用數控彎管機冷彎鈦管

馮 泉

(南京碧盾環保科技有限公司)

用數控彎管機冷彎鈦管

馮 泉*

(南京碧盾環保科技有限公司)

簡述了數控彎管機冷加工鈦彎管的流程和關鍵點，通過實際加工證明用數控彎管機加工鈦管是可行的。

鈦加熱器 數控彎管機 彎管加工

因鈦金屬比重輕、強度高和對堿、氯化物、氯的有機物、硝酸及硫酸等介質具有優良的抗腐蝕能力，在化工設備中應用廣泛。采用鈦電極從含硫化物的硫酸溶液中電解沉積和精煉金屬，如銅、金、鎳、錳及二氧化錳等。鈦金屬抗腐蝕性優異且其氧化膜可充當良好的分離劑，這是它在電解行業中得到應用的主要原因[1]。在電解法生產二氧化錳的過程中，由于電解液具有強腐蝕性，可利用鈦耐腐蝕性制作加熱器。筆者介紹了鈦加熱器的結構、熱煨法加工鈦彎管的缺點和利用數控彎管機加工鈦彎管的工作原理、加工流程。

1 鈦加熱器

鈦加熱器主要由φ60mm×3mm的鈦無縫管制作而成(圖1)，設計壓力為0.4MPa，設計溫度為200℃。加熱器放在盛滿電解液的電解槽中，工作時向鈦管內通入高溫蒸汽對電解液進行加熱。

圖1 鈦加熱器結構簡圖

鈦加熱器的主要加工流程是：下料→彎管→組對→焊接→無損檢測→壓力試驗→酸洗→入庫。

2 鈦彎管的加工方法

2.1熱煨彎管

工業純鈦具有極高的冷加工硬化效應[2]，在冷變形過程中沒有明顯的屈服點，其屈服強度與強度極限接近，并有產生裂紋的傾向。在鈦彎管加工過程中，彎管尺寸由管徑、彎曲半徑和彎曲角度決定，當彎曲半徑與管徑的比值較小時，鈦管容易產生拉裂及拉斷等缺陷；但鈦管在加熱時，其硬度下降，塑形提高，因此采用熱煨法加工鈦彎管。

用熱煨法加工鈦彎管的流程是：在鈦管內灌滿細沙并搗實，然后把鈦管裝在簡易彎管模上，用氧槍加熱待彎曲的部位，彎制鈦管；把彎好的鈦管按每件90件切割，再和直管組對焊接。用熱煨法加工的鈦彎存在的缺點主要有：管橢圓度大(不小于4mm)、厚度減薄(最大減薄部位出現在外弧，減薄量超過1mm)；內壁受壓容易起皺；尺寸和形狀的一致性差，導致后序組對時要進行手工校正；加工效率低，彎制鈦管時完全靠操作人員的經驗和技術熟練程度；同時，由于加工過程中鈦管被加熱，若溫度控制不好，易造成材料氧化，從而降低設備的耐腐蝕性能。

2.2數控彎管

近年來，隨著數控技術的普及和高速發展，數控彎管機在彎管加工設備中逐漸嶄露頭角。數控彎管是先向機床內置計算機并輸入管子的成型數據，然后放置管坯，由機床自動控制彎曲成型[3]。數控彎管機采用CNC控制器，彎制管件時的送料空間旋轉及彎曲等動作全部由AC伺服工作元件執行。數控彎管機具有重復定位精度高、迅速快捷及加/減速平穩等特點，主要用來生產空間多彎、外形尺寸要求較高和相對彎曲半徑大的空心管件，尤其是汽車的排氣管及發動機的油管等。圖2為數控彎管機工作原理示意圖，數控彎管機主要由彎曲旋轉軸裝置、Y/B軸組合機構、調整裝置和芯棒進給裝置4部分組成，可實現運送、翻轉和彎曲的空間控制，加工具有復雜空間形狀的空心管。

圖2 數控彎管機工作原理示意圖

3 數控加工彎管

由于鈦材冷加工性能差，在國內外文獻中沒有關于用數控彎管機加工鈦管的研究。在最近的一批鈦加熱器制作中，為提高產品質量，同時也是對數控彎管機加工鈦彎管做一種嘗試，與專業的彎管加工廠家合作，采用數控彎管機冷加工鈦彎管。

這批鈦加熱器共32套，規格為φ60mm×3mm，彎曲半徑R為160mm，每套中彎曲角度為90°的有19個，彎曲角度為180°的有兩個。

鈦管選用工業純鈦，牌號為TA2，根據GB/T 3624-2010標準，管材外徑允許偏差為±0.65mm，壁厚允許偏差不超過其名義壁厚的±12.5%，管材內、外表面應潔凈，無裂紋、折疊、起皮及針孔等目視可見的缺陷[4]。

加工設備是型號為DN100mm×4000mm的數控彎管機。配套模具由彎管模、防皺模、夾緊模和芯模組成，模具的具體尺寸根據設備型號、管材規格和彎曲半徑確定。為減少表面劃傷，模具表面應光滑，表面粗糙度Ra≤1.6。

由于一套加熱器的鈦管展開長度約為35m，不可能一次加工成型，因此必須對加熱管進行拆分。拆分原則為：

a. 根據設備的加工能力，DN100mm×4000mm彎管機的最大彎管長度為4m，因此拆分后的單支管長不能超過4m；

b. 拆分后的鈦管規格種類應盡量少，以利于批量加工。

本例中一套加熱器分成14段，按英文字母A，B，C，…，N順序排列(圖3)，其中A與N、D與K、E與J、F與I、G與H管段完全相同，這樣，一套鈦管只有9種規格，長度為1 350～3 840 mm不等，拆分后的管段典型結構如圖4所示。

圖3 加熱器拆分示意圖

a. B管段

b. D、K管段

c. G、H管段

通過試模可以檢驗模具的制作精度，調整模具的配合尺寸，了解材料的彎曲加工特性,并確定加工工藝參數，因此在批量生產前試模工作非常重要。彎管角度有90°和180°兩種，如果180°能彎制成功，90°自然不會有問題，因此，在試模時筆者用6根長600mm管試彎180°彎頭。前兩支彎制時都開裂了，經分析，認為開裂的原因是鈦材冷作硬化傾向大，冷彎加工難度比普通鋼或不銹鋼加工難度大，不可能一次彎曲成型。彎180°彎頭時，由于彎曲半徑R≤3D(R=160mm，D=60mm)，因此必須采用低速分段的加工方法控制彎制速度，彎制過程中增加適當的停頓，減緩冷硬現象。

在及時調整了工藝參數后，后面4根鈦管試制時都沒有開裂。通過試模，筆者認為用數控彎管機冷彎鈦管是可行的，但由于鈦材冷加工性能差，彎管加工工藝參數與普通鋼管的加工工藝參數不同。由于鈦管冷彎回彈系數大，且不易控制，只有通過多次試模才能確定合適的回彈系數。

在試模成功并初步掌握加工參數的基礎上，筆者先試制一套盤管以進一步驗證加工參數，為大批量加工做準備。在彎90°彎管時分4次彎制，每次間隔3～5s，總彎曲角為93.5°；彎180°彎管時分12次彎制，每次間隔3～5s，總彎曲角為184.6°。一套共21個彎(19個90°，兩個180°)，一次試制成功。經檢驗，彎曲部分的平均橢圓度不小于0.5 mm，厚度減薄量不大于0.3mm，角度誤差為±1°，完全滿足后序組對焊接的要求，可以進行批量加工。

由于鈦管的材料成本較高，為提高成品率，筆者在加工180°彎管時采用將芯棒提前抽出的方法，這樣雖然局部橢圓度略有增加(不超過0.75mm)，但卻有效避免了彎裂現象。加工448根鈦彎管，只彎裂了1根，成品率為99.8%。

4 結束語

用數控彎管機冷彎鈦管產品質量高，加工效率高，能在一次加工中完成多個彎次的加工，減少了后序組對和焊接的工作量，適合大批量生產。制作的關鍵在于要根據材料的力學性能和設備的加工能力選擇合適的工藝參數(包括彎制速度、順序及回彈量的設置等)，這樣才能保證生產出合格的產品。

[1] 萊因斯C，皮特爾斯M著，陳振華譯.鈦與鈦合金[M].北京：化學工業出版社，2005：346.

[2] 張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應用[M].北京：化學工業出版社，2005：22.

[3] 盧險峰，鄒華杰.數控彎管機的應用與技術要點[J].機械工人，2005，(9)：80～81,90.

[4] GB/T 3624-2010，鈦及鈦合金無縫管[S].北京：中國標準出版社，2011.

*馮 泉，男，1976年2月生，工程師。江蘇省南京市，210061。

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