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彎管在制冷、機(jī)械、化工等行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛,薄壁鋼管彎管的批量生產(chǎn),一般是在彎管機(jī)上冷彎成形,由于薄壁鋼管管壁支撐失穩(wěn)臨界力較低,彎曲部位常出現(xiàn)癟皺等變形缺陷。這些缺陷不但削弱鋼管的強(qiáng)度,降低其承載能力,而且容易造成管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)速度不均、產(chǎn)生渦流和彎曲部位積聚污垢等,影響彎管的正常使用,因此消除彎管缺陷成了彎管過(guò)程中最大難點(diǎn),必須高度重視。

一、薄壁鋼管彎曲受力與變形分析

薄壁鋼管彎曲時(shí),管子在外力作用下彎曲變形,其彎曲部分的外緣在拉應(yīng)力作用下管壁變薄,而管子內(nèi)緣在壓應(yīng)力作用下管壁增厚。由于在管子彎曲過(guò)程中,外緣拉應(yīng)力和內(nèi)緣壓應(yīng)力的合力都向中部作用,導(dǎo)致管子彎曲部位在水平面上的直徑變大,垂直面上的直徑減小,出現(xiàn)橢圓形。同時(shí),如果彎曲模具弧槽參數(shù)選擇不當(dāng),不能起到強(qiáng)化彎曲部位管壁的作用,則管子內(nèi)緣在壓應(yīng)力作用下,因管壁失穩(wěn)臨界力較低而產(chǎn)生波浪形皺褶。由以上分析可知:薄壁鋼管彎曲時(shí)極易產(chǎn)生癟皺缺陷。因此設(shè)計(jì)薄壁鋼管彎曲模具時(shí),必須合理確定其結(jié)構(gòu)參數(shù),以便鋼管彎曲時(shí),在模具作用下使管子產(chǎn)生一預(yù)加反應(yīng)力,以抵消薄壁鋼管彎曲時(shí)產(chǎn)生的橢圓變形,對(duì)彎曲部位的癟皺缺陷進(jìn)行合理控制。

二、薄壁鋼管彎曲模具設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易薄壁鋼管彎管機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,彎管模具如圖2所示,由彎管模塊、滾動(dòng)壓輪和導(dǎo)輪組成。

滾動(dòng)壓輪和導(dǎo)輪安裝于滾輪座中,并可在轉(zhuǎn)盤(pán)的滑槽中上下移動(dòng)。彎管時(shí),扳動(dòng)手柄帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng),由導(dǎo)輪向管子施加壓力,使其發(fā)生彎曲變形。同時(shí)滾動(dòng)壓輪在鋼管彎曲部位施加一定壓力,通過(guò)輪上弧槽使之產(chǎn)生一反向預(yù)壓力,以抵消鋼管彎曲時(shí)產(chǎn)生的橢圓變形,使管子內(nèi)緣與彎管模塊弧槽緊密貼合,以強(qiáng)化彎曲部位管壁,消除內(nèi)壁皺褶。

1.彎曲模塊

鋼管彎曲后的半徑和形狀取決于彎管模塊,因此,必須合理確定其結(jié)構(gòu)參數(shù),彎管模塊如圖3所示:

圖3 彎管模塊

1)彎管模塊直徑D由于外力取消后,被彎曲的鋼管會(huì)產(chǎn)生回彈,所以彎管模塊直徑應(yīng)小于兩倍的彎管曲率半徑,數(shù)值按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

(2)圓弧槽半徑r與倒圓半徑r1因相對(duì)彎曲半徑ε(ε=R0/d)的不同而有所不同,其目的是為了強(qiáng)化鋼管彎曲部分管壁,避免皺褶,數(shù)值可按下式計(jì)算:

r=Kd/2,其中K為按相對(duì)彎曲半徑ε大小確定的系數(shù),當(dāng)ε≥3.5時(shí),K=1;當(dāng)ε<3.5時(shí),K=1-0.1/(10ε³)

倒圓半徑r1可取1～2mm,ε小時(shí),r1取小值。
當(dāng)ε≥3.5,鋼管直徑d小時(shí),r1取小值;鋼管直徑d大時(shí),r1取大值。

(3)材料與表面粗糙度值選擇彎管模塊可選用45鋼或50鋼制造,直徑較大時(shí),也可選用HT200制造。為了給彎管內(nèi)緣均勻壓縮創(chuàng)造有利條件,彎管模塊弧槽面表面粗糙度值取Ra≤3.2μm為好。

2.滾動(dòng)壓輪

滾動(dòng)壓輪如圖4所示,為防止彎曲過(guò)程中劃傷鋼管表面,需對(duì)弧槽邊緣倒圓,一般取倒圓半徑r1=0.5～1 mm,以不劃傷鋼管表面為宜。

圖4 滾動(dòng)壓輪

為使?jié)L動(dòng)壓輪在工作過(guò)程中對(duì)彎制鋼管施加一反向預(yù)壓力以抵消鋼管彎曲產(chǎn)生的橢圓變形,需將滾動(dòng)壓輪的弧槽面設(shè)計(jì)成雙圓弧曲線(xiàn),其形狀如圖4所示。相關(guān)尺寸按下式計(jì)算:

滾動(dòng)壓輪的材料一般選用45鋼,反變形槽表面淬火硬度40～45HRC,為使?jié)L動(dòng)壓輪在工作過(guò)程中既對(duì)彎管側(cè)壁有一定的拉拔作用,又不致產(chǎn)生較大摩擦阻力,其表面粗糙度值一般取Ra≤3.2μm為好。


3.導(dǎo)向輪

r=d/2,材料與熱處理同滾動(dòng)壓輪。

導(dǎo)向輪如圖5所示,為減小摩擦阻力,圓弧槽中心離開(kāi)導(dǎo)輪外緣表面1～1.5mm,圓弧半徑r=d/2,材料與熱處理同滾動(dòng)壓輪。

4.滾動(dòng)壓輪與導(dǎo)輪相對(duì)位置

導(dǎo)向輪對(duì)鋼管提前壓彎角度α也是一個(gè)重要參數(shù)。為使?jié)L動(dòng)壓輪所處位置恰好是鋼管彎曲塑性變形的受力部位,應(yīng)使α等于被彎鋼管的回彈角。滾動(dòng)壓輪中心線(xiàn)與彎管模塊中心線(xiàn)的距離δ可取5～15 mm。