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彎管在制冷、機械、化工等行業中的應用十分廣泛,薄壁鋼管彎管的批量生產,一般是在彎管機上冷彎成形,由于薄壁鋼管管壁支撐失穩臨界力較低,彎曲部位常出現癟皺等變形缺陷。這些缺陷不但削弱鋼管的強度,降低其承載能力,而且容易造成管內流動介質速度不均、產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程中最大難點,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,管子在外力作用下彎曲變形,其彎曲部分的外緣在拉應力作用下管壁變薄,而管子內緣在壓應力作用下管壁增厚。由于在管子彎曲過程中,外緣拉應力和內緣壓應力的合力都向中部作用,導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,出現橢圓形。同時,如果彎曲模具弧槽參數選擇不當,不能起到強化彎曲部位管壁的作用,則管子內緣在壓應力作用下,因管壁失穩臨界力較低而產生波浪形皺褶。由以上分析可知:薄壁鋼管彎曲時極易產生癟皺缺陷。因此設計薄壁鋼管彎曲模具時,必須合理確定其結構參數,以便鋼管彎曲時,在模具作用下使管子產生一預加反應力,以抵消薄壁鋼管彎曲時產生的橢圓變形,對彎曲部位的癟皺缺陷進行合理控制。

二、薄壁鋼管彎曲模具設計

簡易薄壁鋼管彎管機的結構如圖1所示,彎管模具如圖2所示,由彎管模塊、滾動壓輪和導輪組成。

滾動壓輪和導輪安裝于滾輪座中,并可在轉盤的滑槽中上下移動。彎管時,扳動手柄帶動轉盤繞軸轉動,由導輪向管子施加壓力,使其發生彎曲變形。同時滾動壓輪在鋼管彎曲部位施加一定壓力,通過輪上弧槽使之產生一反向預壓力,以抵消鋼管彎曲時產生的橢圓變形,使管子內緣與彎管模塊弧槽緊密貼合,以強化彎曲部位管壁,消除內壁皺褶。

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,必須合理確定其結構參數,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,被彎曲的鋼管會產生回彈,所以彎管模塊直徑應小于兩倍的彎管曲率半徑,數值按下面的經驗公式計算

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

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

倒圓半徑r1可取1～2mm,ε小時,r1取小值。
當ε≥3.5,鋼管直徑d小時,r1取小值;鋼管直徑d大時,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,也可選用HT200制造。為了給彎管內緣均勻壓縮創造有利條件,彎管模塊弧槽面表面粗糙度值取Ra≤3.2μm為好。

2.滾動壓輪

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

圖4 滾動壓輪

為使滾動壓輪在工作過程中對彎制鋼管施加一反向預壓力以抵消鋼管彎曲產生的橢圓變形,需將滾動壓輪的弧槽面設計成雙圓弧曲線,其形狀如圖4所示。相關尺寸按下式計算:

滾動壓輪的材料一般選用45鋼,反變形槽表面淬火硬度40～45HRC,為使滾動壓輪在工作過程中既對彎管側壁有一定的拉拔作用,又不致產生較大摩擦阻力,其表面粗糙度值一般取Ra≤3.2μm為好。


3.導向輪

r=d/2,材料與熱處理同滾動壓輪。

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

4.滾動壓輪與導輪相對位置

導向輪對鋼管提前壓彎角度α也是一個重要參數。為使滾動壓輪所處位置恰好是鋼管彎曲塑性變形的受力部位,應使α等于被彎鋼管的回彈角。滾動壓輪中心線與彎管模塊中心線的距離δ可取5～15 mm。