鋼管彎曲工藝分析及模具設計

廣西百色美聯煤礦裝備制造有限責任公司 （田東新州 531501） 梁玉星

我公司作為專門為南方軟巖喀斯特地貌礦井設計制造煤礦機械化裝備的生產廠家，經常接到各種急、難、繁重的機械加工任務。最近，φ114mm鋼管彎拱的制作加工，便是其中的任務之一。

1.主要難點

該鋼管為普通鋼管，材質為Q235A，壁厚5mm，直徑114mm，彎拱要求彎曲部分成形后，受擠壓變形不得超過20%，且外形尺寸必須符合用戶圖樣要求，加工數量400條。

為能夠完成用戶的加工要求，筆者翻閱了大量有關沖壓模具的設計資料，通過對鋼管制件進行工藝及受力分析，最終設計出了較為理想的彎曲模具，圓滿地完成了加工任務，贏得了用戶的信賴。下面就此壓彎模具作一簡要介紹。

2.鋼管制件彎曲工藝分析

如圖1所示，鋼管壓彎受力后，主要變形區域集中在受壓和受彎部分，因此對這一部分的受力分析及防止變形措施是整個模具設計的關鍵點之一，而滾壓成形工藝不單是模具的滾制工序，主要還是由模具的設計成功率起決定作用。

圖1

鋼管制件彎曲后受擠壓處的應變狀態可參照應力分析過程，通過在變形區某點處取單元體，然后研究該單元體的變形，在其變形過程中，各質點都離開初始位置產生位移。一點的應變狀態可通過微元體的變形來表示，當采用主軸坐標系時，單元體就只有3個主應變分量ε1、ε2、ε3，而沒有切應變分量（見圖2），一種應變狀態只有一組主應變。

一點的應變狀態也可分解成兩部分，如圖3所示。第一部分以平均應變εm為各向應變的三向等應變狀態εm=（ε1＋ε2＋ε3）/3，表示了單元體體積的變化。第二部分是以各向主變應與εm的差值為變應值構成的應變狀態，表示了單元體形狀的變化。

圖2

圖3

經過以上受力分析及結合屈雷斯卡塑性屈服條件，表達式為

特制訂鋼管壓彎采用冷滾壓成形法較好，設備選用三輥式卷板機。

3.滾壓成形模具設計

（1）模具材料的基本要求 根據工作部分對模具硬度的要求，硬度要達到58～64HRC，具有高耐磨性和足夠韌度，以及良好的使用性能和工藝性能，故該彎管壓模選用ZG310－570材質。

（2）鋼管壓模彎曲力計算 彎曲力計算是設計彎曲模和選擇壓力設備噸位的重要依據。根據彎曲力計算公式

式中 F自——沖壓行程結束的自由彎曲力（N）；

k——安全系數，一般取1.3；

b——彎曲件寬度（mm）；

t——彎曲材料厚度（mm）；

R——彎曲件內彎曲半徑（mm）；

σb——材料抗拉強度（MPa）。

將k=1.3，b=114mm，t=5mm，R=343mm，σb=460MPa代入上式，計算得F自=3428N，現車間選用功率為40kW的三輥卷板機進行滾壓生產，完全能滿足所需彎曲力的要求。

（3）彎管滾壓模工作部分尺寸設計 內孔尺寸設計，如圖4所示，為方便安裝，把滾壓模具設計成上下兩半邊對開式，兩半邊用4—M16螺栓聯接。內孔尺寸與三輥卷板機的輥軸配合，經測量輥軸直徑為290mm，公差配合選用間隙配合。加工內孔時，必須將上下兩半邊模合起來整體加工，以保證兩半邊的同軸度。同時，還需在兩半邊模的結合面處墊上一塊5mm厚的鋼板，以便組裝時，滾壓模能很好地上緊貼在卷板機的輥軸之上，防止模具打滑。

圖4

工作部分圓角半徑及其深度設計。為使鋼管彎曲件在滾壓時不致損傷變形，工作部分設計成下凹圓弧狀，凹模圓角半徑R不能過小，現取稍大于鋼管外形尺寸為57.5mm。凹模深度需等于下凹圓角半徑，否則易使鋼管沿凹?；M時阻力增大，從而增加彎曲力，并使鋼管表面損傷。另外，上下兩半邊滾壓模的凹槽圓角半徑必須一致，以防止滾壓時鋼管產生偏移變形。

壓模最小壁厚及寬度設計。通過對鋼管壁厚及受力分析計算，并考慮滾壓模的經濟性，最終確定彎管壓模壁厚取10mm，寬度取280mm。

4.滾壓工藝規范

如圖5所示，鋼管在三輥卷板機上滾壓彎曲，應逐步加壓，多次來回滾動，否則會造成變形區外層材料破裂，影響使用性能。

圖5

與此同時，運用靠模進行檢驗，當鋼管的圓弧度與靠模的圓弧基本吻合時，再相應加壓，以防止拆模后鋼管回彈，確保彎好的鋼管制件達到用戶要求的30°彎曲角。

鋼管滾壓成形后，還需進行整形和校平工序，清除滾壓彎曲后制件外表面產生劃傷而留下的痕跡，提高彎曲件的精度和表面質量，現場實物如圖6所示。

圖6 現場鋼管滾壓

5.結語

模具設計制造完成后，一次試滾壓制件合格。該彎管滾壓模適用于滾壓外徑20～200mm、壁厚5～8mm的鋼管，滾壓后鋼管彎曲變形小，尺寸精度高，完全符合用戶要求，達到了預期效果，取得了較好的經濟效益與社會效益。

滾壓模具設計成功表明，滾壓成形具有設備投入簡單，以及節材、節能、高效等特點，是一種便捷的金屬成形新工藝、新技術，值得大力推廣和應用，具有廣闊的發展前景。

（20130108）