管材高精度彎曲成形模具設計與工藝研究

尚保園

摘 要：管材彎曲成形是機械加工中的重要組成部分，常見的加工方式為彎管機加工，在較小口徑的管材加工中，多見于手工彎管器彎曲，但是手工彎管器精度較低且遇到特殊彎曲要求時難以滿足，本文對手工高精度彎管進行研究，從彎曲模具、檢具、工藝方法等部分進行分析，總結了一套管材高精度彎曲成形的工藝方法。

關鍵詞：管材;彎曲;設計工藝研究

前言

彎管的主要參數包括彎曲半徑、彎曲角度、彎管段弧長、起彎點。高精度多半徑彎管的工況下，常規手工彎管器難以實現，需要根據彎曲形狀及彎曲精度設計專用彎曲模具及檢具，并且要有合適的彎曲工藝，才可以達到彎管的精度要求。

一、檢具的設計

復雜管材彎曲成形后，由于幾何形狀的特殊性，在不借助三坐標測量儀或投影儀等現代化高端檢測設備的情況下，難以對其精度進行檢驗，如果采用這些高端設備進行檢測從經濟性和檢測效率上均較差，所以在彎管模具設計之前，要針對目標管形進行專用檢具設計。

專用檢具的設計方法：可以在同一檢具上設計目標管形的整體檢測結構和不同彎曲部分的單一檢測結構，為回彈測試做準備。

專用檢具的優點有以下幾點

（1）可以在彎曲模具調試時，更好的量化彎管模具的調整數據及調整方向;

（2）加工成本低，相對高端檢測設備而言，有非常好的經濟優勢;

（3）對操作者技能要求低，檢測效率高;

（4）可以根據目標管形的精度要求，進行檢測結構的設計，可進行全管形檢測且檢測精度高;

（5）可以和彎管模具同步并行，縮短研發周期。

二、模具設計與測試

彎管模具是管材成形的核心部件，管材彎曲的難點在于回彈的測試，要想設計精準的彎管模具，必須在設計之前對管材的回彈進行測試，首先預估管材回彈系數進行測試模具的設計，例如取目標管形彎曲半徑的0.9倍進行模具設計，測試用的簡易彎管模具主要由彎曲模（定輪）、一個繞其旋轉的動輪、一個固定兩輪的固定桿組成，在測試過程中，要以勻速進行彎曲。在回彈量測試過程中，常見的錯誤為，直接觀察彎管弧度部分是否與檢具吻合，其實這是在測試弧長，影響弧長的前提因素有彎曲角度和彎曲半徑，所以應該按照角度、半徑、弧長的順序進行測試。

1.角度測試

將管材彎曲成形后放置于檢具中進行比對測試，如發現角度大于檢具上標準管形的角度，那么在下一次彎曲測試中，應該增加彎曲距離，以達到標準角度，如發現角度小于標準管形角度，那么調節方式相反，在每一次彎曲過程中，應在彎曲模具上標記彎曲結束點，以利于下一次調節。

2.回彈測試即彎曲半徑測試

彎曲成形后的管子放到彎管檢具中進行比對，當角度與檢具吻合時測量彎管與檢具管形半徑之間的最大誤差，如果彎管處于檢具標準管形外側時應將增加彎曲模具直徑，增加的直徑尺寸應為測得誤差的2倍，如果彎管與檢具對比彎管部分處于檢具標準管形內側時，應該將彎曲模具直徑向小的方向調節，調節量同上文。

3.弧長

同樣采用與管形檢具比對的方式進行弧長測試，弧長與彎曲半徑和彎曲角度有關，應該在調節兩者到標準管形時，在單一弧度彎管中弧長自然會達到目標尺寸。在彎管與檢具比對過程中，要準確分析出，造成彎管無法放進檢具的具體原因，包括角度、起彎點、彎曲半徑。

三、多半徑彎管摸具設計與調試

1.彎管模具組件中心可調式設計

在管材生產中，很難做到管材硬度一致，那么在彎管過程中回彈也不一致。彎曲模具部件中心可調的設計可以解決不同批次管形回彈不一致的問題。

在經過測試后，最優的模具（定輪）尺寸已經被設計出來，在同一根彎管上如果存在兩個或者兩個以上彎管段時，需要根據管形設計相對應的彎曲模具部件，且由于回彈的存在，兩組彎管部件之間的中心距離，要設計成可調節式，如果彎管段之間是平行關系，那么在進行第一次試驗彎曲后經過與檢具的對比，可直接根據測量出的誤差進行彎管模具部件之間的距離調節。如果彎曲段之間為非平行關系時，無法將檢具對比中測得的誤差用于調節模具組件中心距，需要根據三角函數關系結合測量結果進行推導，以計算出彎曲模具部件之間的合理中心距。即找到最優起彎點。

2.模具加工誤差和組裝后累積誤差的應對方法

彎管摸具的零件在加工過程中難免存在加工誤差，當組裝到一起時會產生誤差累積對彎管產生不良影響，例如兩組彎管模具部件的中心高度誤差會影響彎管成型后的平面度。所以在彎管摸具彎管之前應該對彎管摸具的裝配誤差進行調整，然后再進行彎管。

3.特殊彎管模具

在一些特殊彎管工況下需要對彎管有配對要求，由于管材彎曲的影響因素復雜，很難做到兩個成形彎管完全一致，針對這一問題在模具設計時，可將彎曲模具設計成雙槽或多槽，將雙管或多管同時彎曲，可有效排除彎曲過程中的影響因素，實現雙管或多管的彎曲一致。

四、彎曲工藝

在已調試好的彎管模具進行批量生產時，彎管工藝應該注意以下幾點：

1.溫度

不同溫度下，管材的回彈量會不同，在高精度彎管要求中，會體現的較為明顯，所以在彎曲過程中應該盡量選擇與回彈測試時相接近的溫度進行批量生產，如實際生產中溫度相差較大時，應重新調整摸具及摸具組件中心距離。保證批次的一致性，應該進行生產批次標記。

2.彎曲速度

在其他彎曲條件不變的情況下彎曲速度與彎曲管形存在關系，彎曲速度過快，會造成彎曲部分半徑大于目標半徑，且會產生彎曲缺陷，例如內側褶皺、圓度變差、外側彎裂。這是由于管材在彎曲過程中，靠近模具的一側被壓縮，遠離模具的一側被拉伸，較快的彎曲速度會使壓縮與拉伸的變化速率過快，造成彎曲缺陷，所以在彎曲過程中應該使整個彎曲過程速度均勻。

3.彎曲力度

在手工彎曲過程中，由于操作人員的彎曲力度不同，會對彎管一致性產生影響，應該按照操作人員來劃分彎管的批次，以保證批次的一致性。方便生產管理和公差控制。

4.圓度控制

管材彎曲過程中，圓度是一個重要指標，填充物的密實程度是影響這一指標的直接影響因素，填充物應該選擇目數較小的材料，以減少管材內部未能填充到的空間，在填充工藝上應該采用壓機將填充物壓進管材內部，保證填充物的密實度，在管材彎曲過程中才能起到有效且均勻的支撐，降低彎曲過程中產生的圓度誤差。

結語

在手工高精度彎管模具設計中，應該對彎曲半徑、回彈量、弧長、角度、起彎點進行分析和測試，從而設計出合格的模具。設計專用的檢具也有諸多優點。在彎曲過程中，應該注意溫度、彎曲速度、彎曲力度、填充物的密實程度等工藝因素，從而彎曲出合格的管形。