薄壁彎管成形工藝分析及彎管模設計

郭建軍，楊立樂，戴 欽，吳 鵬，翟 鶴

（中國運載火箭技術研究院 首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引 言

航天產品的主體結構基本上由鈑金零件組成。近幾年，隨著航天事業的迅速發展，航天產品更新的周期趨于縮短，對鈑金零件的成形工藝要求越來越高[1]。薄壁彎管是構成航天產品的重要鈑金零件之一，尤其在航天發動機領域中使用廣泛。航天用彎管的材料主要為硬鋁、防銹鋁、不銹鋼、高溫合金等。航天用彎管的特殊性在于：①大多數是薄壁彎管；②對彎管的內壁表面質量要求較高。彎曲半徑較小的薄壁彎管易出現內側起皺和截面畸變等缺陷，有些缺陷尚難用分析方法進行定量計算。針對不同管徑和壁厚的薄壁彎管需設計不同的彎管模。許多學者對彎管工藝及彎管模進行了研究，文建平[2]根據材料變形特點設計了彎管模，并采用反變形槽和彎管芯棒解決了彎曲過程中內緣起皺、外緣變扁的缺陷；劉紅等[3]分析了變形速度對矩形管彎曲成形失穩起皺的影響規律；吳青云等[4]研究了彎曲角度與卸載后回彈角度之間的關系，并通過正交試驗分析了工藝參數對小直徑LF6鋁合金管數控彎曲回彈的影響規律；李恒等[5]討論了大口徑小彎曲半徑管件彎曲過程建模的難點和解決方法。

針對薄壁彎管零件成形過程中存在的問題，分析了該零件的成形工藝，提出了控制防皺塊的前端與滾輪切點距離和減小防皺塊與滾輪之間的間隙的工藝方案以改善彎管褶皺，并根據生產實踐經驗補償了彎管的回彈，設計了薄壁彎管成形所需的彎管模。最后將設計的模具應用于生產，得到了合格的成形零件。

1 彎管成形工藝分析

圖1所示為某彎管零件，管的外徑為φ52 mm，壁厚為1 mm，材料為1Cr18Ni9Ti，中心線彎曲半徑為R96 mm，尺寸如圖1所示。

圖1 彎管零件

該彎管零件的成形特點：①彎管的最小彎曲半徑已超過所允許的最小彎曲半徑值，在彎管時易出現起皺和開裂的失穩現象，管材采用繞彎彎曲時的最小彎曲半徑為（2～2.5）D（D為彎管直徑）[6]；②彎管內壁表面質量要求較高，不允許有劃痕現象。

為了進一步確定彎管彎曲成形時的具體缺陷趨勢，現采用DynaForm軟件模擬其成形過程，彎管成形極限圖如圖2所示。

從圖2（a）成形極限圖得知，彎管內側在成形時有嚴重起皺趨勢，從圖2（b）成形厚度云圖得知，彎管成形后的最小壁厚為0.851 mm，未超過中、低壓管15%的減薄率。

圖2 彎管成形極限圖和成形厚度云圖

針對起皺問題，提出了在設計彎管模時加防皺塊控制內側起皺的方案，需控制防皺塊的前端與滾輪切點距離和減小防皺塊與滾輪之間的間隙。

2 彎管機選型計算

2.1 彎曲力矩估算

彎曲力矩可用下列公式估算：

式中：M——彎曲力矩，N?mm；μ——因摩擦而使彎矩增大的系數，一般情況下，采用剛性芯棒，不用潤滑時，可取μ=5～8；若用剛性的鉸鏈式活動芯棒，可取μ=5；W——抗彎截面系數，mm3；σb——材料抗拉強度，MPa；D——管子外徑，mm；ρ——彎曲中性層曲率半徑，mm。

經計算，得：

2.2 彎管機選擇

彎管機的選擇主要考慮以下3個方面：①彎管機所能彎曲的最大或最小管外徑；②彎管機的最大或最小彎曲半徑；③彎管機的彎曲力矩是否滿足彎管需求。綜合以上因素，初步選用VB300HP彎管機。

3 彎管模設計

3.1 模具結構

模具結構如圖3所示。

3.2 彎管模工作原理

將彎管毛坯放置于預定位置，根據制定的程序，管材毛坯由固定在彎管機上的壓緊塊5夾緊固定，同時導向塊組件1、芯軸組件2和防皺塊3移動到預定位置。管材彎曲時，彎管模中的滾輪組件4通過彎管機上的主軸進行轉動。彎曲過程中，管材由導向塊組件1導向，由芯軸組件2防止管材截面形狀的畸變，同時由防皺塊3防止褶皺的產生。當滾輪組件4根據設定的程序轉動到所要彎曲的角度時，彎管機上的主軸停止轉動，各零部件復位后，取出彎曲后的管材，成形完畢。

3.3 主要模具零件設計

3.3.1 滾輪組件

滾輪組件采用鑲拼式結構，鑲件通過螺釘與滾輪連接，設計時需確定彎曲中心線半徑值。在確定彎曲中心線半徑值時應考慮彎管的回彈。對于管材彎曲回彈的問題，由于問題的復雜性、目前理論預測局限性及材料性能測試的難度，仍無法較好地解決[7]。表1所示為生產彎管過程中總結的經驗值。

表1為不同材料、不同規格、不同內彎曲半徑的管材在VB300HP彎管機上彎曲時所產生的回彈值，數據符合管材回彈的規律：在其他參數相同的情況下，彎曲半徑和彈性模量越大，回彈就越大。根據表1所示數據，初步確定回彈值為3 mm。

表1 彎管回彈經驗值 mm

3.3.2 芯軸組件

芯軸組件采用球形鉸鏈式結構，球形鉸鏈式結構能全方位旋轉，有利于彎管的成形。球形鉸鏈式結構的芯軸由多個芯軸塊與芯軸桿組成，其中每個芯軸塊都能全方位旋轉。如圖4所示，球頭節的節距是重要參數，其取值決定了芯軸塊的長度，決定管材彎曲時芯軸對內側管壁的支撐點分布是否合理，分布點過密會增加模具制造難度；反之，則會使彎管起皺。通過計算機模擬彎管成形的過程，最終得到合理的節距。

芯軸的一端通過分為兩半的連接塊與半球頭節連接，另一端通過螺紋孔與設備連接。芯軸塊的內部通過臺階孔與球頭節和半球頭節連接。芯軸塊的數量根據管材的D因子（管子中心線半徑/管子外徑）和壁厚因子（管子外徑/管子壁厚）確定。連接塊的一端通過球形槽與半球頭節的配合連接，另一端通過螺釘與芯軸連接。壓縮彈簧置于球頭節和半球頭節內部的平鍵中心的槽內，彈簧的頂部用一個鋼球頂在與之連接的半球頭節或連接塊上，使每個芯軸塊連接后都具有一定的運動剛性。半球頭節是將球頭節一分為二，既保證了球頭裝配到前一個球頭節上，又使后一個球頭節的球頭裝配到本身的球形空腔內。在每2個半球頭節的中間采用鍵連接，保證兩部分的對接裝配精度。球頭節的球面與相應零件的配合按0.1 mm的間隙進行安裝，方便球面間的轉動。球頭節、半球頭節與芯軸塊的連接結構一端采用凸臺定位，另一端為軸用擋圈固定裝配。

3.3.3 防皺塊

防皺塊結構如圖5所示，由局部剖示處可知，最薄處的理論值為0，當用機加工方式加工至此處時，零件承受不了加工載荷而出現裂口破損，導致該處缺料，不能有效抵住管壁，防皺效果差。針對此問題，規定此處最薄壁厚為0.1 mm，制定手工研磨方法的加工力度大小，以達到圖紙公差要求，經過實踐證明使用這種形式的防皺塊達到了預期效果。除此之外，為了有效控制彎管褶皺的產生，還采取了2個措施：①控制防皺塊的前端與滾輪切點距離；②減小防皺塊與滾輪之間的間隙。防皺塊的R為考慮回彈后的內彎曲半徑加上0.5 mm，并將防皺塊R中心置于滾輪中心以上0.5 mm，以便于防皺塊與滾輪有效貼合，減少滾輪與防皺塊的間隙，從而有效防止褶皺的產生。

圖5 防皺塊結構

4 主要模具零件材料的選擇及熱處理

彎管模主要由滾輪組件、芯軸組件、防皺塊、導向塊組件和壓緊塊組成。滾輪、導向塊和壓緊塊的材料采用45#鋼，熱處理硬度為34～38 HRC。為了防止管材彎曲過程中劃傷內壁，芯軸和防皺塊的材料需根據零件材料而定。當零件材料為鋁合金時，芯軸塊和防皺塊的材料為45#鋼，熱處理硬度為34～38 HRC；當零件材料為不銹鋼時，芯軸塊和防皺塊的材料為QAl9-4。因為管材彎曲過程中，芯軸內部需承受一定的載荷，所以球頭節、半球頭節和連接塊的材料都選擇綜合力學性能較好的30CrMnSi，熱處理硬度為40～45 HRC[8-10]。

5 結束語

通過對現有薄壁彎管成形工藝進行分析，采用控制防皺塊的前端與滾輪切點距離和減小防皺塊與滾輪的間隙的工藝方案改善了彎管褶皺，根據實際生產經驗補償了彎管的回彈，從彎管成形和模具設計方面優化了零件的成形工藝，將設計的彎管模應用于生產，得到了合格的成形零件，如圖6所示。該模具結構和彎管的回彈值可為成形類似零件的模具設計提供參考。

圖6 合格零件