基于德系2D數(shù)控彎管機(jī)的彎管新工藝

王永強(qiáng)

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226100)

0 引言

管材成形技術(shù)能夠滿足塑性成形產(chǎn)品輕量化、強(qiáng)韌化等要求，廣泛應(yīng)用于航天、船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的彎管機(jī)為單模式彎管機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作，但需要頻繁更換模具和相關(guān)工具。德系多模式彎管機(jī)集成各種不同規(guī)格的彎模，可以在不拆模具的情況下進(jìn)行4～5種規(guī)格的彎管，效率較高。傳統(tǒng)彎管機(jī)使用半自動(dòng)化數(shù)控軟件，沒(méi)有對(duì)外數(shù)據(jù)接口，單純使用人工數(shù)據(jù)輸入；德系多模式彎管機(jī)的數(shù)控軟件數(shù)據(jù)接口兼容性好，可以使用PLC或其他數(shù)字中控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，已成為數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)重要的部分。

彎管的彎曲半徑越小，彎曲應(yīng)力越大，容易產(chǎn)生較大的橢圓度和減薄率。傳統(tǒng)的彎管機(jī)模具采用2.5D或3D的彎曲半徑，而使用2D的彎曲半徑對(duì)彎管的工藝要求更高，不同的工藝參數(shù)輸入均會(huì)導(dǎo)致彎管的質(zhì)量發(fā)生變化。

彎管機(jī)工藝參數(shù)設(shè)置主要包括機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)、工具參數(shù)和材料參數(shù)等。機(jī)器的運(yùn)行設(shè)置參數(shù)主要包括模具的運(yùn)行參數(shù)和芯棒的頂伸長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)參數(shù)包括全自動(dòng)彎管設(shè)計(jì)參數(shù)和先焊后彎的管路設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。工具參數(shù)包括芯棒參數(shù)、夾具參數(shù)等。材料參數(shù)包括管材和法蘭的制作公差參數(shù)。本文以德系2D數(shù)控彎管機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究不同參數(shù)對(duì)成品彎管質(zhì)量的影響，形成一套完整的彎管機(jī)工藝，對(duì)實(shí)現(xiàn)先焊后彎工藝、保證成品彎管的質(zhì)量起到重要作用。

1 機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)

1.1 模具的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定

德系彎管機(jī)(見(jiàn)圖1)進(jìn)行正式彎管之前，需要對(duì)各模具的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。模具參數(shù)是機(jī)器運(yùn)行的基礎(chǔ)，主要包括模具運(yùn)送軌跡半徑、夾具送進(jìn)安全值等。

圖1 德系SR CNC200彎管機(jī)

模具軌跡半徑是開(kāi)模時(shí)管件在各層模具間切換的距離，彎管前管材根據(jù)各層的軌跡半徑值呈樓梯形軌跡行進(jìn)。參數(shù)值過(guò)小，彎管行進(jìn)時(shí)會(huì)和彎模側(cè)邊干涉；參數(shù)值過(guò)大，會(huì)增大送管的行程，浪費(fèi)電力。

彎管機(jī)的夾具送進(jìn)安全值分為以下2種：

(1)模具內(nèi)的夾頭送進(jìn)安全值，即模具打開(kāi)送管時(shí)夾頭送進(jìn)位置的絕對(duì)值，夾頭送管到此位置后將自動(dòng)退出彎模區(qū)。此參數(shù)決定了彎管的最短下料長(zhǎng)度。當(dāng)下料長(zhǎng)度小于此值時(shí)，彎管將無(wú)法制作，需要延長(zhǎng)下料長(zhǎng)度，并在彎管后進(jìn)行切割處理。

(2)模具外的夾頭送進(jìn)安全值，即當(dāng)夾頭不進(jìn)入彎模區(qū)時(shí)，夾頭送進(jìn)的最短距離。自動(dòng)彎管結(jié)束后，夾頭將會(huì)自動(dòng)回位到最短距離，再將成品彎管卸下。此距離決定先焊后彎管段的最短下料長(zhǎng)度，夾頭夾持法蘭送進(jìn)時(shí)不會(huì)超過(guò)此位置。

1.2 芯棒頂伸長(zhǎng)度的設(shè)定

彎管機(jī)模具采用2D彎曲半徑時(shí)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力會(huì)增大橢圓度和減薄率。根據(jù)規(guī)范和建造標(biāo)準(zhǔn)，成品彎管的減薄率和橢圓度要控制在工藝范圍之內(nèi)：橢圓度不能超過(guò)8%，減薄率不能超過(guò)25%；Ⅲ級(jí)管允許有均勻的褶皺，但是褶皺高度不能超過(guò)外徑的2%；I、II級(jí)管不允許有褶皺存在。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，需要芯棒頂伸到不同位置來(lái)控制彎管的工藝質(zhì)量。實(shí)際彎管時(shí)，頂伸值若太小，容易產(chǎn)生褶皺和較大橢圓度；若太大則會(huì)產(chǎn)生較大的回彈角和延伸量，尺寸精度較難控制。因此，實(shí)際測(cè)試時(shí)，需要通過(guò)不斷的試驗(yàn)，選擇合適的芯棒頂伸值來(lái)控制彎管的工藝質(zhì)量。

2 彎管設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)定

機(jī)器參數(shù)調(diào)試完畢后，根據(jù)機(jī)器參數(shù)制定準(zhǔn)確的彎管設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提高彎管機(jī)的使用效率。

2.1 全自動(dòng)彎管設(shè)計(jì)參數(shù)

多模式彎管機(jī)的全自動(dòng)動(dòng)作包括以下步驟：

(1)彎管機(jī)接受中控系統(tǒng)指令，產(chǎn)生彎管程序文件。

(2)彎管機(jī)裝管完畢后執(zhí)行自動(dòng)彎管程序。

(3)彎管機(jī)開(kāi)模，夾頭自動(dòng)行進(jìn)到模具外安全值，并自動(dòng)行進(jìn)到最低層位置。

如需彎管機(jī)完成上述完全自動(dòng)的步驟，管段的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度需滿足一定的條件，其中最重要的一個(gè)因素就是需保證彎管進(jìn)行最后一個(gè)彎時(shí)，夾頭的送進(jìn)位置不能進(jìn)入彎模區(qū)，否則，彎制最后一個(gè)彎管時(shí)夾頭和管材將會(huì)自動(dòng)分離。夾頭不能自動(dòng)完成步驟3，需要人工使用工具從高處將彎管拆卸。

根據(jù)彎管機(jī)的行程得出全自動(dòng)彎管的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)參數(shù)包括前夾長(zhǎng)、中間夾長(zhǎng)和后夾長(zhǎng)，滿足此參數(shù)后可以完全實(shí)現(xiàn)彎管機(jī)自動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)彎管、自動(dòng)卸管的動(dòng)作。

2.2 先焊后彎管路設(shè)計(jì)參數(shù)

先焊后彎是一種新型的自動(dòng)焊接和彎管工藝，采用自動(dòng)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行法蘭、套管附件的焊接，再利用彎管機(jī)對(duì)帶附件管材進(jìn)行彎管。

新型彎管機(jī)彎管的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度需考慮夾具和夾頭的影響。使用彎管機(jī)進(jìn)行先焊后彎需同時(shí)滿足以下2個(gè)條件：

(1)前夾設(shè)計(jì)長(zhǎng)度需考慮到法蘭和下一級(jí)彎模的干涉，法蘭到起彎點(diǎn)的長(zhǎng)度需超過(guò)下一級(jí)彎模。

(2)后夾在進(jìn)行最后一個(gè)彎送進(jìn)時(shí)不能進(jìn)入模具區(qū)域，彎管弧長(zhǎng)加后夾直管段的長(zhǎng)度超過(guò)模具后夾長(zhǎng)度即可。

3 彎管機(jī)工具參數(shù)的設(shè)定

為了控制成品彎管、先焊后彎彎管的工藝質(zhì)量，需要對(duì)工具進(jìn)行合適的選型，以滿足不同的管材標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1 芯棒參數(shù)

采用2D彎管時(shí)，芯棒對(duì)于控制成品彎管的工藝質(zhì)量，如褶皺、橢圓度和減薄率起到重要作用。芯棒連接在芯桿上，使用前后2臺(tái)同步電機(jī)左右移動(dòng)，軸向采用液壓缸頂伸，芯棒和管材間隙配合。不同的間隙對(duì)工藝質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響：若間隙過(guò)小，芯棒外徑的上偏差大于管材內(nèi)徑的下偏差，芯棒不能伸入管孔；若間隙過(guò)大，芯棒對(duì)彎管的支撐加強(qiáng)作用將減小，使得工藝質(zhì)量難以控制。

對(duì)國(guó)標(biāo)和美標(biāo)材料進(jìn)行大量彎管試驗(yàn)后的試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)芯棒外徑≤0.114 m時(shí)，芯棒間隙應(yīng)控制在1 mm內(nèi)；當(dāng)芯棒外徑>0.114 m時(shí)，芯棒間隙應(yīng)控制在2 mm內(nèi)。

3.2 法蘭夾具

先焊后彎工藝需要彎管機(jī)更換規(guī)格繁多的夾具進(jìn)行夾持，降低了彎管機(jī)的夾持效率。本工藝設(shè)計(jì)出一套組合夾具，見(jiàn)圖2，每套組合夾具可對(duì)4～5種法蘭進(jìn)行夾持。

圖2 彎管機(jī)組合法蘭夾具

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和選型，設(shè)計(jì)出6套夾具對(duì)彎管機(jī)范圍內(nèi)符合國(guó)標(biāo)和美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的近40種法蘭進(jìn)行夾持，極大提高了先焊后彎的效率。

3.3 法蘭夾具夾緊工藝

根據(jù)彎管夾頭的形狀將法蘭夾具設(shè)計(jì)為四半式，裝入法蘭后閉合夾頭進(jìn)行夾持。夾持試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大尺寸的長(zhǎng)重管段很難夾住，將夾頭液壓缸夾持壓力調(diào)整到140 MPa最大值后，長(zhǎng)重管段仍會(huì)發(fā)生不能夾緊、下垂的現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)法蘭的外徑處于負(fù)公差時(shí)，夾具閉合后夾頭和夾具的外徑存在間隙，因此導(dǎo)致不能夾緊法蘭。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果制作2.5、3.0、3.5 mm厚的活動(dòng)墊片安裝在夾頭和夾具之間，以應(yīng)對(duì)不同的法蘭外徑負(fù)公差。試驗(yàn)結(jié)果表明：2.5 mm厚的墊片可以滿足大多數(shù)法蘭的夾緊要求，少部分負(fù)公差較大的法蘭可使用3.0、3.5 mm厚墊片。

4 彎管材料參數(shù)的設(shè)定

4.1 管材的制作公差參數(shù)

制作公差主要包括管材的外徑公差和壁厚公差，控制管材的制作公差能有效控制成品彎管的制作精度和工藝質(zhì)量。管材的公差越高，制作成本也越高。為了既可控制管材制作成本，又能控制管材制作精度，選定管材的制作公差參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，該公差參數(shù)能將精度和質(zhì)量控制在工藝范圍之內(nèi)。

表1 管材制作公差參數(shù)表

4.2 管材的彎曲延伸參數(shù)

不同標(biāo)準(zhǔn)的管材對(duì)應(yīng)不同的彎曲延伸參數(shù)。延伸參數(shù)是控制成品彎管制作精度的關(guān)鍵參數(shù)，包括彎管的回彈角度、延伸量和延伸尺寸等。量取彎管回彈角′后，使用下列公式估算延伸參數(shù)：

式中：為彎管延伸量；為彎管理論弧長(zhǎng)；′為回彈后的彎管弧長(zhǎng)；為延伸量理論和實(shí)測(cè)差值；為彎管的延伸率；為彎管半徑。

將計(jì)算后的延伸參數(shù)輸入彎管機(jī)補(bǔ)償軟件后，進(jìn)行二次樣管制作，進(jìn)一步驗(yàn)算延伸參數(shù)的準(zhǔn)確性。

經(jīng)過(guò)試彎得出各管材所有規(guī)格的延伸參數(shù)后，將延伸參數(shù)輸入彎管機(jī)補(bǔ)償軟件，補(bǔ)償后的彎管尺寸精度均達(dá)到了彎管工藝質(zhì)量要求，即每邊的封閉尺寸誤差控制在±3 mm內(nèi)。

5 結(jié)論

在使用德系數(shù)控彎管機(jī)裝配智能線的過(guò)程中，對(duì)彎管工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，通過(guò)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

(1)合理選擇彎管設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，可以控制所有彎管的工藝質(zhì)量，同時(shí)保證設(shè)備安全運(yùn)行。

(2)根據(jù)彎管設(shè)備開(kāi)發(fā)的6套夾具，可以對(duì)彎管機(jī)范圍內(nèi)符合國(guó)標(biāo)和美標(biāo)要求的近40種法蘭進(jìn)行夾持，極大地提高了先焊后彎的效率。

(3)通過(guò)彎管工藝參數(shù)優(yōu)化并控制管材的精度和延伸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了先焊后彎和全自動(dòng)彎管工藝，成品彎管的精度、質(zhì)量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。