薄壁管數控繞彎塑性成形中摩擦作用機理的模擬研究
更新時間：2008-9-1 16:04:24 文章來源：互聯網 點擊：
通常根據實驗來確定。本文假設成形過程中各摩擦接觸狀態摩擦系數為常值，與滑動速率、接觸面壓力、環境溫度和其它場變量無關，同時假設摩擦系數在不同方向上是各向同性的。
如圖所示，若摩擦剪應力大于μ p ，則管材/模具間處于粘著狀態；當摩擦應力小于μ p ，管材/模具之間產生相對滑動。
由于摩擦切應力達到材料的剪切屈服強度時，成形金屬的接觸表面要產生塑性流動，因此在應用中，摩擦系數的極限值為0.5~0.577。但在實際工藝中，要采取特殊夾持手段來保證兩個接觸界面如管材/夾塊之間不發生相對滑動，此時在庫侖摩擦模型的基礎上，將摩擦系數μ 設為較大的值來滿足該夾持要求。ABAQUS 建立了“Rough”模型保證兩個接觸表明一旦發生接觸，將不再發生相對滑動，在“Rough”模型中μ 取值為∞ 。
本文依據實驗結果，設置了模擬中各接觸界面間的摩擦系數取值范圍。表3 所示為各個接觸界面不同的摩擦狀況。其中括號中的摩擦系數為模擬時選用的各界面的穩定成形摩擦系數，這些值的選取通過實驗研究獲得。管材/夾塊間摩擦系數可以大于0.6，必要時選用“Rough”模型，以滿足在彎曲加載過程中管件與夾塊接觸后不允許發生相對滑動的條件。
本文在前期研究衡量管件質量好壞的指標為失穩起皺、截面變化和壁厚變化。對于壁厚變化，通過彎曲后的壁厚變化來衡量。而由于繞彎過程特殊接觸邊界條件，使得管件截面變化呈現出主要在截面縱向發生變形的特點，因此本文定義管材截面縱向伸長量變化率L 來衡量截面畸變程度。
由于在管材繞彎過程中中性層內移越嚴重，則內側壓縮變形越大，從而材料發生失穩起皺的趨勢也越明顯，而由力矩守恒原理，材料內移越嚴重則外側所受拉應力和內側軸向壓應力差值也大。因此本文以內外側軸向壓應力的差值f 這一無量綱化指標的大小作為發生失穩起皺的指標。f 越大，則起皺趨勢越明顯。由文獻[14]知，失穩起皺只發生在初始變形時刻，因此一般考慮選取彎曲角度30 度左右以內的f 值作為判斷標準。
4.1 管材／防皺塊摩擦的影響
管材/防皺塊摩擦系數分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4 和0.5，其它接觸界面摩擦系數根據實驗和建模分析理論結果選取。在建模時使防皺塊同彎曲模凹槽100％的接觸，防皺塊與X方向的傾角為0。其余參數均與實驗中采用的參數保持一致。
結果表明，在這幾種摩擦條件下，管材均沒有發生失穩起皺現象。但文獻[15]理論研究表明，增大這一界面間摩擦系數有助于抵抗受壓失穩，為了進一步證實這一觀點，本文考察了不同潤滑條件下的f 值。模擬表明，盡管在不同摩擦條件下管材達到穩定變形后的應力應變保持不變，但其歷史曲線卻有所不同。圖5 所示為不同摩擦系數對應的f 值。結果表明，隨著管材／防皺塊摩擦減小，f 值有所增大，即起皺趨勢較明顯。但整體上對于失穩起皺的影響顯著性較小。這與理論預測結果相近。
4.2 管材／芯模摩擦的影響
管材/防在模擬中，管材/芯模之間的摩擦系數取值分別為0~0.5。其余參數均與實驗中采用的參數保持一致。
結果表明，摩擦系數為0 時管材不發生失穩起皺，而摩擦系數分別為0.3 和0.5 時管材發生了起皺，且后者的起皺程度大于前者。圖9 所示分別為兩種情況下管材開始發生起皺的時刻變形云圖。這一結果似乎同文獻[15]的理論結果不一致。文獻[15]通過數值-解析方法對數控繞彎成形起皺進行了研究，認為管材/芯模之間的摩擦對失穩起皺的影響可以忽略不計。究其原因，是由于兩種方法采取的加載條件不一致引起的。在理論預測中，假設管材和夾塊間處于理想夾持條件，即夾塊上的壓力管件與夾塊永遠不會發生相對滑動。而在模擬結果中，管材/夾塊摩擦系數取為0.6，因此若管材/芯模摩擦過大，則會對管材產生大的拖動力，導致管材/夾塊間摩擦由靜摩擦轉化為動摩擦，發生相對滑動，導致過多的材料堆積在壓縮變形區，從而導致管材在彎曲前段發生失穩。實驗驗證了這一模擬結果。
由于管材/芯模間摩擦在0.3 和0.5 情況下，管材發生了嚴重的起皺變形，本文沒有對此種情況下的截面畸變進行比較，只比較了壁厚和彎曲模所受作用力。圖11 和12 分別為不同管材/芯模摩擦條件下管材的壁厚變化和彎曲模作用力歷史曲線。研究表明，管材/芯模間摩擦系數越大，管材外側壁厚減薄程度越大，但內側壁厚增厚程度不大。同時，管材/芯模間摩擦系數越小，彎曲模所受的作用力也越小。圖表明，管材/芯模摩擦為0.5 時模具作用力在1.2 時刻左右發生了突變，由峰頂快速下降，而管材/芯模摩擦為0.3 時這一現象同樣存在，但幅度要要得多。通過觀察兩種情況下材料的變形網格圖，失穩起皺時刻同圖中的突變發生時刻相同，從而進一步說明了管材/芯模摩擦對失穩起皺的影響的理論解釋。
管材/防在在模擬中，管材/夾塊間的摩擦系數取值分別為0~0.5。其余參數均與實驗中采用的參數保持一致。模擬結果表明，摩擦系數為0 時管件發生了嚴重的失穩起皺（圖13所示），在0.3 和0.5 時管件能夠實現無皺彎曲成形。
圖14 為不同管材/夾塊摩擦系數條件下f 值歷史曲線。可以看到，管材/夾塊摩擦系數對f 值的影響同管材/芯模類似，f 值較大時管材發生沒有發生失穩起皺，反而在較小時發生了失穩。這是由于減小管材/夾塊摩擦和增大管材/芯模情況下，失穩起皺的機理相同導致的。
模擬中，管材/夾塊間的摩擦系數取值分別為0~0.5。其余參數均與實驗中采用的參數保持一致。
研究表明，在這幾種情況下，管材均沒有發生失穩起皺。這說明管材/壓塊摩擦條件對失穩起皺的影響比較小。但進一步考察不同條件下對應的f 值歷史曲線（圖17 所示），本文發現，減小管材/壓塊摩擦，整體上有助于減小起皺發生的趨勢，但在摩擦系數較大情況下再增大摩擦，其對失穩起皺的影響已不明顯。
文章地址：http://www.www.direxe.cn/Article/mjjs/200809/327.html
如圖所示，若摩擦剪應力大于μ p ，則管材/模具間處于粘著狀態；當摩擦應力小于μ p ，管材/模具之間產生相對滑動。
由于摩擦切應力達到材料的剪切屈服強度時，成形金屬的接觸表面要產生塑性流動，因此在應用中，摩擦系數的極限值為0.5~0.577。但在實際工藝中，要采取特殊夾持手段來保證兩個接觸界面如管材/夾塊之間不發生相對滑動，此時在庫侖摩擦模型的基礎上，將摩擦系數μ 設為較大的值來滿足該夾持要求。ABAQUS 建立了“Rough”模型保證兩個接觸表明一旦發生接觸，將不再發生相對滑動，在“Rough”模型中μ 取值為∞ 。
本文依據實驗結果，設置了模擬中各接觸界面間的摩擦系數取值范圍。表3 所示為各個接觸界面不同的摩擦狀況。其中括號中的摩擦系數為模擬時選用的各界面的穩定成形摩擦系數，這些值的選取通過實驗研究獲得。管材/夾塊間摩擦系數可以大于0.6，必要時選用“Rough”模型，以滿足在彎曲加載過程中管件與夾塊接觸后不允許發生相對滑動的條件。
表3 接觸邊界摩擦條件 
本文在前期研究衡量管件質量好壞的指標為失穩起皺、截面變化和壁厚變化。對于壁厚變化，通過彎曲后的壁厚變化來衡量。而由于繞彎過程特殊接觸邊界條件，使得管件截面變化呈現出主要在截面縱向發生變形的特點，因此本文定義管材截面縱向伸長量變化率L 來衡量截面畸變程度。
由于在管材繞彎過程中中性層內移越嚴重，則內側壓縮變形越大，從而材料發生失穩起皺的趨勢也越明顯，而由力矩守恒原理，材料內移越嚴重則外側所受拉應力和內側軸向壓應力差值也大。因此本文以內外側軸向壓應力的差值f 這一無量綱化指標的大小作為發生失穩起皺的指標。f 越大，則起皺趨勢越明顯。由文獻[14]知，失穩起皺只發生在初始變形時刻，因此一般考慮選取彎曲角度30 度左右以內的f 值作為判斷標準。
4.1 管材／防皺塊摩擦的影響
管材/防皺塊摩擦系數分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4 和0.5，其它接觸界面摩擦系數根據實驗和建模分析理論結果選取。在建模時使防皺塊同彎曲模凹槽100％的接觸，防皺塊與X方向的傾角為0。其余參數均與實驗中采用的參數保持一致。
結果表明，在這幾種摩擦條件下，管材均沒有發生失穩起皺現象。但文獻[15]理論研究表明，增大這一界面間摩擦系數有助于抵抗受壓失穩，為了進一步證實這一觀點，本文考察了不同潤滑條件下的f 值。模擬表明，盡管在不同摩擦條件下管材達到穩定變形后的應力應變保持不變，但其歷史曲線卻有所不同。圖5 所示為不同摩擦系數對應的f 值。結果表明，隨著管材／防皺塊摩擦減小，f 值有所增大，即起皺趨勢較明顯。但整體上對于失穩起皺的影響顯著性較小。這與理論預測結果相近。
圖5 管材/防皺塊不同摩擦系數對應的f值 圖6 管材/防皺塊不同摩擦對應的截面畸變情況
圖7 不同管材/防皺塊摩擦對應的內外側壁厚變化 圖8 不同管材/防皺塊摩擦對應的彎曲模作用力
4.2 管材／芯模摩擦的影響
管材/防在模擬中，管材/芯模之間的摩擦系數取值分別為0~0.5。其余參數均與實驗中采用的參數保持一致。
結果表明，摩擦系數為0 時管材不發生失穩起皺，而摩擦系數分別為0.3 和0.5 時管材發生了起皺，且后者的起皺程度大于前者。圖9 所示分別為兩種情況下管材開始發生起皺的時刻變形云圖。這一結果似乎同文獻[15]的理論結果不一致。文獻[15]通過數值-解析方法對數控繞彎成形起皺進行了研究，認為管材/芯模之間的摩擦對失穩起皺的影響可以忽略不計。究其原因，是由于兩種方法采取的加載條件不一致引起的。在理論預測中，假設管材和夾塊間處于理想夾持條件，即夾塊上的壓力管件與夾塊永遠不會發生相對滑動。而在模擬結果中，管材/夾塊摩擦系數取為0.6，因此若管材/芯模摩擦過大，則會對管材產生大的拖動力，導致管材/夾塊間摩擦由靜摩擦轉化為動摩擦，發生相對滑動，導致過多的材料堆積在壓縮變形區，從而導致管材在彎曲前段發生失穩。實驗驗證了這一模擬結果。
圖9 管材／芯模間不同摩擦系數失穩起皺時刻
圖10 管材／芯模不同摩擦系數對應的f 值 圖11 不同管材／芯模摩擦系數對應壁厚變化
由于管材/芯模間摩擦在0.3 和0.5 情況下，管材發生了嚴重的起皺變形，本文沒有對此種情況下的截面畸變進行比較，只比較了壁厚和彎曲模所受作用力。圖11 和12 分別為不同管材/芯模摩擦條件下管材的壁厚變化和彎曲模作用力歷史曲線。研究表明，管材/芯模間摩擦系數越大，管材外側壁厚減薄程度越大，但內側壁厚增厚程度不大。同時，管材/芯模間摩擦系數越小，彎曲模所受的作用力也越小。圖表明，管材/芯模摩擦為0.5 時模具作用力在1.2 時刻左右發生了突變，由峰頂快速下降，而管材/芯模摩擦為0.3 時這一現象同樣存在，但幅度要要得多。通過觀察兩種情況下材料的變形網格圖，失穩起皺時刻同圖中的突變發生時刻相同，從而進一步說明了管材/芯模摩擦對失穩起皺的影響的理論解釋。
圖12 不同管材／芯模摩擦對應彎曲模作用力 圖13 管材／夾塊摩擦為0 時起皺時刻變形云圖
管材/防在在模擬中，管材/夾塊間的摩擦系數取值分別為0~0.5。其余參數均與實驗中采用的參數保持一致。模擬結果表明，摩擦系數為0 時管件發生了嚴重的失穩起皺（圖13所示），在0.3 和0.5 時管件能夠實現無皺彎曲成形。
圖14 為不同管材/夾塊摩擦系數條件下f 值歷史曲線。可以看到，管材/夾塊摩擦系數對f 值的影響同管材/芯模類似，f 值較大時管材發生沒有發生失穩起皺，反而在較小時發生了失穩。這是由于減小管材/夾塊摩擦和增大管材/芯模情況下，失穩起皺的機理相同導致的。
圖14 不同管材／夾塊摩擦系數對應f 值 圖15 不同管材／夾塊摩擦系數對應的壁厚變化
圖16 不同管材／夾塊摩擦系數對應的截面畸變 圖17 不同管材／壓塊摩擦系數對應的f 值
模擬中，管材/夾塊間的摩擦系數取值分別為0~0.5。其余參數均與實驗中采用的參數保持一致。
研究表明，在這幾種情況下，管材均沒有發生失穩起皺。這說明管材/壓塊摩擦條件對失穩起皺的影響比較小。但進一步考察不同條件下對應的f 值歷史曲線（圖17 所示），本文發現，減小管材/壓塊摩擦，整體上有助于減小起皺發生的趨勢，但在摩擦系數較大情況下再增大摩擦，其對失穩起皺的影響已不明顯。
文章地址：http://www.www.direxe.cn/Article/mjjs/200809/327.html
- 上一篇文章： 吹塑成形極限界域的研究
- 下一篇文章： 彎管芯棒的選取和使用
Copyright(C) 2008-2009 www.direxe.cn,All Rights Reserve
公司地址：上海嘉定區寶嘉公路2328號 | 郵 編：201808 | 傳真：021-39972181
Email:info@www.direxe.cn | [滬ICP備17010041號-1]
公司地址：上海嘉定區寶嘉公路2328號 | 郵 編：201808 | 傳真：021-39972181
Email:info@www.direxe.cn | [滬ICP備17010041號-1]