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(jī)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(jī)械制造有限公司 安徽合肥 230088）

隨著城市進(jìn)程的不斷加快和現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)的逐步深化，人們逐漸認(rèn)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(fù)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(nèi)部發(fā)生應(yīng)力和應(yīng)變實(shí)現(xiàn)，所以要保證彎管工藝的高水平發(fā)揮，需要對彎管過程的受力和工藝進(jìn)行系統(tǒng)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(jī)械制造有限公司采用的彎管技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對彎管工藝進(jìn)行中的內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(zhì)量構(gòu)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(jìn)行分析成為時(shí)代發(fā)展的必然趨勢。彎管工藝的實(shí)現(xiàn)自身并不復(fù)雜，但由于其對力的要求較為嚴(yán)格，所以要生產(chǎn)出高質(zhì)量的彎管仍存在一定的難度。

1 異型管彎曲模彎管技術(shù)

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(chǎn)品因?yàn)槎ㄎ徽`差造成產(chǎn)品報(bào)廢率高，同時(shí)工件表面會產(chǎn)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(dǎo)模、調(diào)節(jié)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(lián)接沿直徑模中心旋轉(zhuǎn)，夾模圍繞直徑模中心一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)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(nèi)腔設(shè)一芯作為填充物，芯與設(shè)備的通芯桿螺紋聯(lián)接且用螺帽并緊[1]。本實(shí)用新型提高了異型管材彎曲的加工精度和品質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，大大提高的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率（如圖1）。

2 彎管工藝進(jìn)行中的內(nèi)力分析

圖1 一種異型管彎管模具的一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖

如果F代表靠模對管子發(fā)生的正壓力，N代表轉(zhuǎn)模在與管子接觸的情況下，切點(diǎn)處對管子形成的正壓力，當(dāng)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(fā)生塑性變形的橫截面，此時(shí)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(diǎn)的軸向距離的乘積。結(jié)合材料力學(xué)的相關(guān)原理，由于管子橫截面圓環(huán)厚度較小，可認(rèn)為管子的環(huán)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(diǎn)的剪應(yīng)力表示管子橫截面與中性軸的靜距；t代表管壁厚度；IZ達(dá)標(biāo)管子橫截面與中性軸Z之間的慣性矩，那么將剪應(yīng)力表示為如果將橫截面某點(diǎn)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(jìn)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(dāng)q取值不同時(shí)，t也會存在差異，例如當(dāng)q為的情況下，t均可以得到最大值，而當(dāng)q為0或p時(shí)，t均可以得到最小值。另外，考慮到管子在未發(fā)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(chǎn)生的正應(yīng)力就可以表示為考慮到慣性矩I2的表達(dá)公式，可以將正應(yīng)力公式直接表述為結(jié)合此公式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)y取值不同時(shí)，s也將不同，例如當(dāng)y取值為+R時(shí)，其取值最大；當(dāng)y取值為-R時(shí)，其取值最小，當(dāng)當(dāng)y取值為0時(shí)，其取值同樣為0。

3 彎管彈性與塑性變形分析

彎管工藝實(shí)質(zhì)上是管子彈性和塑性變形的過程，其主要發(fā)生在靠模和轉(zhuǎn)模之間的范圍內(nèi)，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(fā)生的時(shí)間都存在差異，所以筆者結(jié)合Y軸、Z軸和其余點(diǎn)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(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

管子橫截面中處于Y軸上點(diǎn)即彎管最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)的點(diǎn)，其分別處于單向拉伸應(yīng)力和單向壓縮應(yīng)力狀態(tài)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(rèn)為兩種應(yīng)力變形的屈服極限是一致的，結(jié)合塑性力學(xué)理論，可以發(fā)現(xiàn)彎管實(shí)際塑性變形量=總變形量-彈性變形量，即當(dāng)彎管卸載后其會存在一部分彈性恢復(fù)，而具體恢復(fù)的量由加載的速度和時(shí)間等因素決定，通常情況下彎管機(jī)轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)速較小的情況下，彎管彈性恢復(fù)的越小，這在一定程度上說明管子橫截面中處于Y軸上點(diǎn)的應(yīng)力是相同的[3]。結(jié)合屈服條件可以確定，當(dāng)最內(nèi)和最外側(cè)點(diǎn)所承受的正應(yīng)力相同的情況下，其可以同時(shí)進(jìn)入屈服狀態(tài)，產(chǎn)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(fā)生變化，由于管子橫截面中處于Y軸上點(diǎn)是橫截面中最先進(jìn)入屈服狀態(tài)的點(diǎn)，所以如果橫截面距F作用點(diǎn)的軸向距離小于或等于橫截面上最外側(cè)點(diǎn)與最內(nèi)側(cè)點(diǎn)進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)橫截面據(jù)靠模的最小距離，則認(rèn)為管子的橫截面處于彈性變形的過程中，而反之，則認(rèn)為管子處于塑性變形中，當(dāng)管子橫截面處于塑性變形狀態(tài)中時(shí)，橫截面上的應(yīng)力狀態(tài)是穩(wěn)定的。

3.2 管子橫截面中處于Z軸上點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

管子橫截面上處于Z軸上的點(diǎn)一直是純剪切狀態(tài)，所以其剪應(yīng)力最強(qiáng)，此力是橫截面畸變的主要內(nèi)在因素，為了使橫截面不發(fā)生塑性變形，其剪應(yīng)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(shù)值進(jìn)行控制，當(dāng)轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)速不斷提升的過程中，F(xiàn)也會隨之不斷變大，所以要控制剪力，應(yīng)對轉(zhuǎn)模的速度進(jìn)行合理的調(diào)控，否則彎管的橫截面將會發(fā)生畸變。

3.3 管子橫截面中其余點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

橫截面上的其余點(diǎn)會受到剪應(yīng)力和正應(yīng)力的共同作用，如果要是橫截面中的某點(diǎn)發(fā)生塑性變化，就要保證此點(diǎn)的偏應(yīng)力張量不變量等于某個固定的常數(shù)C，而常數(shù)C通常由計(jì)算獲取，而可以通過偏應(yīng)力S獲取，結(jié)合偏應(yīng)力的計(jì)算公式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橫街面上的對應(yīng)點(diǎn)將會進(jìn)入屈服狀態(tài)，發(fā)生塑性變化，但需要注意的是當(dāng)有的點(diǎn)開始發(fā)生塑性變化的同時(shí)仍有部分點(diǎn)在發(fā)生彈性變形，結(jié)合塑性力學(xué)理論，發(fā)生塑性變形的點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)并未發(fā)生本質(zhì)上的改變，可見在此狀態(tài)中彈性變形仍是主導(dǎo)。

4 彎管工藝過程

合肥和安機(jī)械制造有限公司所應(yīng)用的機(jī)械技術(shù)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(lián)接沿直徑模1中心旋轉(zhuǎn)，夾模3圍繞直徑模1中心一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)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(nèi)腔設(shè)一芯6作為填充物，芯6與設(shè)備的通芯桿螺紋聯(lián)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(zhì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，大大提高的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率（如圖2）。

圖2 合肥和安機(jī)械制造有限公司所應(yīng)用的機(jī)械技術(shù)

在彎曲工藝發(fā)生作用的過程中，管子的橫截面對稱軸位置會先轉(zhuǎn)變?yōu)榍顟B(tài)，而且會隨著彎矩的加大而沿著中性軸逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，直至橫截面的位置移動到轉(zhuǎn)模和管子的接觸位置，即橫截面全部進(jìn)入屈服狀態(tài)，可見管子塑性變化實(shí)質(zhì)上是發(fā)生在轉(zhuǎn)模和管子的接觸位置以前；當(dāng)管子受外力繼續(xù)轉(zhuǎn)動的過程中，橫截面會再次遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)模和管子的接觸位置，此時(shí)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(diǎn)不再具備屈服條件，所以塑性變形終止。結(jié)合亨蓋理論中塑性變化和角的關(guān)系轉(zhuǎn)換公式，可以發(fā)現(xiàn)彎管的橫截面必然存在角應(yīng)變，形成橫截面的畸變，同時(shí)在塑性變形使彎管內(nèi)側(cè)管壁的厚度會增加，而外側(cè)管壁厚度會減少的過程中使材料自然的由厚壁側(cè)向薄壁側(cè)流動，可見角應(yīng)變的存在具有雙面性。

5 結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段人們已經(jīng)認(rèn)識到彎管工藝對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)深化等方面的重要作用，并在實(shí)踐中嘗試結(jié)合彎管機(jī)的工作原理，對彎管工藝的受力分配及工藝自身實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行優(yōu)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(yīng)局部加熱彎管工藝的研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，1996，04：48～56.

[3]毛君，潘德文，謝 苗，李 強(qiáng)，董先瑞.中頻彎管機(jī)成形工藝的改進(jìn)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