薄壁铜管弯曲中常见缺陷与预防措施

薄壁铜管弯曲中常见缺陷与预防措施

李强, 杨晓京, 魏岚

(1. 昆明理工大学机电学院, 云南昆明650093; 2. 昆明理工大学现代农业工程学院,

云南昆明

650224; 3. 江津师范学校, 重庆

402289)

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1,2

3

摘要:介绍了薄壁铜管在冷弯过程中经常会出现的缺陷, 如管壁变薄、管子断面变成椭圆以及弯曲处起皱等, 对出现这些缺陷的原因从理论上进行了分析, 给出了预防措施和解决办法, 并在实际生产中证明了这些理论的正确性与可行性, 对实际生产具有较好的指导作用。关键词:弯管机; 薄壁铜管; 起皱; 缺陷; 预防措施中图分类号:TG386. 43文献标识码:B 文章编号:1001-2168(2006) 10-0039-04

Common defects and p reventive measures

in co pp er thin_wall tube bendin g

LI Qiang , YANG Xiao _jing , WEI Lan

(1. Facult y of Mechanical an d Elect rical En g ineerin g , Kunmin g Universit y of S cience and Technolo -i gy , Ku nmin g , Yun nan 650093, China; 2. Facult y o f Mod ern A g ricultural En g ineerin g , Kun min g Un -versity of Science and Techn ology, Kunming, Yu nnna 650224, China;

3. Jiangjin Normal School, Cho ngqing 402289, C hina)

Abst ract :Defects such as thinnin g out of t ube, ovalization of tube cross section and wrink lin g at bend are o ften found during the process of roll forming of copper t hin _wall tub es. Theoretical analysis was made on th e causes and th en preven tive measures and the way ou t w ere put forward accord in g to theor y and work ex p eriences. Practical p roduction p roved th e correctn ess and feasib ilit y of th e theor y

Key words :pip e bender; copper th in _wall tube; wrinkle; defects; preventive measure

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1,2

3

1引言

薄壁铜弯管在汽车油路、换热器、空调、冰箱、航空航天工业等设备中的应用极为广泛。薄壁铜弯管的批量生产, 一般是在数控弯管机上冷弯成形的, 无论是有芯弯曲还是无芯弯曲, 由于薄壁铜管管壁支撑失稳临界力较低, 弯曲部位常出现瘪皱等变形缺陷。这些缺陷的产生不但会削弱管子的强度, 降低其承载能力, 而且容易造成管内介质流动速度不匀, 产生涡流和弯曲部位积聚污垢等, 影响弯管的正常使用, 因此消除弯管缺陷是十分必要的。针对不同的缺陷类型找出其产生的原因, 从而采取预防措施尤为重要。

实际生产中, 弯管工艺往往易产生下列质量缺陷:¹在弯曲变形区外侧, 管壁会产生壁厚变薄。º

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收稿日期:2006-04-25。

作者简介:李强(1978-) , 男, 四川南充人, 硕士研究生, 主要研究方向:虚拟制造和机电技术, 地址:昆明理工大学莲华校区学生宿舍6栋624, (电话) [1**********], 0871-5187313, (电子信箱) li q ian g 78@tom. com 。

[1]

在弯曲变形区内侧, 管壁会产生壁厚增大、起皱。»横截面形状畸变。¼回弹问题。

为了解决上述缺陷, 目前国内外学者对管材弯曲的研究主要集中于2个方面:¹通过理论解析和试验研究的方法对弯管的机理进行研究。º通过数值模拟的方法对弯管质量缺陷进行研究并改进工艺。

2弯管方法简介

实践中有许多不同的弯管工艺, 从不同的角度出发可以有多种不同的分类。工程中通常按弯管时加热与否分为冷弯和热弯, 根据弯曲时有无填充物分为有芯弯管和无芯弯管[2]。铜管特别是薄壁铜管弯曲都采用冷弯法。

冷弯法是在常温下使管子弯曲成形, 由于弯管时不用加热, 对弯曲不锈钢管、铝管及铜管更为适宜。常用的冷弯法有滚压弯曲、拉绕弯曲、推绕弯曲以及压力弯曲等, 现主要介绍拉绕弯曲成形中管件的相关问题。一般情况下, 冷弯的弯曲半径应不小于管子直径的1. 5倍。由于管子具有一定的弹性, 当

弯曲时施加的外力消除后, 管子会弹回一个角度, 在弯曲时必须要有一定过弯量。回弹量的大小与管子材料的机械性能、壁厚以及弯曲半径大小有关, 一般铜管弯制时回弹角大约为2b ~4b 。

拉绕弯曲是将管材夹紧在弯曲模上, 随弯曲模一起转动, 当管材被拉过压块时, 压块即将管材绕弯在弯曲模上, 属于成形模弯曲工艺。随着数控机床业的发展, 采用先进的数控弯管机床实现绕弯工艺可以大大提高生产效率, 保证产品质量。由于可以方便地调节工艺参数, 数控弯管机能既准确又稳定地完成校直、校圆、送料、弯曲等动作, 保证了管制件的弯曲准确度。但是弯曲铜管的质量对工艺参数更敏感, 因此要求有充分的前期准备和试制工作, 尤其是弯制薄壁铜管, 如果工艺参数选择不当, 则很容易出现起皱现象, 导致零件报废。如何高效准确地获取这些工艺参数, 充分保证弯管产品质量, 是数控绕弯工艺的研究热点。

在拉绕弯曲中, 芯棒相对于弯曲点的位置非常重要, 芯棒相对于弯曲点超前一定位置(芯棒工作端进入管子弯曲段) 虽可使椭圆度减小, 但当芯棒超前太多时就会增加管壁减薄量, 所以芯棒的位置要在弯曲试样3~4个后确定。此外, 还应考虑弯曲厚壁管时芯棒必然往后移动, 弯曲薄壁管时芯棒必然往前移动的特点。

中、低压管不超过15%, 且不小于设计壁厚。要解决薄壁管件弯曲起皱问题, 可从减少内侧管壁所受压力, 降低管件沿纵向的压缩变形入手。假定给管件沿纵向施加一个拉力N (力矩M 弯曲管件时, 由各夹紧模块产生的摩擦阻力生成的拉应力忽略不计) , 薄壁铜管弯曲时的应力如图2(a) 所示, 由增加的拉力N 所得的应力如图2(b) 所示[3]。

将图2(a) 与图2(b) 两个应力图叠加后的结果如图2(c) 所示, 图中e 代表中性轴外移量。

由叠加结果可知, 拉力N 逐渐增大时, 中性轴O -O c 随之逐渐下移, 受压区的面积和压力随之逐渐减小。假设理想状态为:当施加的拉力N 增加至一定大时, 中性轴已移到管件弯曲内侧的边缘, 此时管件成为大偏心拉弯构件, 其本身只产生拉伸变形, 起皱所必要的条件(压应力) 已不存在, 因而从根本上解决了薄壁管小曲率半径弯曲起皱问题。4常见的缺陷4. 1管壁变薄

管件在纯弯曲时, 外侧管壁因受拉力伸长而减薄, 管子弯曲处管壁减薄在很大程度上取决于弯曲半径、芯棒的伸出量、弯曲速度以及采用的弯管方法。弯曲半径的大小对弯管的影响可用下式表示:

T 1=T

1+2R

(1)

式中:T 1) ) ) 弯曲后外侧母线处管壁的厚度; R ) ) ) 弯曲半径; D ) ) ) 管子外径; T )) ) 原管壁厚度。

由式(1) 可见, 当管径D 一定时, 弯曲半径R 越大, 就越接近于T , 外侧管壁减薄得越少, 在弯曲中

图1有芯弯曲成形机构1. 铜管

2. 夹紧模块

3. 芯棒

4. 靠模块

5. 弯曲模块

管壁上所受的拉力越小, 而断面的椭圆变形和内侧管壁的折皱变形也就越小; 反之, 所选用的弯曲半径R 越小, 弯管的有害变形就越大。

在数控弯曲管材过程中, 由于弯曲中性层外侧的切向拉应力作用, 外侧减薄是不可避免的。但管壁厚度过度减薄必然降低管件的承载能力, 影响管件的使用性能, 严重时甚至导致开裂, 故壁厚减薄是影响数控弯管质量的一个主要因素。影响管弯曲壁厚减薄的因素很多, 芯棒是其中一个重要因素[4], 在有芯弯曲中, 芯棒伸出量对管壁变薄也有重要影响。随着芯棒伸出量的增加, 管材弯曲过程中的壁厚变薄率变化趋势可分为3个阶段, 即线性下降阶

段、过渡阶段和非线性增加阶段。有芯弯曲中弯曲

3弯曲变形理论

在机械冷弯中, 管件在纯弯曲时, 外侧管壁因受拉力作用伸长而减薄, 离中性层越远管壁伸长量越大, 因而管壁减薄量也就越大; 内侧管壁因受压力作用缩短而增厚, 离中性层越远增厚量也越大。薄壁管件在弯曲时产生的内侧管壁起皱现象正是由于管壁太薄, 受到压力作用的管壁的材料已满足不了沿纵向压缩变形的需要产生横向变形引起的。工业标准中, 高压管壁厚减薄率不超过10%,

(a) 弯曲管件受力图(b) 附加拉力应力图2弯曲成形应力图

(c) 应力叠加图

速度对壁厚变薄率的影响表现为:当弯曲速度在较小范围内增加时, 壁厚变薄趋向于减小; 当弯曲速度增加到一定值时, 壁厚变薄率达到最小值, 如继续增加弯曲速度, 壁厚变薄率将增加。

4. 2管子断面变椭圆

薄壁铜管弯曲时, 管子在外力作用下弯曲成形, 其弯曲部分的外缘在拉应力作用下, 管壁变薄, 而管子内缘在压应力作用下管壁增厚。由于管子弯曲过程中, 外缘拉应力和内缘压应力的合力都向中部作用, 导致管子弯曲部位在水平面上的直径变小, 垂直面上的直径增大, 出现椭圆形(见图3) 。此

处起皱、后切点处起皱、圆弧内侧全皱纹。前切点处起皱一般是由于芯棒安装时提前量过小, 前切点处管壁在弯曲过程中得不到芯棒支撑造成的。后切点起皱一般是由于没有安装防皱模块或虽有防皱模块, 但防皱模块的安装与弯管模块间的切点位置不对或两者错位造成的。全皱纹的产生一般是由于芯棒直径过小, 使得芯棒与管壁间隙过大造成的, 尤其在使用球节芯棒时, 如果球节直径较小, 再加上节距不当等原因更易产生皱纹; 或者是夹紧模块的压力过小, 不能使管子在弯曲过程中很好地与弯曲模块及防皱板贴合, 使管内侧受压应力R 2作用后有失稳起皱的空间。

对于圆弧内侧起皱, 应根据起皱位置采取对应措施, 若是前切点起皱, 应向前调整芯棒位置, 使芯棒提前量适当, 以达到弯管时对管子的合理支撑。若是后切点起皱, 应加装防皱模块, 并使防皱模块安装位置正确, 能和弯管模块很好地贴合, 还要调整夹紧模块的压力使压力适当。若圆弧内侧全是皱纹, 除调整夹紧模块使压力适当外, 还要检查芯棒直径

图3弯曲处管子截面变形示意图

以及球节芯棒各节间的节距, 直径太小或磨损严重时应更换芯棒。研究发现, 管材和防皱板的间隙是影响起皱的重要因素, 而且随着弯曲半径的减小, 截面畸变率和壁厚减薄率将会变大。同时, 如果弯管模块弧槽参数选择不当, 不能起到强化弯曲部位管壁的作用, 则管子内缘在压应力作用下, 也会因管壁失稳, 临界力较低而产生波浪形皱褶。5预防措施及解决办法

为了改善弯曲成形铜管, 特别是小弯曲半径(相对弯曲半径小于等于1. 5) 铜管的质量, 在机械冷弯时, 可采用顶镦装置(见图4) , 在管子末端加轴向推力F 。由于外加轴向推力产生的应力为R 2(见图5) , 在轴向推力F 作用下, 管子外侧拉伸后的切向拉伸应力由R 1减小到R 3, 使弯曲中性层半径由Q 1外移到Q 2, 如图5所示, 但此时内侧压缩后的压缩应力由R 1增大至R 3。

为了防止铜管在弯曲处内侧出现褶

时椭圆的短轴位于平面B ) B 上, 长轴位于平面A ) A 上, 椭圆变形程度称为椭圆度。

最大外径最小外径

椭圆度=@100%

最大外径

根据要求, 弯曲后铜管椭圆度应小于等于9%。

4. 3管壁内侧起皱

当弯曲薄壁铜管时, 内侧管壁在受压变形的过程中, 由于结构不够稳定, 除了增厚外, 还会产生折皱变形, 特别是当相对弯曲半径R c =管子弯曲半径R /管子外径D [1. 5时, 更容易出现褶折缺陷。管壁越薄, 结构稳定性越差, 越容易产生折皱变形。中、低压弯管内侧波浪度H =2~8mm, 波距t 应大于或等于4H [5]。

常见的圆弧内侧起皱一般有3种情况:前切点

细小废料的处理方法

顾瑾瑜

(厦门宏发电声有限公司, 福建厦门

361021)

摘要:在冲压生产过程中, 废料的产生是不可避免的, 一般来说, 对从凹模中跳出的较大的废料, 已经有了各种防范措施, 但是有些废料不是显而易见的, 现对冲压生产过程中产生细小、粉末状废料的原因进行了详细分析, 并提出了防止此类废料产生的方法, 提高了模具寿命和制件质量。关键词:细小废料; 原因; 防范措施中图分类号:TG386文献标识码:B 文章编号:1001-2168(2006) 10-0042-02

Treatment of little scra p s

GU Jin _y u

(Xiamen Hongfa Electro _acoustic Co ., Ltd, Xiamen, Fujian 361021,

China)

这种方法可弯制相对弯曲半径R c =l. 2的铜管。

6结束语

综上所述, 在弯制薄壁铜管的过程中, 由于工艺及操作不当等原因, 可能会使弯管产生不同类型、不

图41. 铜管

带轴向顶镦装置的弯曲成形机构2. 夹紧模块

3. 芯棒

4. 靠模块

6. 防皱板7. 弯曲模块

同程度的缺陷, 尤其当管件相对弯曲半径较小(小于1. 5) 时产生缺陷的可能性更大。应针对不同类型缺陷具体分析其产生的原因, 并根据不同情况采取相应措施, 如调整模具各部件之间的位置及压力、选择适用的芯棒、良好的润滑、加装防皱板及顶镦装置等, 均可减轻直至消除缺陷, 从而获得较好的弯管产品。

5. 顶墩装置

参考文献:

[1]杨祖孝. 薄壁钢管弯曲瘪皱分析及模具设计[J].模具工业, 1999, 26(8) :22_24. [2]赵臻淞, 杨

图5切向应力叠加图

合, 林

艳, 等. 管材弯曲工艺研究新进展

[J]. 金属成形工艺, 2002, 20(2) :1_6.

[3]刘鸿文. 材料力学(上册) [M]. 北京:高等教育出版社,

1992.

[4]詹梅, 杨合, 李

669_670.

[5]焦文泉. 管子弯曲加工[J].兰化科技, 1991(3) :66_72.

镇. 数控弯管中芯棒对管壁厚减薄

作用的有限元分析[J]. 机械科学与技术, 2004, 23(6) :

皱, 需在内侧采用防皱板装置, 改进后的铜管弯曲成形机构见图4。此外, 轴向推力的送进速度必须稍大于弯管时的弯曲线速度, 否则不能起到顶镦作用。轴向推力的大小一般用变压机构控制, 使中性层半径外移到平均半径的位置。生产实践表明, 采用

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