彎管模具設計分析

蔣燕剛　何紹川　楊艷芳

摘 要：管材的冷彎成型，應用范圍越來越廣泛，而相應的彎管質量也要求越來越高，為保證彎管質量，必須設計合理的彎管模具，文章論述了彎管過程中的模具設計及相應的工藝參數。

關鍵詞：彎管；模具結構；輪模；夾模；導模；防皺板

中圖分類號：TG76 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）17-0013-02

金屬管材的彎曲在現代工業(yè)領域應用十分廣泛，主要用于汽車、機械、環(huán)保、化工、民用等行業(yè)。筆者從事汽車零部件的制造行業(yè)多年，主要研究發(fā)動機上的EGR及排氣管方面的零件產品制造，多為不銹鋼焊管（如AISI 304）的彎管、成型產品。文章根據實際工作經驗，分析彎管模具設計的幾個要點。

1 模具結構及動作概述

如圖1所示，為一套彎管模具的標準結構，主要有輪模、夾模、導模、芯棒、防皺板等五部分組成，工作時其動作過程為：芯棒進芯，夾模夾緊管材隨輪模一起轉動，導模壓緊管材隨著管材的彎曲而跟隨，而防皺板固定不動，當彎管角度達到設定角度后，芯棒退出，導模、夾模松開、復位，完成整個動作，文章將圍繞這五個部件的設計進行論述。

2 模具設計

2.1 輪模

輪模是整個彎管模具設計的核心，設計時一般先從它開始。產品管材外徑D，壁厚δ，彎曲半徑R（設計三要素）確定后，在設計輪模彎曲半徑時必須考慮管材的反彈，從而確定模具的彎曲半徑R'：

目前，Rx=1為行業(yè)技術的最高水平，由于成本高、難度大，一般設計均不考慮。

輪模型腔直徑按管材外徑D設計，管材壁厚、外徑決定了管材的強度，直接影響夾模的夾持長度，輪模夾持長度與夾模配合，在后面的夾模設計將進行論述。

輪模由于頻繁受夾模的夾緊沖擊及管材的彎曲力，因此要求整體韌性好，有良好的抗沖擊能力，且型腔表面耐磨，目前一般采用調質+氮化的熱處理工藝，型腔表面硬度可達HRC55～HRC60。

2.2 夾模

夾模設計的主要尺寸為長度尺寸，它主要取決于產品兩個彎曲之間的直段長度，夾模長尺寸過小，不能夾緊管材，彎管時管材易打滑，操作外觀，彎曲部分出坑，不滿足產品要求。反之，尺寸過大，容易將前一個彎夾扁、變形，這在工藝上是不充許的。因此，長尺寸要選擇合適。通常按（2～3）D設計，如果產品直段長度<（2～3）D，可考慮使用仿形模具結構設計，增加夾持穩(wěn)定性。對于只有一個彎曲的產品可考慮在夾緊時增加支撐手柄，提高夾持穩(wěn)定性。

夾模型腔直徑按管材外徑D設計，為保證夾持穩(wěn)定、不打滑，型腔直徑一般按下差設計（與之配合夾持的輪模直段型腔尺寸設計相同），通過設備調整夾模的夾緊程度，達到最佳狀態(tài)，從而保證彎管穩(wěn)定夾持，且滿足外觀要求。

為保證夾模夾緊過程管材外表面不被夾傷，型腔的棱角必須有R角設計。夾模一般淬火處理到HRC50左右，從而提高耐磨性和使用壽命。

2.3 芯棒

芯棒的形狀是多種多樣的，主要是起支撐作用，從而控制彎曲部分管材的變形及質量，使用何種形狀的芯棒，主要取決于產品的設計及管材規(guī)格及設計結構。圖2為芯棒的常用結構形狀。

直芯棒結構簡單，加工、使用方便，主要用于管材壁厚較厚，彎曲半徑較大，彎曲變形要求不高的產品。球頭直芯棒在上料操作時更加方便，目前已基本取代了圖2（a）直芯棒的結構?；⌒沃毙景粼诩庸し矫孑^球頭直芯棒要復雜一些，但由于其弧形在彎曲過程中起到了一定的支撐作用，因此彎曲部分變形較小，在彎管質量方面有所提高。

聯接式芯棒主要是多個球形珠子聯接在一起，在管材彎曲過程中，可保持對材料的支撐作用，因此彎曲變形較小，彎管較為飽滿，質量很高。而硬聯接芯棒主要是用幾個鋼性連接片和銷將珠子連接起來，結構較為簡單，加工難度適中，使用壽命較長，目前被廣泛應用于彎管的批量生產中。軟聯接芯棒雖然加工較為簡單，但聯接結構穩(wěn)定性及強度均較差，極少使用。萬向聯接芯棒，使用效果最好，但加工難度高，使用成本也較高，目前，國內很少使用，而國外使用較為普遍。

聯接式芯棒中，珠子個數的多少，取決于管材的彎曲角度和彎曲半徑，目的是獲得理想的彎曲飽滿程度。珠子數量過多，阻力大，彎曲過程中容易斷裂，影響生產效率。珠子數量過少，彎曲變形大，飽滿程度不好，質量不滿足要求。

一般芯棒大多淬火處理到HRC50左右，來抵抗管材的彎曲磨損，從而提高使用壽命。如果硬度過高，則會降低芯棒的韌性，容易發(fā)生斷裂。

芯棒直徑尺寸很關鍵，一般它要比管材的理論內徑小0.1～0.4 mm，以保證管材的順利插入和彎管質量。其中，間隙的大小完全取決于產品設計，不同設計，不同管材，其設計間隙都是不一樣，需要在實踐中去領悟。

2.4 導模

在彎管過程中，導模主要是壓緊管材，并輔推動管材彎曲，導模運動速度理論上應和管材轉動的線速度一致，在實際調試、生產時，可通過設備調節(jié)而改變導模輔推速度，直到調試出最理想產品為止。

導模壓緊力大小目前一般由經驗確定，壓緊力過大管材減薄量明顯，甚至斷裂，壓緊力過小，易起皺。調試時通過設備調整將導模壓緊力到合適狀態(tài)。

導模長度尺寸過大，在數控彎管機尾料彎管送料時干涉或浪費管材長度，這在工藝上都是不充許的。通常，長度尺寸是由展開的弧長和經驗計算出來的。一般按彎曲弧長的展開長度再加上3倍的管材直徑。

型腔棱邊倒角設計R角過渡，解決合模夾痕，提高管件外觀質量。導模淬火處理到HRC50左右，保證型腔耐磨并提高使用壽命。

2.5 防皺板

管材壁厚和外徑的比值即t/D≤0.055時，設計彎管防皺板，使管子在輪模的切點處建立一個直線區(qū)，防止管子在彎曲變形時起皺。

防皺板一方面起著對管子的支撐、防皺作用，同時管材相對防皺板型腔滑動，因此要求防皺板耐磨、表面光滑、材料磨擦系數小。目前常用的材料是鋁青銅（QAl9-4），采用加工中心加工，配合曲面精度高及型腔表面光滑，是防皺板的加工關鍵點。

2.6 彎曲力矩

理論上講，在進行任何一套彎管模具設計時，首先應該計算產品的彎曲力矩，從而確定彎管機的能力是否滿足要求。

而實際上，管材彎曲時的彎矩、不僅取決于管材的性能、斷面形狀及尺寸、彎曲半徑等參數，同時還與彎曲方法、使用的模具結構等有很大的關系。因此，目前還不可能將諸多因素都用計算公式表示出來，在生產實踐中，目前主要還是依靠經驗做出估算。由于彎管機設備能力一定，有最大彎曲力矩、最大彎管規(guī)格的限制，只需了解設備能力，在設計模具前加以考慮，防止因設備能力不足而導致模具設計的浪費，而不需要進行彎曲力矩的詳細計算。

彎管機的彎管能力一般說明書中都有說明，在設計中必須考慮。

3 結 語

彎管模具設計的最終目標是以最低的成本、穩(wěn)定的批量生產來滿足產品要求，滿足客戶交付要求。這需要在工作中持續(xù)研究、不斷改進模具設計、逐步提高彎管工藝水平，從而制造出高質量的彎管產品。

參考文獻：

[1] 蔣怡.鈑金沖壓工藝手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1989.

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