管材繞彎成形芯棒的設計與應用*

李廷平，羅 欣，劉錦平，，王躍臣，蔡 凱，曹榮華（.江西理工大學 材料科學與工程學院，江西 贛州 34000；.江西銅業集團公司，江西 南昌 330096）

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管材繞彎成形芯棒的設計與應用*

李廷平1，羅 欣2，劉錦平1，2，王躍臣1，蔡 凱1，曹榮華1
（1.江西理工大學 材料科學與工程學院，江西 贛州 341000；2.江西銅業集團公司，江西 南昌 330096）

摘要：管材繞彎成形易出現外壁破裂、內壁起皺、截面畸變及回彈等缺陷，合理設計芯棒是保證其成形質量的重要手段之一。通過闡述繞彎成形過程和原理，分析芯棒的結構類型，探討了芯棒直徑、伸出量和芯頭數目、厚度與間距對管材繞彎成形的影響，并給出芯棒與芯頭參數的計算公式和經驗，對繞彎芯棒的選擇和使用具有一定指導意義。

關鍵詞：繞彎；芯棒；芯棒直徑；芯棒伸出量；芯頭

1　引言

管材作為氣體、液體流通交換的運輸通道和結構件，廣泛應用于汽車、空調、石油化工和航空航天等領域，高精度、輕量化、強韌化和低耗高效是對管材要求的趨勢［1］。繞彎成形具有效率高、操作簡單、穩定性好等特點，是目前常用的彎管塑性加工成形方法之一。然而，薄壁管繞彎成形過程中易產生許多缺陷，主要有：外壁減薄甚至破裂、內壁失穩起皺、橫截面橢圓畸變和回彈等，嚴重影響了管材品質［2］。產生缺陷的原因比較復雜，與管材接觸的繞彎模是重要影響因素之一。彎曲芯棒作為彎曲模具的重要組成部分，其參數的設計對成形質量起著關鍵作用。Chao等人［3］通過研究發現彎曲模具對彎管質量具有重要影響。本文在分析繞彎成形過程和芯棒的結構形式的基礎上，探討了各種芯棒形狀、尺寸和伸出量等參數對繞彎成形的影響，為實際生產過程中芯棒的設計提供經驗和指導。

2　繞彎成形原理及變形分析

繞彎成形分為有芯彎曲和無芯彎曲，可依據管材的徑厚比D/T和相對彎曲半徑R/D確定采用有芯彎管還是無芯彎管［4］。相對彎曲半徑大于1.5時采用無芯彎曲，直徑較大、壁厚較薄的管材成形采用有芯彎曲。圖1所示為典型有芯繞彎成形示意圖（a）及其模具標準結構組成（b）。繞彎時，首先把芯棒固定于管坯與彎曲模的相切點，送料裝置將管料送入芯棒；然后，夾緊塊將管材前端夾緊在彎曲模具上，同時壓塊和防皺塊夾緊管坯。最后，彎曲模帶動夾緊塊以一定的角速度圍繞彎曲模中心O點旋轉，使管材產生彎曲變形。為保證管材未變形直線段部分不產生橫向移動，壓塊壓緊管后與其一起向前運動。

彎曲過程中在外力作用下，管材變形區中性層外側材料受到切向拉應力作用而伸長變薄，內側材料受到切向壓應力而增厚。因此，彎曲時易出現外壁減薄破裂、內壁失穩起皺、橫截面畸變等缺陷。合理選擇芯棒是彎制良好質量管件最常用的有效方法之一。

圖1　繞彎成形示意圖及其模具

3　芯棒的類型和設計

3.1芯棒的類型

在彎曲變形過程中芯棒為管壁提供有效的支撐，改善塑性變形區金屬的流動以平衡管材內壁的壓縮和外壁的拉伸，防止管件截面畸變和管壁起皺開裂。盡管芯棒作用相同，但不同類型芯棒對彎曲作用程度有所差別，導致成形效果不同。常見芯棒結構形式可分為硬式芯棒和軟式芯棒，如圖2所示［5］。圖2（a）、（b）、（c）芯棒屬于硬式芯棒，圖2（d）、（e）、（f）為軟式芯棒。硬式芯棒又可分為柱塞式芯棒（圖2a、b）和勺式芯棒（圖2c）。

柱塞式芯棒形狀簡單，但彎曲時芯棒與管壁接觸少，防截面畸變效果差，常用于質量要求不高管件的彎曲；勺式芯棒與管坯外壁支撐面積大，比圓頭芯棒防截面畸變效果好。而且其制造容易，具有一定的防皺效果，多用于中等壁厚的小半徑彎曲管件。

軟式芯棒由于含有芯頭而使其制造困難，但其應用最廣。依據芯頭數目及其連接方式不同，軟式芯棒可分為球窩式芯棒、鏈節式芯棒和軟軸式芯棒（圖2d、e、f）。球窩式芯棒只有一個芯頭，芯頭能繞裝配支點轉動一定角度，并且可以深入變形區與管坯一起彎曲，因此防截面形狀變形效果好；鏈節式芯棒與軟軸式芯棒均含有多個芯頭，且芯頭連接不同。前者芯頭之間依靠鏈節連接，芯棒只能在某一彎曲平面內擺動，而后者則是用一根軟軸將芯頭串接而成，芯棒可以實現任意方向的擺動。軟式芯棒能夠深入管內有效控制截面畸變，彎曲結束后芯棒的抽芯運動也能對管件進行矯圓，能有效防止彎管截面的畸變。

圖2　幾種常見的芯棒類型及其結構

3.2繞彎芯棒的選擇與使用

芯棒的形狀、尺寸和工作位置對彎管質量有較大影響，合理的選擇芯棒并掌握其正確的使用方法非常必要。可根據彎管相對厚度T/D、相對彎曲半徑R/D和彎曲角度等確定繞彎芯棒［6］。表1為不同規格管材彎曲180°時芯棒類型的選擇。由表可知，當R/D≤2.5、T/D≥0.05或R/D≥3、T/D≥0.025時，選用硬式芯棒；當R/D與T/ D兩者都較小時選用軟式芯棒。相對彎曲半徑或相對壁厚大的管材選擇硬性芯棒的原因為：首先，相對彎曲半徑越大，管件外側所受的切向拉應力和內側受到的切向壓應力越小，內外壁材料變形越均勻，外側壁厚減薄率也越小；其次，在相同變形程度時，相對壁厚越大，管材外側壁厚相對減薄越小；然后，管材相對壁厚越大，彎曲變形所需的力也越大，不易產生外裂和內皺缺陷。薄壁管材彎曲半徑較小時選擇軟式芯棒的原因為：薄壁管材小半徑彎曲時變形程度大，管材外側切向拉應力和內側切向壓應力增加，中性面向內側偏移，這會導致外側壁厚減薄率變大，內側管壁易出現失穩起皺。因此，軟式芯棒芯頭的支撐有利于改善變形區材料的受力情況，保持截面形狀穩定，避免發生起皺。

表1　彎曲角度180°時芯棒類型的選擇

3.3芯棒直徑與芯棒伸出量

合理的芯棒類型是保證彎制高質量的管件前提條件，芯棒與管坯間隙大小和芯棒的位置也是影響彎管質量的重要因素。圖3為芯棒尺寸及其工作位置的示意圖。d為芯棒直徑、K為芯頭厚度、P為芯棒與芯頭孔心間距、r為芯棒圓角半徑以及芯棒伸出量e。

圖3　芯棒工作位置及尺寸

3.3.1芯棒直徑d

芯棒與管坯的間隙既有利于管件順利彎曲，也能確保管材的成形質量。直徑d較小時，芯棒沒有起到支撐作用，管件內側會發生失穩起皺且截面畸變嚴重；隨著芯棒直徑增大，橫截面橢圓畸變減小。同時，直徑的增加會使得管材的切向應力增大，從而提高壁厚減薄率而導致外裂［7］。因此，芯棒直徑尺寸的設計尤為重要。為此，理論上選擇管材無起皺和不破裂條件下的d分別作為下限值和上限值。實際生產時芯棒直徑必然要比彎管內徑小，可按經驗公式（1）計算：

式中，T表示銅管壁厚。

3.3.2芯棒伸出量e

芯棒伸出量對管材的壁厚變化、截面畸變程度以及起皺、“鵝頭”甚至拉裂具有重要影響。如果芯棒伸出量不合適時，管坯易發生起皺、外裂和“鵝頭”（圖4）等缺陷。“鵝頭”是管材外側超出正常曲線弧段位置，局部形成的向外突出的部分，因此又稱為“突起”。圖5所示為芯棒伸出量對成形質量的影響。當伸出量e較小時，芯棒難以提供的足夠壓力支撐管材內側部分，造成彎曲模具和芯棒之間的部分管材發生起皺，同時出現扁管現象；若增大芯棒伸出量，管材與芯棒間的摩擦力隨之增加，導致管材內側受到的切向壓應力減小而外側向拉應力增大，有利于減小失穩起皺；如果芯棒伸出量進一步增大，內側管材局部位置無法與彎曲模貼合而出現失穩起皺，此時芯棒與管材發生干涉，外側管坯可能出現“鵝頭”甚至拉裂。王光祥等人［8］研究發現，隨芯棒伸出量逐漸增大，管形由扁平向起皺而后出現拉裂。因此，合理的設置芯棒的伸出量尤為重要。

圖4　彎管過程中的“鵝頭”［9］

圖5　芯棒伸出量與彎曲管材缺陷

首先，在不考慮芯棒倒圓情況下，從理論上芯棒伸出量可根據芯棒幾何位置關系求得（圖6），在直角三角形OFQ中FQ即芯棒伸出量e可按式（2）計算：

式中，μ為芯棒與管材的間隙。

然而，實際使用芯棒一般存在倒圓，設其半徑為r。為保證芯棒倒圓端點處在彎曲時不與管壁發生碰撞，此時得到的芯棒伸出量最大，emax按式（3）計算：

由此可知，芯棒伸出量取值主要由管材直徑D及厚度T、彎曲半徑R、芯棒直徑d和芯棒倒圓大小r所決定。實際生產時芯棒伸出量選擇在1/2～2/3倍最大芯棒伸出量范圍，且變形抗力越大的材料，伸出量e取值越接近上限值。

圖6　芯棒伸出量計算示意圖

3.3.3芯頭參數

除芯棒直徑和提前量外，軟式芯棒的設計還包括芯頭厚度K與間距P、芯頭數目n和芯頭材料等。

（1）芯頭厚度K、間距P。

芯頭的厚度和間距的設計對于管材成形有重要影響。芯頭厚度K較小時，芯頭之間連接強度不夠，芯頭容易脫落；如果厚度較大，芯頭A點（見圖3）距離管材內壁間隙過大而無法充分支撐管材內壁［10］。對于芯頭間距P，若間距較小，芯頭之間容易干涉，影響管材的彎曲半徑；芯頭之間間距大時無法充分支撐彎曲截面，導致管材畸變程度增大。因此，芯頭厚度K和間距P的設計與管材有效支撐范圍和芯頭干涉有關。彎曲時，芯頭之間形成的夾角β影響芯頭間距。當夾角β較大時芯頭間距P太大，將導致截面畸變過大。申世軍等人［11］研究發現β應小于30°。為保證芯頭與管材內壁充分接觸，芯頭間距應該滿足式（4）的關系。

同時，為了避免芯頭之間出現相互干涉情況，根據彎管內側圓弧長度與芯頭厚度關系可得：

假設管材需要有效支撐位置為α圓心角對應圓弧段（圖3），根據理論研究結果，α一般大于彎曲角度的1/2［9］。假設彎曲時，靠近管材內側的芯頭處于相互接觸的臨界狀態：

此時彎曲中心線上有以下關系：

因此，可根據式（4）、式（5）確定芯頭的厚度K和間隙P的取值范圍，然后通過式（6）和式（7）能求出芯頭的厚度K和間距P。同時，考慮芯頭制作成本，對于相同大小、不同彎曲半徑的管材，以大彎曲半徑為參考標準進行計算。最終得出不同規格管件條件下的K與P值。

（2）芯頭數目n。

芯頭數目對截面畸變和壁厚減薄具有重要影響。隨著芯頭個數增加，管壁受到的摩擦阻力增大，導致管材外側減薄增大；而且芯頭對彎曲段支撐范圍變大，能減小截面的畸變程度。但是芯頭個數過多時，管材外壁減薄率增加，提高模具成本，增大了抽芯難度。此外，繞彎成形彎管橫截面變化在彎管中心點處較大（如180°彎曲時，90°處管材截面變化最大），在彎管段和直管段相切處較小［12］。隨著彎曲角度的增加，截面畸變最大位置會相應前移，而畸變較小位置不變化。因此，在彎曲角度較大時，增加芯頭球數可以充分支撐彎管段，達到改善金屬流動的目的，從而保證截面質量。芯頭數目可根據計算公式（8）確定［13］：

（3）芯頭材料。

芯頭材料主要有45號鋼（淬火）、GCr15（淬火）、3Cr2W8V（淬火）和鋁青銅等。為了保證管材彎曲質量并減輕芯棒的磨損程度，對于黑色金屬和鈦管，一般采用鋁青銅芯頭，有色金屬采用鉻合金鋼芯頭。如小彎頭連接銅管彎曲時，其萬向芯頭材料為Cr12MoV高速鋼。

4　結語

目前，有關芯棒的研究主要集中于其參數對成形質量的影響，對芯棒運動以及芯棒與芯頭弧段尺寸的設計與分析鮮有報道；芯棒參數選擇大多依靠實驗研究，其理論計算公式有待進一步優化；芯棒設計的規則與經驗因材料、規格和橫截面形狀以及芯頭形狀等尚未得到統一。芯棒未來研究分析手段主要是有限元模擬與實驗相結合，人們還需從以下幾方面對芯棒進行研究：建立合理的芯棒運動模型，研究其運動情況對成形作用規律；分析芯棒倒圓與芯頭弧段尺寸、芯頭數目等參數對管材成形的影響；建立基于彎管質量標準、生產經驗和實驗和有限元模擬結果數據庫系統，快速實現芯棒設計與應用。

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Design and Applications of Mandrel Formed by Rotary-draw Pipe Bending

LI Ting-ping1，LUO Xin2，LIU Jin-ping1，2，WANG Yue-chen1，CAI Kai1，CAO Rong-hua1
（1.School of Materials Science and Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China；2.Jiangxi Copper Corporation，Nanchang 330096，Jiangxi，China）

Abstract:Rotary-draw pipe bending is apt to have defects such as outer cracking，inner wrinkling，cross-section distortion and springback，etc.The reasonable mandrel design is one of the important method to ensure its forming quality.This paper introduces the bending principle and process，analyzes the structure type of mandrel，discusses the the effects of mandrel diameter，mandrel extension length，mandrel ball numbers，and mandrel thickness and spacing on rotary draw pipe bending，and shows the parameter calculation formulas and experiences of mandrel and mandrel ball，which would be helpful for the selection and application of mandrel.

Keywords:rotary draw bending；mandrel；mandrel diameter；mandrel extension length；mandrel ball

中圖分類號：TG335.7

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3842（2016）02-0019-05

收稿日期：2016-01-05

作者簡介：李廷平（1990-），男，江西吉安人，碩士，主要從事金屬塑性成形及模擬研究。E-mail:6720130311@mail.jxust.edu.cn

*資助項目：江西省博士后科研擇優資助項目（2014KY37）；江西省大學生創新訓練項目（201410407033）