CN115935734A

CN115935734A - 一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法

Info

Publication number: CN115935734A
Application number: CN202211495404.3A
Authority: CN
Inventors: 孙敏; 邱志伟; 罗忠祎; 张征; 张广
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2022-11-27
Filing date: 2022-11-27
Publication date: 2023-04-07

Abstract

一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法，属于矩形管辊弯成型技术领域。其包括以下步骤：S1、确定辊组模具及圆管管料的几何尺寸，绘制辊花图；S2、建立三维模型，通过有限元软件对方矩管成型质量进行预测；S3、对成型结果进行分析，计算得到回弹量；S4、利用几何节点位移补偿法，依据回弹量计算位移补偿量，进行过弯法设计，对圆成方辊弯成型模具进行修正；S5、对仿真模型进行修改，并对比验证模具修正效果。本发明拟建立方矩管结构辊弯成型工艺流程数值仿真模型，便于方矩管成型模具的合理设计，为搭建方矩管辊弯成型工艺生产平台和生产高质量、高标准的异形方矩管提供理论指导和数据支撑。

Description

一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法

技术领域

本发明属于矩形管辊弯成型技术领域，具体涉及一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法。

背景技术

方矩管与等截面面积的圆形管相比，具有高强度、承载能力大、装配简单并且造型美观等诸多优点，在医疗器械、车辆、地铁、航空航天等工业领域中具有广泛的应用。带材可以在辊式成形机上进行连续塑性变形得到规定形状和尺寸的方矩管。其中，模具的精度对方矩管的成型质量具有很大的影响。在方矩管辊弯成型加工中，可以在圆管产线的基础上，通过在制管机后端加方矩管成型模具得到相关尺寸的矩形管。在实际成型过程中，矩形管截面较长边存在回弹现象，这就需要对圆管辊弯成型部分的回弹等缺陷控制提出要求。

研究人员通过充分考虑变弹性模量，建立了弦线准弹塑性模量模型，利用弹性模量减少转化面法和塑性屈服面法对变弹性模量产生过程作出解释。结果表明，变弹性模量模型显著提高辊弯成形回弹预测精度，为实现高强钢回弹补偿提供理论依据。也有研究人员通过有限元模拟得出回弹量与弹性模量成正比，增加道次数可以减小弯曲应力，使回弹量变小，还利用有限元软件研究辊弯成形件的回弹问题，结果表明成形道次的增加，使板料弯角部分的应力值降低，从而减少回弹；并且也得出随着材料厚度的增大，回弹量在减小。

研究人员虽对辊弯成型回弹规律和补偿方法做了一定程度的研究，但缺少涉及方矩管辊弯成型工艺中的回弹规律与抑制方法的研究，系统性的分析方矩管回弹规律与关键技术指标也有待完善。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法，其拟建立方矩管结构辊弯成型工艺流程数值仿真模型，揭示了方矩管辊弯成型机理和作用机制，便于方矩管成型模具的合理设计，掌握了方矩管辊弯成型回弹抑制规律，为搭建方矩管辊弯成型工艺生产平台和生产高质量、高标准的异形方矩管提供理论指导和数据支撑。

本发明提供如下技术方案：

一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法，包括以下步骤：

S1、根据拓扑映射法，对圆成方辊弯成型的模具进行设计计算，确定辊组模具及圆管管料的几何尺寸，绘制辊花图；

S2、在有限元软件中建立三维模型，通过有限元软件对方矩管成型质量进行预测；

S3、对成型结果进行分析，计算得到回弹量；

S4、利用几何节点位移补偿法，依据回弹量计算位移补偿量，进行过弯法设计，对圆成方辊弯成型模具进行修正；

S5、对仿真模型进行修改，并对比验证模具修正效果。

进一步的，所述步骤S1中，基于已知外形尺寸的方矩管，使用二维坐标系线性拓扑映射关系以及形心映射算法计算确定辊组模具及管料的几何尺寸；将管坯方矩管横截面外轮廓到成品方矩管横截面外轮廓的映射作为圆成方辊弯成型的变形过程，方矩管横截面轮廓线分为直线与圆弧，分别计算每段圆弧变形前后对应的圆心坐标、起始角和终止角，即可得到整个变形过程的辊花图。

进一步的，所述步骤S1的具体过程如下：

S1.1、截取一段方矩坯管，将方矩管坯的形心点和原始管坯形心点重合，选取一组关键点，建立二维坐标系，得到关键点之间的弧长；

S1.2、基于关键点之间的弧长，建立异形管闭式连续辊弯成型的孔型设计数学模型；

S1.3、利用数学模型对方矩管圆成方辊弯成型进行辊花图设计，确定辊组模具及圆管管料的外形尺寸，得到变形过程辊花图。

进一步的，所述步骤S2中，在通过有限元软件对方矩管成型质量进行预测的过程中，圆角处进行网格密化。

进一步的，所述步骤S3中，回弹量通过有限元模拟计算得到。

进一步的，所述步骤S4中，几何节点位移补偿法是利用回弹量计算出位移补偿量，利用过度弯曲增加反向残余应力，实现截面直边回弹的控制。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)本发明能够对方矩管“圆成方”的变换过程进行理论的推导，准确地计算出塑性变形过程的二维坐标参数，得到位移、形变等响应结果，方便对圆成方工作进行进一步研究；

2)本发明能够基于已给出的基本参数，计算出辊花图的外形尺寸，且分析了方矩管辊弯成型机理和作用机制，为圆成方辊弯成型模具的设计提供了系统的计算步骤，为相关的辊弯成型设计提供指导；

3)本发明通过建立有限元模型，系统性的分析了方矩管成型过程回弹规律与关键技术指标，并且有效的进行回弹补偿，为厚壁小圆角方矩管连续辊弯成型回弹控制提供了理论依据，为稳定批量实现厚壁小圆角方矩管的高精度辊弯成型提供了新方法。

附图说明

图1为本发明的方矩管截面示意图；

图2本发明的方矩管辊花图；

图3本发明的辊组模具零件图；

图4本发明基于回弹补偿的模具修正示意图；

图5本发明的修正后的仿真结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

请参阅图1-5，一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法，包括以下步骤：

S1，方矩管的外形尺寸已知，计算确定辊组模具及管料的几何尺寸；

依据初始的方矩管截面几何尺寸，如图1所示，使用二维坐标系线性拓扑映射关系以及形心映射算法，为圆成方的过程进行提供了系统性理论推导过程。

由于方矩管的对称性，取1/4进行研究；将方矩管坯的形心点和原始管坯形心点重合，建立二维坐标系，得到关键点P₀，P₁，P₂，P₃之间的弧长分别为35.71mm、11.90mm、19.48mm，利用公式：

圆心角θ为变形前后的的夹角，并规定沿逆时针方向为正。

通过计算得出P₀、P₁、P₂和P₃点坐标分别为(0,25)、(-33,25)、(-40,18)、(-40,0)，与之对应的圆弧上A₀、A₁、A₂和A₃点坐标分别为(0,85)、(-56.98,63.08)、(-76.31,37.43)、(-85,0)，利用双圆弧样本插值函数逼近，同时修正系数取经验延伸系数值为1.02，建立异形管闭式连续辊弯成型的孔型设计数学模型。

利用数学模型对方矩管“圆成方”辊弯成型进行了辊花图设计，确定了辊组模具及圆管管料的外形尺寸，故得到变形过程辊花图，如图2所示。

由圆成方形变过程图，计算辊花模具的外形尺寸，计算所得出的圆成方外形关键坐标参数，由公式：

L_Ai圆弧半径R_αi＝(L_Ai/α_i)(180/π)+kt；

L_Bi圆弧半径R_βi＝(L_Bi/β_i)(180/π)+kt；

式中L_Ai为长边对应弧长，L_Bi短边对应弧长，k为总修正系数，半径R_Oi＝D_Oi/2。

圆心到圆弧所对应弦的距离为：

圆心的坐标为：

式中j＝1，2，…，m。±分别对应凸弧与凹弧。

圆弧对应的起始角度和终止角度为：

式中

表示第i段圆弧的起始角(°)；

表示第i段圆弧的终止角(°)；

表示第j次变形对应圆弧的圆心角(°)；

±表示一二象限为正，三四象限为负。

通过计算得到模具的外形尺寸设计的具体参数如图3所示。

S2，对方矩管成型与回弹过程进行有限元模型建立，网格划分以及单元类型选取；

首先在ABAQUS的“Part”功能中，按照已知的尺寸数据，建立三维模型；随后在软件的“Mesh”功能中，对管料和模具进行全局均匀式铺设种子，划分得到初始网格，并在圆角处进行网格细化。定义管料部件的单元类型为C3D8R，模具部件的单元类型为R3D4。在ABAQUS软件的“Job”功能中新建job-1，设置多核并行计算，提交求解器运算。待计算完成后，在ABAQUS软件的“Visualization”功能中读取结果文件“job-1.odb”,查看当前仿真计算结果。

S3，对成型结果进行分析，计算得到回弹量，使用几何节点位移补偿法，对回弹进行补偿；

在成型过程中，可以发现方矩管截面较长边存在回弹现象，可以利用几何节点位移补偿法，计算出位移补偿量，对矩形管回弹边部分进行过弯法设计；同时对圆成方辊弯成型模具进行修正，并通过数值模拟进行验证。对不锈钢异形方矩管辊弯成型的回弹补偿分析及单元综合补偿法进行修正，推导出适用的单元综合补偿算法，具体以DA法为基础，推导单、双曲率曲面的单元综合补偿算法，分别使用三次B样条曲线和贝塞尔曲面对修正模面进行拟合，以得到光顺的修正模面。根据管料的回弹量，通过过弯从而引入反向残余应力，以此补偿管料回弹量。。

S4，对仿真模型进行修改。

如图4所示，对模具表面进行尺寸调整，使其具有较小的弧度，进行有限元模拟，

S5，对比验证模具修正效果。

从结果中可以得到表面回弹改善3％，如图5所示，不锈钢异形方矩管有限元模型与表面轮廓线图，可以发现模具经过回弹补偿后，方矩管截面较长边回弹得到明显改善以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

S3、对成型结果进行分析，计算得到回弹量；

S5、对仿真模型进行修改，并对比验证模具修正效果。

2.根据权利要求1所述的一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法，其特征在于所述步骤S1中，基于已知外形尺寸的方矩管，使用二维坐标系线性拓扑映射关系以及形心映射算法计算确定辊组模具及管料的几何尺寸；将管坯方矩管横截面外轮廓到成品方矩管横截面外轮廓的映射作为圆成方辊弯成型的变形过程，方矩管横截面轮廓线分为直线与圆弧，分别计算每段圆弧变形前后对应的圆心坐标、起始角和终止角，即可得到整个变形过程的辊花图。

3.根据权利要求2所述的一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法，其特征在于所述步骤S1的具体过程如下：

4.根据权利要求1所述的一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法，其特征在于所述步骤S2中，在通过有限元软件对方矩管成型质量进行预测的过程中，圆角处进行网格密化。

5.根据权利要求1所述的一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法，其特征在于所述步骤S3中，回弹量通过有限元模拟计算得到。

6.根据权利要求1所述的一种方矩管圆成方辊弯成型模具的设计与优化方法，其特征在于所述步骤S4中，几何节点位移补偿法是利用回弹量计算出位移补偿量，利用过度弯曲增加反向残余应力，实现截面直边回弹的控制。