專利名稱：一種確定厚壁管數控彎曲芯棒直徑和提前量的方法
技術領域：
本發明涉及管材數控彎曲塑性成形領域，具體是一種確定厚壁管數控彎曲芯棒直 徑和提前量范圍的方法。
背景技術：
在厚壁管數控彎曲過程中，截面扁化較壁厚減薄敏感，因此截面扁化已成為制約 厚壁管數控彎曲的成形質量和成形極限提高的主要指標。而芯棒直徑和提前量是兩個對截 面扁化有重要影響的參數。芯棒直徑和提前量是否合理，決定著厚壁管數控彎曲過程能否 成功實現，并對厚壁彎管件成形質量、成形極限及參數優化具有重要的影響作用。目前芯棒 直徑和提前量的確定方法，都是根據經驗或不干涉條件簡單確定，所用方法簡單粗糙，缺乏 科學依據和系統研究，導致彎曲后的厚壁管件外側易于出現壁厚過量減薄甚至破裂、內側 彎曲切點附近出現壁厚過量增厚甚至材料堆積以及截面過量扁化等缺陷，既浪費了材料， 延長了周期，又增加了成本。林偉明提出了一種用于金屬冷彎曲使用的芯棒裝置，包括芯棒 拉桿接頭、芯棒拉桿、芯棒體、芯棒防旋轉空心套筒，但不涉及芯棒直徑和提前量參數的確 定(200810060616. 2，林偉明，一種用于彎管機的芯棒裝置，CN101259495)。楊合等提出了 一種適用薄壁低壓管數控彎曲的球窩式芯模的關鍵參數的設計方法(楊合，李恒，詹梅.一 種薄壁管數控彎曲芯模參數設計方法，CN101425097, 200710018987. X)，但這種方法只適用 于低壓薄壁管數控彎曲成形。楊合等還提出了一種“分段抽芯”新工藝，用于小彎曲半徑 薄壁管數控繞彎成形(楊合，李恒，詹梅.一種小彎曲半徑薄壁管數控繞彎成形工藝方法， CN101422793, 200710018988. 4)。這種工藝主要涉及彎曲后的抽芯方式，并且只適用于小彎 曲半徑薄壁管數控繞彎成形，而與厚壁管數控彎曲芯棒直徑和提前量的確定無關。
發明內容
為克服現有技術中存在的方法簡單粗糙，缺乏科學依據，彎曲后管件質量差，成本 高，周期長的不足，本發明提出了一種確定厚壁管數控彎曲芯棒直徑和提前量的方法。本發明的具體過程包括以下步驟步驟1，確定芯棒直徑的初始取值范圍通過式(1)確定芯棒直徑d的初始取值范圍[dmin，dmax]，即dmin = D-2t-0. 5mm, dmax =D-2t-0. 3mm。D-2t-0. 5mm ^ d ^ D-2t_0. 3mm(1)在式(1)中，D為管材的外徑、t為管材的壁厚、d為芯棒直徑。步驟2，確定給定彎曲半徑條件下，滿足截面扁化要求的芯棒直徑的變化范圍以及 截面扁化最小時的芯棒直徑。建立給定管材尺寸、材料和彎曲半徑的管材數控彎曲的有限元分析模型。其中，管 材采用三維實體單元，且為變形體，彎曲模、夾持模、壓力模和芯棒均采用三維剛體；彎曲模 和夾持模繞彎曲中心轉動，壓力模沿彎曲切向平動；彎曲模和管材、夾持模和管材、壓力模和管材、芯棒和管材間均采用面對面接觸方式、庫倫摩擦模型；彎曲速度0. lrad/s，壓力模 側推速度等于彎曲中心線線速度，彎曲角為90°。在步驟1確定的芯棒直徑初始取值范圍內，取芯棒直徑d = dmin、 (3dmin+dmax)/4、(dmin+dmax)/2、(dmin+3dmax)/4 和 dmax 五個值，芯棒提前量為
機+D/2-t)2 -(R0 +Jmax /2)2 -0.5mm，其中，dmin、dmax為芯棒直徑d的初始取值范圍，
D為管材外徑、t為壁厚、R0為彎曲半徑。采用建立的管材數控彎曲有限元模型，模擬上述 芯棒直徑條件下的厚壁管數控彎曲過程，得到不同芯棒直徑條件下厚壁彎管件橫截面的最 大扁化率S，以下簡稱截面扁化率。并且截面的最大扁化率δ = (D-Dmin)/D，其中，D為管 材彎曲前的直徑、Dmin為彎曲后彎曲段管材的最小直徑。通過線性回歸分析得到截面扁化 率δ與芯棒直徑間d的函數關系式δ =f(d)。在芯棒直徑的初始范圍內解不等式δ = f(d) ^ δ ρ確定出滿足截面扁化要求的芯棒直徑的變化范圍[Cltlmin, Cltlmax],其中，S1為要求 的截面扁化率值。在[CLwdtlmax]范圍內，通過求解函數δ =f(d)的最小值，得到δ取最 小值時的芯棒直徑值dQ。步驟3，確定芯棒提前量的初始取值范圍，該芯棒提前量的初始取值范圍在給定彎 曲半徑條件下，與截面扁化最小時的芯棒直徑匹配。通過公式(2)得到芯棒直徑dQ條件下芯棒提前量e的初始取值范圍[emin，efflax]， 即 emin = 0,emax=^(R0+D/2-t)2-(R0 +djl)1。0<e< yj(R0 +D/2-t)2 -(R0 +d0 Il)2 (2)在式(2)中，D為管材外徑、t為壁厚、Rtl為彎曲半徑、Cltl為步驟2中得到的彎曲半 徑Rtl條件下截面扁化最小時的芯棒直徑、e為芯棒提前量。步驟4，確定滿足截面扁化要求條件下，與給定彎曲半徑條件下截面扁化最小時的 芯棒直徑匹配的芯棒提前量的范圍在給定的彎曲半徑Rtl條件下，采用步驟2建立的管材數控彎曲有限元模型，保持 芯棒直徑為步驟2得到的Cltl值不變，在步驟3確定的芯棒提前量初始取值范圍內，取芯棒 提前量 e = emin、(3emin+emax)/4、(emin+emax)/2、(efflin+3efflax)/4 和 emax 五個值，模擬不同芯棒提 前量條件下的厚壁管數控彎曲過程，得到不同芯棒提前量條件下厚壁彎管件橫截面的最大 扁化率δ。通過線性回歸分析得到最大扁化率δ與芯棒提前量間e的函數關系式δ = f(e)0在芯棒提前量的初始范圍內解不等式δ =f(e) < δ ρ確定出截面扁化滿足要求條 件下，與芯棒直徑Cltl匹配的芯棒提前量的范圍[e(lmin，e(lmax]，其中，S1為要求的截面扁化率 值。步驟5，確定芯棒提前量的范圍，該芯棒提前量的范圍在給定彎曲半徑條件下，與 滿足截面扁化要求的芯棒直徑范圍匹配。對于給定的彎曲半徑Rtl，采用式(3)將滿足截面扁化要求的芯棒直徑范圍[Cltlmin, Cltlmax]均勻離散成η段，然后根據公式(4)和(5)，確定出與其中任一直徑屯匹配的芯棒提 前量的范圍[eimin，eimax]，從而得到與芯棒直徑范圍[d。min，d。max]匹配的芯棒提前量的范圍。Cli = d0min+(d0max-d0min)/nX (i-1)(i = 1，…，n+1)(3)= ^R20 ^e20mm +(d0-d,)/2)2-R20 U = U ...，n+l)⑷
權利要求
1. 一種確定厚壁管數控彎曲芯棒直徑和提前量的方法，其特征在于，通過有限元模擬 和線性回歸方法，確定出給定彎曲半徑條件下，滿足截面扁化要求的芯棒直徑的變化范圍 以及與之匹配的芯棒提前量的范圍，以及確定出彎曲半徑改變條件下芯棒提前量的范圍， 具體過程如下步驟1，確定芯棒直徑的初始取值范圍；通過式(1)確定芯棒直徑d的初始取值范圍，dmax]，即dmin = D-2t"0. 5mm, dmax = D-2t-0. 3mm ；D-2t-0. 5mm 彡 d 彡 D-2t_0. 3mm(1)在式(1)中，D為管材外徑、t為壁厚、d為芯棒直徑；步驟2，確定給定彎曲半徑條件下，滿足截面扁化要求的芯棒直徑的變化范圍以及截面 扁化最小時的芯棒直徑；建立給定管材尺寸、材料和彎曲半徑的管材數控彎曲的有限元分析模型；其中，管材采 用三維實體單元，且為變形體，彎曲模、夾持模、壓力模和芯棒均采用三維剛體；彎曲模和夾 持模繞彎曲中心轉動，壓力模沿彎曲切向平動；彎曲模和管材、夾持模和管材、壓力模和管 材、芯棒和管材間均采用面對面接觸方式、庫倫摩擦模型；彎曲速度0. lrad/s，壓力模側推 速度等于彎曲中心線線速度，彎曲角為90° ；在步驟1確定的芯棒直徑初始取值范圍內，取芯棒直徑d = Clmin, (3dmin+dmax)/4、(dmin+dmax)/2、(dmin+3dmax)/4 和 dmax 五個值，芯棒提前量為^(R0+D/2-t)2 -(R0 +dmax /2)2 -0.5mm，其中，dmin、dmax 為芯棒直徑 d 的初始取值范圍，D為管材外徑、t為壁厚、Rtl為彎曲半徑；采用建立的管材數控彎曲有限元模型，模擬上述 芯棒直徑條件下的厚壁管數控彎曲過程，得到不同芯棒直徑條件下厚壁彎管件橫截面的最 大扁化率S，以下簡稱截面扁化率；并且截面的最大扁化率δ = (D-Dmin)/D，其中，D為管 材彎曲前的直徑、Dmin為彎曲后彎曲段管材的最小直徑；通過線性回歸分析得到截面扁化 率δ與芯棒直徑間d的函數關系式δ = f(d)；在芯棒直徑的初始范圍內解不等式δ = f(d) ^ δ ρ確定出滿足截面扁化要求的芯棒直徑的變化范圍[Cltlmin, Cltlmax],其中，S1為要求 的截面扁化率值；在[d0fflin, Cltlmax]范圍內，通過求函數δ = f(d)的最小值的方法，得到δ 取最小值時的芯棒直徑值屯；步驟3，確定芯棒提前量的初始取值范圍，該芯棒提前量的初始取值范圍在給定彎曲半 徑條件下，與截面扁化最小時的芯棒直徑匹配；通過公式(2)得到芯棒直徑Cltl條件下芯棒提前量e的初始取值范圍kmin，efflax]，即emin=0、emax=機 +D/2-t)2-(R0+d0/2)2 ；0<e< h+D/2-tf -(R0 +d0 /2)2 (2)在式(2)中，D為管材外徑、t為壁厚、Rtl為彎曲半徑、Cltl為步驟2中得到的彎曲半徑Rtl 條件下截面扁化最小時的芯棒直徑、e為芯棒提前量；步驟4，確定滿足截面扁化要求條件下，與給定彎曲半徑條件下截面扁化最小時的芯棒 直徑匹配的芯棒提前量的范圍；在給定的彎曲半徑Rtl條件下，采用步驟2建立的管材數控彎曲有限元模型，保持芯棒 直徑為步驟2得到的Cltl值不變，在步驟3確定的芯棒提前量初始取值范圍內，取芯棒提前量 e = efflin, (3efflin+efflJ/4, (emin+emax)/2、(efflin+3efflax)/4 和 emax 五個值，模擬不同芯棒提前量 條件下的厚壁管數控彎曲過程，得到不同芯棒提前量條件下厚壁彎管件橫截面的最大扁化 率δ ；通過線性回歸分析得到最大扁化率δ與芯棒提前量間e的函數關系式δ =f(e)； 在芯棒提前量的初始范圍內解不等式δ = f(e) ^ δ ρ確定出截面扁化滿足要求條件下， 與芯棒直徑Cltl匹配的芯棒提前量的范圍[e(lmin，e(lmax]，其中，S1為要求的截面扁化率值；步驟5，確定芯棒提前量的范圍，該芯棒提前量的范圍在給定彎曲半徑條件下，與滿足 截面扁化要求的芯棒直徑范圍匹配；對于給定的彎曲半徑Rtl,采用式⑶將滿足截面扁化要求的芯棒直徑范圍[Cltlmin, Cltlmax] 均勻離散成η段，然后根據公式(4)和(5)，確定出與其中任一直徑屯匹配的芯棒提前量的 范圍[eimin，eimax]，從而得到與芯棒直徑范圍[(Icimin, CltlmaJ匹配的芯棒提前量的范圍； di = d0min+(d0max-d0min)/nX (i_l)(i = 1，...，n+l)(3)‘ = ^Ro+eL, +(Ci0-Cii)Ziy-R20 (i = 1，...，n+1)(4)^max =^0+4^ +(Ci0-Cil)/2)2-R20 (i = 1，...，n+l)⑶在式(3)J4)、(5)中，Clcin^dcimax為滿足截面扁化要求的芯棒直徑范圍的下限和上限，η 為將該芯棒直徑范圍均勻分成的段數，i為其中的某一分段點，屯為將芯棒直徑范圍[Cltlmin, Cltlmax]離散為η段中的任一芯棒直徑，Cltl為彎曲半徑Rtl條件下截面扁化率最小對應的芯棒 直徑，[e0fflin, e0fflax]為與芯棒直徑Cltl匹配的芯棒提前量的變化范圍，[eifflin, eifflax]為與芯棒直 徑值Cli對應的芯棒提前量范圍； 步驟6，確定不同彎曲半徑條件下芯棒提前量的范圍；在給定彎曲半徑范圍R= [R1, R2]內，根據公式(6)將彎曲半徑均勻離散為m段，然后 根據公式(7)和(8)，確定與不同彎曲半徑匹配的芯棒提前量的范圍[einin，eJfflaJ ； Rj = R^(R2-R1)AiX (j-1)(j = 1，…，m+1)(6)eJmin = e0minXRj/Ro(j = 1，—' m+1)(7)eJmax = e0maxXRj/R0(j = 1，—' m+1)(8)在式(6)、(7)、⑶中，禮、&為彎曲半徑范圍的下限和上限，m為將該彎曲半徑范圍均 勻分成的段數，j為其中的某一分段點，Rj為將彎曲半徑范圍[隊-ig離散為m段中的任一 彎曲半徑，[e(lmin，e0fflax]是彎曲半徑為Rtl時與芯棒直徑Cltl匹配的芯棒提前量的變化范圍， [eJfflin, eJfflax]是彎曲半徑為Rj時與芯棒直徑Cltl匹配的芯棒提前量范圍。
全文摘要
一種確定厚壁管數控彎曲芯棒直徑和提前量的方法，在給定管材尺寸、材料及彎曲半徑的條件下，通過有限元模擬和線性回歸方法，確定出給定彎曲半徑條件下，滿足截面扁化要求的芯棒直徑的變化范圍和與之匹配的芯棒提前量的范圍，以及可確定出彎曲半徑改變條件下芯棒提前量的范圍。該方法提高了厚壁彎管件芯棒參數的設計效率和產品性能，縮短了生產周期，降低了成本。本發明為厚壁彎管件芯棒參數的設計提供了科學依據，為研究包括芯棒參數在內的管材數控彎曲過程優化設計提供了重要方法和基礎，有利于促進數控彎管先進理論和技術的進一步發展。
文檔編號B21D9/01GK102049436SQ201010544878
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月11日 優先權日2010年11月11日
發明者楊合, 江志強, 詹梅 申請人:西北工業大學