一种航天超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法

1.本发明属于芯球设计技术领域，涉及一种变厚度芯球的设计方法，尤其涉及一种航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法。


背景技术：

2.超薄壁管以其高强度、高性能、轻量化等优点，在航空航天领域得到应用，如：新型战机、民用大飞机的环控系统，大型运载火箭的输送系统，都采用超薄壁管件作为关键轻量化构件，在保证综合性能的前提下尽量减轻自重，提高飞行、作战和运载能力。
3.金属管材常用弯曲方法有绕弯、压弯、滚弯、推弯等。其中，基于旋转牵引原理的数控绕弯成形，由于能够实现弯曲过程数字化，且精确、稳定、高效，已成为满足航空航天等高科技领域发展的重要成形技术。
4.金属管材数控绕弯成形原理如图2所示，成形模具主要包括弯曲模、夹紧模、弯曲模镶块、压模、防皱模以及芯棒等。其中，芯棒包含芯轴和芯球两部分。弯曲前，管材的前端被夹紧模与弯曲模镶块夹紧，外侧被压模压紧，内侧与弯曲模相切处设置有防皱模，内部安装有芯棒。绕弯成形时，弯曲模以角速度ω在o点绕z轴转动，夹紧模和弯曲模镶块同步转动。管材在夹紧模和弯曲模镶的牵引作用下绕弯曲模凹槽旋转，形成所需弯曲半径。压模以线速度v沿x轴方向移动。
5.超薄壁管材在绕弯成形时，非常容易出现弯裂、起皱、截面畸变和回弹等问题，是一个多成形缺陷的复杂成形过程。其中，弯裂、起皱、塌陷直接导致报废，而壁厚减薄、增厚、截面畸变和回弹则影响超薄壁弯管的成形精度和使用性能。因此，超薄壁管材在数控绕弯成形时，需要在管材内部安装芯棒，对管材提供内部支撑，以防止管材外侧塌陷，从而可以改善弯管的截面畸变问题。同时，芯棒与防皱模配合，可以抑制管材内侧失稳起皱现象。可以看出，芯棒对提高超薄壁管材绕弯成形质量具有非常重要意义。
6.而目前常用的球窝式芯棒，都是采用相等厚度的芯球。而超薄壁管材在绕弯成形过程中，弯曲段的应力分布和变形程度都是不均匀的，起弯处的应力应变明显较大，这对芯棒支撑和芯球的设计提出了更高的要求。


技术实现要素：

7.为了对超薄壁管材绕弯成形提供更好的内部支撑效果，防止管材内侧失稳起皱，同时提高壁厚分布均匀性，减小截面椭圆度，本发明提出一种航空航天超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法，以提高航空航天用超薄壁弯管的成形质量和试弯成功率。
8.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.步骤s1：管材类型判断：获取需数控绕弯成形的金属管材规格，包括外径d和壁厚t，判断管材是否属于超薄壁管，
10.当d/t≥100时，管材属于超薄壁管，执行步骤s2；
11.当d/t＜100时，管材不属于超薄壁管，执行步骤s7；
12.步骤s2：确定芯棒设计基本方案：获取芯棒的参数，包括：芯轴直径ds、芯轴伸出量em、芯球直径db、芯球厚度k、芯球个数n和芯球间隙s，设具有等厚度芯球的芯棒设计方案为芯棒设计基本方案，所述的芯棒设计基本方案包括计算芯棒支撑角度；
13.步骤s3：确定芯棒设计初步方案：根据所述的芯棒设计基本方案设计芯棒设计初步方案，所述的芯棒设计初步方案包括不同的芯球厚度、不同的芯球个数和相同芯棒支撑角度，设不同的芯球厚度为k1、k2、
…
、kn；
14.步骤s4：确定芯球个数：根据芯棒支撑角度范围，确定芯球个数n；
15.步骤s5：罗列变厚度芯球组合方案：根据芯球个数对不同的芯球厚度进行组合，获得变厚度芯球组合方案；
16.步骤s6：确定变厚度芯球最终组合方案：对采用不同芯球厚度的变厚度芯球组合方案的超薄壁管材的绕弯成形过程进行仿真计算，分析不同变厚度芯球组合方案对超薄壁弯管对于成形质量的影响，获得变厚度芯球最终组合方案；
17.步骤s7：结束。
18.在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤s2中，芯棒支撑角度计算公式为：
[0019][0020]
式中：θm为芯棒支撑角度；em为芯轴伸出量；r为弯曲半径；n为芯球个数；k为芯球厚度；s为芯球间隙。
[0021]
在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤s5中，所述的变厚度芯球组合方案中，靠近芯轴处的芯球厚度薄于远离芯轴处的芯球。
[0022]
在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤s5中，变厚度芯球的芯棒支撑角度计算公式为：
[0023][0024]
式中：k1、k2、
…
、kn为各个变厚度芯球的厚度；
[0025]nk1
、n
k2
、
…
、n
kn
为厚度为k1、k2、
…
、kn的芯球个数。
[0026]
在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤s6中，成形质量的评价指标包括应力分布、壁厚变化和截面畸变。
[0027]
在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤s6中，使用有限元发析软件进行仿真计算。
[0028]
在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤s6中，所述的壁厚变化根据壁厚减薄率和壁厚增厚率判断，
[0029]
壁厚减薄率表达式为：
[0030]
ζ1＝(t—t1)/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0031]
式中：ζ1为壁厚减薄率；t为管材的原始壁厚；t1为弯曲后减薄的弯管壁厚；
[0032]
当t1取弯管的最小壁厚t
1,min
时，ξ1对应最大壁厚减薄率ξ
1,max
。；
[0033]
壁厚增厚率表达式为：
[0034]
ζ2＝(t2—t)/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0035]
式中：ζ2为壁厚增厚率；t2—弯曲后增厚的弯管壁厚；
[0036]
当t2取弯管的最大壁厚t
2,max
时，ξ2对应最大壁厚增厚率ξ
2,max
。
[0037]
在上述的航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法中，步骤s6中，所述的截面畸变用椭圆度来衡量表达式为：
[0038][0039]
式中：为椭圆度；d
max
为弯管某一截面的最大外径、d
min
为弯管某一截面的最小外径；
[0040]
弯管的最大椭圆度为畸变最严重的截面的椭圆度。
[0041]
与现有技术相比，本发明具有在超薄壁管材在绕弯成形过程中，弯曲段的应力分布和变形程度都是均匀的，降低了芯棒支撑和芯球的设计要求的优点。
附图说明
[0042]
图1为本发明航天超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球设计方法的流程图；
[0043]
图2为本发明实施例中的超薄壁管材控绕弯成形示意图；
[0044]
图3为本发明实施例中的变厚度芯球结构示意图；
[0045]
图4为本发明实施例中采用基本方案和组合方案的弯管外侧应力分布云图
[0046]
图5为本发明实施例中采用基本方案和组合方案的弯管壁厚减薄率曲线图
[0047]
图中，1、管材；2、芯轴；3、压模；4、芯球；5、防皱模；6、弯曲模；7、弯曲模镶块；8、夹紧模。
具体实施方式
[0048]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0049]
如图1所示，航空航天用超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0050]
步骤s1：管材类型判断：获取需数控绕弯成形的金属管材规格，包括外径d和壁厚t，判断管材是否属于超薄壁管，
[0051]
当d/t≥100时，管材属于超薄壁管，执行步骤s2；
[0052]
当d/t＜100时，管材不属于超薄壁管，执行步骤s7；
[0053]
步骤s2：确定芯棒设计基本方案：获取芯棒的参数，包括：芯轴直径ds、芯轴伸出量em、芯球直径db、芯球厚度k、芯球个数n和芯球间隙s，设具有等厚度芯球的芯棒设计方案为芯棒设计基本方案，芯棒设计基本方案包括计算芯棒支撑角度；
[0054]
芯棒支撑角度计算公式为：
[0055][0056]
式中：θm为芯棒支撑角度；em为芯轴伸出量；r为弯曲半径；n为芯球个数；k为芯球厚度；s为芯球间隙；
[0057]
步骤s3：确定芯棒设计初步方案：根据芯棒设计基本方案设计芯棒设计初步方案，
芯棒设计初步方案包括不同的芯球厚度、不同的芯球个数和相同芯棒支撑角度，设不同的芯球厚度为k1、k2、
…
、kn；
[0058]
步骤s4：确定芯球个数：根据芯棒支撑角度范围，确定芯球个数n；
[0059]
步骤s5：罗列变厚度芯球组合方案：根据芯球个数对不同的芯球厚度进行组合，获得变厚度芯球组合方案；
[0060]
其中靠近芯轴处的芯球厚度薄于远离芯轴处的芯球；
[0061]
变厚度芯球的芯棒支撑角度计算公式为：
[0062][0063]
式中：k1、k2、
…
、kn为各个变厚度芯球的厚度；
[0064]nk1
、n
k2
、
…
、n
kn
为厚度为k1、k2、
…
、kn的芯球个数；
[0065]
步骤s6：确定变厚度芯球最终组合方案：对采用不同芯球厚度的变厚度芯球组合方案的超薄壁管材的绕弯成形过程进行仿真计算，分析不同变厚度芯球组合方案对超薄壁弯管的应力分布、壁厚变化和截面畸变对于成形质量的影响，获得变厚度芯球最终组合方案；
[0066]
壁厚变化根据壁厚减薄率和壁厚增厚率判断，
[0067]
壁厚减薄率表达式为：
[0068]
ζ1＝(t—t1)/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0069]
式中：ζ1为壁厚减薄率；t为管材的原始壁厚；t1为弯曲后减薄的弯管壁厚；
[0070]
当t1取弯管的最小壁厚t
1,min
时，ξ1对应最大壁厚减薄率ξ
1,max
。；
[0071]
壁厚增厚率表达式为：
[0072]
ζ2＝(t2—t)/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0073]
式中：ζ2为壁厚增厚率；t2—弯曲后增厚的弯管壁厚；
[0074]
当t2取弯管的最大壁厚t
2,max
时，ξ2对应最大壁厚增厚率ξ
2,max
；
[0075]
截面畸变用椭圆度来衡量表达式为：
[0076][0077]
式中：为椭圆度；d
max
为弯管某一截面的最大外径、d
min
为弯管某一截面的最小外径；
[0078]
弯管的最大椭圆度为畸变最严重的截面的椭圆度。
[0079]
步骤s7：结束。
[0080]
本航天超薄壁管材绕弯成形用变厚度芯球设计方法，具体操作步骤如下：
[0081]
根据所需数控绕弯成形的金属管材规格，判断是否属于超薄壁管。例如，所需数控绕弯成形的超薄壁不锈钢管材的外径d＝91.6mm，壁厚t＝0.9mm，d/t＝101.8＞100，则属于超薄壁管，采用本发明提出了变厚度芯球设计方法；
[0082]
根据管材的材料、规格和成形要求，结合芯轴伸出量经验公式、工程经验和前期预研，初步确定芯棒的参数。超薄壁管材为304不锈钢，弯曲半径r＝190mm，弯曲角度θ＝57
°
。结合芯轴伸出量经验公式、工程经验和前期预研，初步确定芯棒的参数如下：芯轴直径ds＝89.2mm，芯轴伸出量em＝6mm，芯球直径db＝88.9mm，芯球厚度k＝23mm，芯球个数n＝3mm，芯球间隙s＝2mm。等厚度芯球的芯棒设计方案命名为芯棒设计基本方案。根据图2，可得到芯
棒设计基本方案的芯棒支撑角度为：
[0083][0084]
式中：θm为芯棒支撑角度；em为芯轴伸出量；r为弯曲半径；n为芯球个数；k为芯球厚度；s为芯球间隙。
[0085]
根据芯棒设计基本方案，设计不同的芯球厚度和芯球个数但具有相同芯棒支撑角度的芯棒设计方案，以确保相同的芯棒支撑效果，从而确定不同的芯球厚度，分别定义为k1、k2、
…
、kn。芯球间隙s保持不变，当芯球个数n＝4，芯球厚度k＝17.5mm；当芯球个数n＝5，芯球厚度k＝13.6mm。这样，3种芯球厚度就确定下来了，即k1＝13.6mm，k2＝17.5mm，k3＝24mm。
[0086]
确定合理的芯棒支撑角度范围，确定芯球个数n。由于超薄壁不锈钢管材绕弯成形时合理的芯棒支撑范围为θ/3～θ/2。为保证采用不同的芯球厚度时芯棒的支撑角度均在合理的支撑范围内，确定芯球个数n＝4，如图3所示。
[0087]
在规定的芯球个数内，对不同的芯球厚度进行组合。考虑到管材起弯处变形大且应力集中，靠近芯轴处选用厚度较薄的芯球，得到变厚度芯球组合方案，如表1所示，命名为变厚度芯球组合方案。
[0088]
表1变厚度芯球组合方案和芯棒支撑角度
[0089][0090]
变厚度芯球组合方案的芯棒支撑角度为：
[0091][0092]
式中：k1、k2、
…
、kn—各个变厚度芯球的厚度；
[0093]nk1
、n
k2
、
…
、n
kn
—厚度为k1、k2、
…
、kn的芯球个数。
[0094]
根据公式(2)，计算出各组合方案的芯棒支撑角度，如表1所示，均属于合理的芯棒支撑范围θ/3～θ/2内。
[0095]
根据公式(1)，计算得到芯棒设计基本方案的芯棒支撑角度θ
m bs
＝25.8
°
∈[19
°
，28.5
°
]，也属于合理的芯棒支撑范围θ/3～θ/2内。
[0096]
为方便后续的结果分析，将采用厚度k1和k2的变厚度芯球组合方案命名为组a，将采用厚度k1和k3的组合方案命名为组b，将采用厚度k1、k2和k3的组合方案命名为组c。
[0097]
使用有限元分析软件ansys-ls/dyna，对采用不同变厚度芯球组合方案的超薄壁
管材的绕弯成形过程进行仿真计算，分析不同变厚度芯球组合对超薄壁弯管的应力分布、壁厚变化和截面畸变等成形质量的影响，得到符合相关行业标准要求的最优变厚度芯球组合方案。
[0098]
壁厚变化常用壁厚减薄率和壁厚增厚率这两个指标来衡量。其中，壁厚减薄率表达式为：
[0099]
ζ1＝(t—t1)/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0100]
式中：ζ1为壁厚减薄率；t为管材的原始壁厚；t1为弯曲后减薄的弯管壁厚。当t1取弯管的最小壁厚t
1,min
时，ξ1对应最大壁厚减薄率ξ
1,max
。
[0101]
壁厚增厚率表达式为：
[0102]
ζ2＝(t2—t)/t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0103]
式中：ζ2为壁厚增厚率；t2—弯曲后增厚的弯管壁厚。当t2取弯管的最大壁厚t
2,max
时，ξ2对应最大壁厚增厚率ξ
2,max
。
[0104]
截面畸变用椭圆度来衡量，表达式为：
[0105][0106]
式中：φ—椭圆度；d
max
、d
min
—弯管某一截面的最大、最小外径。畸变最严重的截面的椭圆度，称为弯管的最大椭圆度φ
max
。
[0107]
超薄壁弯管外侧的应力应变分布如图4所示，可以观察到，采用基本方案的超薄壁弯管外侧的最大等效应力面积较大，且较为集中；采用组合方案的超薄壁弯管外侧的最大等效应力面积相比则都较小，且较为分散。组a中，采用组合方案2的超薄壁弯管外侧的最大等效应力面积略小且略分散；组b中，采用组合方案4超薄壁弯管外侧的最大等效应力面积最小，第二大等效应力面积相对集中；组c中最大等效应力面积和第二大等效应力面积都呈现非连续性分布，采用组合方案7的超薄壁弯管外侧的最大等效应力区域最小。从应力分布可以得出，采用组合方案4的超薄壁弯管外侧的最大等效应力面积最小；随着厚度k2和k3芯球的增加，最大等效应力面积和第二大等效应力面积都呈现变大的趋势且分布变得离散。
[0108]
超薄壁弯管外侧中脊线上壁厚减薄率变化曲线如图5所示，可以观察到，图5(a)中，采用组合方案1和2的超薄壁弯管壁厚减薄率分布均小于组合方案3和基本方案。采用组合方案1和2的超薄壁弯管的最大壁厚减薄率分别为12.09％和12.06％。图5(b)中，采用组合方案4的超薄壁弯管整体壁厚减薄率最小，壁厚均匀性也最好，其次是采用组合方案5的。采用组合方案4和5的超薄壁弯管的最大壁厚减薄率分别为11.88％和12.05％。图5(c)中，采用组合方案7的超薄壁弯管整体壁厚减薄率最小，超薄壁弯管的最大壁厚减薄率11.94％。根据超薄壁弯管的最大壁厚减薄率，采用组合方案4的最好，后面依次是组合方案7、5、2和1。
[0109]
分析超薄壁弯管内侧中脊线上壁厚增厚率变化曲线可以得到，采用基本方案的超薄壁弯管的壁厚增厚率均大于采用组合方案的。不同的组合方案对壁厚增厚率的影响不大。
[0110]
超薄壁弯管的最大截面椭圆度与芯棒支撑角度及排名见表2。
[0111]
表2采用基本方案和组合方案的超薄壁弯管的最大椭圆度
[0112][0113]
可以观察到，芯棒支撑角度越大，超薄壁弯管的最大截面椭圆度越小。增加k2和k3厚度的芯球，可以增加芯棒支撑角度，减小最大截面椭圆度。从截面椭圆度指标来看，组合方案6的最大截面椭圆度最小，后面依次是方案9、5、8和7。
[0114]
最后可以总结出，如果优先考虑壁厚减薄率，组合方案4、7、5、2和1有利于减小超薄壁弯管的壁厚减薄率。如果优先考虑截面椭圆度，组合方案6、9、5、8和7有利于减小超薄壁弯管的最大截面椭圆度。如果需要同时考虑壁厚减薄率和椭圆度，组合方案5和7是最优的变厚度芯球组合方案。
[0115]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0116]
尽管本文较多地使用了大量的术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。