不銹鋼小直徑薄壁彎管模設計

新疆工程學院 （烏魯木齊 830013） 柳鵬旭

中石油獨山子石化機械制造有限公司 （新疆克拉瑪依 833600） 何多勝

圖1所示為北方常用安裝在暖氣管道上的一種冷水加熱裝置也叫過水熱，它的核心部件是不銹鋼冷熱交換管，不銹鋼材質、管子直徑12mm、壁厚0.3mm，要求彎成U字形，彎曲半徑25mm，彎曲后管徑收縮率不得大于80%，彎曲后不得有起皺和開裂。

圖1 不銹鋼薄壁管被制件

由于為了降低成本，所使用的不銹鋼管材質延伸率較小，管件彎曲半徑小、變形劇烈，而管件壁厚很薄，在彎型時管件容易失穩(wěn)起皺和開裂，使用普通的彎管模結構，彎曲管件不易成形，所以采用三輪帶軌道精密彎管模結構。

1.工藝方案分析

管件的彎型常有兩種工藝：

（1）熱彎：先向管子內腔灌入沙子，管子兩頭用木塞封閉使沙子保持一定的壓力，對要彎曲的部位加熱后，在簡易模具上彎曲成形。熱彎不需要復雜的模具，管件容易成形；但是操作費工費時效率低，適合較大直徑厚壁管件的單間小批量彎型，工藝復雜效率底。

（2）冷彎：就是使用彎管模具在室溫下對管件進行彎型。冷彎必須首先制作合適的彎管模具，操作簡單效率高，適合中小直徑管件的大批量生產彎型。工藝簡單便于操作。

由于本管件批量大、管徑小，不適合用熱彎工藝，只適合冷彎工藝。所以采用更容易使管件彎曲成形的彎管模結構。

2.模具結構設計

根據被制件結構圖，模具設計結構如圖2所示。

圖2 模具結構圖

上導軌板1是模具衛(wèi)輪上的行走軌道。內六角沉頭螺栓2把模具定輪和上導軌板聯接固定。絞手3彎形時起施加壓力的作用。模具定輪4作用：使管件彎曲并限制管件的彎曲尺寸。軸承5作用：給模具衛(wèi)輪當導輪，能限制模具衛(wèi)輪在上導軌板中正確運動還能降低工作中的運動阻力。兩個模具衛(wèi)輪6：使用兩個模具衛(wèi)輪是因為總變形系數可以分配到兩個模具衛(wèi)輪上，使管件先預彎再彎曲定型，充分降低管件在彎形中的變性程度使更容易成形。連聯接桿7：作用是把絞手的力矩傳遞給兩個模具衛(wèi)輪，同時也是快卸結構，完成彎形后可以快速卸下模具衛(wèi)輪和管件。推力板8：固定兩模具衛(wèi)輪和傳遞彎曲力矩。壓緊螺栓10、壓板11、壓板基座12：用于管件彎曲前的固定加緊。下導軌板12是模具衛(wèi)輪的下行走軌道，與上導軌板配合同時限制兩模具衛(wèi)輪的行走軌跡。

3.模具結構特點

（1）普通彎管模單模具衛(wèi)輪結構，這種彎型模只有一個模具衛(wèi)輪，管件彎型時由于沒有預彎輪只有一次彎曲成形輪，使管件變形過于劇烈，管件容易開裂或起皺。所以采用雙衛(wèi)輪結構，前輪使管件預彎型，后輪再進一步彎型到位。使彎型分為兩次完成，降低了彎型變形程度，使管件容易成形，如圖3所示，而單輪彎型管件一次彎型成形，變形巨裂不易成形。如圖4所示。

（2）由于是薄壁彎型，為防止彎型過程中產生缺陷，要求模具定輪與模具衛(wèi)輪槽型在工作中嚴格對正，不能有軸向和徑向的竄動。在模具定輪與模具衛(wèi)輪圓周設計凸凹軸向和徑向定位V形槽，為防止模具定輪與模具衛(wèi)輪在工作中受力分離，在模具結構中又設計了上下導軌防止模具受力分離，通過這些措施完全可以保證模具定輪與模具衛(wèi)輪在工作中，彎曲槽型嚴格對正且在工作中不分離，如圖5所示。

圖3 雙模具衛(wèi)輪結構原理圖

圖4 單模具衛(wèi)輪結構原理圖

（3）管件在U形彎曲后，彎曲部位截面變形成為類似于一個橢圓形，在大直徑普通厚壁管彎型中，管件承受變形的能力較大，同時模具定輪與模具衛(wèi)輪間隙也較大，模具定輪與模具衛(wèi)輪槽型設計成半圓形也不會產生缺陷。但是小直徑薄壁管件承受變形的能力較小，模具定輪與模具衛(wèi)輪槽型制作成半圓形彎曲后，管件彎曲部分發(fā)生橢圓變形，材料無處流動就會產生缺陷。所以模具定輪與模具衛(wèi)輪槽型設計成橢圓形，使材料得到充分的變形，有空間便于流動就不會產生彎型缺陷，如圖5、圖6所示。

圖5 彎曲前

4.模具工作過程

本模具只能對管件進行U形彎型，然后通過焊接形成如圖1所示制件。圖2中，管件首先通過沉頭螺栓10和壓板壓緊11，在俯視圖左邊裝入模具衛(wèi)輪總成、絞手3和連聯桿7，旋轉絞手到右邊位置，完成被制件彎型后拆下聯接桿7，此時可以推出模具衛(wèi)輪總成取下被制件，完成被制件彎型。

圖6 彎曲后

5.試壓彎曲后管件的缺陷分析

模具驗證主要產生兩個缺陷：①彎曲后U形件外層開裂。②彎形后內層起皺。其原因分析：

（1）彎曲后開裂原因分析：外層材料拉伸變形過于劇烈造成。產生的主要原因是兩個模具之間距離過小，兩輪分配的彎曲系數過大及彎曲槽型不合理所造成的。

（2）彎曲后起皺原因分析：是內層材料受到壓應力后，無法向別處流動而堆積而形成的，原因是模具定輪和模具衛(wèi)輪配合后，形成的橢圓槽長短軸比例不合理所造成。

（3）制造精度也能引起彎曲開裂和起皺的原因：①模具定輪和模具衛(wèi)輪彎曲槽型的橢圓形狀加工精度是否到位。②在彎曲過程中模具定輪和模具衛(wèi)輪彎曲槽型能否嚴格對正，這就要求模具定輪和模具衛(wèi)輪中的兩條定位V形槽和彎曲槽型在工作中三者嚴格對正，同時上下導軌還要保證模具衛(wèi)輪在模具定輪V形槽中工作時不能有分離，這完全是一種過定位的結構，在加工和裝配中有一定難度。如果這些問題得不到解決就會引起彎曲開裂和起皺。

6.解決措施

（1）針對外層開裂：適當增加兩個模具衛(wèi)輪之間的距離，同時調整模具定輪和模具衛(wèi)輪配合后槽型尺寸，使彎曲變形均勻分配到兩個模具衛(wèi)輪上，減緩外層變形劇烈程度，通過預彎和最終彎曲形成管件的彎型，驗證后被制件得到了徹底的改善。

（2）針對內層起皺：對模具定輪和模具衛(wèi)輪彎曲槽型進行了修正，適當增加了橢圓槽型截面積，同時調整橢圓槽長短軸比例，提供了更大的管件變形空間和截面積形狀，使內層受壓的多余材料向橢圓的長軸方向流動，管件彎曲后變形成橢圓形狀，從而不會引起內層受壓材料的堆積起皺，改變了管件壓縮變形方向，驗證后被制件起皺得到了徹底的改變。

（3）針對制造精度引起彎曲開裂和起皺：模具衛(wèi)輪和模具定輪的加工，采用在數控機床上一次裝夾，同時加工兩條凸凹V形槽和彎曲槽型，保證兩個模具衛(wèi)輪和模具定輪中的兩條凸凹V形槽與彎曲槽型位置度精度和同心精度都正確。

（4）上下導軌的導軌面和定位二臺面要求一次裝卡用數控機床加工出來，這樣可以保證過定位的精度。

（5）在模具裝配中要保證V形槽和彎曲槽型對正的同時，還要保證上下定位導軌能正確配合。防止模具衛(wèi)輪從模具定輪中脫離引起彎曲缺陷產生。

7.結語

改進后的彎管模具進行了驗證，彎形后的管件內外層光滑圓整，截面是橢圓形狀；無缺陷，樣品檢驗符合圖樣要求；成品質量穩(wěn)定，制造出了高精度的彎曲模。