彎管彎曲成形的缺陷及防止措施

吳海鵬 高紅靜

【摘 要】綜上所述，在管件彎制過程中，由于工藝及操作不當等原因，可能會使彎制的管件產生不同類型、不同程度的缺陷，尤其當管件彎制半徑較小且模具間的位置及力量搭配不當時，產生缺陷的可能性更大。因此，應針對不同類型的缺陷具體分析其產生的原因，并根據不同情況采取對應措施，如調整好模具各件之間的位置及壓力、選擇適用的芯棒、良好的潤滑、加裝防皺模及助推裝置等，均可減輕直至消除缺陷的產生，從而得到較好的彎制管件。

【關鍵詞】彎管彎曲；成形缺陷；措施

引言

近年來，由于能源短缺、環境污染等問題的出現，需要加強制造業領域的發展。塑性加工工藝具有高效率、高品質、低消耗等優點，已成為當今制造方法的重要趨勢。而作為塑性加工方面的重要部分，彎曲成形工藝在近些年獲得了較大的發展。管材和型材的彎曲由于比較容易實現產品的輕量化、強韌化等要求，并易于獲得形狀復雜的制品，因此在石油化工、城市住宅建設、車輛和航空航天等領域得到廣泛的應用。在彎曲管件中，管材原料不僅有常見的不銹鋼、銅合金，還有鋁、鎂、鈦等各種合金及難以加工成形的材料。形狀除圓形截面外，還有矩形截面、不規則截面等。而在彎曲型材中，型材原料有各種不同的截面，其中包括非對稱截面形狀的材料。

1、彎管彎曲成形的應力分析

1.1、彎曲原理分析

管材在外力矩作用下彎曲時，彎曲變形區的外側材料受到切向拉伸而伸長、內側材料受到切向壓縮而縮短。由于切向應力和應變s沿管材斷面的分布是連續的，故當彎曲過程結束，由拉伸區過渡到壓縮區，在其交界處一定存在著一層纖維，該層纖維的應變s=o，此纖維層稱為應變中性層，它在斷面中的位置可用曲率半徑R表示.同樣也一定存在著一層纖維，該纖維層上的應變6=o，此纖維層稱為應力中性層，它在斷面中的位置可用曲率半徑口表示.管坯在彈性彎曲階段，應力沿斷面呈線性分布，應力與應變間的關系遵守虎克定律，故應力中性層和應變中性層互相重合并通過端面形心。隨著彎曲過程的進行，當變形程度超過材料的屈服極限后，變形性質由彈性變為塑性，故在彎曲過程中應力中性層和應變中性層不僅不相互重合，也不通過斷面形心，而是隨曲率的增大逐漸向曲率中心方向移動，并且應力中性層的移動量大于應變中性層的移動量。由金屬塑性成形原理可知，任一變形過程，其變形區的應力應變狀態都與變形條件有關。由金屬塑性成形原理可知，任一變形過程，其變形區的應力應變狀態都與變形條件有關。

1.2、常見彎管的缺陷

由于管材是空心薄壁結構的斷面形狀，彎曲時易引起以下幾種缺陷：管材彎曲外側易過度變薄，甚至導致開裂；管材彎曲內側易發生失穩起皺：管材截面易產生崎變（近似橢圓形）。

1.3、缺陷產生的原因

圓弧處嚴重變扁。彎管過程中，合力使圓弧處的橫截面趨向橢圓形，對于相同規格的管子，彎曲半徑越小，合力就越大，變扁的趨向就越明顯。如果是無芯彎管，變扁更嚴重，若采用有芯彎管，當芯棒直徑過小或磨損嚴重使芯棒和管子內壁間的間隙過大時，圓弧外側也容易變扁即使芯棒與管壁間的間隙合理，如果安裝芯棒時的提前量過小，管壁得不到良好的支撐，也會使得回弧外側變扁。另外，如果安裝模具時不注意，彎管模和壓緊模（輪）型面出現錯位，彎管圓弧處也將變扁；圓弧外側減薄過大。當彎管半徑較小時，如果彎管機不帶外側面助推裝置及尾端頂推裝置，則由于壓緊模的阻力作用將使圓弧外側的拉應力增大，同時中性層內移，彎制管件的圓弧外側就會減薄，壓緊力越大，阻力也越大，減薄也越嚴重，尤其當相對彎曲半徑及相對壁厚越小時，減薄量越明顯。除了管材及彎管半徑等因素外，芯棒安裝時的提前量過大及潤滑不良等，也將使圓弧外側管壁的減薄量加大；回弧外側彎裂。彎管過程中圓弧外側出現裂紋或斷裂，其原因可能是多方面的。如管材熱處理不當、晶粒度過大壓緊模（輪）壓力太大，造成彎管阻力過大；芯棒與管內壁的間隙過小，使得芯棒與內壁摩擦力太大；潤滑效果不好，使得機床抖動等都可能使圓弧外側彎裂；圓弧內側起皺。常見的圓弧內側起皺有3種情況：前切點處起皺、后切點處起皺、圓弧內側全起皺.前切點處起皺一般由于芯棒安裝時提前量過小，前切點處管壁在彎曲過程中得不到芯棒支撐。后切點起皺一般是由于沒有安裝防皺?；蚍腊櫮５陌惭b與彎管模間的切點位置不對。全皺紋的產生一般是芯棒直徑過小，使得芯棒與管壁間的間隙過大易產生皺摺，再就是壓緊輪的壓力過小，不能使管子在彎曲過程中很好地與彎管模及防皺模結合，管內側受壓應力的作用后有失穩起皺的空間。

2.防止產生缺陷的對策

對防止或減輕彎管缺陷的產生，彎制出符合要求的管件，就應在彎管過程中采取相應的對策加以解決。在產品設計結構允許的范圍內，應盡可能設計較大的彎曲半徑。對于前面提到的幾種常見缺陷，應有針對性的采取措施。對于圓弧外側變扁嚴重的管件，在進行無芯彎管時可將壓緊模（輪）設計成具有反變形槽的結構形式，以減輕彎曲時的變扁程度。對于有芯彎管，應及時檢查芯棒的磨損情況，保證芯棒與管子內壁間的單邊間隙不大于0.5mm，同時，安裝芯棒時的提前量要適當。

小半徑彎管時圓弧外側減薄是彎曲工藝的特性決定的，是不可避免的，但應采取措施克服減薄量過大的情況，常見的有效方法是使用側面帶有助推裝置和尾部帶有頂推裝置的彎管機。工作時助推或頂推機構推動管子向前，抵消管子彎制時的部分阻力，改善管子剖面上的應力分布狀態，使中性層外移，從而達到減少圓弧外側減薄量的目的.助推和頂推速度根據彎管實際情況確定，使其和彎管速度相匹配。

對于管子圓弧外彎裂的情況，應首先保證管材具有良好的熱處理狀態，排除管材的因素后再檢查壓緊模的壓力是否太大，并調整使其壓力適當。檢查芯棒直徑是否過大，直徑大時要進行修磨，并保證芯棒與管內壁有良好的潤滑，同時采取適當措施，避免機床抖動等.

對于圓弧內側起皺，應根據起皺位置采取對應措施，若是前切點起皺，應向前調整芯棒位置，使芯棒提前量適當，以達到彎管時對管子的合理支撐：若是后切點起皺，應加裝防皺塊，并使其安裝位置正確，還要調整壓緊模（輪）的壓力使壓力適當：若圓弧內側全起皺，除調整壓緊模（輪）使壓力適當外，還要檢查芯棒直徑，直徑太小或磨損嚴重時應更換芯棒.

結束語

柔性彎曲成形工藝是一種新型的三維管材和型材彎曲方法，由彎曲模具的偏移量來決定彎曲曲率的大小，柔性彎曲加工方法的優勢在于不用更換模具和重新夾持就能夠得到不同的彎曲形狀。因此，這種成形方式致力于提升彎曲成形設備的通用性、節約制造成本和時間以及提高產品的成形質量。

參考文獻：

[1] 張丹丹，王安平，劉作慶，符嚴平.剪刀式隔離開關的上導電管彎曲成形技術[J].輕合金加工技術，2018，46（11）：41-44.

[2] 樊勝寶，鮑益東，王雯，趙正大，舒陽，羅蕓.航空導管彎曲成形自動建模與后處理[J].航空制造技術，2018，61（16）：59-66.

[3] 陶杰，熊昊，萬柏方，魏文斌，程旋，王林濤，余耀暉，王成，郭訓忠.三維自由彎曲成形裝備及其關鍵技術[J].精密成形工程，2018，10（04）：1-13.

[4] 魏文斌，程旋，余耀暉，王成，熊昊，王輝.基于自由彎曲技術的6061鋁合金管的彎曲成形性能研究[J].精密成形工程，2018，10（04）：28-34.

[5] 徐帥帥.大口徑厚壁管感應加熱彎曲成形有限元模擬研究[D].西安石油大學，2018.

（作者單位：精誠工科汽車系統有限公司底盤研究院）