CN116689568A - 铝合金管件弯曲成型回弹控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金管件弯曲成型回弹控制方法，包括以下步骤：步骤1、获取经自然时效处理的铝合金管件，在自然时效结束后不同时间所对应的管件力学性能参数；步骤2、获取铝合金管件弯曲成型由弹性应变释放所导致的回弹角Δα1；步骤3、获取管件弯曲成型由弯曲功所导致的回弹角Δα2；步骤4、综合回弹角Δα1和Δα2，获取弯曲成型补偿角度，在弯曲成型时采用过弯法对管件弯曲操作进行回弹补偿。基于铝合金管件在自然时效时间结束后，其力学性能人会随时间发生变化的特性，获取弯曲回弹控制角度，在弯曲成型时通过过弯法对弯曲成型后的回弹进行补偿，保证铝合金管件的弯曲成型精度。
Description
技术领域
本发明属于管件成型技术领域，具体涉及一种铝合金管件弯曲成型回弹控制方法。
背景技术
飞机管路系统是飞机的血管，用于空气、氧气、液压油、燃油、润滑油等介质的传输和能量的传递。由于铝合金薄壁管材具有比强度高、耐蚀性良好等特点，被广泛应用于飞机的液压、燃油、环控等系统中，尤其是可热处理强化的铝合金薄壁管材，通过人工或自然时效可以获得更高的强度，具备了在一定范围内替代钢管或钛管的可行性，可进一步实现飞机的轻量化设计。铝合金热处理强化处理主要是通过固溶+人工时效、固溶+自然时效；相比人工时效态，自然时效态的铝合金管材抗拉强度较低、塑性更好、弯曲成形极限高，且对扩口等连接工艺适应性更强，同时比热弯成形或退火态-冷弯-热处理至人工时效态的加工效率更高，因此被广泛用于飞机管路系统构件。
受空间和重量限制，一般单根铝管构件上通常具有多个不同弯曲半径、不同弯曲角度的弯曲段，各个弯曲段的长度和弯曲角度都需要精准控制才能保证管件两端的相对空间位置精度，以避免在强装配过程中由于管件制造偏差（不同轴、角度偏差、长度偏差等）所引起的装配应力，进而防止在飞行过程中管路系统的提前失效，保障飞行的安全性和可靠性。管材在弯曲成形过程中，其横截面不仅存在塑性变形区，还存在弹性变形区，在弯曲成型后不可避免地存在回弹现象，导致弯曲角度减小、弯曲半径增大、直线段变长，严重影响了管材的弯曲成形精度和生产效率，当回弹量超过零件允许的制造误差则为成形缺陷。因此，在管件成型过程时需要严格控制管件的弯曲回弹。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝合金管件弯曲成型回弹控制方法，解决现有技术中难以有效保证管件弯曲成型精度的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
铝合金管件弯曲成型回弹控制方法，包括以下步骤：
步骤1、获取经自然时效处理的铝合金管件在自然时效结束后不同时间所对应的管件力学性能参数；
步骤2、根据弯曲成型操作时距自然时效结束时的时间所对应的管件力学性能参数，获取铝合金管件弯曲成型由弹性应变释放所导致的回弹角Δα1；
步骤3、根据弯曲成型操作时距自然时效结束时的时间所对应的管件力学性能参数，获取管件弯曲成型由弯曲功所导致的回弹角Δα2；
步骤4、综合回弹角Δα1和Δα2，获取弯曲成型补偿角度，在弯曲成型时采用过弯法对管件弯曲操作进行回弹补偿。
作为对上述技术方案的进一步改进，步骤1中获取的参数包括材料的屈服强度、延伸率、弹性模量。
作为对上述技术方案的进一步改进，步骤1中根据获取的参数构建铝合金管件自然时效结束后的屈服强度-时间变化曲线，以及管件屈服强度变化到最大值所对应的时间。
作为对上述技术方案的进一步改进，步骤2中获取铝合金管件弯曲成型由弹性应变释放所导致的回弹角的约束条件包括：
管材的塑性变形不会引起体积的变化；
管件的弯曲段直径不发生变化，沿圆周方向的应变为零，切向应变与壁厚方向应变/>满足如下关系：/>；
管件弯曲段表面为平面应力状态，管材壁厚方向的应力；
管件弯曲段应力中性层与应变中性层重合，且不随弯曲过程发生内移。
作为对上述技术方案的进一步改进，步骤2中获取铝合金管件弯曲成型由弹性应变释放所导致的回弹角，包括以下步骤：
设定铝合金管材的最终弯曲成型角度为，弯曲半径为R，管件外径为D，管件内径为d；由于弯曲作用力卸载前后中性层长度不变，可得到：
；
其中，为卸载回弹后的实际弯曲角度， />为卸载后回弹后的实际弯曲半径；
根据管件弯曲在弯曲段外侧产生的切应变；
；
以及卸载后的弹性释放可以得到卸载后的切应变：
；
管件的弹性应变为：
；
其中，E t 为弹性模量，为与自然时效结束后的时间相关的变量，I为管材的截面惯性矩，M为管材的弯矩；
得到管件卸载前后切应变与弹性应变之间的关系为：
；
管材的弯矩M为：
；
其中， 为切向应力， />为横截面上切向应力与弯曲平面间夹角。
切向应力与等效应力/>之间的关系为：
；
其中，屈服强度为与自然时效结束后的时间相关的变量；
得到由弹性变形释放所造成的回弹角Δα1为：
。
作为对上述技术方案的进一步改进，步骤3中选取各种规格的管件，进行不同弯曲半径、不同弯曲角度下的弯曲成型操作，在弯曲成型后测量其实际弯曲角度以及在管件屈服强度变化到最大值时间点时的弯曲角度，将两个弯曲角度拟合得到管件弯曲成型由弯曲功所导致的回弹角Δα2。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
1）本发明基于铝合金管件在自然时效时间结束后，其力学性能（特别是屈服强度）仍会随时间发生变化的特性，根据管件弯曲成型时距离自然时效结束时的时间，获取弯曲回弹控制角度，在弯曲成型时通过过弯法对弯曲成型后的回弹进行补偿，保证铝合金管件的弯曲成型精度。
2）本发明回弹控制方法综合考虑铝合金自然时效状态管件在弯曲成型后弯曲功对延迟回弹的影响，避免弯曲成型后回弹变形对管件弯曲成型角度的影响，保证管件装配质量和装配精度。
3）本发明回弹控制方法可广泛适用于不同尺寸、具有多个不同弯曲半径、不同弯曲角度的弯曲段的铝合金管件的弯曲成型操作，可广泛应用于飞机管路的加工成型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明铝合金管件弯曲成型回弹控制方法流程图。
图2为本发明回弹控制方法中自然时效结束后铝合金管件屈服强度-时间变化曲线。
图3为本发明回弹控制方法的实施例中铝合金管件屈服强度-时间变化曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
目前，管件的弯曲回弹通常采用补偿法、校正法、拉弯法、加热弯曲法等进行控制。但是，针对自然时效态铝合金管材，由于受铝管力学性能与自然时效时间关系影响，随着自然时效时间的延长，管材的屈服强度仍会持续增加，弯曲回弹会增大；同时，弯曲成形时对管材弯曲段做功，机械功会提升成形后室温下显微组织转变的驱动力，进而松弛一部分塑性变形，造成延迟回弹。
在铝合金薄壁管件生产过程中，相对力学性能测试时间，弯曲制造和装配时间往往存在不同时间的滞后，传统的回弹控制方法通常均未考虑这两方面的因素对回弹所造成的影响，并不能有效修正自然时效态铝合金薄壁管件的弯曲回弹，使管件弯曲成型后的回弹角度变化超出精度控制范围，导致无法满足装配要求，且后续管件整形困难。
本发明中在对铝合金弯曲成型时，针对铝合金材料力学性能-自然时效时间的关系和机械功所导致的延迟回弹对铝合金管件回弹所造成的影响，从两个方面对管材弯曲成型的角度进行补偿和修正，使铝合金的弯曲成型质量能够满足装配要求。
为了对实现自然时效态铝合金薄壁管件的精确弯曲成型，并精确控制管件成型到装配的这一期间内的回弹角度，本发明中综合考虑自然时效状态下，铝合金材料力学性能-自然时效时间的关系、弯曲半径、弯曲角度、管材规格、弯曲成型机械功导致的延迟回弹等因素，预测管件在成型后的的回弹角度，来保证铝合金弯曲成型及装配质量。
本发明中铝合金管件弯曲成型回弹控制方法，包括以下步骤：
步骤1、获取经自然时效处理的铝合金管件，在自然时效结束后不同时间所对应的管件力学性能参数，构建铝合金管件自然时效处理后力学性能随时间的变化曲线；
通常铝合金自然时效时间为96h，设定以铝合金管件技术要求规定的自然时效结束时间为起始时间0，以Δt为间隔，分别测定管件的纵向力学性能，包括屈服强度、延伸率/>、弹性模量Et，绘制铝合金管件屈服强度-时间变化曲线（/>），获得自然时效铝合金管件屈服强度/>变化到最大值时所对应的时间/>。这里为了保证力学性能-自然时效时间变化曲线的测量精度，通常选择/>≤24h。自然时效时间结束后铝合金管件屈服强度-时间的变化曲线如图2所示。
步骤2、测定铝合金管件弯曲成型由弹性应变释放所导致的回弹角Δα1；
假设，铝合金管件弯曲成型过程中：
1）管材的塑性变形不会引起体积的变化；
2）管件的弯曲段直径不发生变化，沿圆周方向的应变，则切向应变/>和壁厚方向应变/>存在如下关系：/>；
3）由于铝合金管件为薄壁管，弯曲段表面为平面应力状态，即管材壁厚方向的应力；
4）弯曲段应力中性层与应变中性层重合，且不随弯曲过程发生内移。
根据管件成型卸载后的回弹趋势及回弹量大小，计算弯曲成型由弹性变形释放所造成的回弹角Δα1，采用过弯法在弯曲成型时将其作为几何补偿量进行弯曲回弹补偿。
设定铝合金管材的最终弯曲成型角度为，弯曲半径为R（从弯曲中心到管件中心线之间的距离），管件外径为D，管件内径为d；由于弯曲作用力卸载前后中性层长度不变，可得到：
；
其中， 为卸载回弹后的实际弯曲角度， />为卸载后回弹后的实际弯曲半径。
根据管件弯曲在弯曲段外侧产生的切应变 ；
；
以及卸载后的弹性释放可以得到卸载后的切应变 为：
；
管件的弹性应变可根据管件的弯矩M计算得到：
；
其中，E t 为弹性模量（与自然时效结束后的时间相关的变量），I为管材的截面惯性矩。
得到管件卸载前后切应变与弹性应变之间的关系为：
。
管材的弯矩M根据切应变形成的弯矩之和，计算得到：
；
其中， 为切向应力，/>为横截面上切向应力与弯曲平面间夹角。
切向应力可根据等效应力/>达到屈服强度时发生屈服来进行计算，得到：
；
其中，屈服强度为与自然时效结束后的时间相关的变量。
此时，可得到由弹性变形释放所造成的回弹角Δα1为：
。
步骤3、测定拟合管件弯曲成型由弯曲功所导致的回弹角Δα2；
一般弯曲半径越小，材料变形越大，即弯曲成型对管材做功越大，因此在后续室温放置过程中机械功可以激活强化相的形核和生长，导致发生滞后回弹。
针对该部分回弹的补偿量可采用工程实验数据拟合获取弯曲功所导致的回弹角Δα2；
选取各种规格管径D的管件，进行不同弯曲半径R、不同弯曲角度下的弯曲成型操作；在弯曲成型后测量其真实的弯曲角度αz，以及在t max 时间点时管件的弯曲角度αz′，计算并拟合得到回弹角Δα2为：
；
其中，k 1 、k 2 、k 3 为拟合系数，n 1 、n 2 为拟合变量指数。
步骤4、综合回弹角Δα1和Δα2，得到弯曲成型时的补偿角度，在弯曲成型时采用过弯法对管件弯曲操作进行回弹补偿；
管件弯曲成型操作时，采用过弯法对回弹进行控制，根据弯曲成型时距离自然时效结束的时间t，确定铝合金管件的力学性能参数，分别计算由弹性应变释放所导致的回弹角Δα1和弯曲功所导致的回弹角Δα2，得到弯曲成型的回弹补偿角Δα；
；
在弯曲成型时在预设弯曲成型角度上加上回弹补偿角Δα，对铝合金管件进行弯曲成型操作，即可实现铝合金管件弯曲回弹角度的精确控制，保证管件弯曲成型质量和精度。
下面结合具体应用对本发明方法进行说明。
采用牌号6063-T4、规格为φ20×1mm的管件，弯曲成型角度为60°，弯曲半径为R=2D=40mm。
弯曲成型回弹控制方法的步骤包括：
1）测定铝合金管件力学性能随时间的变化曲线；
技术要求中该铝合金管件的自然时效时间为96h，以铝合金管件规定规定的自然时效结束时间为起始时间，以24h为间隔，测量管件的纵向力学性能，包括屈服强度σ st 、延伸率δ t 、弹性模量E t ，绘制铝合金管件屈服强度-时间变化曲线（σ st -t），如图3所示；获得自然时效铝合金管件屈服强度σ st 变化到最大值时所对应的时间t max =696h。
2）测定铝合金管件弯曲成型由弹性应变释放所导致的回弹角Δα1；
弯曲成型操作时距离自然时效结束的时间为480h，得到此时对应的材料屈服强度σ st =123.6MPa，弹性模量E t =56.3GPa。
根据管件成型角度、弯曲半径、外径、内径的参数，计算得到管件弯曲成型由弹性应变释放所导致的回弹角Δα1为：
。
3）测定拟合由弯曲功所导致的回弹角Δα2；
选取牌号6063-T4、规格为φ20×1mm的管件，设置不同弯曲角度、弯曲半径进行弯曲成型，在弯曲成型结束后测试真实弯曲角度，以及在在t max =696h时间点时的弯曲角度αz′，根据测试数据拟合得到回弹角Δα2为：
。
4）综合回弹角Δα1和Δα2，对弯曲成型进行回弹补偿；
计算弯曲成型的回弹补偿角Δα；
；
在弯曲成型时在预设弯曲成型角度上加上回弹补偿角Δα，即实际弯曲成型角度为61.34°；弯曲成型后测得回弹后的管件弯曲角度为59.93°，满足弯曲成型精度±0.1°的要求。
在本发明的描述中，需要说明的是，所采用的术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.铝合金管件弯曲成型回弹控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取经自然时效处理的铝合金管件在自然时效结束后不同时间所对应的管件力学性能参数；
步骤2、根据弯曲成型操作时距自然时效结束时的时间所对应的管件力学性能参数，获取铝合金管件弯曲成型由弹性应变释放所导致的回弹角Δα1；
步骤3、根据弯曲成型操作时距自然时效结束时的时间所对应的管件力学性能参数，获取管件弯曲成型由弯曲功所导致的回弹角Δα2；
步骤4、综合回弹角Δα1和Δα2，获取弯曲成型补偿角度，在弯曲成型时采用过弯法对管件弯曲操作进行回弹补偿。
2.根据权利要求1所述的铝合金管件弯曲成型回弹控制方法，其特征在于，步骤1中获取的参数包括材料的屈服强度、延伸率、弹性模量。
3.根据权利要求2所述的铝合金管件弯曲成型回弹控制方法，其特征在于，步骤1中根据获取的参数构建铝合金管件自然时效结束后的屈服强度-时间变化曲线，以及管件屈服强度变化到最大值所对应的时间。
4.根据权利要求1所述的铝合金管件弯曲成型回弹控制方法，其特征在于，步骤2中获取铝合金管件弯曲成型由弹性应变释放所导致的回弹角Δα1的约束条件包括：
管材的塑性变形不会引起体积的变化；
管件的弯曲段直径不发生变化，沿圆周方向的应变为零，切向应变与壁厚方向应变满足如下关系：/>；
管件弯曲段表面为平面应力状态，管材壁厚方向的应力；
管件弯曲段应力中性层与应变中性层重合，且不随弯曲过程发生内移。
5.根据权利要求4所述的铝合金管件弯曲成型回弹控制方法，其特征在于，步骤2中获取铝合金管件弯曲成型由弹性应变释放所导致的回弹角Δα1，包括以下步骤：
设定铝合金管材的最终弯曲成型角度为，弯曲半径为R，管件外径为D，管件内径为d；由于弯曲作用力卸载前后中性层长度不变，可得到：
；
其中，为卸载回弹后的实际弯曲角度，/>为卸载后回弹后的实际弯曲半径；
根据管件弯曲在弯曲段外侧产生的切应变；
；
以及卸载后的弹性释放可以得到卸载后的切应变：
；
管件的弹性应变为：
；
其中，E t 为弹性模量，为与自然时效结束后的时间相关的变量，I为管材的截面惯性矩，M为管材的弯矩；
得到管件卸载前后切应变与弹性应变之间的关系为：
；
管材的弯矩M为：
；
其中，为切向应力，/>为横截面上切向应力与弯曲平面间夹角；
切向应力与等效应力/>之间的关系为：
；
其中，屈服强度为与自然时效结束后的时间相关的变量；
得到由弹性变形释放所造成的回弹角Δα1为：
。
6.根据权利要求3所述的铝合金管件弯曲成型回弹控制方法，其特征在于，步骤3中选取各种规格的管件，进行不同弯曲半径、不同弯曲角度下的弯曲成型操作，在弯曲成型后测量其实际弯曲角度以及在管件屈服强度变化到最大值时间点时的弯曲角度，将两个弯曲角度拟合得到管件弯曲成型由弯曲功所导致的回弹角Δα2。
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2023
- 2023-08-09 CN CN202310996362.XA patent/CN116689568B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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