摘要
近年来，为满足工业轻量化和低成本的要求，在管路系统中常采用双金属复合弯管来代替单层弯管，既满足了其综合性能要求，同时还降低了金属材料用料成本。铜系双金属复合管以耐腐蚀、导热电性能好、塑性能力强的铜及其合金为基管，覆管采用轻质量的铝或钛，结合了二者的优势常应用于供暖、腐蚀液体的管道运输。本文针对规格为?34×t3mm的TA2/T2钛铜双金属复合管，基于ABAQUS有限元模拟平台，研究钛铜双金属复合管在数控绕弯成形过程中覆管、基管的壁厚减薄机理。主要的研究内容和结论如下： （1）建立了TA2/T2钛铜双金属复合管绕弯成形壁厚减薄的预测模型。在ABAQUS有限元软件中，建立几何装配模型、材料模型、摩擦接触模型以及夹模的夹紧力。优化网格尺寸为1.5mm、质量放大因子为2000；考虑到分层缺陷，选择库伦摩擦模型作为复合管覆管和基管的界面接触模型。优化后的有限元模型的精度明显得到提升，覆管、基管壁厚减薄率的平均预测误差分别为13.76%和13.83%，均低于15%，覆管、基管截面畸变率的平均预测误差为19.44%和15.94%，均低于20%，因此认为建立的有限元模型可以有效地预测复合管绕弯成形的壁厚减薄。 （2）研究了成形参数对TA2/T2钛铜双金属复合管壁厚减薄的影响规律，发现：①弯曲半径R对复合管覆管、基管壁厚减薄的影响趋势一致，当弯曲半径R≥85mm（相对弯曲半径R/D=2.5），复合管壁厚分布趋于均匀；初始壁厚t0对复合管的基管壁厚减薄的影响比覆管的影响要小，影响规律一致，均随初始壁厚t0的增大先减小后增大。②采用弹性芯模填充能得到很好的柔性支撑作用，但对壁厚减薄的抑制效果不佳；随芯头个数N和芯棒伸出量e的增加，复合管覆管、基管的壁厚减薄率逐渐增大。③随芯模摩擦系数μm和防皱模摩擦系数μw的增加，复合管的壁厚减薄率逐渐增大；随压模摩擦系数μp的增加，复合弯管外侧壁厚减薄率不是规律变化的，但整体呈现出减小趋势；随弯曲模摩擦系数μb的增加，复合管的壁厚减薄率变化规律先减小再增大，呈现“漏斗”状。④随助推速度Vp和夹模夹紧力Fc的增加，复合管覆管、基管的壁厚减薄率减小并趋于一个稳定值；随弯曲角速度ω的增大，复合管覆管的壁厚减薄率先增大后趋于某一稳定值，而复合管基管则是先减小后趋于某一稳定值。 （3）探讨了弯曲半径R、初始壁厚t0和芯模填充对复合管损伤拉裂的影响规律，发现：①在弯曲过程中，覆管比基管更容易受弯曲半径R的影响而发生拉裂，随着弯曲半径R的增大，复合管覆管、基管越不容易拉裂；随着初始壁厚t0的增大，复合管覆管、基管的最大损伤值均先减小后增大。②在无芯模填充和刚性芯模填充下，复合管覆管、基管均未发生拉裂；随着芯头个数N的增加，复合管覆管的最大损伤值逐渐减小并趋于一个稳定值；随着芯棒伸出量e的增加，复合管覆管的最大损伤值先减小后增大，而基管则逐渐增大。③复合管容易拉裂的位置主要分布在弯曲中间段和后段，且覆管的易拉裂区域较大。 （4）为满足复合管的工程要求（最大壁厚减薄率δmax≤10%）且不发生拉裂、分层和严重截面畸变缺陷，应当选取弯曲半径R≥102mm（相对弯曲半径R/D=3）。在弯曲半径R=102mm下，其他成形参数的最佳取值范围：初始壁厚t0为3~5mm、芯头个数N为1~3个、芯棒伸出量e为3~7mm、芯模摩擦系数μm为0.02~0.1、压模摩擦系数μp为0.1~0.34、防皱模摩擦系数μw为0.18~0.34、弯曲模摩擦系数μb为0.14~0.22、侧推速度V p为Rω~1.4Rωmm/s、弯曲角速度ω为0.25~0.75rad/s、夹模夹紧力Fc为30~60MPa。结合成形参数的最佳取值范围，设计了TA2/T2钛铜双金属复合弯管壁厚减薄的正交试验，获得壁厚减薄率最小的最佳成形参数组合和成形参数的显著性。
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