小彎頭管缺陷分析及彎曲成形工藝優化

羅 欣，劉錦平,2，朱 暉，陳進方，葉酈峰，付 俊

（1. 江西銅業集團公司，江西 南昌 330096；2. 江西理工大學 材料科學與工程學院，江西 贛州 341000）

小彎頭管缺陷分析及彎曲成形工藝優化

羅 欣1，劉錦平1,2，朱 暉1，陳進方1，葉酈峰1，付 俊1

（1. 江西銅業集團公司，江西 南昌 330096；2. 江西理工大學 材料科學與工程學院，江西 贛州 341000）

當今空調銅管的發展趨勢表現為小口徑、薄壁，小彎頭管在彎制過程中易出現管口扁平、外側管壁開裂和內側起皺等缺陷。采用DEFORM有限元軟件分析了銅管彎制過程中缺陷產生原因，并對芯桿位置和尺寸進行了優化。研究結果表明：當彎曲角度為180°時，銅管易產生外側裂紋，并由外側向內側擴展；在彎曲角度為0~90°范圍內銅管內側易出現起皺現象；Φ7×0.41mm銅管彎曲時較優的芯桿直徑為5.80mm，提前量為2mm。根據以上參數，對銅管進行了彎曲試驗，并沒有出現外裂、內皺和扁平等缺陷，獲得了優良的小彎頭管。

小彎頭管；缺陷；芯桿；提前量；彎曲角度

1 引言

銅管廣泛應用于空調制冷行業的“兩器”（蒸發器、冷凝器）和連接管件。無論哪種用途，它都是制冷劑的重要通道。小彎頭銅管主要用于“兩器”的連接管：內螺紋銅管彎制成長U管后穿入帶孔的鋁箔，管與管之間需要用小彎頭銅管連接起來，制成“兩器”［1］。目前，為了增強銅管的換熱效果和降低生產成本，許多企業對空調銅管的徑厚比及齒形提出了較高的要求，其發展趨勢表現為小口徑、薄壁和瘦高齒等，因此用于小彎管的光面銅管尺寸趨向φ7×0.41mm以下［2-4］。這一要求使得銅管在彎制過程中易出現“U”型處扁平率大、外側管壁減薄量過大、外側開裂和內側起皺等缺陷［5-7］。經查閱，小彎頭管的彎制成形研究國內外鮮見報道，其工藝技術尚無合適的資料可參考借鑒。因此，研究分析小彎頭管缺陷形成原因和彎曲成形工藝對于提高小彎頭管生產的穩定性和成品率具有極其重要的意義。

管材彎曲成形過程是利用壓力裝置和模具使管材發生塑性變形，從而獲得成形或制品［8-9］。整個彎曲成形過程較復雜，難以從實驗階段入手分析。故本文擬采用DEFORM有限元軟件對彎曲成形過程進行工藝優化，并從實驗角度對理論工藝進行驗證。

2 實驗過程

2.1 DEFORM有限元數值模擬過程

Deform數值模擬過程主要包括三個階段：前處理、運行和后處理過程。銅管彎曲過程模型如圖1所示。模型由壓板、芯桿、導輪和銅管四部分構成。其中壓板、芯桿、導輪均為剛性體，銅管為塑性體。根據銅管壓彎成形對稱特點，選取1/2銅管進行分析。將銅管劃分80000個單元網格，單元類型為四面體單元。在銅管彎曲變形過程中，壓板和芯桿都發生旋轉運動，其旋轉中心為導輪的中心，而導輪則固定不動。

圖1 銅管彎曲模型

2.2 彎管試驗

采用TBSU5-5/Q彎管機對Φ7×0.41mm銅管進行彎管試驗。一次彎曲5個銅管，彎管速度為3rad/s。

3 實驗結果及分析

3.1 彎管缺陷分析

銅管材彎曲變形時，根據塑性變形體積不變的原理，中性層內外側發生壓縮和拉伸。管材在外力作用下彎曲時，中性層外側的材料受到拉應力作用，使管壁減薄，導致銅管外側產生裂紋（圖2a）；內側的材料受到壓應力作用，使管壁增厚，從而在銅管內側易失穩出現皺紋缺陷（圖2b）。而且，外側拉應力合力向下，內側壓應力的合力向上，銅管橫截面在受壓情況下，法向直徑縮小、橫向直徑增大而由圓形變成橢圓形。

圖2 銅管彎曲缺陷

圖3 所示為銅管在彎曲過程中最大等效應力的變化過程。由圖可知，在銅管彎曲過程的中，最大等效應力均位于銅管的外側，而且最大等效應力的位置隨著彎曲程度的增加而發生移動（圖中箭頭所示）。這說明在銅管的外壁較易產生裂紋，而且裂紋發生的位置會隨著彎曲而發生變化。當彎曲角度為180°時，最大等效應力值的范圍最寬，在此處最容易發生外裂。而且，裂紋的擴展方向是由外側向內側（圖2a）。

圖3 銅管彎曲成形過程中的應力狀態

圖4 所示為銅管在彎曲過程中各質點的位移矢量圖。由圖可知，當彎曲角度為45°時，在彎曲部位處質點的移動方向呈現螺旋形；當彎曲角度增至90°時，質點的螺旋運動移動至銅管內側。質點的螺旋運動易使多個質點在內側堆積，從而產生壁厚增加現象，而且易導致出現皺褶現象；當彎曲角度增至135°和180°時，彎曲處質點的螺旋運動消失。這說明銅管彎曲的內皺現象易發生在0~90°的范圍內（圖2b）。

3.2 芯桿大小和位置

銅管彎曲過程中外側壁厚減薄易產生外裂，內側壁厚增厚易產生皺紋。同時，銅管壁厚的變化與芯桿尺寸和位置具有明顯的相關性。本文研究了芯桿尺寸和芯桿位置對管材壁厚變化和扁平度的影響。其中，芯桿的扁平度的大小通過彎曲后銅管的最小直徑來度量，扁平度與最小直徑成反比關系。工藝條件如表1所示。

圖4 銅管彎曲成形過程中質點運動及局部放大圖

表1 芯桿直徑和位置

（1） 芯桿位置的確定。

圖5所示為芯桿直徑為5.8mm~6.0mm時，不同提前量對管材內側壁厚變化影響規律。

圖5 芯桿提前量對內側壁厚的影響

由圖可知，當提前量位于-2mm~+2mm區間時，管材的壁厚變化不明顯，內側壁厚約為0.50mm。當提前量大于2mm時，壁厚變化呈較明顯遞減趨勢。壁厚波動幅度較大，從而易導致銅管產生失穩而起皺。因此，從銅管內側壁厚變化可知，芯桿較優的提前量為-2mm~+2mm。

圖6所示為芯桿直徑為5.8mm~6.0mm時，不同提前量對管材外側壁厚變化影響規律。

圖6 芯桿提前量對外側壁厚的影響

由圖可知，當提前量位于-2mm~+2mm區間時，管材的壁厚變化較小，外側壁厚約為0.32mm；當提前量達到2mm時，外側壁厚表現為最大值；當提前量大于2mm時，壁厚產生了較明顯減薄，從而使其易出現裂紋。由此可知，從銅管外側壁厚變化可知，銅管彎曲過程中芯桿較優的提前量為2mm。

圖7所示為芯桿直徑為5.8~6.0mm時，不同提前量對管材扁平度變化影響規律。

圖8 芯桿直徑對管材內、外側壁厚和扁平度的影響

由圖可知，當芯桿直徑為5.80mm~5.90mm時，內外壁壁厚尺寸較為穩定；當芯桿直徑增至為5.95mm時，內側壁厚減薄，外側壁厚變化不明顯；當芯桿直徑增至為6.00mm時，內側壁厚略為減薄，外側壁厚減薄較為顯著。而銅管最小直徑表現為隨著芯桿直徑增加而減小，因此扁平度逐漸增加。由此可知，較優的芯桿直徑為5.80mm，芯桿提前量為2mm。

為驗證上述所優化的理論參數，對直徑為7mm、壁厚為0.41mm的銅管進行彎曲試驗，獲得了優良的小彎頭管，并沒有出現外裂和內皺缺陷，如圖9所示。

圖9 小彎頭管

由圖可知，當提前量位于-2mm~+2mm范圍時，隨著提前量增加，最小外徑增加，扁平度逐漸減小；當提前量位于2mm~8mm范圍時，隨著提前量增加，最小外徑值減小，扁平度急劇增加。這說明當芯桿提前量為2mm時，銅管彎曲時的扁平度最小。綜合上述可知，銅管在彎曲的過程中較優的芯桿提前量為2mm。

（2）芯桿尺寸的確定。

為進一步確定芯桿的尺寸，本文以提前量為2mm分析芯桿尺寸對變形后銅管壁厚和扁平度的影響。圖8為不同芯桿直徑對銅管內側、外側壁厚和扁平度的影響。

4 結論

（1）當彎曲角度為180°時，最大等效應力值的范圍最寬，銅管外側最容易產生裂紋，并由外側向內側擴展；

（2）銅管在彎曲角度為0~90°的范圍內由于質點的螺旋運動而產生內皺缺陷，當彎曲角度增至135°和180°時，彎曲處質點的螺旋運動消失；

（3）銅管彎曲變形時較優的芯桿直徑為5.80mm，芯桿提前量為2mm。在此工藝條件下可獲得品質較優的小彎頭管。

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The Defects Analysis of Small Elbow Tube and Its Optimization of Bending Process

LUO Xin1, LIU Jin-ping1, 2, ZHU Hui1, CHEN Jin-fang1, YE Li-feng1, FU Jun1
（1. Jiangxi Copper Corporation, Nanchang 330096, Jiangxi, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000 , Jiangxi , China）

Small diameter and thin wall tube is a trend of development for air-conditioner pipe now, the outside crack, inside wrinkle and orifice flat easily appear during a small elbow pipes preparation. The causing reason of copper tube defects was analyzed and the position and size of core was optimized. These results show that the cracks easily occur at outside and expand towards inner when the bend angle is 180°, the wrinkles appear at the inner of tube during the angle of 0~90°. The optimal parameter is 5.80 mm core diameter and 2 mm ahead for Φ7×0.41mm copper tube. According to these parameters during bending tube experiments, the defects of outside crack, inside wrinkle and flatness were basically eliminated and the excellent tubes were obtained.

small elbow tube；defects；core；ahead；bending angle

TG339

A

1009-3842（2015）05-0001-04

2015-08-14

羅欣（1967-），女，北京人，大學本科，主要從事銅及銅合金加工技術管理工作。E-mail:xuzhiqi917@sina.com