304不锈钢薄壁弯头冷推弯成形工艺研究.pdf

摘要

薄壁弯管构件具有优异的力学性能和特定的转向作用，有利于实现结构轻量

化、构件强韧化，在航空航天领域有重要应用。随着新一代航天发动机的发展，

薄壁弯管构件的需求量逐渐增大，同时其可靠性要求也越来越高，提高此类构件

的成形质量和成形效率具有重要意义。对于较大径厚比的管材，在弯曲过程中容

易出现管材内侧增厚起皱、外侧减薄破裂，截面畸变等缺陷，导致成形件合格率

不高，本文对不锈钢管件的冷推弯成形工艺展开研究，理论分析了管材弯曲变形

过程并讨论了成形件可能产生的主要缺陷，提出了管坯形状尺寸的优化设计和新

的推弯成形方案，基于建立的有限元模型分析管材冷推弯成形过程和工艺参数的

影响规律，并开展工艺试验研究，为提升薄壁不锈钢弯管件冷推弯成形质量及成

形效率提供理论指导和实践基础。

理论分析了管材冷推弯成形过程中内外侧的应力应变状态，推导出管材径向

应力和切向应力的表达式，并讨论了管材主要的成形缺陷，包括管材外壁减薄和

内壁增厚、管材截面的畸变。针对外径159mm、弯曲半径1.5D的理想弯头，基

于有限元模拟对理想弯头进行反推得到大致的管坯形状，结合生产经验设计三种

管坯的尺寸形状，对比其成形质量表明：一端端角45°且有平端，一端端角60°，

长边长度515mm的管坯尺寸为最优的设计。此外，在凹模型腔设计脱料段，并将

脱料机构置于凹模上方，直接对成形件进行脱料取件，降低了推弯成形的工序复

杂度和取料机构尺寸，提高成形效率。

对不锈钢管材的冷推弯过程进行数值模拟，分析成形过程中管材的应力应

变、壁厚变化和成形所需的推制力，对不同工艺参数对成形的影响做了研究和分

析。结果表明，摩擦力对管材的外侧减薄有抑制效果；随着模具间隙的增加，外

侧壁厚最大减薄率将增大，最大内侧增厚率会降低，截面椭圆度会增加；推弯速

度过大容易造成管材失稳，液压推杆推制速度不应大于37.5mm/s；当成形芯棒没

有台阶时，管材会出现严重的失稳起皱现象，台阶长度大于等于80mm时成形件

质量良好；管材径厚比越大，成形件起皱趋势越明显，管材截面畸变更大。

工艺试验研究了润滑介质、推弯速度、模具间隙和径厚比对304不锈钢弯头

的冷推弯成形影响，采用石灰润滑脂混合润滑剂能得到较好的润滑效果，能得到

符合要求的外形尺寸并留有加工余量。此外，推弯速度小于25mm/s时成形件质

量更好，模具间隙太小会导致管坯成形过程中出现上下管坯材料错位，最终无法

完整成形，而模具间隙太大时，管材的最大减薄率增加，截面畸变更加严重。管

材径厚比增加时，管材外侧最大减薄率有一定增加，内侧最大增厚率有一定下降。

径厚比增加，截面畸变更严重，截面椭圆度增加。

关键词：薄壁弯管；推弯；数值模拟；工艺参数

Abstract

Thinwalledelbowcomponentshaveexcellentmechanicalpropertiesandspecific

steeringeffect,whichareconducivetotherealizationoflightweightstructureand

strengtheningandtougheningofcomponents,andhaveimportantapplicationsinthe

aerospacefield.Withthedevelopmentofthenewgenerationofaerospaceengines,the

demandforthin-walledelbowcomponentsisgraduallyincreasing,anditsreliability

requirementsarealsoincreasinglyhigh.Itisofgreatsignificancetoimprovetheforming

qualityandefficiencyofsuchcomponents.Forpipeswithlargediameterthicknessratio,

itiseasytohavedefects