冷弯管原理和弯管模具设计
一．弯管原理
弯管机标准模具包括：弯管模、夹紧块、导板（或滚轮）。多节活芯、防皱块为选件
D 管件外径t 管件壁厚R 弯曲半
管件外径D 仅反映管件大小，管件弯曲加工的易难程度取决于管件的壁厚和弯曲半径，管件壁厚越小，半径越小加工难度越大。
一般我们用相对壁厚，相对弯曲半径作为弯管的工艺参数
相对壁厚tx=t/D，相对弯曲半径Rx=R/D
弯管机对于Rx>3D，tx>0.04的管件使用标准模具即可, 对于Rx
弯管机可加上防皱板, 多节芯头等工艺措施来保证管件弯曲质量
弯管机主要采用缠绕弯管工艺，缠绕弯管工艺可以比较容易在弯管模具加上各种措施以得到较好的管件质量。
弯管工艺
弯管工艺，口径从DN25～DN104，壁厚1～2mm ，其弯曲半径一般为1D ，即是管子口径。 弯管最难处理的就是内圆弧，弯径小了容易起皱，上述工艺主要是消皱器起作用，所以能弯小半径的工件
那消皱器的材料很讲究，太硬了，磨伤工件，太软了，不起作用。是一种铜合金。
弯管芯棒的选取和使用
摘要：介绍了管子在冷态弯制时的变形情况，以及通过合理选择芯棒及掌握其正确的使用方法，达到弯制出理想小半径管件的方法。
键词：应力；芯棒；相对弯曲半径；相对壁厚
一、引言
弯管技术广泛应用于锅炉及压力容器行业，中央空调制造业、汽车工业、航空航天工业、船舶制造业等多种行业，弯管质量的好坏，将直接影响到这些行业的产品的结构合理性，安全性、可靠性等。因此，为了弯制出高质量的管件，就应该掌握管件在不同工艺条件下的加工技巧。对于冷态弯管，合理选择芯棒的形成及掌握其正确的使用方法非常必要。
二、工艺分析
在纯弯曲的情况下，外径为D 、壁厚为S 的管子受外力矩M 的作用发生弯曲时，中性层外侧的管壁受拉应力σ1的作用而减薄，内侧管壁受压应力σ2的作用而增厚(见图1a) 。同时，合力F1和F2又使管子弯曲处的横截面发生变形而成为近似椭圆形(见图1b) ，内侧管壁在σ2的作用下还可能出现失稳而起皱(见图1c) ，为弯制出理想的管件，就应采取相应的措施来防止上述这些缺陷的产生，其中有芯弯管就是最常用的有效方法之一。
图1管子弯曲时的受力及变形情况
(a)管子弯曲时的受力情况(b)管子弯曲时的截面变形(c)管子弯曲时的内侧失稳起皱所谓有芯弯管，就是当被弯制的管子相对弯曲半径R ／D 或相对壁厚S ／D 较小时，为了获得高质量的管件，在管子被弯制过程中，在其内部插入一根合适的芯棒，以防止管子弯曲时圆弧处出现变扁及起皱现象的方法(见图2) 。
图2有芯弯管示意图
1. 弯管模盘2. 芯棒头3. 防皱块4. 管子5. 芯棒杆6. 夹紧块7. 压力导向模
三、弯管方式的选择
一般来说，冷态弯管有两种方式：一种为无芯弯管，一种为有芯弯管。对于在什么情况下采用无芯弯管，什么情况下采用有芯弯管以及在有芯弯管时选用何种芯棒，需要对弯制管件的相对弯曲半径R ／D 及相对壁厚S ／D 、弯曲角度α数值的大小进行分析之后来确定。R ／D 、S ／D 及α各值与弯管方式及芯棒形状之间的相互关系如表1所示，弯管时参照此表可达到满意的效果。
从表1可以看出，对于相同外径D 、壁厚S 的管子，在弯制不同的圆弧半径R 时，由于其相对弯曲半径R ／D 、相对壁厚S ／D 以及弯曲角度α的不同，可分别选用下列方式进行弯管：①无芯弯管、②使用硬式芯棒弯管、③使用软式芯棒弯管等。当R ／D ≥3、S ／D ≥0.05时，采用无芯弯管即可；当R ／D ≤2.5、S ／D ≥0.05或R ／D ≥3、S ／D ≥0.025时，使用硬式芯棒可达到预期的效果；当R ／D 与S ／D 两者都较小而弯曲角度α较大时，弯管过程中必须使用软式芯棒。
表1
注：1. 选择虚线下面的方式进行弯管时，应配防皱块；2.N —表示可以不使用芯棒(即无芯弯管) ；3.H —表示可以使用硬式芯棒弯管；4.F —表示需使用软式芯棒
弯管，后面的数字为推荐的球节数。
四、芯棒的选用
芯棒的形状是多种多样的，对于具有不同相对弯曲半径或相对壁厚的管件，以及对其加工要求的不同，应选用不同的形状芯棒。一般情况下，可将芯棒分为两大类：一种为硬式芯棒(见图3a 、b 、c) ，一种为软式芯棒(见图3d 、e 、
f)
图3芯棒的基本形状
(a)圆柱芯棒(b)圆柱球头芯棒(c)爪形芯棒(d)链式芯棒(e)软轴芯棒(f)球窝节
芯棒
在选用硬式芯棒时，由于圆柱形芯棒(或圆柱球头芯棒) 形状简单、制造方便、所使用场合比爪形芯棒更普遍；而在选用软式芯棒时，由于球窝节芯棒能够多方挠曲，各球节之间是球面铰接，能适应各种变形，因此，在弯制薄壁或相对弯曲半径较小的管件时经常采用，同时，选用球窝节芯棒还要根据不同的相对弯曲半径、相对管壁厚度和弯曲角度考虑选用不同的球节数，球节数目的多少可参考表1选取。若球节数少，则达不到预期的效果；球节数多，则制造困难且不便于管子穿入。对于R ／D 、S ／D 及α在表1所列各值之间的数值，可参照此表折衷取值来选取芯棒和确定弯管方式。
芯棒形状选定后，还不能保证弯出高质量的管件，芯棒与管子内径之间的间隙大小也是影响弯管质量的重要因素。如果芯棒的球节直径偏小，管子弯曲时圆弧内侧有可能产生波浪形皱折(见图4A 处) ，而且还可能起不到防止圆弧外侧变扁的作用；直径偏大或者球节外径不够光滑时，会拉伤管壁，管子圆弧外侧还有可能起鼓包甚至破裂。选择合理的芯棒直径及对其充分润滑是保证弯管质量不可缺少的要素。
图4球节直径偏小时出现内侧起皱、外侧变扁
芯棒直径尺寸d 可参照下列经验公式选取：
d ≈(0.94～0.98)D
式中d —芯棒直径，mm
D —管子内径名义尺寸，mm
五、芯棒的正确使用
在芯棒形状和尺寸大小确定之后，其插入管子开始弯曲处的位置尺寸e(见图5) 也是影响弯管质量的一个不可忽视的因素。如果伸出靠前(e值太大) ，可能会挤裂管子外壁；如果插入不足，又起不到相应的防变扁作用，圆弧内侧还可能起皱。
图5芯棒插入到管子的位置尺寸
芯棒插入管子的初始位置尺寸e 值可参照下式选取：
e≤(1／4～1／2)D
式中e —芯棒插入管子弯曲起始处的距离，mm
D内—管子内径名义尺寸，mm
为弯出高质量的管件，在按照上式选取e 值后，应先进行试弯，根据试弯情况调整弯管方式及芯棒的形状(对于球窝节芯棒还要考虑选取不同的球节数) ，调整芯棒至恰当的位置，实验出同批次材料的回弹量并加以调整修正弯曲补偿角度，这样所弯制出的管件其圆弧处的横截面形状基本没有椭圆形。如果再配以防皱块和助推装置，可消除圆弧内侧管壁的波浪形皱折且可减少圆弧外侧管壁的减薄量，从而达到弯制薄壁或小半径管件的目的。
此外，在对方(矩) 形钢管进行弯制时，除模具及芯棒的截面形状与圆形钢管不同之处，其芯棒的选取使用及弯制方式基本相同。
薄壁钢管弯曲模具设计
弯管在制冷、机械、化工等行业中的应用十分广泛, 薄壁钢管弯管的批量生产, 一般是在弯管机上冷弯成形, 由于薄壁钢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。这些缺陷不但削弱钢管的强度, 降低其承载能力, 而且容易造成管内流动介质速度不均、产生涡流和弯曲部位积聚污垢等, 影响弯管的正常使用, 因此消除弯管缺陷成了弯管过程中最大难点, 必须高度重视。
一、薄壁钢管弯曲受力与变形分析
薄壁钢管弯曲时, 管子在外力作用下弯曲变形, 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。由于在管子弯曲过程中, 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大, 垂直面上的直径减小, 出现椭圆形。同时, 如果弯曲模具弧槽参数选择不当, 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, 因管壁失稳临界力较低而产生波浪形皱褶。由以上分析可知:薄壁钢管弯曲时极易产生瘪皱缺陷。因此设计薄壁钢管弯曲模具时, 必须合理确定其结构参数, 以便钢管弯曲时, 在模具作用下使管子产生一预加反应力, 以抵消薄壁钢管弯曲时产生的椭圆变形, 对弯曲部位的瘪皱缺陷进行合理控制。
二、薄壁钢管弯曲模具设计
简易薄壁钢管弯管机的结构如图1所示, 弯管模具如图2所示, 由弯管模块、滚动压轮和导轮组成。滚动压轮和导轮安装于滚轮座中, 并可在转盘的滑槽中上下移动。弯管时, 扳动手柄带动转盘绕轴转动, 由导轮向管子施加压力, 使其发生弯曲变形。同时滚动压轮在钢管弯曲部位施加一定压力, 通过轮上弧槽使之产生一反向预压力, 以抵消钢管弯曲时产生的椭圆变形, 使管子内缘与弯管模块弧槽紧密贴合, 以强化弯曲部位管壁, 消除内壁皱褶。
1. 弯曲模块
钢管弯曲后的半径和形状取决于弯管模块, 因此, 必须合理确定其结构参数, 弯管模块如图3所示:
(1)弯管模块直径D 由于外力取消后, 被弯曲的钢管会产生回弹, 所以弯管模块直径应小于两倍的弯管曲率半径, 数值按下面的经验公式计算
(2)圆弧槽半径r 与倒圆半径r1因相对弯曲半径ε(ε=R0/d)的不同而有所不同, 其目的是为了强化钢管弯曲部分管壁, 避免皱褶, 数值可按下式计算:
r=Kd/2,其中K 为按相对弯曲半径ε大小确定的系数, 当ε≥3.5时,K=1;当ε
倒圆半径r1可取1～2mm, ε小时,r1取小值。
当ε≥3.5, 钢管直径d 小时,r1取小值; 钢管直径d 大时,r1取大值。
(3)材料与表面粗糙度值选择弯管模块可选用45钢或50钢制造, 直径较大时, 也可选用HT200制造。为了给弯管内缘均匀压缩创造有利条件, 弯管模块弧槽面表面粗糙度值取Ra ≤
3.2μm 为好。
2. 滚动压轮
滚动压轮如图4所示, 为防止弯曲过程中划伤钢管表面, 需对弧槽边缘倒圆, 一般取倒圆半径r1=0.5～1 mm , 以不划伤钢管表面为宜。
为使滚动压轮在工作过程中对弯制钢管施加一反向预压力以抵消钢管弯曲产生的椭圆变形, 需将滚动压轮的弧槽面设计成双圆弧曲线, 其形状如图4所示。相关尺寸按下式计算:
滚动压轮的材料一般选用45钢, 反变形槽表面淬火硬度40～45HRC, 为使滚动压轮在工作过程中既对弯管侧壁有一定的拉拔作用, 又不致产生较大摩擦阻力, 其表面粗糙度值一般取Ra ≤3.2μm 为好。
3. 导向轮
r=d/2,材料与热处理同滚动压轮。
导向轮如图5所示, 为减小摩擦阻力, 圆弧槽中心离开导轮外缘表面1～1.5mm, 圆弧半径r=d/2, 材料与热处理同滚动压轮。
4. 滚动压轮与导轮相对位置
导向轮对钢管提前压弯角度α也是一个重要参数。为使滚动压轮所处位置恰好是钢管弯曲塑性变形的受力部位, 应使α等于被弯钢管的回弹角。滚动压轮中心线与弯管模块中心线的距离δ可取5～15 mm 。
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