基于虚拟正交试验的热推弯管工艺参数优化设计(1)

第16卷第6期2009年12月

塑性工程学报

JOU RNAL OF PLAST ICIT Y ENGINEERING

Vol 16 No 6Dec 2009

doi:10 3969/j issn 1007 2012 2009 06 019

基于虚拟正交试验的热推弯管工艺参数优化设计*

(西北工业大学材料学院,西安 710072)

张尧武1

曾卫东2

周义刚5

王凯旋

6

(西北有色金属研究院,西安 710016) 戴 毅3 赵永庆

4

摘 要:文章对热推弯管成形过程进行数值模拟,选取不同参数和水平进行正交试验设计,将管壁厚度和均匀性量化为壁厚的均值和方差,并基于该两项指标分析试验结果,得出牛角芯模的弯曲角度、扩径比、起始弯曲半径、推制速度、工模间摩擦系数对工艺的影响显著性和规律性,并获得较优的工艺参数值。验证实验结果表明,模拟及正交试验优化结果准确有效,推制管件达到壁厚减薄率和均匀性要求。关键词:热推弯管;参数优化;数值模拟;虚拟正交试验

中图分类号:T G 379 文献标识码:A 文章编号:1007 2012(2009)06 0091 05

Optimal design of technological parameters for hot pushing

pipe bending based on virtual orthogonal experiment

Z HA N G Y ao w u 1 Z EN G Wei dong 2 ZH OU Yi g ang 5 W AN G K ai x uan 6

(School of M ater ials Science,No rthw ester n Polytechnical U niver sity ,X i an 710072 China)

DA I Y i 3 ZH AO Yo ng qing 4

(No rthw est Institute fo r N on ferr ous M etal R esear ch,Xi an 710016 China)

Abstract:T he process of hot pushing pipe bending was simulated w ith differ ent factor s and different levels being chosen in the v irtual ort ho go nal ex periment.Based o n the quantificat ion o f t he value and the uniform ity of the pipe t hickness to the av erag e v al ue and variance of thickness,r ationalized techno log ical par ameters wer e then obtained including bending angle,expanding rat io,init ial bending r adius,pushing speed and the influence o f the frict ion co efficient.T he v erify ing ex per iment show s that the r esults of the numerical simulatio n and o rthog onal ex per iment w ere accur ate and effectual and the pipe qua lity met the requirement o n the w all thickness and unifo rmity.

Key words:ho t pushing pipe bending ;pa rameter o pt imization;numer ical simulation;virtual o rtho gonal ex periment

*国家 973 计划(2007CB613807);教育部 新世纪优秀人才支持计划 (N CET 07 0696);西北工业大学重点扶持项目。

张尧武 E mail:z y w@163 com

作者简介:张尧武,男,1985年生,西北工业大学材料学院,硕士研究生

收稿日期:2009 02 25;修订日期:2009 03 16

引 言

随着国防、机械、化工等领域的发展,高强度、重量轻、耐高压、薄壁、小曲率管件的应用越来越

广泛。若采用传统的弯曲方式,不可避免地存在壁厚不均匀的问题,难以满足高性能弯管的要求。牛

角芯模热推弯管工艺是近年发展较快的一种新型弯管工艺,通过对管坯局部感应加热,将扩径变形与弯曲变形相结合,在牛角芯模上连续推制成形[1]。该工艺理论上可以保证管件具有高成形质量和壁厚均匀性,是解决传统弯管壁厚不均匀性最有效的成形方法之一。牛角芯模的参数设计是优化热推弯管成形工艺的关键。苗天德[2]从理论上推导了牛角芯模弯管成形过程的塑性解递推公式,给出了牛角芯模、管坯尺寸和推制工艺参数的经验公式;鹿晓阳[3]

在塑性弯曲理论的基础上,提出描述弯管变形特征的4个假设,推导出牛角芯模中心线的解析公式,建立了热推弯管工艺过程中的材料本构模型,但其研究的对象主要是大口径厚壁管;西北有色金属研究院周伟等[4]提出了采用阿基米德螺线作为牛角芯模中心线的设计方法,西北工业大学曾卫东

等[5]结合数值模拟对热推弯管成形工艺特点进行了更深入的研究。

影响热推弯管工艺成形质量的因素较多,且复杂,尽管国内外学者对热推弯管工艺做了不少工作,但对工艺参数设计,目前还主要依赖于反复生产试验。这种方法周期长、精度差、费用高,很难满足实际生产要求,迫切需要成熟的理论来指导实践。近年,计算机辅助设计发展很快,在试验结果的精度上也有很大的提高,成为各种工艺辅助设计的一种重要手段。本文利用有限元法对整个工艺成形过程进行计算机模拟,利用虚拟正交试验方法对不同参数下的模拟结果进行优化设计,以获得各参数对热推成形工艺的影响规律,得到较优参数值。

1 模拟试验

1 1 工艺简介

热推弯管工艺所用模具为牛角芯模,由过渡段、扩径弯曲段和整形段组成[6]。推制过程中,管坯进入扩径弯曲段前采用加热至特定温度[7],后紧贴模具成形,同时发生扩径变形和弯曲变形,改善了传统弯曲方法导致的壁厚不均匀的问题。

1 2 试验对象

本试验推制的成品弯管其外径为108m m,弯曲半径152m m,壁厚5mm的长半径弯管,是实际生产中最常用的弯管种类之一,材料为40Cr钢。

1 3 模拟软件

M SC/Superform有限元软件是目前最成熟的塑性加工过程的仿真工具之一,具有三维热耦合分析、成型仿真等功能,能够很好地解决各种非线性问题。而且M SC/Superfo rm具有友好的二次开发接口,便于模具的模型导入和数据输出处理。本文选用M SC/Superform2004软件进行有限元模拟。

1 4 模型建立

牛角芯模的模型由CAT IA生成,通过H y perm esh划分网格,导入M SC/Superform对成形过程进行模拟。牛角芯模推制前需要预热,且要求成形过程中温度较高,选用高温合金GH6149[8],直接从M SC/Superform材料库中导入。选用剪切摩擦模型,模具比热容440N!mm/(g!∀),工 模界面热交换系数8 37N/(s!mm!∀);管坯单元采用4节点壳体单元(ELEM ENT7),牛角芯模则选用8节点六面体单元(ELEM ENT43)进行模拟,试验中采用均匀温度场模拟。模型如图1所示。为节约运算时间,根据模型的对称性,仅对模型的1/2进行

模拟。

图1 热推弯管有限元模拟模型

Fig 1 T he FM E mo dle of hot pushing pipe bending

1 5 参数选取

热推弯管的工艺参数主要包括牛角芯模的弯曲角度、扩径比、起始弯曲半径、推制速度、摩擦因数等。试验将针对这些参数进行优化。

参数值应该结合实际生产经验和以往试验结果选定合理的范围,并尽量均匀取值,以便分析该参数对弯管成形的影响规律。

牛角芯模的弯曲角度选择35#、40#、45#、50#;扩径比分别选取1 30、1 39、1 46、1 60;起始弯曲半径选取1 1R、1 33R、1 6R、1 85R;实际推制速度在2mm/s~5mm/s范围,速度水平选择为2m m/s、3m m/s、4mm/s、5mm/s[8];试验过程中,工模间摩擦系数在热推弯管成形条件下约为0 15,选取0 10、0 13、0 16、0 19。

2 参数优化

弯管的成形质量主要取决于弯管壁厚的减薄率和均匀性。热推弯管工艺特点决定了弯管外侧壁厚基本不变,因而内侧壁厚减薄率及均匀性对整个管件的成形质量有决定性影响。为了定量分析弯管成形质量,用试验结果中的内侧壁厚的均值和方差,分别表征弯管的减薄率和均匀性。

分析热推弯管模拟结果的目的,是优化工艺参数,揭示变形规律。本文选用正交试验分析法优化试验参数。

2 1 正交表设计

根据以上所选工艺参数,制成因素水平表,如表1所示。本试验中,共有5个因素,不考虑交互作用的影响,每个因素有4个水平,选用L16(45)正交表,需要进行16次试验[9]。由上述分析可知,弯管成形质量的衡量指标有两个,一是壁厚减薄率,二是壁厚均匀性。分别用内侧壁厚的平均值和总体方差衡量。

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