1、第二節(jié)管材彎曲一、材彎曲變形及最小彎曲半徑二、管材截面形狀畸變及其預防三、彎曲力矩的計算管材彎曲工藝是隨著汽車、摩托車、自行車、石油化工等行業(yè)的興起而開展起來的,管材彎曲常用的方法按彎曲方式可分為繞彎、推彎、壓彎和滾彎；按彎曲加熱與否可分為冷彎和熱彎；按彎曲時有無填料或芯棒又可分為有芯彎管和無芯彎管.圖619、圖620、圖6-21和圖6-22分別為繞彎、推彎、壓彎及滾彎裝置的模具示意圖圖6-19在彎管機上有芯彎管1壓塊2芯棒3夾持塊4彎曲模胎5一防皺塊6一管坯圖620型模式冷推彎管裝置圖6-21V形管件壓彎模1壓柱2導向套3管坯4彎曲型模1凸模2管坯3擺動凹模圖622三輾彎管原理1一軸2、4、

2、6輾輪3主動軸5一鋼管一、材彎曲變形及最小彎曲半徑管材彎曲時,變形區(qū)的外側材料受切向拉伸而伸長,內側材料受到切向壓縮而縮短,由于切向應力及應變"沿著管材斷面的分布是連續(xù)的,可設想為與板材彎曲相似,外側的拉伸區(qū)過渡到內側的壓縮區(qū),在其交界處存在著中性層,為簡化分析和計算,通常認為中性層與管材斷面的中央層重合,它在斷面中的位置可用曲率半徑0表示圖623.管材的彎曲變形程度,取決于相對彎曲半徑RD和相對厚度UDR為管材斷面中央層曲率半徑,D為管材外徑,t為管材壁厚的數(shù)值大小,RD和¥D值越小,表示彎曲變形程度越大即RD和t/D過小,彎曲中性層的外側管壁會產生過度變薄,甚至導致破裂

3、；最內側管壁將增厚,甚至失穩(wěn)起皺.同時,隨著變形程度的增加,斷面畸變扁化也愈加嚴重.因此,為保證管材的成形質量,必須限制變形程度在許可的范圍內.管材彎曲的允許變形程度,稱為彎曲成形極限.管材的彎曲成形極限不僅取決于材料的力學性能及彎曲方法,而且還應考慮管件的使用要求.對于一般用途的彎曲件,只要求管材彎曲變形區(qū)外側斷面上離中性層最遠的位置所產生的最大伸長應變&max不致超過材料塑性所允許的極限值作為定義成形極限的條件.即以管件彎曲變形區(qū)外側的外表層保證不裂的情況下,能彎成零件的內側的極限彎曲半徑"in,作為管件彎曲的成形極限.工所與材料力學性能、管件結構尺寸、彎曲加工方法等因素

4、有關.圖6-23管材彎曲受力及其應力應變狀況a受力狀態(tài)b應力應變狀態(tài)不同彎曲加工方式的最小彎曲半徑見表62.表62管材彎曲時的最小彎曲半徑單位：mm彎曲方法最小彎曲半徑rmin壓彎(35)D繞彎(22.5)D滾彎6D推彎(2.53)D注：D為管材外徑.鋼材和鋁管在最小彎曲半徑見表6-3表63鋼管和鋁管的最小彎曲半徑單位：mm管材外徑46810121416182022最小彎曲半徑r.1min8121620283240455056管材外徑24283032353840444850最小彎曲半徑rmin68849096105114120132144150管材截面形狀畸變及其預防Q管材彎曲時,難免產生截面

5、形狀的畸變,在中性層外側的材料受切向拉伸應力,使管壁減??；中性層內側的材料受切向壓縮應力,使管壁增厚.因位于彎曲變形區(qū)最外側和最內側的材料受切向應力最大,故其管壁厚度的變化也最大圖624o在有填充物或芯棒的彎曲中,截面根本上能保持圓形,但壁厚產生了變化,在無支撐的自由彎曲中,不管是內沿還是外側圓管截面變成了橢圓圓624a,b,且當彎曲變形程度變大即彎曲半徑減小時,內沿由于失穩(wěn)起皺；方管在有支撐的彎曲圖624c,d中,截面變成梯形.圖6-24管材彎曲后的截面形狀關于圓管截面的變化情況,在生產中常用橢圓率來衡量橢圓率(6-21)式中Dmax彎曲后管材同一橫截面的任意方向測得的最大外徑尺寸,Dmin

6、彎曲后管材同一橫截面的任意方向測得的最小外徑尺寸.圖625是橢圓率線圖,這是把橢圓率對應于無量綱曲率R"RR0為管外半徑,R為彎曲斷面中央層曲率半徑的變化表示在對數(shù)坐標上,以比值VR0.作為參變量的直線族來表示的.由圖可知,彎曲程度越大,截面橢圓率亦越大,因此,生產中常用橢圓率作為檢驗彎管質量的一項重要指標,根據管材彎曲件的使用性能不同,對其橢圓率的要求也不相同.例如用于工業(yè)管道工程中的彎管件,高壓管不超過5%;中、低壓管為8%;鋁管為9%;銅合金、鋁合金管為8%=圖625橢圓率0.5卜/0.2-0,11/f/3250.005-/1/0,0011._0.010.050J0.5RMR截

7、面形狀的畸變可能引起斷面面積的減小,增大流體流動的阻力,也會影響管件在結構中的功能效果.因此,在管件的彎曲加工中,必須采取舉措將畸變量限制在要求的范圍內.預防截面形狀畸變的有效方法是：1在彎曲變形區(qū)用芯棒支撐斷面,以預防斷面畸變.對于不同的彎曲工藝,應采用不同類型的芯棒.壓彎和繞彎時,多采用剛性芯棒,芯棒的頭部呈半球形或其他曲面形狀.彎曲時是否需要芯棒,用何種芯棒,可由圖626、圖627確定.帶鋼纜球狀圖626芯棒的結構形式管材直徑與里厚之比D/t40-A30、20-15-105-圖解A彎曲率RID4二I3.管材宜徑與壁厚之比D/r140-1130-110-100-907go一70-60一50

8、40一30圖627選用芯棒線圖彎曲比,R/D3-圖解B用于彎曲兜口或大多90的扇形體或鋼球相當于4倍彎曲比2在彎曲管坯內充填顆粒狀的介質、流體介質、彈性介質或熔點低的合金等,也可以代替芯棒,預防斷面形狀畸變的作用.這種方法應用較為容易,也比擬廣泛,多用于中小批量的生產.3在與管材接觸的模具外表,按管材的截面形狀,做成與之吻合的溝槽減小接觸面上的壓力,阻礙斷面的歪扭,是一個相當有效的預防斷面形狀畸變的舉措.4利用反變形法限制管材截面變化圖6-28,這種方法常用于在彎管機上的無芯彎管工藝,其特點是結構簡單,所以應用廣泛.采用反變形法進行無芯彎管,即是管坯在預先給定以一定量的反向變形,那么在彎曲后,

9、由于不同方向變形的相互抵消,使管坯截面根本上保持圓形,以滿足橢圓度的要求,從而保證彎管質量.圖628壓緊預變形滾輪成滑槽彎曲型胎無芯彎管示意圖1'十I反變形滑槽彎管BB彎后恢復彎曲型胎1彎曲模胎2一夾持塊3輻輪4導向輪5管坯圖6-28無芯彎管示意圖1彎曲模胎2一夾持塊3輻輪4導向輪5一管坯反變形槽斷面形狀如圖629,反變形槽尺寸與相對彎曲半徑RDR為中央層曲率半徑,D為管材外徑有關.見表64.表64反變形槽的尺寸相對彎曲半徑R/DR1R2R3H1.520.5D0.95D0.37D0.56D>23.50.5D1.0D0.4D0.545D>3.50.5D一0.5D0.5D圖62

10、9反變形槽1彎曲模胎2反變形輻輪管材厚度的變化,主要取決于管材的相對彎曲半徑RD和相對厚度HD.在生產中,彎曲外側的最小壁厚tmin和內側的最大壁厚tmax,通常可用下式作估算：tmin2RDtmax/1-tD二t|1+2RD式中t一管材原始厚度(mm)；D管材外徑(mm);R中央層彎曲半徑(mm).管材厚度變薄,降低了管件的機械強度和使用性能,因此,生產上常用壁厚減薄率作為衡量壁厚變化大小的技術指標,以滿足管件的使用性能.二t-tmin100%管壁的減薄率t式中t一管材原始厚度(mm)；tmin一管材彎曲后最小壁厚(mm).管材的使用性能不同,對壁厚減薄率也有不同的要求.如用于工業(yè)管道工程的

11、管件,對高壓管不超過10%;對中、低壓管不超過15%,且不小于設計計算壁厚.減小管材厚度變薄的舉措有：1)降低中性層外側產生拉伸變形部位拉應力的數(shù)值.例如采取電阻局部加熱的方法,降低中性層內側金屬材料的變形抗力,使變形更多地集中在受壓局部,到達降低受拉局部應力水平的目的.2)改變變形區(qū)的應力狀態(tài),增加壓應力的成分.例如改繞彎為推彎,可以大幅度地從根本上克服管壁過渡變薄的缺陷.三、彎曲力矩的計算管材彎曲力矩的計算是確定彎管機力能參數(shù)的根底.根據塑性力學理論分析,推導出管材均勻彎曲時的彎矩理論表達式如下：管材彎曲力矩：2_28-str4二Btr.33:式中,屈服應力；t一管壁厚度；r一管材彎曲半徑

12、；B一應變剛模數(shù)；P彎曲中性層曲率半徑.實際管材彎曲時的彎矩、不僅取決于管材的性能、斷面形狀及尺寸、彎曲半徑等參數(shù),同時還與彎曲方法、使用的模具結構等有很大的關系.因此,目前還不可能將諸多因素都用計算公式表示出來,在生產中只能做出估算.管材彎曲力矩可用下式估算:M=kWab3-式中D一管材外徑；"一材料抗彎強度；W抗彎斷面系數(shù)；一考慮因摩擦而使彎矩增大的系數(shù).系數(shù)N不是摩擦系數(shù),其值取決于管材的外表狀態(tài),彎曲方式,尤其是取決于是否采用芯棒、芯棒的類型及形狀,甚至有關芯棒的位置等多種因素.一般來說,采用剛性芯棒、不用潤滑時,可取?=58;假設用剛性的錢鏈式芯棒時,可取"=3.

13、第三節(jié)管材翻卷成形一、管材外翻卷成形二、管材內翻卷成形管材翻卷成形是從傳統(tǒng)的沖壓翻邊、縮口工藝開展起來的特種成形工藝,它是通過模具對管件施加軸向壓力使管材口部邊沿產生局部彎曲的變形過程.利用此項技術制造零件具有工藝簡單、工序少、本錢低、質量好等一系列優(yōu)點,甚至可以生產出用其他沖壓方法難以得到的零件.此工藝已在汽車、航空航天等工業(yè)領域得到廣泛應用.管材翻轉成形有兩種根本方式,即外翻卷和內翻卷圖630b)c)d)圖6-30管材翻卷成形示意圖a、b外翻c、d內翻1一管坯2導流環(huán)3錐模4圓角模外翻卷管坯在軸向壓力作用下,從內向外翻轉,成形后增大其周長內翻卷管坯從外向內鄱卷,成形后減小其周長利用翻卷工藝

14、除了能有效地成形多種筒類雙壁管或多層管零件外,還可以加工凸底杯形件、階梯管、異形管以及半雙管、環(huán)形雙壁汽筒、空心雙壁螺母、熱交換器、汽車消聲器、電子工業(yè)中的波導管等.目前上述零件一般采用多工步沖壓和焊接方法加工,難度大,費用高,外觀質量差.采用翻卷工藝可保證零件使用可靠性,輕量化,節(jié)省原材料.圖631翻卷工藝加工成形的制件雙層管b階梯管異形管d凸底杯目前,根據資料,很多金屬材料都可以在模具上以各種不同的翻卷方式成形,如鋁合金、銅及銅合金、低碳鋼、奧氏體不銹鋼等,從*10父1到聲*250父5規(guī)格的管坯都可以成功地翻卷成雙層管.一、管材外翻卷成形Q翻卷成形,較其他成形工藝而言,其變形過程更為復雜,

15、它包括擴口、卷曲、翻卷幾種變形過程及其相互轉換.實現(xiàn)這種成形工藝的模具有多種,其中簡單、常用的是錐形模和圓角模.1 .錐形翻管模錐形翻管模結構如圖632所示.這種模具結構簡單,在一套模具上可成形不同規(guī)格的管材,這一點是在其他管材成形模具上很難做到的.另外作為精密管材翻卷成形的預成形工序,錐形模成形也得到廣泛應用.圖6321壓頭2管坯3錐模翻管時,管坯的一端置于錐模上,另一端由壓力機滑塊施加軸向壓力,以實現(xiàn)管坯翻卷.設計這種模具時,模具的半錐角是最關鍵的參數(shù),口的大小除了決定翻管成形的可行性外還影響著翻管的D幾何尺寸,即翻管系數(shù)KK=D1,D和D1分別為管坯外徑與翻管外徑.顯然,存在一臨界半錐角

16、當模具的半錐角1a?".時,翻卷才能正常進行.%H戈爾布諾夫根據主應力法導出：二sin二0二t10二2-cos：.Dsin2：.考慮材料強化和擴口剛性端的影響,可將上式修改為：3Dn2二st"LIL3ALJ|L擴口平直端長度；L=0.17ttan工：t2tan2工34DtD管坯平均直徑；t管坯壁厚；n材料硬化指數(shù)；A材料強化系數(shù),"材料屈服強度.對于D=42mm的3A21鋁管,由上式算出,口.=55°60°.通過實驗證實,當a>60°(a=68°)時,翻管能順利進行,這時,軸向壓力為最小；當口=5560°時,

17、管坯端部卷曲而不進入翻卷階段；當1a<55°時,管端在錐模上只擴口而不卷曲.錐模翻卷時,管端容易滑動,造成翻管局部與原始管坯不同軸和翻卷發(fā)生軸向彎曲,很難得到滿足裝配要求質量的雙層翻管零件.于是在錐模根底上又開展了圓角翻管模.2 .圓角翻管模圓角翻管模是利用模具工作局部為半徑r的圓環(huán)強迫軸向受壓的管端沿其圓弧變形來得到翻管.圖633是厚度為t,平均直徑為D的管坯在半徑為r的圓角模上翻卷的示意圖,管坯在軸向載荷作用下,管端沿模具的圓弧卷曲而向上翻卷得到直徑為D1的翻卷管件.DA圖6-33圓角模翻管示意圖設計圓角翻管模最重要的參數(shù)是模具的圓角半徑r,它既決定翻管件的幾何尺寸,也影響

18、翻管力的大小對于*42"的3A21退火鋁管,由理論分析和實驗結果得知,翻管失穩(wěn)的臨界模具圓角半徑最小圓角半徑約為2mm；最正確圓角半徑約為3mm最大圓角半徑約為4mm由此說明,軸向載荷作用下的翻管的穩(wěn)定性及翻管質量取決于模具圓角半徑r,r小于某一臨界值時,管端不沿模具圓弧而卷曲；當r過大時,那么管端發(fā)生破裂而無法順利翻管.r只有在適當范圍內才能實現(xiàn)翻管成形.二、管材內翻卷成形.同管材的外翻卷成形一樣,管材內翻卷也可在錐形模和圓角模上進行圖634,與其他性成形工藝相比,容易出現(xiàn)失穩(wěn).由于內翻卷時,變形后管徑變小,管壁增厚,翻管力變大,對翻卷成形帶來困難.根據理論計算與實踐,翻管錐模的臨

19、界半錐角0?120.時,翻卷過程能順利進行,在生產中通常取值為P>1200125°.P=4mm管材翻卷工藝只有在翻卷所需載荷小于軸向失穩(wěn)極限時才能發(fā)生,由于翻卷成形載荷很大程度上取決于模具的幾何參數(shù),就圓角模而論,取決于圓角半徑r,故可確定一個翻卷成形的可行性區(qū)域圖635)oa)b)圖6-34管材內翻卷模結構示意圖錐形模b圓角模模具半徑Rp圖6-35管材外翻卷與內翻卷可行性區(qū)域由圖635可以看出,內翻卷的區(qū)域很小,而翻卷載荷比外翻卷的載荷在數(shù)值上要高,幾乎到達50%.現(xiàn)有資料說明,國內外已從理論和實踐上研究了外翻卷成形的最正確工藝參數(shù),并發(fā)現(xiàn)了完成翻卷成形所需的軸向壓應力最小的

20、管材內徑、外徑與壁厚之間的關系.管材外翻時,壁厚的變化不明顯,而內翻時,由于周向的壓應力使模具圓角處的壁厚不斷增厚直至到達一恒定值,可為原始厚度的1.5倍.所以要完成其內翻成形,就需要更大的軸向載荷.在前述的兩種翻卷傳統(tǒng)翻卷工藝中,有其缺乏之處：第二層管壁的開始卷曲局部并不平行于原來的管壁,而總是轉向雙壁管的內腔；新管壁與原來管壁間有一定距離,該距離取決于原管材的相對直徑Dt;對于內翻卷成形,第二層管壁有較大程度增厚,從而導致了翻卷時軸向壓力增大.前述工藝中出現(xiàn)的問題是成形機理所致,使其得到的管件在幾何形狀上受到限制,尤其是管材內翻卷成形工藝穩(wěn)定性差,難度大,需要進行改良,于是出現(xiàn)了管材內翻卷

21、成形的拉應力翻卷成形法.拉應力翻卷成形的特點是在管材內翻卷成形的第一階段停止翻卷,并給翻出的邊緣以反向彎曲,使其轉向內腔外側,然后通過凸模作用于內壁反彎曲邊緣上的拉力使其管坯內翻卷成形,而不是以作厚以及更高的產品精度.拉應力翻卷成形法拓寬了內翻卷成形工藝應用范圍,如生產,36.WMfVV管接頭、,滾動軸承座及其它圖6一,&用于外壁的軸向壓力而翻卷成形,使其軸向壓應力降低,這種工藝能得到更大的內壁高度,恒定的壁圖6-36內翻卷成形工藝在生產軸承座上的應用拉應力翻卷成形法可分三步進行,如圖6-37所示.第一步圖6-37a,傳統(tǒng)的內翻卷,在管端邊緣離開圓角模的四分之一時卷邊結束,這時管子邊緣與模具內壁之間的距離將形成最終產品的徑向支撐,必須等于要求的寬度.第二步圖6-37b,平底凸模下行,迫使管材邊緣翻邊與板材的孔翻邊相似,其凸模與內翻模的間隙按管材壁厚而定管材內翻卷壁厚略有增厚.第三步圖637c、d,成形凸模上升,使管材邊緣向內翻卷,從而在成形凸模推動下,生成第二層管壁.由圖可見,成形凸模作用于管邊緣的是拉應力,而不是作用于整個管子上的壓應力進行翻卷的,模具與變形材料之