彎管彎曲成形的缺陷及防止措施

吳海鵬 高紅靜

【摘 要】綜上所述，在管件彎制過程中，由于工藝及操作不當(dāng)?shù)仍?，可能會使彎制的管件產(chǎn)生不同類型、不同程度的缺陷，尤其當(dāng)管件彎制半徑較小且模具間的位置及力量搭配不當(dāng)時，產(chǎn)生缺陷的可能性更大。因此，應(yīng)針對不同類型的缺陷具體分析其產(chǎn)生的原因，并根據(jù)不同情況采取對應(yīng)措施，如調(diào)整好模具各件之間的位置及壓力、選擇適用的芯棒、良好的潤滑、加裝防皺模及助推裝置等，均可減輕直至消除缺陷的產(chǎn)生，從而得到較好的彎制管件。

【關(guān)鍵詞】彎管彎曲；成形缺陷；措施

引言

近年來，由于能源短缺、環(huán)境污染等問題的出現(xiàn)，需要加強(qiáng)制造業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。塑性加工工藝具有高效率、高品質(zhì)、低消耗等優(yōu)點，已成為當(dāng)今制造方法的重要趨勢。而作為塑性加工方面的重要部分，彎曲成形工藝在近些年獲得了較大的發(fā)展。管材和型材的彎曲由于比較容易實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、強(qiáng)韌化等要求，并易于獲得形狀復(fù)雜的制品，因此在石油化工、城市住宅建設(shè)、車輛和航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在彎曲管件中，管材原料不僅有常見的不銹鋼、銅合金，還有鋁、鎂、鈦等各種合金及難以加工成形的材料。形狀除圓形截面外，還有矩形截面、不規(guī)則截面等。而在彎曲型材中，型材原料有各種不同的截面，其中包括非對稱截面形狀的材料。

1、彎管彎曲成形的應(yīng)力分析

1.1、彎曲原理分析

管材在外力矩作用下彎曲時，彎曲變形區(qū)的外側(cè)材料受到切向拉伸而伸長、內(nèi)側(cè)材料受到切向壓縮而縮短。由于切向應(yīng)力和應(yīng)變s沿管材斷面的分布是連續(xù)的，故當(dāng)彎曲過程結(jié)束，由拉伸區(qū)過渡到壓縮區(qū)，在其交界處一定存在著一層纖維，該層纖維的應(yīng)變s=o，此纖維層稱為應(yīng)變中性層，它在斷面中的位置可用曲率半徑R表示.同樣也一定存在著一層纖維，該纖維層上的應(yīng)變6=o，此纖維層稱為應(yīng)力中性層，它在斷面中的位置可用曲率半徑口表示.管坯在彈性彎曲階段，應(yīng)力沿斷面呈線性分布，應(yīng)力與應(yīng)變間的關(guān)系遵守虎克定律，故應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層互相重合并通過端面形心。隨著彎曲過程的進(jìn)行，當(dāng)變形程度超過材料的屈服極限后，變形性質(zhì)由彈性變?yōu)樗苄?，故在彎曲過程中應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層不僅不相互重合，也不通過斷面形心，而是隨曲率的增大逐漸向曲率中心方向移動，并且應(yīng)力中性層的移動量大于應(yīng)變中性層的移動量。由金屬塑性成形原理可知，任一變形過程，其變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)都與變形條件有關(guān)。由金屬塑性成形原理可知，任一變形過程，其變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)都與變形條件有關(guān)。

1.2、常見彎管的缺陷

由于管材是空心薄壁結(jié)構(gòu)的斷面形狀，彎曲時易引起以下幾種缺陷：管材彎曲外側(cè)易過度變薄，甚至導(dǎo)致開裂；管材彎曲內(nèi)側(cè)易發(fā)生失穩(wěn)起皺：管材截面易產(chǎn)生崎變（近似橢圓形）。

1.3、缺陷產(chǎn)生的原因

圓弧處嚴(yán)重變扁。彎管過程中，合力使圓弧處的橫截面趨向橢圓形，對于相同規(guī)格的管子，彎曲半徑越小，合力就越大，變扁的趨向就越明顯。如果是無芯彎管，變扁更嚴(yán)重，若采用有芯彎管，當(dāng)芯棒直徑過小或磨損嚴(yán)重使芯棒和管子內(nèi)壁間的間隙過大時，圓弧外側(cè)也容易變扁即使芯棒與管壁間的間隙合理，如果安裝芯棒時的提前量過小，管壁得不到良好的支撐，也會使得回弧外側(cè)變扁。另外，如果安裝模具時不注意，彎管模和壓緊模（輪）型面出現(xiàn)錯位，彎管圓弧處也將變扁；圓弧外側(cè)減薄過大。當(dāng)彎管半徑較小時，如果彎管機(jī)不帶外側(cè)面助推裝置及尾端頂推裝置，則由于壓緊模的阻力作用將使圓弧外側(cè)的拉應(yīng)力增大，同時中性層內(nèi)移，彎制管件的圓弧外側(cè)就會減薄，壓緊力越大，阻力也越大，減薄也越嚴(yán)重，尤其當(dāng)相對彎曲半徑及相對壁厚越小時，減薄量越明顯。除了管材及彎管半徑等因素外，芯棒安裝時的提前量過大及潤滑不良等，也將使圓弧外側(cè)管壁的減薄量加大；回弧外側(cè)彎裂。彎管過程中圓弧外側(cè)出現(xiàn)裂紋或斷裂，其原因可能是多方面的。如管材熱處理不當(dāng)、晶粒度過大壓緊模（輪）壓力太大，造成彎管阻力過大；芯棒與管內(nèi)壁的間隙過小，使得芯棒與內(nèi)壁摩擦力太大；潤滑效果不好，使得機(jī)床抖動等都可能使圓弧外側(cè)彎裂；圓弧內(nèi)側(cè)起皺。常見的圓弧內(nèi)側(cè)起皺有3種情況：前切點處起皺、后切點處起皺、圓弧內(nèi)側(cè)全起皺.前切點處起皺一般由于芯棒安裝時提前量過小，前切點處管壁在彎曲過程中得不到芯棒支撐。后切點起皺一般是由于沒有安裝防皺?；蚍腊櫮５陌惭b與彎管模間的切點位置不對。全皺紋的產(chǎn)生一般是芯棒直徑過小，使得芯棒與管壁間的間隙過大易產(chǎn)生皺摺，再就是壓緊輪的壓力過小，不能使管子在彎曲過程中很好地與彎管模及防皺模結(jié)合，管內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力的作用后有失穩(wěn)起皺的空間。

2.防止產(chǎn)生缺陷的對策

對防止或減輕彎管缺陷的產(chǎn)生，彎制出符合要求的管件，就應(yīng)在彎管過程中采取相應(yīng)的對策加以解決。在產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能設(shè)計較大的彎曲半徑。對于前面提到的幾種常見缺陷，應(yīng)有針對性的采取措施。對于圓弧外側(cè)變扁嚴(yán)重的管件，在進(jìn)行無芯彎管時可將壓緊模（輪）設(shè)計成具有反變形槽的結(jié)構(gòu)形式，以減輕彎曲時的變扁程度。對于有芯彎管，應(yīng)及時檢查芯棒的磨損情況，保證芯棒與管子內(nèi)壁間的單邊間隙不大于0.5mm，同時，安裝芯棒時的提前量要適當(dāng)。

小半徑彎管時圓弧外側(cè)減薄是彎曲工藝的特性決定的，是不可避免的，但應(yīng)采取措施克服減薄量過大的情況，常見的有效方法是使用側(cè)面帶有助推裝置和尾部帶有頂推裝置的彎管機(jī)。工作時助推或頂推機(jī)構(gòu)推動管子向前，抵消管子彎制時的部分阻力，改善管子剖面上的應(yīng)力分布狀態(tài)，使中性層外移，從而達(dá)到減少圓弧外側(cè)減薄量的目的.助推和頂推速度根據(jù)彎管實際情況確定，使其和彎管速度相匹配。

對于管子圓弧外彎裂的情況，應(yīng)首先保證管材具有良好的熱處理狀態(tài)，排除管材的因素后再檢查壓緊模的壓力是否太大，并調(diào)整使其壓力適當(dāng)。檢查芯棒直徑是否過大，直徑大時要進(jìn)行修磨，并保證芯棒與管內(nèi)壁有良好的潤滑，同時采取適當(dāng)措施，避免機(jī)床抖動等.

對于圓弧內(nèi)側(cè)起皺，應(yīng)根據(jù)起皺位置采取對應(yīng)措施，若是前切點起皺，應(yīng)向前調(diào)整芯棒位置，使芯棒提前量適當(dāng)，以達(dá)到彎管時對管子的合理支撐：若是后切點起皺，應(yīng)加裝防皺塊，并使其安裝位置正確，還要調(diào)整壓緊模（輪）的壓力使壓力適當(dāng)：若圓弧內(nèi)側(cè)全起皺，除調(diào)整壓緊模（輪）使壓力適當(dāng)外，還要檢查芯棒直徑，直徑太小或磨損嚴(yán)重時應(yīng)更換芯棒.

結(jié)束語

柔性彎曲成形工藝是一種新型的三維管材和型材彎曲方法，由彎曲模具的偏移量來決定彎曲曲率的大小，柔性彎曲加工方法的優(yōu)勢在于不用更換模具和重新夾持就能夠得到不同的彎曲形狀。因此，這種成形方式致力于提升彎曲成形設(shè)備的通用性、節(jié)約制造成本和時間以及提高產(chǎn)品的成形質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張丹丹，王安平，劉作慶，符嚴(yán)平.剪刀式隔離開關(guān)的上導(dǎo)電管彎曲成形技術(shù)[J].輕合金加工技術(shù)，2018，46（11）：41-44.

[2] 樊勝寶，鮑益東，王雯，趙正大，舒陽，羅蕓.航空導(dǎo)管彎曲成形自動建模與后處理[J].航空制造技術(shù)，2018，61（16）：59-66.

[3] 陶杰，熊昊，萬柏方，魏文斌，程旋，王林濤，余耀暉，王成，郭訓(xùn)忠.三維自由彎曲成形裝備及其關(guān)鍵技術(shù)[J].精密成形工程，2018，10（04）：1-13.

[4] 魏文斌，程旋，余耀暉，王成，熊昊，王輝.基于自由彎曲技術(shù)的6061鋁合金管的彎曲成形性能研究[J].精密成形工程，2018，10（04）：28-34.

[5] 徐帥帥.大口徑厚壁管感應(yīng)加熱彎曲成形有限元模擬研究[D].西安石油大學(xué)，2018.

（作者單位：精誠工科汽車系統(tǒng)有限公司底盤研究院）