度为70°，具体步骤如下：

步骤1，确定回弹半径。在稳定成形条件下，采用ABAQUS软件进行有限元建模模拟，获得回弹半径ΔR。所述的稳定成形条件是管壁内侧无起皱，并且最大截面畸变率和最大壁厚减薄率均满足弯管成形要求，在本实施例中，最大截面畸变率要求小于等于5％，最大壁厚减薄率要求小于等于25％。确定的回弹半径为2.781mm；

步骤2，更新弯曲半径R₁。通过公式(1)，根据得到的回弹半径更新弯曲半径R₁

R₁＝R₀-ΔR＝28.575-2.781＝25.794            (1)

其中，R₀为预定要实现的弯曲半径，R₁为更新后的弯曲半径，ΔR为回弹半径；

步骤3，确定弯管件的成形半径采用ABAQUS软件，对更新弯曲半径R₁后的管材数控弯曲及回弹过程进行有限元模拟，得到弯管件的成形半径

$R_1^{\′}=27.830$

步骤4，确定弯管件的成形半径误差ER₁。通过公式(2)，在更新后的弯曲半径R₁下得到弯管件的成形半径误差ER₁

$E{R}_1=R_1^{\′}-R_0=27.830-28.575=-0.745---\left(2\right)$

其中，ER₁是管件的成形半径误差；

步骤5，判断半径误差是否满足误差容限。本实施例中，成形半径误差容限δR为0.3mm，通过公式(3)判断

|ER₁|＞δR＝0.3                        (3)

由于管件的成形半径误差ER₁大于误差容限δR，成形半径不满足精度要求，回到步骤2，对管材的弯曲半径R₁进行再次更新；通过公式(4)，以获得新的弯曲半径R₂；

R₂＝R₁-ER₁＝25.794-(-0.745)＝26.539    (4)

步骤3，确定弯管件的成形半径

采用ABAQUS软件，对更新弯曲半径R₂后的管材数控弯曲及回弹过程进行有限元模拟，得到弯管件的成形半径

$R_2^{\′}=28.948$

步骤4，确定弯管件的成形半径误差ER₂。通过公式(2)，在更新后的弯曲半径R₂下得到弯管件的成形半径误差ER₂

$E{R}_2=R_2^{\′}-R_0=28.948-28.575=0.373---\left(2\right)$

其中，ER₂是管件的成形半径误差；

步骤5，判断半径误差是否满足误差容限。本实施例中，成形半径误差容限δR为0.3mm，通过公式(3)判断

|ER₂|＞δR＝0.3                        (3)

由于管件的成形半径误差ER₂大于误差容限δR，成形半径不满足精度要求，回到步骤2，对管材的弯曲半径R₂进行再次更新；通过公式(4)，以获得新的弯曲半径R₃；

R₃＝R₂-ER₂＝26.539-0.373＝26.166       (4)

步骤3，确定弯管件的成形半径

采用ABAQUS软件，对更新弯曲半径R₃后的管材数控弯曲及回弹过程进行有限元模拟，得到弯管件的成形半径

$R_3^{\′}=28.721$

步骤4，确定弯管件的成形半径误差ER₃。通过公式(2)，在更新后的弯曲半径R₃下得到弯管件的成形半径误差ER₃

$E{R}_3=R_3^{\′}-R_0=28.721-28.575=0.146---\left(2\right)$

其中，ER₃是管件的成形半径误差；

步骤5，判断半径误差是否满足误差容限。本实施例中，成形半径误差容限δR为0.3mm，通过公式(3)判断

|ER₃|＜δR＝0.3                    (3)

由于管件的成形半径误差ER₃小于误差容限δR，成形半径满足精度要求，因此，以该弯曲半径R₃作为回弹半径补偿的弯曲半径，并且得到此时的回弹角度为8.44°；

步骤6，更新弯曲角度θ₁。通过公式(5)，根据得到的回弹角度对弯管回弹进行补偿，更新弯曲角度θ₁

θ₁＝θ₀+Δθ＝70+8.44＝78.44      (5)

其中，θ₀为预定要实现的弯曲角度，θ₁为更新后的弯曲角度，Δθ为回弹角度；

步骤7，确定弯管件的成形角度采用ABAQUS软件，对更新弯曲角度θ₁后的管材数控弯曲及回弹进行有限元模拟，得到的管材的成形角

${\mathrm{\θ}}_1^{\′}=69.53$

步骤8，确定弯管件的角度误差Eθ₁。通过公式(6)在更新后的弯曲角度θ₁下确定弯管件的角度误差Eθ₁

$E{\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_1^{\′}-{\mathrm{\θ}}_0=69.53-70=-0.47---\left(6\right)$

其中，Eθ₁是管件的成形半径误差；

步骤9，判断成形角度误差是否满足误差容限。本实施例中，成形角度误差容限δθ为0.3°，通过公式(7)判断

|Eθ₁|＞δθ＝0.3                  (7)

由于管件的成形角度误差Eθ₁大于误差容限δθ，成形角度不满足精度要求，返回步骤6，对管材的弯曲角度θ₁进行再次更新；通过公式(8)，以获得新的弯曲角度θ₂

θ₂＝θ₁-Eθ₁＝78.44-(-0.47)＝78.91     (8)

步骤7，确定弯管件的成形角度采用ABAQUS软件，对更新弯曲角度θ₂后的管材数控弯曲及回弹过程进行有限元模拟，得到弯管件的成形角度

${\mathrm{\θ}}_2^{\′}=69.96$

步骤8，确定弯管件的角度误差Eθ₂。通过公式(6)在更新后的弯曲角度θ₂下确定弯管件的角度误差Eθ₂

$E{\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\θ}}_2^{\′}-{\mathrm{\θ}}_0=69.96-70=-0.04---\left(6\right)$

其中，Eθ₂是管件的成形半径误差；

步骤9，判断成形角度误差是否满足误差容限。本实施例中，成形角度误差容限δθ为0.3°，通过公式(8)判断

|Eθ₂|＜δθ＝0.3                    (8)

由于管件的成形角度误差Eθ₂小于误差容限δθ，成形角度满足精度要求，因此，以该弯曲角度θ₂作为回弹角度补偿的弯曲角度。

综上所述，对于本实施例，实际成形条件为：弯曲半径为28.721mm，弯曲角度为78.91°。

Claims (2)

1.一种数控弯管成形回弹半径和回弹角的精确控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，确定回弹半径；在稳定成形条件下进行有限元建模模拟，获得回弹半径ΔR；

步骤2，更新弯曲半径R₁；通过公式(1)，根据得到的回弹半径ΔR更新弯曲半径R₁

R₁＝R₀-ΔR                        (1)

其中，R₀为预定要实现的弯曲半径，R₁为更新后的弯曲半径，ΔR为回弹半径；

步骤3，确定弯管件的成形半径

对更新弯曲半径R₁后的管材数控弯曲及回弹过程进行有限元模拟，得到弯管件的成形半径

步骤4，确定弯管件的成形半径误差ER₁；通过公式(2)，在更新后的弯曲半径R₁下得到弯管件的成形半径误差ER₁

$E{R}_1=R_1^{\′}-R_0---\left(2\right)$

其中，ER₁是管件的成形半径误差；

步骤5，判断成形半径误差是否满足误差容限；通过公式(3)判断

|ER₁|＞δR                        (3)

由于管件的成形半径误差ER₁大于误差容限δR，成形半径不满足精度要求，回到步骤2，对管材的弯曲半径R₁进行再次更新；通过公式(4)，以获得新的弯曲半径R_n，n＝2，3，4…

R_n+1＝R_n-ER_n                      (4)

其中，ER_n是管件的成形半径误差；

直至管材的成形半径误差ER_n小于等于误差容限δR；

当管件的成形半径误差ER_n小于等于误差容限δR时，成形半径满足精度要求，得到此时管件的回弹角度Δθ；

步骤6，更新弯曲角度θ₁；通过公式(5)，根据得到的回弹角度Δθ更新弯曲角度θ₁

θ₁＝θ₀+Δθ                     (5)

其中，θ₀为预定要实现的弯曲角度，θ₁为弯曲角度，Δθ为回弹角度；

步骤7，确定弯管件的成形角度

对更新弯曲角度θ₁后的管材数控弯曲及回弹过程进行有限元模拟，得到弯管件的成形角度

步骤8，确定弯管件的角度误差Eθ₁；通过公式(6)在更新后的弯曲角度θ₁下得到弯管件的成形角度误差Eθ₁

$E{\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_1^{\′}-{\mathrm{\θ}}_0---\left(6\right)$

其中，Eθ₁是管件的成形角度误差；

步骤9，判断成形角度误差是否满足误差容限；通过公式(7)判断

|Eθ₁|＞δθ                      (7)

由于管件的成形角度误差Eθ₁大于误差容限δθ时，成形角度不满足精度要求，返回

步骤6，对管材的弯曲角度θ₁进行再次更新；通过公式(8)，以获得新的弯曲角度θ_n，n＝2，3，4…

θ_n+1＝θ_n-Eθ_n                   (8)

其中，Eθ_n是管件的成形角度误差；

直至管材的成形角度误差Eθ_n小于等于误差容限δθ；

当管件的成形角度误差Eθ_n小于等于误差容限δθ时，成形角度满足精度要求，补偿流程结束；则实际成形中弯曲半径为R_n，弯曲角度为θ_n。

2.如权利要求1所述一种数控弯管成形回弹半径和回弹角的精确控制方法，其特征在于，步骤1中所述的稳定成形条件是管壁内侧无起皱，并且最大截面畸变率和最大壁厚减薄率均满足弯管成形要求。

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