一種預(yù)彎?rùn)C(jī)模具的研究與應(yīng)用*

王亞利，石旭珺

(天水鍛壓機(jī)床(集團(tuán))有限公司 技術(shù)中心，甘肅 天水 741020)

一種預(yù)彎?rùn)C(jī)模具的研究與應(yīng)用*

王亞利，石旭珺

(天水鍛壓機(jī)床(集團(tuán))有限公司 技術(shù)中心，甘肅 天水 741020)

預(yù)彎?rùn)C(jī)是大直縫埋弧焊管生產(chǎn)線上不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備之一，該設(shè)備壓制成形的鋼板板邊曲率半徑需與成品鋼管一致。為滿足產(chǎn)品的使用要求，模具采用了漸開(kāi)線曲線，根據(jù)管徑要求選取基圓半徑，得到相應(yīng)的漸開(kāi)線曲線的特征值，確定了預(yù)彎后的彈變數(shù)值，并就生產(chǎn)實(shí)際舉例說(shuō)明。

預(yù)彎?rùn)C(jī)模具；漸開(kāi)線；厚壁鋼管；回彈

0 引 言

隨著石油、天然氣等能源的深度開(kāi)發(fā)利用，直縫埋弧焊管在油氣輸送線的需求量將會(huì)越來(lái)越大。我國(guó)目前大直縫焊管的生產(chǎn)方式主要有UOE及JCOE兩種，在壓制過(guò)程中板邊存在一段直邊，焊接成形后在兩直邊焊接區(qū)域會(huì)形成兩個(gè)直線段，并且無(wú)法矯圓，這是不符合油氣輸送管標(biāo)準(zhǔn)的。為了消除上述現(xiàn)象，在壓制成型前增加預(yù)彎工序，即將鋼板板邊按成形機(jī)鋼管管徑曲率半徑要求，對(duì)鋼板板邊預(yù)先壓制，將鋼板板邊壓制為成形后鋼管的曲率，從而保證成形后鋼管的曲率半徑一致，達(dá)到輸送石油管道對(duì)鋼管圓度的要求，因此板邊預(yù)彎是直縫鋼管生產(chǎn)的重要工序，是制管生產(chǎn)線上不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備之一。

1 預(yù)彎?rùn)C(jī)工作原理

預(yù)彎?rùn)C(jī)主要由底座、兩C型機(jī)架、油缸單元、模具及輔機(jī)等組成。該機(jī)結(jié)構(gòu)是在一個(gè)底座上相對(duì)布置了兩臺(tái)C型機(jī)架，由底座上安裝的雙伸軸減速機(jī)帶動(dòng)左、右絲杠旋轉(zhuǎn)，使兩臺(tái)機(jī)架作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使它們之間的距離可以相互調(diào)整，達(dá)到對(duì)不同寬度的鋼板進(jìn)行彎曲的要求。鋼板被逐段分步送入該機(jī)的上、下模具之間，壓制板邊的上模固定在機(jī)架上，由兩臺(tái)下動(dòng)式油缸同步驅(qū)動(dòng)下模向上運(yùn)動(dòng)，上下模具接合同時(shí)壓制一張鋼板兩邊，就得到彎曲曲率半徑與成品鋼管半徑非常接近的彎邊。如圖1所示。

圖1 主機(jī)示意圖

2 輪廓曲線的確定

預(yù)彎壓制需要達(dá)到鋼板板邊的曲率半徑與成品管管徑一致，在壓制時(shí)隨著靠近中心，因?yàn)榘暹呉詢?nèi)的部分需要參與二次壓制成形，在此工序不參與變形，其曲率半徑需逐漸增大，直至趨于平直。若選擇圓弧模，也應(yīng)該是不同圓弧半徑過(guò)渡相接的一組圓弧。而漸開(kāi)線剛好滿足曲率半徑由小增大的要求，因此采用漸開(kāi)線模具曲線是一種理想的輪廓曲線。

3 應(yīng)用舉例

采用設(shè)備公稱力為2 000 t，液壓系統(tǒng)公稱壓力為25 MPa的預(yù)彎?rùn)C(jī)，需要生產(chǎn)的鋼管規(guī)格為：Da=1 219.2 mm，壁厚S=34 mm，材質(zhì)X70，材料的屈服強(qiáng)度σ0.2=420 MPa，擴(kuò)徑率η=1.10%。

(1) 上、下模具采用漸開(kāi)線輪廓曲線，根據(jù)鋼管管徑、鋼板屈服強(qiáng)度選擇基圓半徑為520，漸開(kāi)線起點(diǎn)角度為45°，漸開(kāi)線終點(diǎn)角度為90°，曲線寬度為441.1，曲線高度為160.3。產(chǎn)品具體尺寸設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 上、下模具壓制示意圖

(2) 為查詢方便，表1中列出了曲線的輪廓參數(shù)表，表內(nèi)給出了該曲線的特征值，在某一點(diǎn)的法線對(duì)垂線的夾角a上的(X、Y)坐標(biāo)、曲率半徑R、曲線弧長(zhǎng)B。

表1 曲線的輪廓參數(shù)表 /mm

表1(續(xù)) 曲線的輪廓參數(shù)表

(3) 壓制后的板邊發(fā)生回彈，φ1 219.2厚壁管徑的模具在板材的屈服強(qiáng)度Qs(N/mm2)下考慮回彈時(shí)，鋼板的折彎半徑R′及卷彎角ɑ′，如表2所列。

表2 回彈后鋼板的折彎半徑R′及卷彎角ɑ′

(4) 在2 000 t預(yù)彎?rùn)C(jī)設(shè)備的具體操作如下：

① 鋼板寬度

C=(Da-S)×π×(1-η)

=(1219.2-34)×π×(1-0.011)

=3 682.46(mm)

式中：D為鋼管的外圓直徑(mm)；S為板厚(mm)；η為擴(kuò)徑系數(shù)(η=1.0%～1.12%)。

② 對(duì)中輥內(nèi)間距

E=C+2=3 682.46+2=3 684.46 (mm)

③ 鋼板單邊的彎邊寬度(見(jiàn)圖3)

B1=B+ΔLN+S+H

其中B1值由以下方法求得：查表1，當(dāng)生產(chǎn)鋼管的直徑Da=1 219.2 mm，壁厚S=34 mm，材質(zhì)X70，材料的屈服強(qiáng)度σ0.2=420 MPa時(shí)，考慮彈性恢復(fù)鋼板板邊的折彎的曲率半徑R=522.5 mm、彎邊角度a=32.25°。

查表2，上模曲線上點(diǎn)的曲率半徑R接近522.5 mm點(diǎn)特征值為：X=360.00，Y=96.12，R=524.03，B=377.47，а=32.26°，模具漸開(kāi)線起點(diǎn)的半徑RA=816.81，漸開(kāi)線基圓半徑r=520，假設(shè)H=2.93，則：。

圖3 模具預(yù)彎示意圖1.上模 2.下模 3.板料

④ 機(jī)架開(kāi)口

A=C-2×B1=3 682.46-2×423.97=2 834.52(mm)

⑤ 壓制力F是由鋼板的厚度，材料的屈服強(qiáng)度、彎邊角度以及在壓機(jī)中和鋼板邊部的摩擦損失等因素決定的。卷邊角度(正)和摩擦損耗(負(fù))對(duì)壓制力

的影響十分輕微，因?yàn)樗鼈兓蚨嗷蛏俦舜嘶ハ嗟窒?，并且由于這些因素很難確定，測(cè)定的數(shù)值也相當(dāng)?shù)牟痪_(摩擦值)，在以下的運(yùn)算中忽略不計(jì)。壓制力的計(jì)算方法近似如下(該公式適用于當(dāng)剩余的直邊長(zhǎng)度為壁厚一倍的條件下)：

=7.4375(MN)

式中：F為壓制力(MN)；B為卷彎寬度(模具的有效長(zhǎng)度) (Bmax=250 cm)；S為板厚(cm)；σ0.2為σs材料的曲服強(qiáng)度(N/mm2)；Z為允許的公差范圍；104為尺寸補(bǔ)償；6為阻力矩系數(shù)。

⑥ 液壓系統(tǒng)壓力

=96.6(Bar)=9.7(MPa)[1]

式中：A為油缸的作用面積 (cm2，常量7 698.47)；10為單位換算系數(shù)。

⑦ 彎邊高度

Y=Y×0.7=96.14×0.7=67.284(mm)

機(jī)器按計(jì)算或查表進(jìn)行調(diào)整后先進(jìn)行預(yù)壓，折出一次后進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果再對(duì)機(jī)器進(jìn)行微調(diào)，待壓出的板邊合乎要求后再進(jìn)入連續(xù)工作。合格的壓制段應(yīng)是鋼板板邊的曲率半徑與鋼管的內(nèi)圓半徑相等，靠里的部分按漸開(kāi)線規(guī)律逐漸變化為平直。

該厚壁鋼管的預(yù)彎?rùn)C(jī)的模具在計(jì)算鋼板寬度、對(duì)中輥內(nèi)間距、壓制力、彎邊高度等方法參照國(guó)外的計(jì)算公式并與生產(chǎn)實(shí)際吻合，設(shè)計(jì)的模具在壓力允許的范圍內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

4 總 結(jié)

通過(guò)對(duì)厚壁鋼管成形時(shí)預(yù)彎?rùn)C(jī)漸開(kāi)線模具曲線的研究與應(yīng)用，證明該理論符合產(chǎn)品要求。依此類推，對(duì)于各種不同管徑、不同壁厚的鋼管可選用基圓半徑不同的漸開(kāi)線曲線，解決了一直困擾在模具曲線設(shè)計(jì)方面的參數(shù)的選定、彈變數(shù)值的確定等難題，建立了一套較完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)起到了積極的作用。

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第四版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

Research and Application of a Kind of Mould of Pre-bending Machine

WANG Ya-li, SHI Xu-jun

(TechnicalCenter,TianshuiMetalFormingMachineTool(group)Co.,Ltd,TianshuiGansu741020,China)

Pre-bending machine is one of the indispensable key appratus on the production line of large diameter longitudinal seam submerged arc welding pipe, the curvature radius of the plate end formed by the appratus should be in accordance with the finished product. In order to meet the product′s using requirments, the mould adopts involute curve, and selects base circle according to the diameter of the pipe, so the eigenvalue of the corresponding involute curve is got, the springback value after pre-bending is confirmed, and exemples are illustrated with production practice.

mould of the pre-bending; involute；thick wall pipe；springback

2014-03-12

王亞利 (1978-)，女，陜西岐山人，工程師，主要從事鍛壓設(shè)備和制管設(shè)備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。

TG76

A

1007-4414(2014)02-0084-03