钢管弯曲缺陷原因分析和实用防止措施

图 １１ 异型管弯模结构
3 结论 钢管弯曲时在力作用下会产生三种主要缺陷：外层拉裂、内层起 皱、截面畸变，若相对弯曲半径 r/D 和相对厚度 t/D 越小，缺陷就会越 严重。合适的原材料、先进的生产工艺、合理的模具结构可防止缺陷的 形成。解决问题的根本方法是限制弯头畸变空间，防止畸变发生；采用 反变形结构形成的变形量来抵消弯曲中的变形量，使弯曲前后截面形状 不变；采用压入式弯模结构，令弯曲内层从受压转为受拉，从而达到防 止内层起皱的目的。 作者简介：邓福镑，1966 年生，男，汉族，广东省江门市新会区 人，大学本科毕业，新会机电中专工程师，模具教研组组长，研究方向 为中职模具专业建设与教学。
图 ３ 圆管弯曲方管弯曲
究竟弯曲变形大到那种程度，钢管发生缺陷。用最小弯曲半径 rmin （在钢管不发生破坏的条件下，所能弯成零件内表面的最小圆角半径） 作为弯曲成形极限，其数值一般为：绕弯 rmin= （2~2.5） D、压弯 rmin=
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图 ４ 冲压弯曲
2.3.2 绕弯 绕弯是弯管最常用的方法，它适合各种直径、各种长度、各种形
图 ８ 有芯弯管模结构
191 TECHNOLOGY WIND
钢管弯曲在家具、汽车、摩托车、道路护拦和管道连接等都有重要 作用，但在弯管过程中由于工艺条件或操作不当等原因可能会使弯出的 管件产生各种各样程度不同的缺陷，而这些缺陷的产生将直接影响到产 品的安全性、可靠性以及外观质量，所以必需采取措施防止缺陷的生成。
1 弯曲缺陷原因分析 钢管在弯曲力作用下，克服金属材料的变形抗力，形成弯曲，但 在力作用下钢管会出现弯曲以外的变形，形成缺陷。下面以绕弯为例对 工件进行受力分析。如图 1 所示，在外力 F的作用下，钢管外层变形部 分任一点 A，受到切向拉力和径向压力作用；钢管内层变形部分任一点 B，受到切向压力和径向压力的作用。在力的作用下，变形部分外层会 伸长，内层会缩短，径向尺寸会收窄。应变图如图 2 所示。
（3~5） D、推弯 rmin= （2.5~3） D、滚弯 rmin=6D。若弯曲半径小于最小 弯曲半径 rmin，意味着钢管在一般条件下弯曲会发生缺陷。
2 防止缺陷发生的措施 为防止缺陷发生，应从产品设计开始。设计产品时，应尽量使弯 曲半径大于最小弯曲半径，减少弯曲变形，从而防止缺陷的发生。若产 品有特殊要求，不得不使用小半径弯头，可采用以下措施防止缺陷生 成。 2.1 选择塑性好的管材 弯制圆弧半径较小的钢管弯头，选择塑性好的管材能有效防止缺 陷发生，以选择低碳、少杂质管材和冷轧钢管管材。与笔者合作研究的 江门新会天健钢家具厂，经多次试验，生产一些半径较小的弯头，用热 轧管做材料弯曲比用冷轧管易起皱，有些弯头甚至只能用冷轧管做材 料，只是冷轧管比热轧管每吨贵几百元。 2.2 采用填料弯管 为了防止钢管弯曲发生缺陷，在管内填冲如细砂等物料，封死两 头，在弯管模上弯管，可解决起皱和截面畸变这两个问题，但使用这种 方法时要注意下列问题： 1） 填冲的物料要结实。为此，要往管理冲实填料，然后封住管口， 最好用铁片焊死管口，使填料不能流出，否则钢管弯曲会出现起皱和截 面畸变。 2） 弯管时，若采用焊逢管做材料，其焊口要在侧面，否则焊缝容 易爆裂。 这种方法可防止钢管弯曲起皱和截面畸变，但弯管需经填料、封 口，最后还要磨去焊点、除去封口铁片等过程，工序多、工作量大，只 用于小量生产。 2.3 选择合适的弯管模结构 弯管模结构是根据弯曲原理和工艺而制定的，以保证弯管质量为 宗旨，尽量做到结构简单、操作方便、操作安全和生产率高，并匹配相 应的动力设备。 2.3.1 支承弯曲 采用压力机做动力的 V 型钢管弯曲，由于弯管速度快，操作方便， 深受厂家喜爱，但其质量不容易保证。由于凸模下落速度快，钢管受到 凸模很大的冲击力，会发生折曲和凹扁现象。防止这类现象发生的方 法，要在钢管底部设置弹性支承，如图 4 所示。当凸模落下时，在支承 装置的支撑下，钢管按凸模速度向下弯曲，避免因凸模撞击而快速向下 折曲。同时，为避免钢管出现凹扁，应加大凸模与钢管接触面，选择壁 厚厚些的钢管材料；为避免曲件两头翘起过高，操作危险，选择弯曲中 心角 （弯曲件变形区圆弧所对应的圆心角） 较小、长度较小的钢管。
状的钢管弯曲，它的弯曲原理结构如图 5 所示。弯辊固定在工作台上， 钢管一头被夹紧装置夹紧，压轮在外力推动下绕弯辊中心旋转，压轮压 住压条、压条压住钢管一起绕弯辊中心旋转，实现钢管弯曲。
工程技术
图 ５ 钢管绕弯结构曲原理图
此弯管模的核心结构弯辊槽和压条如图 6 所示。弯 辊槽和压条槽的相互配合，将钢管夹在槽中，消除了钢管的畸变空间， 保证了钢管在弯曲中不会发生严重畸变，保证了弯头具备一定的质量。 但如果弯的是大口径管或薄壁管 （壁厚 t<0.8mm），还需要改进结构来 防止弯头出现截面畸变和内层起皱，改进措施如下：
钢管弯曲缺陷原因分析和实用防止措施
邓福镑
（广东省江门市新会机电中专，广东江门 529000）
[摘 要] 钢管在弯曲过程中会出现多种缺陷，文章以实例的形式，给出了多种防止钢管弯曲出现缺陷的有效措施，图文并茂地将措施内容展 示出来，并对各种措施的优缺点进行了详细的分析。 [关键词] 弯曲；缺陷；起皱；拉裂；畸变；反变形槽
图 １０ 压入式弯模结构
使用压入式弯模结构弯管可以应用到异型管的弯曲，如图 11 所 示。弯曲时，在弯辊侧凸部分作用下，将钢管内侧材料压入管腔，防止 钢管内侧起皱发生，保证了异型管弯管质量。
图 ７ 反变形槽结构
2） 采用芯棒防止截面畸变和起皱：大口径管和薄壁管弯曲容易造 成截面畸变和内层起皱，弯曲时可在管内安装芯棒，相当管内填料方式 来弯管。带芯棒钢管弯曲模结构图如图 8 所示。弯管前，调好芯棒的位 置，芯棒切点相对弯辊与弯管原始切点前移约 2mm。笔者曾多次试验， 芯棒位置过前，引起外层爆裂和内弧起皱；芯棒位置不到位，引起外层 凹陷和内弧起皱。芯棒和弯辊相对位置图如图 9 所示。弯管时，钢管一 头固定，夹紧装置收紧后与弯辊和钢管一起绕弯辊中心旋转，完成弯管。 在弯管过程中，应及时检查芯棒的磨损情况，保证芯棒与管子内壁间的 单边间隙不大于 0.5mm，否则会引起弯弧部位截面畸变和内层起皱。
图 ９ 芯棒与弯辊相对位置
3） 采用压入式结构防止起皱：薄壁管弯曲时，内层容易失稳而起 皱。若采用压入式弯模结构，则可防止内层起皱，压入式弯模结构如图 10 所示。弯管时，压块压住钢管内侧，令其向管腔伸展，改变弯管内 侧的受力状况，改受压为受拉，从而避免了起皱。用此种方法弯出来的 弯头，内侧虽有一些凹陷，但这些凹陷平滑、美观，在没有特殊要求情 况下可使用这种方法，与笔者合作研究的江门新会天健钢家具厂就经常 使用这种方法弯管。
［参考文献］
［１］杨占尧．冲压工艺编制与模具设计制造［Ｍ ］．人民邮电出版社，２０１０． ［２］周大隽．冲模结构设计要领与范例［Ｍ ］．机械工业出版社，２００６． ［３］吴长春．一种大型 Ｕ 型件弯曲模具的设计和试验［Ｊ］．模具技术，２００８． ［４］齐卫东．简明冲压模具设计手册［Ｍ ］．北京理工大学出版社，２０１０． ［５］伍超奎．Ａ ｕＴ ｏＣ Ａ Ｄ ２００７ 应用基础教程［Ｍ ］．清华大学出版社，２００８． ［６］李昌年．机床夹具设计与制造［Ｍ ］．机械工业出版社，２００７． ［７］程伟．冲压工艺与冲模设计［Ｍ ］．北京邮电大学出版社，２００７．
图 １ 受力分析
图 ２ Ａ 点应变图 Ｂ 点应变图
钢管弯曲的变形程度，取决于相对弯曲半径 r/D 和相对厚度 t/D （r 为钢管断面中心层圆弧半径，D 为钢管外径，t 为钢管材料厚度） 的数 值大小，r/D 和 t/D 值越小，表示变形程度越大，弯曲中性层 （弯曲前 后长度保持不变的那一层） 的外则伸长应变就越大，且最外层最大，钢 管外则管壁就越薄，当外层拉力大于材料的抗拉强度，外层会出现拉裂 现象；r/D 和 t/D 值越小，内侧缩短应变就越大，最内层最大，钢管内 侧管壁越厚，到一定程度失稳起皱。同时，随着变形程度的增加，宽度 方向和径向应变加剧，断面畸变也愈加严重，如图 3 所示。
图 ６ 圆管弯曲槽口方管弯曲槽口
1） 采用反变形槽防止截面畸变：按钢管畸变变大的趋向，将压条 槽口向相反方向适当收窄。弯管时，预先给予管坯一定量的变形，弯曲 后弯头回弹抵消原来的变形，使管坯截面保持原形，从而保证弯管质 量。反变形槽结构如图 7 所示，槽中参数视相对弯曲半径 r/D 而定，当 r/D=1.5~2 时 ， R1=0.5D、 R2=0.95D、 R3=0.37D、 H=0.56D； 当 r/D>2~3.5 时 ， R1=0.5D、 R2=1.0D 、 R3=0.4D、 H=0.545D； 当 r/D≥3.5，槽恢复为圆形。