管坯补偿角度对小半径薄壁弯头内胀冷推弯成形质量的影响研究

文献背景与核心问题

本文由付春林、王宛山、徐雪峰等人发表于2019年《锻压技术》期刊，聚焦于铝合金薄壁管的小弯曲半径弯头成形难题。研究对象为Ф40 mm×1 mm铝合金管材，弯曲半径仅为1倍管径（R/D=1），属于典型的极限成形工况。在航空航天、汽车轻量化等领域，此类小半径薄壁弯头需求日益增多，但成形过程中极易出现内侧起皱、外侧过度减薄等缺陷。作者采用内胀冷推弯工艺，通过数值模拟与试验验证相结合的方法，重点探讨了管坯端头补偿角度对成形质量的影响规律。

关键技术参数与工艺窗口分析

有限元模型建立

作者基于数值模拟平台建立了内胀冷推弯有限元模型，模型中考虑了管坯与模具之间的接触摩擦、材料非线性变形行为以及内压加载路径。关键工艺参数如下表所示：

补偿角度对成形缺陷的影响机制

通过系统改变管坯端头补偿角度，作者揭示了起皱与减薄之间的竞争关系：

1. 当补偿角度过大（接近60°）时，弯管内侧材料在轴向压缩应力作用下产生明显的压缩起皱，这是由于内侧多余材料缺乏足够的约束空间所致。
2. 随着补偿角度降低至45°左右，起皱现象基本消失，此时内侧材料在轴向压缩与内胀压力的共同作用下实现了均匀变形。
3. 继续降低补偿角度至30°以下，虽然起皱完全消除，但弯管内侧有效成形长度明显不足，外侧壁厚减薄区域扩大，最大减薄率可达10%以上。

这一现象背后反映的是材料流动的平衡问题。补偿角度实质上是预先在管坯端头切出一个斜面，使得弯曲过程中内侧与外侧的材料体积能够匹配。角度过大则内侧材料过剩，角度过小则内侧材料不足。

工程实践启示与个人思考

最佳工艺参数确认

作者通过数值模拟与试验验证，确认补偿角度为45°时成形质量最佳。此时外侧壁厚最大减薄率为7.1%，远低于铝合金管材成形中通常允许的15%减薄上限，且弯管内侧无起皱，整体成形质量满足使用要求。

对实际生产的指导意义

在实际生产中，小半径弯头的成形一直是管件加工领域的难点。传统热弯工艺虽然可以降低成形力，但存在能耗高、氧化严重、尺寸精度差等问题。内胀冷推弯工艺结合了冷弯与内压胀形两种变形方式，能够有效改善壁厚分布。但该工艺对管坯预处理精度要求较高，尤其是端头补偿角度的加工误差应控制在±1°以内。

值得进一步探讨的问题

尽管本文取得了良好的研究成果，但仍有一些问题值得深入思考：

• 文中仅针对一种规格（Ф40 mm×1 mm）进行了研究，对于不同径厚比（D/t）的管材，最佳补偿角度是否会发生变化？
• 内胀压力的具体数值及其与补偿角度的耦合效应未被详细讨论，这可能是影响成形质量的另一关键变量。
• 铝合金材料的各向异性在薄壁管成形中不可忽视，文中未涉及材料本构模型的详细描述。

总体而言，本文为小半径薄壁弯头的冷成形提供了可靠的理论依据和工艺参考，对于从事管件成形工艺设计的技术人员具有直接指导意义。