薄壁管冷弯成型

薄壁管冷弯成型中芯棒的结构分析及设计

□周遐余

摘要　通过对薄壁管有芯冷弯成型工艺的试验研究,提出一种对称式球窝芯棒结构。该芯棒不仅结构简单,易于制造,成本低廉,寿命长,而且使薄壁管(壁厚≤1.2mm)能在小弯曲半径(R/D=1.1)下良好弯曲。

关键词:薄壁管　冷弯成型　弯管芯棒

中图分类号:TG76　文献标识码:B　文章编号:1671—3133(2003)05—0053—02

The structure analyse and design of mandril in the thin2w all tube’s cool2bending

□Zhou Xiayu

Abstract　Brings forward a kind of mandril with symmetric ball2socket structure in the thin2wall tube’s cool2bending.This kind of mandril not only are of simple scientific structure,long life but also can be produced facility and ing this kind of mandril,the thin2wall(the thickness of the wall<1.2mm)tubes can be well bended at small radius size(R/D<1.1).

K ey w ords:Thin2w all tube　Cool2bending　Mandril

弯曲薄壁管材时,一般采用有芯棒的弯曲工艺。这种弯曲工艺可用于大批量的工业生产中。其中,芯棒是这种弯曲工艺装置中的重要零件,其作用是从管坯内部支承管壁,防止管材截面畸变和管壁折皱。芯棒的结构不但要满足弯管工艺的要求,而且要求便于制造,便于维修,成本低,寿命长。

一、弯曲管材时断面形状变化特点

管坯在弯矩M的作用下弯曲时,弯曲变形区的中性层外侧受切向拉应力,内侧受切向压应力。由于弯曲内、外侧管壁上切向应力在法向的合力的作用,使弯曲变形区的圆管管材断面在法向受压而产生畸变,即法向直径减小、横向直径增大,而成为近似椭圆形。变形程度越大,畸变现象越严重。

二、常见芯棒结构及其缺点

1.圆头式芯棒

如图1a所示。该芯棒虽然形状简单,制造方便,但其与管壁弯曲部分接触面积少,防畸变及防皱效果差,不宜用于薄壁管的弯曲。

2.勺式芯棒

如图1b所示。该芯棒虽然与弯曲外侧壁的支承面积大,但其对弯曲内侧壁的防畸变效果与圆头式芯棒一样差,且这种芯棒端部的形状的成型加工工艺及加工效率均不好,也不适用于薄壁管的弯曲。

3.轴销式芯棒

如图1c所示,该芯棒是一种非对称式结构,只能在一个弯曲平面内摆动,不但对芯棒的安装提出了定位的要求,且工作时,球头始终在一个方向上受到磨损,限制了其使用寿命。另外,该芯棒的加工工艺性较差,装配后连接强度不高。

4.软轴式芯棒

如图1d所示,软轴式芯棒最大的缺点是由于管径及弯曲半径的限制,很难制造出强度高的无弹性的软轴。实际上软轴式芯棒难以用于弯矩大的、小弯曲半径的弯管工艺中

。

图1　常见芯棒结构

三、对称球窝式单/双球芯棒的结构特点

采用以上所述芯棒结构型式,笔者对表1所示的不锈钢管进行了大量的弯曲试验,均未获得成功。其主要原因是:1)小弯曲半径薄壁不锈钢管弯曲过程中,断面畸变及褶皱现象十分严重,管材弯曲变形部分对芯棒的作用力很大,弯曲完成时抽芯力较大,常将软轴或销轴拉断;2)90°弯曲时,芯棒支承管材内壁的部分必须伸入到45°左右弯曲处,且接触部位磨损严重。这两项就要求芯棒中的连接件要有足够的强度,支承管材内壁的部分与管材的摩擦力要小,最好将这两部分作为易损件设计成便于更换的结构。

基于上述试验,笔者设计了如图2a所示的对称球窝式单球芯棒和如图2b所示的对称球窝式双球芯棒,这两种芯棒可适用于弯曲角度<90°的薄壁管的弯曲。

表1　薄壁不锈钢直缝焊管弯曲参数

材 质

管材外径(mm )管材壁厚(mm )管材中心层弯曲半径(mm )

耐压(MPa )弯曲角度

(°)0Cr18Ni90Cr18Ni90Cr18Ni90Cr18Ni90Cr18Ni90Cr18Ni9

162225.4354250.8

0.80.81.01.21.21.2

182528394756

101010101010

909090909090

a )对称球窝式单球芯棒

b )对称球窝式双球芯棒

图2　对称球窝式芯棒

由结构图2可以看出,这种芯棒的优点如下:1)所有零件加工工艺性良好,均可在车床上快速加工成形;

2)装配工艺简单。零件间的联接、定位、配合简单可靠;3)所有零件均具有互换性;4)中间轴联接强度大,抽芯时不易拉断;5)整个芯棒安装后,定位准确,无须过多调试即可批量生产。可根据不同的弯曲角度进行设计;6)球窝式结构,具有对称性,受力均匀,端部圆球面360度均可承压磨损,提高了芯棒寿命。

四、对称球窝式芯棒的设计要点

对于90°的薄壁管弯曲,芯棒端部圆球面承压部位要伸入到40°～45°处,否则45°～90°处管材断面的椭圆度较大。对于大管径(外径<>40mm )的薄壁管,如果采用单球式芯棒,此时端部圆球面上承压点距芯棒棒体端部(也承压)的距离较大,将导致弯曲过程中0°～45°处管材外壁塌陷、内壁褶皱以及端部圆球的受

力大增,不但使端部圆球表面的磨损加快,同时易使连接轴被拉断。通过对表1所示管材的大量弯曲试验,笔者发现,对于小弯曲的薄壁管弯曲,弯管内的芯棒的两个承压点的间距不得大于30°,否则两个承压点之间就会出现严重的外壁塌陷、内壁褶皱的现象。对于

90°的薄壁弯管,最好采用双球式芯棒,在0°～45°间增加一个承压点。在设计过程中还要保证支撑球的两个承压点的连线要指向回转中心,这一点不但能提高芯棒的寿命,而且使得弯管的外形规整。

五、试验结果

对于上述对称球窝式弯管芯棒,笔者选用常用结

构钢材40Cr 制造,热处理连接轴HRC 45～50,支承圆球表面HRC 50～55,对表1所述弯管进行批量生产,其零件最低平均寿命为14800次;若在支承圆球表面进行镀硬铬并打磨抛光处理,减小弯管时管壁对支承圆球面的摩擦力,芯棒零件最低平均寿命为21300次;在普通液压半自动弯管机上的生产率为3～5件/min ;所有弯曲管材的断面椭圆率<5%,壁厚变薄率<9%,弯曲管材耐压>15MPa 。以上结果表明,该对称球窝式芯棒完全适用于薄壁管材小弯曲半径的批量生产中。

参　考　文　献

1　王同海.管材塑性加工技术.北京:机械工业出版社,1998

作者简介:哈尔滨工业大学(威海)机械工程系讲师,从事机械产品

开发及模具设计。

作者通讯地址:山东省威海市文化西路2号(264209)收稿日期:20030106

・书讯・

《机械加工工艺技术》

(定价12.60元)一书详细论述了机械加工中的试切法转为调整法的加工条件,并提出了10种工艺措施,即:工序分散、工序平行集中、定值刀加工、提高示值精度、分组加工、转移矛盾(提高工装精度和改进工艺方法)、就地加工、刀尖轨迹自动控制、针锋相对、建立约束机制及配制配合。这10种工艺措施既可单独使用,又可联合使用,效果更佳。本书以大量的加工实例,运用工艺理论和工艺方法进行分析。提出问题的关键和有效的工艺措施,以使加工的零件达到优质、高产和低耗的目的。

欲购者,请将书款(已含邮费)由邮局汇至:北京市右

安门内大街10号(邮编100054)《现代制造工程》(原《机械工艺师》

)杂志社发行组收。电话:(010)83167135　63520163　63012618