波紋管機械脹形模具的原理及結構特點

唐順強

（大連三維膨脹節有限公司，遼寧 大連 116113）

波紋管機械脹形模具的原理及結構特點

唐順強

（大連三維膨脹節有限公司，遼寧 大連 116113）

隨著各工業領域對波紋膨脹節需求的不斷增多，需要不斷探索更高效的波紋膨脹節生產制造方法。文章結合生產實踐，對比其他波紋管成型方式，分析機械脹形在波紋管制造方面的優點。介紹波紋管的制作方法和脹形過程中力的計算，并闡述了機械脹形模具在脹形過程中的原理和技術結構的特點。

波紋管膨脹節；機械脹形；模具；制造

隨著熱工管道技術的進步，對熱工管道的補償元件——補償器要求也越加嚴格和多樣化。常見的補償器有套筒補償器、球型補償器和波紋補償器，原始的π型脹力彎在新建工程上已經很少見。這幾種補償器類型中，波紋補償器以其自身諸多的優勢，占據了很大部分的市場份額。波紋管作為波紋補償器的核心元件，其質量和使用壽命，決定了補償器使用的安全性和穩定性。波紋管的制作有很多方法，目前常用的成形方法有：液壓成形、機械成形、焊接成形、橡膠成形、和電化學成形等。而機械成形又包括旋壓成形、滾壓成形和機械脹形等工藝方法。文章主要介紹其中一種成型方式——機械脹形的原理及結構特點。

1 概況

機械脹形具有成形速度快、適應性強、產品多樣化、工藝簡單、模具制作容易和生產效率高等優點，同時也存在產品外觀粗糙等缺點。機械脹形是利用模瓣在壓錐的作用下，水平向外在波紋管桶坯脹出波形，主要適用于直徑Φ80～Φ2000mm的波紋管。因模具自身結構尺寸的限制，小口徑波紋管的成型較為困難；大口徑波紋管，因需求量小，模具加工制作成本較高，一般不選用機械脹形方式，而是利用滾壓成型等方式。

2 原理

2.1 成形過程介紹

機械脹形模具由壓錐、模瓣、內支撐桶、支撐板、復位彈簧和底座支撐桶等結構裝配而成（見圖1）。自然狀態下，模具在復位彈簧的支撐作用下，壓錐處于頂升狀態，模瓣復位收縮。成型時，作用在壓錐上平面垂直向下的力F，通過壓錐和模瓣相配合的斜面形成水平分力（見圖2），作用在波紋管桶坯上，使管坯沿模瓣外部形狀形成凸起，進而形成波紋。波紋的波高嚴格按照設計計算時所需要的波高進行加工，經測量確定達到所需波高后，通過限位裝置來控制壓錐向下運行的高度從而完成所有波紋的成型，并確保各波紋波高均勻一致。波紋成型達到預定波高后，卸載外部作用力，壓錐在模具內部復位彈簧的頂升作用下恢復到自然狀態，模瓣隨即也恢復到自然狀態。桶坯移動，定位下一波紋成型位置后繼續成型，進而形成一個具有連續波紋的波紋管。

2.2 成形力的計算

波紋管成形力的確定，是把成形波簡化成直徑d、高度H的桶形件。在總力F的作用下，每個模瓣的力為F/n。模瓣對壓錐的反作用力為Q，單位成形力為p，每個模瓣對管坯的脹形力為1/2（QHda）。此外還考慮模瓣平移的摩擦力μ（F/n）和斜角摩擦力（μQ）的影響。則可列出每塊模瓣力的平衡式：

在垂直方向上：

在水平方向上：

圖1 機械脹形模具示意圖

圖2 記性脹形模具各階段運行狀態示意圖

聯立以上方程，并以p=2hσb/d，α=2π/R代入，可得出機械脹形所需的力。

脹形波高受材料極限延伸率的限制，通常用表示脹形變形程度的脹形系數K表示。

3 結構特點

3.1 模瓣外形結構

機械脹形模具由于分體模瓣的結構特點，對所生產的波紋管帶來了一定的不利影響，外觀粗糙即其中一主要方面。在模瓣自然狀態下，模瓣整體外圓周為一個整體連續的光滑的圓（見圖3）。當模瓣處于成型狀態時，模瓣沿中心均勻向外運動，模瓣最高點組成的光滑圓周（圖中虛線圓）與模瓣實體形狀存在間隙。而由于波紋管桶坯是在模瓣實體作用下向外延展形成波紋，故造成生產出的波紋管圓周方向上存在凹凸不平，外觀粗糙。同時整個波紋管的波高也達不到設計計算的理想狀態，最后導致整個波紋管的性能與計算結果有偏差。為盡量減小這種誤差，需要在波紋成型過程中多次旋轉管坯，使管坯圓周方向上各點均在模瓣最高點的帶動下向外發生形變，使整個波紋的波高均勻一致，達到外觀上無可見模痕，無凹凸不平的效果，保證整個波紋管的性能與設計計算相一致。

圖3 成型模具模瓣狀態示意圖

設計模具時，可以將模瓣的外圓尺寸直接加工到成型狀態，即最大外圓尺寸時整個模瓣外圓實體連線構成一個光滑完整的圓，這樣可以很大程度上的避免波紋管成型后波峰處出現凹凸不平的現象，但仍然不能完全避免模痕的出現。此類機械脹形的模具最初的設計理念就是要求這種模具在制作波紋管時，能夠加工出各種不同波高的波紋管以滿足波紋管的設計需要。而成型狀態時達到最大的外圓尺寸所對應的波紋管波高僅是一個單一尺寸的波高，多數情況下并不是波紋管設計時所需要的波高。還有就是在制作這種模瓣時，相對耗用的材料費用更高，加工難度也相應增加。所以設計這種分體模瓣模具時，往往采用自然狀態下模瓣外圓周為一個整體光滑的圓的結構。

3.2 模具導向結構

一般機械脹形模具在模瓣導向方面采用模瓣與內支撐桶或支撐板上加裝導向桿或導向滑道的設計，來保持每個分體模瓣在運動方向上的穩定。但這種結構的導向桿或導向滑道，增加了模瓣運動時的摩擦力和模具的結構尺寸，無法滿足小口徑波紋管的加工要求。所以在模具設計時應摒棄過多的冗余結構，通過改變壓錐與模瓣的配合面形式，達到模瓣工作時均勻向外一致運動的要求。將模瓣與壓錐的配合面從原有的圓弧配合面，改變成平面與平面的配合，即在整體上壓錐的錐面變成由多個相同棱面組成的圓錐棱面，每一個棱面對應一個具有相同傾斜角度棱面的模瓣。這樣在壓錐與模瓣配合時，就會通過這些棱面與棱面的自動復位和找正，保持每個模瓣在圓周方向上的均勻分布，也保證每一個模瓣在成型過程中始終保持一個向外的直線方向運動，使波紋管在圓周方向上均勻受力。

4 結束語

機械脹形模具生產的波紋管在外觀質量上相比其他成形方式沒有優勢。但可通過制定合理的工藝方法，提高操作人員的技能水平，保證工藝紀律的嚴格執行來彌補其不足，進而充分發揮機械脹形模具在產品多樣化和生產效率高等方面的優勢。

[1]劉俞銘.波紋管設計計算與生產新工藝新技術實務全書[M].北京:北方工業出版社,2006:244-245.

The Principle and Structural Features of Mechanical Bulging Mold for Bellows

Tang Shunqiang
(Dalian Sanwei Expansion Joints Co.,Ltd,Liaoning Dalian 116113)

With the growing demand for corrugated expansion joints in various industries, it is necessary to constantly explore more effcient methods of producing bellows expansion joints. In this paper, combined with production practice, compared to other bellows production methods, analysis of the mechanical bulging in the bellows manufacturing advantages. The manufacturing method of the bellows and the calculation of the force during the bulging process are introduced. The principle and the technical structure of the mechanical bulging are discussed.

Dellows expansion joint;Mechanical bulging; Mold;Manufacture

TE8

A

2096-2789（2016）12-0103-02