數(shù)控彎管機(jī)彎曲成形芯棒的研究

汪鵬飛，李殿起

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

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數(shù)控彎管機(jī)彎曲成形芯棒的研究

汪鵬飛，李殿起

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

數(shù)控彎管機(jī)管件彎曲成形過(guò)程中，易出現(xiàn)管壁壓扁、破裂、折皺等問(wèn)題。芯棒的設(shè)計(jì)和應(yīng)用解決了這一難題。所以優(yōu)化芯棒的技術(shù)是提高彎管質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。本課題以臺(tái)灣穎霖彎管機(jī)(CNC-80 Tube bender型)為對(duì)象就芯棒的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行了研究，并研究了芯棒直徑、伸出量、芯頭數(shù)等參數(shù)及關(guān)系公式，抽芯速度、彎曲速度對(duì)彎曲質(zhì)量的影響，芯棒與管件間隙對(duì)彎曲變形產(chǎn)生的影響，芯棒的選擇和應(yīng)用等問(wèn)題。芯棒的使用降低了生產(chǎn)成本，提高了質(zhì)量，為彎管成形加工提供理論參考與實(shí)際指導(dǎo)。

數(shù)控彎管機(jī)；彎曲成形；芯棒；伸出量

0 前言

隨著數(shù)控彎管技術(shù)廣泛應(yīng)用于空調(diào)、汽車(chē)、航空、船舶等多個(gè)領(lǐng)域，彎管在工業(yè)發(fā)展中占有越來(lái)越重要的地位，因此彎管的質(zhì)量和性能將直接影響工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能。但管件彎曲成型過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多缺陷，主要是彎曲破裂、壓扁、撕裂、起皺等問(wèn)題。灌沙是解決管件畸變的問(wèn)題的傳統(tǒng)方法，現(xiàn)在芯棒的設(shè)計(jì)與應(yīng)用合理地解決了彎曲成形中出現(xiàn)的問(wèn)題。芯棒是數(shù)控彎曲成形工藝的重要組成構(gòu)件，芯棒的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)對(duì)管件質(zhì)量有重要影響。近年，國(guó)內(nèi)外很多金屬材料方面的學(xué)者利用有限元、理論分析、實(shí)驗(yàn)分析對(duì)管件彎曲成形過(guò)程進(jìn)行了大量研究，主要研究管件材料性能。本文用臺(tái)灣穎霖生產(chǎn)的數(shù)控彎管機(jī)(CNC-80 Tube bender型號(hào))對(duì)芯棒的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了研究，對(duì)芯棒直徑、芯頭數(shù)、伸出量、抽芯速度、彎曲速度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，并建立了描述模型，研究參數(shù)對(duì)管件質(zhì)量影響的規(guī)律。分析得出芯棒伸出量對(duì)管件彎曲成形質(zhì)量的影響規(guī)律，芯頭數(shù)目對(duì)彎曲質(zhì)量的影響規(guī)律，芯棒厚度與彎曲質(zhì)量的關(guān)系，研究結(jié)果為數(shù)控彎曲加工過(guò)程中選取芯棒參數(shù)提供依據(jù)。

1 數(shù)控彎管機(jī)芯棒結(jié)構(gòu)與原理的分析

數(shù)控彎管技術(shù)就是彎管機(jī)與芯棒結(jié)合進(jìn)行彎曲加工的技術(shù)，芯棒的設(shè)計(jì)是根據(jù)管件彎曲形變情況而定的，芯棒的主要作用是管件彎曲時(shí)芯棒支撐著管件內(nèi)壁以防止管件扁化或開(kāi)裂。芯棒的結(jié)構(gòu)分為芯軸與芯頭，芯軸根據(jù)彎曲管材直徑不同而設(shè)計(jì)多種型號(hào)，芯頭數(shù)目根據(jù)管件彎曲情況以及管件材料性能而定。多種型號(hào)的芯棒設(shè)計(jì)可以供彎曲加工選擇。根據(jù)加工情況，合理的選擇芯棒類(lèi)型。芯棒有剛性芯棒和柔性芯棒兩類(lèi)。目前數(shù)控彎管加工中多使用剛性芯棒，柔性芯棒可根據(jù)管件彎曲程度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，管件彎曲成形后還可以從管道中抽出來(lái)，柔性芯棒的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)不用程度的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1為柔性芯棒基本結(jié)構(gòu)圖。

圖1 柔性芯棒基本結(jié)構(gòu)

柔性芯棒伸入管坯彎曲示意圖如圖2所示。在管件彎曲前，將芯棒預(yù)先安裝在工件設(shè)備上，再安裝毛坯管件，安裝時(shí)芯棒置入管件內(nèi)，管材固定在彎曲模具上，進(jìn)行加工前調(diào)整，彎曲模在設(shè)備指令下帶動(dòng)固定塊運(yùn)動(dòng)，使管件彎曲成形。

2 彎管機(jī)芯棒的參數(shù)分析

正確的選擇芯棒類(lèi)型是提高管件彎曲成形質(zhì)量的重要條件，芯棒伸入管坯的位置、芯棒與管坯內(nèi)壁的間距對(duì)彎曲管件的質(zhì)量也有重要影響。圖3所示為芯棒大小與芯頭位置示意圖。d表示芯棒直徑；s表示芯頭厚度；P表示芯棒與芯頭孔中心距；r表示芯棒圓角半徑；e表示芯棒伸出量。

圖2 柔性芯棒伸入管坯彎曲示意

圖3 芯棒結(jié)構(gòu)尺寸與工作位置示意

(1)芯棒直徑d。芯棒直徑大小與管壁內(nèi)側(cè)間隙對(duì)管件彎曲質(zhì)量有關(guān)，當(dāng)芯棒直徑d較小時(shí)，芯棒對(duì)管壁起不到支撐作用，彎曲時(shí)管壁會(huì)發(fā)生折皺或扁化情況；當(dāng)芯棒直徑d較大時(shí)，管壁橫截面變形減小，管材所受切向應(yīng)力增大，易引起管件外裂。所以，合理的設(shè)計(jì)芯棒直徑很重要，實(shí)際應(yīng)用的芯棒直徑都比管件內(nèi)徑小，根據(jù)實(shí)際加工芯棒直徑公式

d≈(0.96～0.98)D內(nèi)

(1)

式中，D內(nèi)表示管壁內(nèi)徑。

(2)芯棒伸出量e。芯棒伸出量對(duì)管件橫截面變形程度、扁化、開(kāi)裂、壁厚減薄、折皺等都有影響。當(dāng)芯棒的芯頭所處位置不合適時(shí)，管件彎曲易發(fā)生各種缺陷，當(dāng)芯棒伸前量e較小時(shí)，芯頭不能為管件彎曲提供足夠的支撐力，彎曲時(shí)產(chǎn)生扁化，且管壁所受切應(yīng)力較小，管壁的減薄率也較小。當(dāng)芯棒伸前量較大時(shí)，管件內(nèi)壁與芯棒的間隙變小，摩擦力增加，管件受切應(yīng)力也增大，管件減薄率增加，管件將出現(xiàn)折皺、開(kāi)裂現(xiàn)象。根據(jù)圖3芯棒位置的幾何關(guān)系，可以粗略的計(jì)算出伸前量為

e=μ(2R+D內(nèi)-2t-u)

(2)

式中，t表示管件壁厚；μ表示芯軸與管壁內(nèi)側(cè)間隙距。

實(shí)際生產(chǎn)中使用的芯棒都有圓角，所以考慮芯棒圓角半徑r，再計(jì)算芯棒伸前量時(shí)，理論值e和實(shí)際生產(chǎn)值e′分別為

e=(R+D2-T)2-(R+d2)2+r

(3)

e′=(1/4～1/3)D內(nèi)

式(3)中可以得出伸前量與芯棒參數(shù)的關(guān)系。

(3)芯棒芯頭參數(shù)。影響管件質(zhì)量的除芯棒直徑、伸前量，還與芯頭有關(guān)。芯頭參數(shù)包括芯頭的厚度s、中心距P、芯頭數(shù)量n等。

芯頭厚度s與間距P對(duì)管件成形的影響，當(dāng)s較小時(shí)，芯頭連接時(shí)與下一個(gè)芯頭之間的連接不穩(wěn)定，影響芯棒的性能。當(dāng)芯頭s較大時(shí)，芯棒不能為管壁內(nèi)側(cè)提供足夠的支撐力。芯頭中心距P時(shí)，芯頭連接時(shí)發(fā)生干涉，對(duì)管件彎曲半徑有影響，且管壁橫截面支撐不足，從而引起管壁的畸變。根據(jù)實(shí)際彎曲生產(chǎn)情況可知中心距P的關(guān)系為

P-sD/2≤π6

(4)

為避免芯頭連接時(shí)發(fā)生干涉，根據(jù)幾何關(guān)系可得芯頭厚度關(guān)系為

nsR-D/2≤nPR

(5)

理論要求管件的有效支撐面是圓心角所對(duì)應(yīng)的圓弧段，且圓心角應(yīng)大于彎曲角度的一半，管件彎曲受力時(shí)，芯棒與管件內(nèi)壁是接觸臨界狀態(tài)，可得厚度s、P為

s=πα180(R-d2)-en

(6)

P=παR180-en

(7)

根據(jù)式(4)、(5)可確定芯頭參數(shù)的取值范圍，根據(jù)(6)、(7)可計(jì)算芯頭厚度、芯頭中心距的值。

(4)芯頭數(shù)目n。芯頭數(shù)目對(duì)管件的畸變和壁厚變化有影響，芯頭數(shù)目越多，芯棒與管件內(nèi)壁的摩擦力越大，則管壁外側(cè)越薄，同時(shí)芯棒退出難度增大，如果管件彎曲角度增大，芯頭數(shù)量多會(huì)對(duì)彎管件受力起到很好的支撐力，從而保證管件彎曲質(zhì)量。芯頭數(shù)目計(jì)算公式:

n=α-arctaneR2arcsinP2R

(8)

與管件彎曲成形質(zhì)量有關(guān)的還有退出芯棒的速度、管件彎曲的速度、助推管件進(jìn)給的速度。所以合理的采用芯棒參數(shù)以及機(jī)床運(yùn)動(dòng)各參數(shù)對(duì)彎曲質(zhì)量有重要影響。

3 芯棒的實(shí)驗(yàn)與使用

根據(jù)課題對(duì)芯棒結(jié)構(gòu)及參數(shù)的研究，以臺(tái)灣穎霖?cái)?shù)控彎管機(jī)為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)材料為321不銹鋼，做芯棒參數(shù)不同情況下對(duì)管件彎曲質(zhì)量的影響，實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能

芯棒影響彎曲質(zhì)量的主要參數(shù)是伸前量e、中心距P、芯頭數(shù)目n，對(duì)芯棒設(shè)置不同條件的參數(shù)，觀察管件壁厚變化、開(kāi)裂情況、回彈角度，并檢測(cè)管件彎曲成形后質(zhì)量情況，表2是芯棒參數(shù)變化設(shè)置。

表2 芯棒實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)芯棒參數(shù)條件設(shè)置不同，記錄實(shí)驗(yàn)條件，測(cè)量管件成形后變化值，得出管件薄厚變化率、橫截面變形率 回彈角變化等情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析出一定條件下管件彎曲質(zhì)量最好的芯棒參數(shù)，表3是管件彎曲成形實(shí)驗(yàn)值。

表3 管件彎曲變化試驗(yàn)值

試驗(yàn)管材變形情況如圖6。

圖6 試驗(yàn)管材變形對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果得出芯棒參數(shù)對(duì)管件彎曲質(zhì)量影響的規(guī)律，為實(shí)際彎管加工提供數(shù)據(jù)支持。

芯棒的應(yīng)用使管件彎曲質(zhì)量得到了很大提高，比傳統(tǒng)的灌沙方法方便、高效，目前芯棒技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，對(duì)工業(yè)發(fā)展有重要影響。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的灌沙方法已經(jīng)不能滿足對(duì)管件彎曲質(zhì)量的要求，芯棒的設(shè)計(jì)和應(yīng)用對(duì)彎管質(zhì)量有了很大提高，根據(jù)建立芯棒參數(shù)模型，對(duì)不同芯棒參數(shù)條件做了多次彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明了芯棒對(duì)彎管質(zhì)量有重要影響，以及芯棒各參數(shù)對(duì)彎管彎曲成形中具體缺陷的影響，并為彎管的實(shí)際加工提供數(shù)據(jù)支持。

[1] 鄂大辛.金屬管材彎曲理論及成形缺陷分析[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2016：127-181.

[2] 王同海. 管材塑性加工技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1998：28-29.

[3] 金國(guó)明 .彎管芯棒的選取和使用[J]. 模具技術(shù)，1999,24(02)：62-65.

[4] 劉婧瑤，唐承統(tǒng)，寧汝新，等.薄壁管數(shù)控彎曲成形中芯軸參數(shù)的確定[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2008，24(05)：70-73.

[5] 艾治勇.彎管的彎曲成形分析及其力學(xué)特性研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2005:47-48.

[6] 張靜靜，楊合，詹梅，等.助推作用對(duì)大口徑鋁合金薄壁管數(shù)控彎曲壁厚減薄和回彈的影響[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2008，15(01)：60-65.

[7] 杜紅偉.薄壁管有芯旋轉(zhuǎn)模彎成形回彈與伸長(zhǎng)的研究[D].杭州： 浙江工業(yè)大學(xué),2010：24-26.

[8] 賈美慧,唐承統(tǒng),王文剛.工藝參數(shù)對(duì)管材繞彎成形質(zhì)量的顯著性影響分析[J].機(jī)床與液壓,2012，40(21)：29-33.

[9] 許小妹，魯世強(qiáng)，方軍，等. 芯棒伸出量對(duì)不銹鋼管數(shù)控彎曲成形質(zhì)量的影響[J].鍛壓技術(shù)，2014(05)：73-77.

[10] 李廷平，羅欣，劉錦平，等.管材繞彎成形芯棒的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].銅業(yè)工程，2016(02):19-23.

[11] 巫帥珍，王雅萍，朱目成,等.芯棒參數(shù)對(duì)薄壁管繞彎成形質(zhì)量影響分析[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(02)：99-105.

[12] 鄂大辛，寧汝新，唐承統(tǒng)，等.管材的回轉(zhuǎn)牽引彎曲試驗(yàn)及回彈分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,26(05)：410-412.

[13] 鄂大辛，寧汝新，古濤.管材橫截面畸變的試驗(yàn)分析[J].兵工學(xué)報(bào)，2006(05)：68-71.

Research of CNC pipe bender forming mandrel

WANG Peng-fei，LI Dian-qi

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In CNC pipe bender, the forming process of tube wall is seen flattening, rupture, wrinkle and so on, while the design and application of mandrel could solve this difficult problem. So the optimization of the mandrel technology is very important to improve the quality of pipe bending. In this paper, it took the Taiwan Yinglin pipe bending machine (CNC-80 Tube bender type) as it’s concerning subject, the mandrel design, structure and principle are analyzed, it discussed mandrel diameter, stretch out the amount, core numbers and their relationship formulas. After that it considered how much the core pulling speed and bending speed influence bending quality, as well as the fitting clearance between the mandrel and the pipe on the impacts of bending deformation, issues of the selection and application of mandrel. It showed using mandrel could reduce the production cost, improve quality, which provide theoretical reference and practical guidance to bend forming.

CNC pipe bending machine;forming;mandrel;out of the amount

2017-01-03；

2017-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51105257,51310105025)遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃(LQJ2014012)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2015M571327)

汪鵬飛(1989-)，男，河南人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻饘俟懿臄?shù)控彎曲及仿真分析。

TG335.6

A

1001-196X(2017)04-0030-04