薄壁铜管弯曲中常见缺陷与预防措施

1、薄壁铜管弯曲中常见缺陷与预防措施李强1,杨晓京1,2,魏岚3(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(200610-0039-04Common

2、defects and p reventive measuresin co pp er thin_wall tube bendin gLI Qiang 1,YANG Xiao _jin g 1,2,WEI Lan3(1.Facult y of Mechanical an d Elect rical En g ineerin g ,Kunmin g Universit y of S cience and Technolo -gy ,Ku nmin g ,Yun nan 650093,China; 2.Facult y o f Mod ern A g ricultural En g ineerin

3、 g ,Kun min g Un -i versity of Science and Techn ology,Kunming,Yu nnna 650224,China;3.Jiangjin Normal School,Cho ngqing 402289,C hinaAbst 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 copp

4、er 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 yKey words :pip e bender;copper th in _wa

5、ll tube;wrinkle;defects;preventive measure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137*,0871-*,(电子信箱li q ian g 78 。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

6、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1。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

7、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

8、大约为2b4b。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

9、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34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。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

10、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%,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,

11、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:T1=T11+D-T2R(1式中:T1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,在弯曲中管壁上所受的拉力越小,而断面的椭圆变形和内侧管

12、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(a弯曲管件受力图(b附加拉力应力(c应力叠加图图2弯曲成形应力图速度对壁厚变薄率的影

13、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。此图3弯曲处管子截面变形示意图时椭圆的短轴位于平面BB上,长轴位于平面AA上,椭圆变形程度称为椭圆度。椭圆度=最大外径-最小外径最大外径100%根据要求,弯曲后铜管椭圆度应小于

14、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D1.5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=28mm,波距t应大于或等于4H5。常见的圆弧内侧起皱一般有3种情况:前切点处起皱、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

15、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R2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,还要检查芯棒直径以及球节芯棒各节间的节距,直径太小

16、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R2(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R1减小到R3,使弯曲中性层半径由Q1外移到Q2,如图5所示,但此时内侧压缩后的

17、压缩应力由R1增大至R3。 为了防止铜管在弯曲处内侧出现褶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(200610-0042-02Treatment of little scra p sGU Jin_y u(Xiamen H

18、ongfa Electro_acoustic Co.,Ltd,Xiamen,Fujian361021, China图4带轴向顶镦装置的弯曲成形机构1.铜管2.夹紧模块3.芯棒4.靠模块5.顶墩装置6.防皱板7.弯曲模块图5切向应力叠加图皱,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