翻管成形工艺是利用简单模具成形其他方法难以成形的双壁管状复杂零件,这是一种特种管的成形技术。这种双壁管零件适用于汽车冲撞、飞船软着陆、核装置的碰撞的保护吸能元件等的制造。由于翻管成形方式较多,成形条件苛刻,翻管变形过程机理复杂,多种失稳的变形趋势制约着翻管成形工艺的可能性。因此,将此工艺方法推广应用到工业成形制造领域,就必须全面深入地研究翻管变形机理、翻管工艺参数条件及成形极限等关键问题。本文即是针对这些问题,通过有限元数值模拟结合理论分析和工艺实验的方法,所进行的系统深入的研究,取得了如下主要新进展。(1)采用轴对称旋转壳体的薄壳理论对内翻及外翻变形过程进行了力学分析。在不考虑材料加工硬化的情况下,分别求解了稳态内翻及外翻成形问题的应力、应变以及翻管工艺力。研究结果表明:翻卷半径对翻管工艺力的影响比较大,存在最佳翻卷圆角半径,使翻管工艺力最小,翻管过程最稳定。在翻管变形初期,多种变形模式依次转化,而稳定翻管时,成形力非常稳定,且达到其最大载荷。(2)研究翻管轴对称失稳变形,提出临界失稳力与后屈曲过程的平均失稳力存在着简单的线性比例关系,建立了翻管临界失稳力的计算公式。并引入翻管系数和成形极限图的方法,简单直观地预测翻管成形范围。研究表明:对于φ42X1 3A21铝合金圆管,稳定外翻的外翻管系数为1.18～1.42,对应的翻卷半径约为2～6mm,内翻管系数为0.82～0.53,对应的翻卷半径约为2～4mm。(3)研究翻管成形过程的数值模拟方法,建立了轴对称翻管问题的有限元分析模型,并用华中科技大学自主开发的板料成形分析软件FASTAMP和商用板料成形分析软件DYNAFORM5.2作为平台,对3A21铝合金管的内翻及外翻变形过程进行了模拟分析,并与实验结果比较,揭示了翻管成形的变形机理。数值模拟的结果与实验结果基本一致。研究结果表明:①翻管过程是一复杂的变形过程,在翻管变形区,并不是一个等半径的半圆。模具圆角半径越小,初始峰载越大;模具圆角半径增大到一定值后,没有初始峰载出现。②对于φ42×1mm的铝合金管,理想的翻管模具圆角半径为3mm。在同样变形程度下,圆角模外翻的工艺成形力比锥模外翻的大;内翻工艺力比外翻的要大。③外翻过程中,待成形区的管壁先受轴压变厚,从变形区开始受拉而变薄,但总体上外翻变形的管壁厚度基本保持不变。而内翻变形区的管壁有明显的增厚变形,对于3A21铝合金管,采用模具圆角半径为3mm时,在新形成的内层管上,管壁厚度最大增至原始管壁厚度的1.38倍。(4)采用试验研究方法,研究了无材料加工硬化的3A21铝合金圆管的内翻及外翻管成形方法,探讨了成形工艺参数及管坯几何性能参数对翻管变形的影响规律,并对理论分析及数值模拟的结果进行了实验验证。实验结果表明:按理论及数值模拟确定的圆角模和锥模,3A21铝合金管均能稳定外翻或内翻制得翻转管。选用材料加工硬化严重、抗失稳能力较差因而难以轴压翻管的1Cr18Ni9Ti不锈钢圆管,研究了其翻管成形方法,开发了无模拉伸翻管新方法和装置。实验研究表明:φ40×1mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢圆管在轴压下冷态外翻非常困难;采用圆筒模拉伸翻管方法,可以冷翻出外翻管,但容易出现管壁拉断现象;应用无模拉伸翻管可以冷翻出外翻管,且成形力更低,不会出现管壁拉断,因此成形过程更可靠。