管材高精度彎曲成形模具設(shè)計(jì)與工藝研究

尚保園

摘 要：管材彎曲成形是機(jī)械加工中的重要組成部分，常見的加工方式為彎管機(jī)加工，在較小口徑的管材加工中，多見于手工彎管器彎曲，但是手工彎管器精度較低且遇到特殊彎曲要求時(shí)難以滿足，本文對(duì)手工高精度彎管進(jìn)行研究，從彎曲模具、檢具、工藝方法等部分進(jìn)行分析，總結(jié)了一套管材高精度彎曲成形的工藝方法。

關(guān)鍵詞：管材;彎曲;設(shè)計(jì)工藝研究

前言

彎管的主要參數(shù)包括彎曲半徑、彎曲角度、彎管段弧長、起彎點(diǎn)。高精度多半徑彎管的工況下，常規(guī)手工彎管器難以實(shí)現(xiàn)，需要根據(jù)彎曲形狀及彎曲精度設(shè)計(jì)專用彎曲模具及檢具，并且要有合適的彎曲工藝，才可以達(dá)到彎管的精度要求。

一、檢具的設(shè)計(jì)

復(fù)雜管材彎曲成形后，由于幾何形狀的特殊性，在不借助三坐標(biāo)測量儀或投影儀等現(xiàn)代化高端檢測設(shè)備的情況下，難以對(duì)其精度進(jìn)行檢驗(yàn)，如果采用這些高端設(shè)備進(jìn)行檢測從經(jīng)濟(jì)性和檢測效率上均較差，所以在彎管模具設(shè)計(jì)之前，要針對(duì)目標(biāo)管形進(jìn)行專用檢具設(shè)計(jì)。

專用檢具的設(shè)計(jì)方法：可以在同一檢具上設(shè)計(jì)目標(biāo)管形的整體檢測結(jié)構(gòu)和不同彎曲部分的單一檢測結(jié)構(gòu)，為回彈測試做準(zhǔn)備。

專用檢具的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)

（1）可以在彎曲模具調(diào)試時(shí)，更好的量化彎管模具的調(diào)整數(shù)據(jù)及調(diào)整方向;

（2）加工成本低，相對(duì)高端檢測設(shè)備而言，有非常好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢;

（3）對(duì)操作者技能要求低，檢測效率高;

（4）可以根據(jù)目標(biāo)管形的精度要求，進(jìn)行檢測結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可進(jìn)行全管形檢測且檢測精度高;

（5）可以和彎管模具同步并行，縮短研發(fā)周期。

二、模具設(shè)計(jì)與測試

彎管模具是管材成形的核心部件，管材彎曲的難點(diǎn)在于回彈的測試，要想設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的彎管模具，必須在設(shè)計(jì)之前對(duì)管材的回彈進(jìn)行測試，首先預(yù)估管材回彈系數(shù)進(jìn)行測試模具的設(shè)計(jì)，例如取目標(biāo)管形彎曲半徑的0.9倍進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，測試用的簡易彎管模具主要由彎曲模（定輪）、一個(gè)繞其旋轉(zhuǎn)的動(dòng)輪、一個(gè)固定兩輪的固定桿組成，在測試過程中，要以勻速進(jìn)行彎曲。在回彈量測試過程中，常見的錯(cuò)誤為，直接觀察彎管弧度部分是否與檢具吻合，其實(shí)這是在測試弧長，影響弧長的前提因素有彎曲角度和彎曲半徑，所以應(yīng)該按照角度、半徑、弧長的順序進(jìn)行測試。

1.角度測試

將管材彎曲成形后放置于檢具中進(jìn)行比對(duì)測試，如發(fā)現(xiàn)角度大于檢具上標(biāo)準(zhǔn)管形的角度，那么在下一次彎曲測試中，應(yīng)該增加彎曲距離，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)角度，如發(fā)現(xiàn)角度小于標(biāo)準(zhǔn)管形角度，那么調(diào)節(jié)方式相反，在每一次彎曲過程中，應(yīng)在彎曲模具上標(biāo)記彎曲結(jié)束點(diǎn)，以利于下一次調(diào)節(jié)。

2.回彈測試即彎曲半徑測試

彎曲成形后的管子放到彎管檢具中進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)角度與檢具吻合時(shí)測量彎管與檢具管形半徑之間的最大誤差，如果彎管處于檢具標(biāo)準(zhǔn)管形外側(cè)時(shí)應(yīng)將增加彎曲模具直徑，增加的直徑尺寸應(yīng)為測得誤差的2倍，如果彎管與檢具對(duì)比彎管部分處于檢具標(biāo)準(zhǔn)管形內(nèi)側(cè)時(shí)，應(yīng)該將彎曲模具直徑向小的方向調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)量同上文。

3.弧長

同樣采用與管形檢具比對(duì)的方式進(jìn)行弧長測試，弧長與彎曲半徑和彎曲角度有關(guān)，應(yīng)該在調(diào)節(jié)兩者到標(biāo)準(zhǔn)管形時(shí)，在單一弧度彎管中弧長自然會(huì)達(dá)到目標(biāo)尺寸。在彎管與檢具比對(duì)過程中，要準(zhǔn)確分析出，造成彎管無法放進(jìn)檢具的具體原因，包括角度、起彎點(diǎn)、彎曲半徑。

三、多半徑彎管摸具設(shè)計(jì)與調(diào)試

1.彎管模具組件中心可調(diào)式設(shè)計(jì)

在管材生產(chǎn)中，很難做到管材硬度一致，那么在彎管過程中回彈也不一致。彎曲模具部件中心可調(diào)的設(shè)計(jì)可以解決不同批次管形回彈不一致的問題。

在經(jīng)過測試后，最優(yōu)的模具（定輪）尺寸已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來，在同一根彎管上如果存在兩個(gè)或者兩個(gè)以上彎管段時(shí)，需要根據(jù)管形設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的彎曲模具部件，且由于回彈的存在，兩組彎管部件之間的中心距離，要設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)式，如果彎管段之間是平行關(guān)系，那么在進(jìn)行第一次試驗(yàn)彎曲后經(jīng)過與檢具的對(duì)比，可直接根據(jù)測量出的誤差進(jìn)行彎管模具部件之間的距離調(diào)節(jié)。如果彎曲段之間為非平行關(guān)系時(shí)，無法將檢具對(duì)比中測得的誤差用于調(diào)節(jié)模具組件中心距，需要根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系結(jié)合測量結(jié)果進(jìn)行推導(dǎo)，以計(jì)算出彎曲模具部件之間的合理中心距。即找到最優(yōu)起彎點(diǎn)。

2.模具加工誤差和組裝后累積誤差的應(yīng)對(duì)方法

彎管摸具的零件在加工過程中難免存在加工誤差，當(dāng)組裝到一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差累積對(duì)彎管產(chǎn)生不良影響，例如兩組彎管模具部件的中心高度誤差會(huì)影響彎管成型后的平面度。所以在彎管摸具彎管之前應(yīng)該對(duì)彎管摸具的裝配誤差進(jìn)行調(diào)整，然后再進(jìn)行彎管。

3.特殊彎管模具

在一些特殊彎管工況下需要對(duì)彎管有配對(duì)要求，由于管材彎曲的影響因素復(fù)雜，很難做到兩個(gè)成形彎管完全一致，針對(duì)這一問題在模具設(shè)計(jì)時(shí)，可將彎曲模具設(shè)計(jì)成雙槽或多槽，將雙管或多管同時(shí)彎曲，可有效排除彎曲過程中的影響因素，實(shí)現(xiàn)雙管或多管的彎曲一致。

四、彎曲工藝

在已調(diào)試好的彎管模具進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，彎管工藝應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

1.溫度

不同溫度下，管材的回彈量會(huì)不同，在高精度彎管要求中，會(huì)體現(xiàn)的較為明顯，所以在彎曲過程中應(yīng)該盡量選擇與回彈測試時(shí)相接近的溫度進(jìn)行批量生產(chǎn)，如實(shí)際生產(chǎn)中溫度相差較大時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整摸具及摸具組件中心距離。保證批次的一致性，應(yīng)該進(jìn)行生產(chǎn)批次標(biāo)記。

2.彎曲速度

在其他彎曲條件不變的情況下彎曲速度與彎曲管形存在關(guān)系，彎曲速度過快，會(huì)造成彎曲部分半徑大于目標(biāo)半徑，且會(huì)產(chǎn)生彎曲缺陷，例如內(nèi)側(cè)褶皺、圓度變差、外側(cè)彎裂。這是由于管材在彎曲過程中，靠近模具的一側(cè)被壓縮，遠(yuǎn)離模具的一側(cè)被拉伸，較快的彎曲速度會(huì)使壓縮與拉伸的變化速率過快，造成彎曲缺陷，所以在彎曲過程中應(yīng)該使整個(gè)彎曲過程速度均勻。

3.彎曲力度

在手工彎曲過程中，由于操作人員的彎曲力度不同，會(huì)對(duì)彎管一致性產(chǎn)生影響，應(yīng)該按照操作人員來劃分彎管的批次，以保證批次的一致性。方便生產(chǎn)管理和公差控制。

4.圓度控制

管材彎曲過程中，圓度是一個(gè)重要指標(biāo)，填充物的密實(shí)程度是影響這一指標(biāo)的直接影響因素，填充物應(yīng)該選擇目數(shù)較小的材料，以減少管材內(nèi)部未能填充到的空間，在填充工藝上應(yīng)該采用壓機(jī)將填充物壓進(jìn)管材內(nèi)部，保證填充物的密實(shí)度，在管材彎曲過程中才能起到有效且均勻的支撐，降低彎曲過程中產(chǎn)生的圓度誤差。

結(jié)語

在手工高精度彎管模具設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對(duì)彎曲半徑、回彈量、弧長、角度、起彎點(diǎn)進(jìn)行分析和測試，從而設(shè)計(jì)出合格的模具。設(shè)計(jì)專用的檢具也有諸多優(yōu)點(diǎn)。在彎曲過程中，應(yīng)該注意溫度、彎曲速度、彎曲力度、填充物的密實(shí)程度等工藝因素，從而彎曲出合格的管形。