770 工程科学学报，第42卷，第6期 金属管材在众多工业领域中发挥着重要作 通过对弯曲特性及缺陷的分析，研究了管材自由 用，比如：航空航天、高铁、船舶、汽车、桥梁结构 弯曲成形中内弧面起皱，外弧面变薄、开裂，弯曲 和建筑等领域-习特别强调的是弯管构件可以在 回弹，截面变形等的常见问题.Wu等对自由弯 航空器系统中承担输送液态或气态介质的重要角 曲成形的管材回弹现象进行了研究，提出将空间 色然而，对于轴线空间复杂，曲率不断变化的 变曲率弯管离散成许多小的平面圆弧段，为空间 弯曲构件，传统弯管工艺实现较为困难.近年来， 变曲率弯管的回弹预测及补偿打开了新思路 管材自由弯曲成形技术逐渐成为塑性成形领域的 Guo等研究了自由弯曲成形工艺的解析方法， 热点，该技术可以实现精确无模弯管，有效地节省 并对影响管材的自由弯曲成形的工艺参数（移动 模具设计生产环节，降低生产成本，实现节能和设 模间隙、固定模圆角等)进行了有限元仿真模拟及 备的轻量化.同时，自由弯曲成形动作连续，能 实验研究，确定了部分工艺参数特别是固定模与 有效地避免应力应变的过度集中，因而弯曲获得 移动模间的距离对最终成形管件的影响规律 的试件质量优异，具有较长的使用寿命 本文针对管径30.0mm,壁厚2.0mm的铝合金 管材自由弯曲成形技术带来优势的同时，也 管材6061，首先通过基础拉伸实验及压弯实验，确 对其工艺提出了更高的要求，比如：固定模与移动 定并验证铝合金管材的有限元仿真模型(FEM)的 模间的距离，移动模截面形状、偏移量，移动模与 有效性.而后，结合FEM研究自由弯曲过程中的 管材外表面间隙大小、摩擦系数，管材进给速度 移动模与管材间隙大小、摩擦系数和管材进给速 不合理的弯曲工艺容易造成管材成形件的起皱、 度等工艺因素对管材最终成形效果的影响规律， 破裂以及回弹过大等问题s-6.Gantner等-s1对管 确定出该工况下工艺参数的最优值，为铝合金管 材自由弯曲成形过程进行了有限元模拟，并将模 材6061的自由弯曲成形工艺提供理论指导 拟结果与实验结果进行对比，优化了自由弯曲成 1管材自由弯曲成形工艺解析 形工艺.该工艺几乎可以弯曲成形任意轴线形状 的复杂弯管，但最大缺陷就是管材的弯曲成形半 传统的管材弯曲成形过程如图1(a)所示，成 径至少要是管材半径的2.5倍.Plettke等1对该工 形过程中主要依靠弯曲模，且需要根据不同的管 艺的技术原理进行了系统的介绍.Goto等o通过 材半径和弯曲半径更换弯曲模.管材的自由弯曲 实验研究了移动模偏移量与弯曲半径的倒数 成形相对传统弯管过程要更为复杂，其原理如 1/R的线性关系，确定了移动模与管材外表面间隙 图1(b)所示.该工艺主要有三个构件：推进机构、 大小以及移动模的偏转角度对空间自由弯管的成 固定模以及移动模.推进机构主要实现管材的送 形半径的重要作用.Kawasumi等则研究了模具 管过程，通过调节移动模和固定模的相对位置实 间隙及回弹对成形的影响.Li等2-1应用有限元 现不同曲率弯管的成形.推进机构推力和移动模 方法对不同截面的高强钢自由弯曲成形过程进行 横向移动产生扭矩使管材发生自由弯曲成形.其 了仿真模拟分析，发现在固定模与移动模距离相 中，移动模与固定模的距离L和移动模的横向偏 同的情况下，管材弯曲成形半径随移动模偏移量 移量共同决定了管材的弯曲半径.距离L越小， 的增加而减小：当移动模偏移量相同时，固定模与 偏移量越大，获得管材的弯曲半径就越小.管材 移动模距离越小，管材成形半径越小.Yang等 获得弯曲半径R和弯曲力矩M的计算方法如公式 (a) Pressure die (b) Fixed dic Mobile die Pipe Pusher Clamp die Mandrel Bending die 图1弯管工艺外对比.(a)传统弯管：(b)自由弯管 Fig.I Comparison of tube bending processes:(a)traditional technique;(b)free bending金属管材在众多工业领域中发挥着重要作 用，比如：航空航天、高铁、船舶、汽车、桥梁结构 和建筑等领域[1−2] . 特别强调的是弯管构件可以在 航空器系统中承担输送液态或气态介质的重要角 色[3−4] . 然而，对于轴线空间复杂，曲率不断变化的 弯曲构件，传统弯管工艺实现较为困难. 近年来， 管材自由弯曲成形技术逐渐成为塑性成形领域的 热点，该技术可以实现精确无模弯管，有效地节省 模具设计生产环节，降低生产成本，实现节能和设 备的轻量化[4] . 同时，自由弯曲成形动作连续，能 有效地避免应力应变的过度集中，因而弯曲获得 的试件质量优异，具有较长的使用寿命. 管材自由弯曲成形技术带来优势的同时，也 对其工艺提出了更高的要求，比如：固定模与移动 模间的距离，移动模截面形状、偏移量，移动模与 管材外表面间隙大小、摩擦系数，管材进给速度. 不合理的弯曲工艺容易造成管材成形件的起皱、 破裂以及回弹过大等问题[5−6] . Gantner 等[7−8] 对管 材自由弯曲成形过程进行了有限元模拟，并将模 拟结果与实验结果进行对比，优化了自由弯曲成 形工艺. 该工艺几乎可以弯曲成形任意轴线形状 的复杂弯管，但最大缺陷就是管材的弯曲成形半 径至少要是管材半径的 2.5 倍. Plettke 等[9] 对该工 艺的技术原理进行了系统的介绍. Goto 等[10] 通过 实验研究了移动模偏移量 u 与弯曲半径的倒数 1/R 的线性关系，确定了移动模与管材外表面间隙 大小以及移动模的偏转角度对空间自由弯管的成 形半径的重要作用. Kawasumi 等[11] 则研究了模具 间隙及回弹对成形的影响. Li 等[12−13] 应用有限元 方法对不同截面的高强钢自由弯曲成形过程进行 了仿真模拟分析，发现在固定模与移动模距离相 同的情况下，管材弯曲成形半径随移动模偏移量 的增加而减小；当移动模偏移量相同时，固定模与 移动模距离越小，管材成形半径越小. Yang 等[14] 通过对弯曲特性及缺陷的分析，研究了管材自由 弯曲成形中内弧面起皱，外弧面变薄、开裂，弯曲 回弹，截面变形等的常见问题. Wu 等[15] 对自由弯 曲成形的管材回弹现象进行了研究，提出将空间 变曲率弯管离散成许多小的平面圆弧段，为空间 变曲率弯管的回弹预测及补偿打开了新思路. Guo 等[16] 研究了自由弯曲成形工艺的解析方法， 并对影响管材的自由弯曲成形的工艺参数 (移动 模间隙、固定模圆角等) 进行了有限元仿真模拟及 实验研究，确定了部分工艺参数特别是固定模与 移动模间的距离对最终成形管件的影响规律. 本文针对管径 30.0 mm，壁厚 2.0 mm 的铝合金 管材 6061，首先通过基础拉伸实验及压弯实验，确 定并验证铝合金管材的有限元仿真模型（FEM）的 有效性. 而后，结合 FEM 研究自由弯曲过程中的 移动模与管材间隙大小、摩擦系数和管材进给速 度等工艺因素对管材最终成形效果的影响规律， 确定出该工况下工艺参数的最优值，为铝合金管 材 6061 的自由弯曲成形工艺提供理论指导. 1    管材自由弯曲成形工艺解析 传统的管材弯曲成形过程如图 1（a） 所示，成 形过程中主要依靠弯曲模，且需要根据不同的管 材半径和弯曲半径更换弯曲模. 管材的自由弯曲 成形相对传统弯管过程要更为复杂，其原理如 图 1（b） 所示. 该工艺主要有三个构件：推进机构、 固定模以及移动模. 推进机构主要实现管材的送 管过程，通过调节移动模和固定模的相对位置实 现不同曲率弯管的成形. 推进机构推力和移动模 横向移动产生扭矩使管材发生自由弯曲成形. 其 中，移动模与固定模的距离 L 和移动模的横向偏 移量 u 共同决定了管材的弯曲半径. 距离 L 越小， 偏移量 u 越大，获得管材的弯曲半径就越小. 管材 获得弯曲半径 R 和弯曲力矩 M 的计算方法如公式 (a) Pressure die (b) Fixed dic Pipe Mobile die Clamp die Pusher Mandrel L Bending die F u θ R FP 图 1    弯管工艺外对比. （a）传统弯管；（b）自由弯管 Fig.1    Comparison of tube bending processes: (a) traditional technique; (b) free bending · 770 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期