彎管工藝過程的受力分析及工藝分析

萬麗麗 余海飛

（合肥和安機械制造有限公司 安徽合肥 230088）

彎管工藝過程的受力分析及工藝分析

萬麗麗 余海飛

（合肥和安機械制造有限公司 安徽合肥 230088）

隨著城市進程的不斷加快和現代化生產系統的逐步深化，人們逐漸認識到各種彎管在管道工藝中的重要性，而彎管過程自身屬于較復雜的彈性、塑性變形工藝，其主要通過作用在材料上的外載荷引起材料內部發生應力和應變實現，所以要保證彎管工藝的高水平發揮，需要對彎管過程的受力和工藝進行系統的研究。本文為推動我國彎管工藝水平的不斷提升，對合肥和安機械制造有限公司采用的彎管技術進行分析的基礎上，對彎管工藝進行中的內力、彈性與塑性變形、彎管工藝過程三方面展開研究。

彎管工藝過程；受力分析；工藝分析

前言

彎管工藝的實現依靠作用于管道材料的外載荷，外載荷的大小、方向、變化速度等都會對彎管質量構成直接的影響，所以隨著彎管工藝越來越受到人們的重視，對彎管工藝的受力進行分析成為時代發展的必然趨勢。彎管工藝的實現自身并不復雜，但由于其對力的要求較為嚴格，所以要生產出高質量的彎管仍存在一定的難度。

1 異型管彎曲模彎管技術

異型管彎曲原先采用的是兩端灌沙后封閉利用折彎模具通過多次烘彎而成的，其成型過程涉及多次折彎和定位，成型后的產品因為定位誤差造成產品報廢率高，同時工件表面會產生褶皺，而且效率也低下，使制造成本有所上升。通常一種異型管彎曲模，包括直徑模、輪夾、夾模、導模、調節塊、芯，所述直徑模的凹圓弧槽與輪夾的凹圓弧槽尺寸一致且平滑過渡，輪夾的凹圓弧槽與夾模凹圓弧槽形成一個異形管腔且與異形管件外徑尺寸一致，直徑模與輪夾用螺釘聯接沿直徑模中心旋轉，夾模圍繞直徑模中心一起旋轉，導模隨夾模移動的方向移動，為了防止異形管坯在自由中彎曲變形，在異形管內腔設一芯作為填充物，芯與設備的通芯桿螺紋聯接且用螺帽并緊[1]。本實用新型提高了異型管材彎曲的加工精度和品質，具有結構簡單、操作方便的優點，大大提高的生產效率和產品合格率（如圖1）。

2 彎管工藝進行中的內力分析

圖1 一種異型管彎管模具的一較佳實施例的結構示意圖

如果F代表靠模對管子發生的正壓力，N代表轉模在與管子接觸的情況下，切點處對管子形成的正壓力，當管子受到F、N兩種作用力的情況下，在兩種作用力之間取仍未發生塑性變形的橫截面，此時橫截面受到剪力Q和彎矩M的共同作用，而Q和F相等，而M等于F力與橫截面與F點的軸向距離的乘積。結合材料力學的相關原理，由于管子橫截面圓環厚度較小，可認為管子的環形截面上存在的Q均勻分布，如果用t表示橫截面上某一點的剪應力表示管子橫截面與中性軸的靜距；t代表管壁厚度；IZ達標管子橫截面與中性軸Z之間的慣性矩，那么將剪應力表示為如果將橫截面某點徑向方向和Y軸正向的夾角表示為q，那么IZ和都可以通過q進行表示，由此，可以將t同樣用q表示，即由此公式可以判斷，當q取值不同時，t也會存在差異，例如當q為的情況下，t均可以得到最大值，而當q為0或p時，t均可以得到最小值。另外，考慮到管子在未發生塑性變化的情況下，如果將管子橫截面和中性軸Z之間的慣性矩用I2表示，那么橫截面上產生的正應力就可以表示為考慮到慣性矩I2的表達公式，可以將正應力公式直接表述為結合此公式可以發現，當y取值不同時，s也將不同，例如當y取值為+R時，其取值最大；當y取值為-R時，其取值最小，當當y取值為0時，其取值同樣為0。

3 彎管彈性與塑性變形分析

彎管工藝實質上是管子彈性和塑性變形的過程，其主要發生在靠模和轉模之間的范圍內，從上文可知管子橫截面上不同位置的彈性和塑性變形量和發生的時間都存在差異，所以筆者結合Y軸、Z軸和其余點位置對彎管彈性和塑性變形展開研究。

3.1 管子橫截面中處于Y軸上點的應力狀態

管子橫截面中處于Y軸上點即彎管最外側和最內側的點，其分別處于單向拉伸應力和單向壓縮應力狀態中，所以其分別可以表示為和假如彎管采用的是理想中的塑性材料，則可認為兩種應力變形的屈服極限是一致的，結合塑性力學理論，可以發現彎管實際塑性變形量=總變形量-彈性變形量，即當彎管卸載后其會存在一部分彈性恢復，而具體恢復的量由加載的速度和時間等因素決定，通常情況下彎管機轉模轉速較小的情況下，彎管彈性恢復的越小，這在一定程度上說明管子橫截面中處于Y軸上點的應力是相同的[3]。結合屈服條件可以確定，當最內和最外側點所承受的正應力相同的情況下，其可以同時進入屈服狀態，產生塑性變形，而在塑性變形的過程中所作用的F力大小不發生變化，由于管子橫截面中處于Y軸上點是橫截面中最先進入屈服狀態的點，所以如果橫截面距F作用點的軸向距離小于或等于橫截面上最外側點與最內側點進入屈服狀態時橫截面據靠模的最小距離，則認為管子的橫截面處于彈性變形的過程中，而反之，則認為管子處于塑性變形中，當管子橫截面處于塑性變形狀態中時，橫截面上的應力狀態是穩定的。

3.2 管子橫截面中處于Z軸上點的應力狀態

管子橫截面上處于Z軸上的點一直是純剪切狀態，所以其剪應力最強，此力是橫截面畸變的主要內在因素，為了使橫截面不發生塑性變形，其剪應力要控制到一定的水平下，而剪力與F相同，所以要對F的數值進行控制，當轉模轉速不斷提升的過程中，F也會隨之不斷變大，所以要控制剪力，應對轉模的速度進行合理的調控，否則彎管的橫截面將會發生畸變。

3.3 管子橫截面中其余點的應力狀態

橫截面上的其余點會受到剪應力和正應力的共同作用，如果要是橫截面中的某點發生塑性變化，就要保證此點的偏應力張量不變量等于某個固定的常數C，而常數C通常由計算獲取，而可以通過偏應力S獲取，結合偏應力的計算公式可以發現，當橫街面上的對應點將會進入屈服狀態，發生塑性變化，但需要注意的是當有的點開始發生塑性變化的同時仍有部分點在發生彈性變形，結合塑性力學理論，發生塑性變形的點的應力狀態并未發生本質上的改變，可見在此狀態中彈性變形仍是主導。

4 彎管工藝過程

合肥和安機械制造有限公司所應用的機械技術如圖2所示，直徑模1的凹圓弧槽與輪夾2的凹圓弧槽尺寸一致且平滑過渡，輪夾2的凹圓弧槽與夾模3凹圓弧槽形成一個異形管腔且與異形管件7外徑尺寸一致，直徑模1與輪夾2用螺釘聯接沿直徑模1中心旋轉，夾模3圍繞直徑模1中心一起旋轉，導模4隨夾模移動的方向移動，為了防止異形管坯在自由中彎曲變形，在異形管內腔設一芯6作為填充物，芯6與設備的通芯桿螺紋聯接且用螺帽并緊。有益效果是：提高了異型管材彎曲的加工精度和品質，具有結構簡單、操作方便的優點，大大提高的生產效率和產品合格率（如圖2）。

圖2 合肥和安機械制造有限公司所應用的機械技術

在彎曲工藝發生作用的過程中，管子的橫截面對稱軸位置會先轉變為屈服狀態，而且會隨著彎矩的加大而沿著中性軸逐漸向兩側擴展，直至橫截面的位置移動到轉模和管子的接觸位置，即橫截面全部進入屈服狀態，可見管子塑性變化實質上是發生在轉模和管子的接觸位置以前；當管子受外力繼續轉動的過程中，橫截面會再次遠離轉模和管子的接觸位置，此時其所承受的彎矩和剪力也將逐漸縮減，換言之橫截面上的點不再具備屈服條件，所以塑性變形終止。結合亨蓋理論中塑性變化和角的關系轉換公式，可以發現彎管的橫截面必然存在角應變，形成橫截面的畸變，同時在塑性變形使彎管內側管壁的厚度會增加，而外側管壁厚度會減少的過程中使材料自然的由厚壁側向薄壁側流動，可見角應變的存在具有雙面性。

5 結論

通過上述分析可以發現，現階段人們已經認識到彎管工藝對城市基礎設施建設、現代化生產系統深化等方面的重要作用，并在實踐中嘗試結合彎管機的工作原理，對彎管工藝的受力分配及工藝自身實現過程進行優化，這是提升彎管工藝水平的必然途徑。

[1]晏利君，楊眉，易誠，劉宇，范玉然，馮斌，張明旭.油氣管線用冷彎管加工工藝分析[J].熱加工工藝，2013，05：143～145+148.

[2]胡忠.中頻感應局部加熱彎管工藝的研究[J].塑性工程學報，1996，04：48～56.

[3]毛君，潘德文，謝 苗，李 強，董先瑞.中頻彎管機成形工藝的改進及故障分析[J].熱加工工藝，2015，21：147～149.

TG386.3+1

A

1004-7344（2016）08-0251-02

2016-2-22