唐順強(qiáng)

（大連三維膨脹節(jié)有限公司，遼寧 大連 116113）

波紋管機(jī)械脹形模具的原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

唐順強(qiáng)

（大連三維膨脹節(jié)有限公司，遼寧 大連 116113）

隨著各工業(yè)領(lǐng)域?qū)Σy膨脹節(jié)需求的不斷增多，需要不斷探索更高效的波紋膨脹節(jié)生產(chǎn)制造方法。文章結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)比其他波紋管成型方式，分析機(jī)械脹形在波紋管制造方面的優(yōu)點(diǎn)。介紹波紋管的制作方法和脹形過(guò)程中力的計(jì)算，并闡述了機(jī)械脹形模具在脹形過(guò)程中的原理和技術(shù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

波紋管膨脹節(jié)；機(jī)械脹形；模具；制造

隨著熱工管道技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)熱工管道的補(bǔ)償元件——補(bǔ)償器要求也越加嚴(yán)格和多樣化。常見的補(bǔ)償器有套筒補(bǔ)償器、球型補(bǔ)償器和波紋補(bǔ)償器，原始的π型脹力彎在新建工程上已經(jīng)很少見。這幾種補(bǔ)償器類型中，波紋補(bǔ)償器以其自身諸多的優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了很大部分的市場(chǎng)份額。波紋管作為波紋補(bǔ)償器的核心元件，其質(zhì)量和使用壽命，決定了補(bǔ)償器使用的安全性和穩(wěn)定性。波紋管的制作有很多方法，目前常用的成形方法有：液壓成形、機(jī)械成形、焊接成形、橡膠成形、和電化學(xué)成形等。而機(jī)械成形又包括旋壓成形、滾壓成形和機(jī)械脹形等工藝方法。文章主要介紹其中一種成型方式——機(jī)械脹形的原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

1 概況

機(jī)械脹形具有成形速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品多樣化、工藝簡(jiǎn)單、模具制作容易和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在產(chǎn)品外觀粗糙等缺點(diǎn)。機(jī)械脹形是利用模瓣在壓錐的作用下，水平向外在波紋管桶坯脹出波形，主要適用于直徑Φ80～Φ2000mm的波紋管。因模具自身結(jié)構(gòu)尺寸的限制，小口徑波紋管的成型較為困難；大口徑波紋管，因需求量小，模具加工制作成本較高，一般不選用機(jī)械脹形方式，而是利用滾壓成型等方式。

2 原理

2.1 成形過(guò)程介紹

機(jī)械脹形模具由壓錐、模瓣、內(nèi)支撐桶、支撐板、復(fù)位彈簧和底座支撐桶等結(jié)構(gòu)裝配而成（見圖1）。自然狀態(tài)下，模具在復(fù)位彈簧的支撐作用下，壓錐處于頂升狀態(tài)，模瓣復(fù)位收縮。成型時(shí)，作用在壓錐上平面垂直向下的力F，通過(guò)壓錐和模瓣相配合的斜面形成水平分力（見圖2），作用在波紋管桶坯上，使管坯沿模瓣外部形狀形成凸起，進(jìn)而形成波紋。波紋的波高嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)所需要的波高進(jìn)行加工，經(jīng)測(cè)量確定達(dá)到所需波高后，通過(guò)限位裝置來(lái)控制壓錐向下運(yùn)行的高度從而完成所有波紋的成型，并確保各波紋波高均勻一致。波紋成型達(dá)到預(yù)定波高后，卸載外部作用力，壓錐在模具內(nèi)部復(fù)位彈簧的頂升作用下恢復(fù)到自然狀態(tài)，模瓣隨即也恢復(fù)到自然狀態(tài)。桶坯移動(dòng)，定位下一波紋成型位置后繼續(xù)成型，進(jìn)而形成一個(gè)具有連續(xù)波紋的波紋管。

2.2 成形力的計(jì)算

波紋管成形力的確定，是把成形波簡(jiǎn)化成直徑d、高度H的桶形件。在總力F的作用下，每個(gè)模瓣的力為F/n。模瓣對(duì)壓錐的反作用力為Q，單位成形力為p，每個(gè)模瓣對(duì)管坯的脹形力為1/2（QHda）。此外還考慮模瓣平移的摩擦力μ（F/n）和斜角摩擦力（μQ）的影響。則可列出每塊模瓣力的平衡式：

在垂直方向上：

在水平方向上：

圖1 機(jī)械脹形模具示意圖

圖2 記性脹形模具各階段運(yùn)行狀態(tài)示意圖

聯(lián)立以上方程，并以p=2hσb/d，α=2π/R代入，可得出機(jī)械脹形所需的力。

脹形波高受材料極限延伸率的限制，通常用表示脹形變形程度的脹形系數(shù)K表示。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 模瓣外形結(jié)構(gòu)

機(jī)械脹形模具由于分體模瓣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)所生產(chǎn)的波紋管帶來(lái)了一定的不利影響，外觀粗糙即其中一主要方面。在模瓣自然狀態(tài)下，模瓣整體外圓周為一個(gè)整體連續(xù)的光滑的圓（見圖3）。當(dāng)模瓣處于成型狀態(tài)時(shí)，模瓣沿中心均勻向外運(yùn)動(dòng)，模瓣最高點(diǎn)組成的光滑圓周（圖中虛線圓）與模瓣實(shí)體形狀存在間隙。而由于波紋管桶坯是在模瓣實(shí)體作用下向外延展形成波紋，故造成生產(chǎn)出的波紋管圓周方向上存在凹凸不平，外觀粗糙。同時(shí)整個(gè)波紋管的波高也達(dá)不到設(shè)計(jì)計(jì)算的理想狀態(tài)，最后導(dǎo)致整個(gè)波紋管的性能與計(jì)算結(jié)果有偏差。為盡量減小這種誤差，需要在波紋成型過(guò)程中多次旋轉(zhuǎn)管坯，使管坯圓周方向上各點(diǎn)均在模瓣最高點(diǎn)的帶動(dòng)下向外發(fā)生形變，使整個(gè)波紋的波高均勻一致，達(dá)到外觀上無(wú)可見模痕，無(wú)凹凸不平的效果，保證整個(gè)波紋管的性能與設(shè)計(jì)計(jì)算相一致。

圖3 成型模具模瓣?duì)顟B(tài)示意圖

設(shè)計(jì)模具時(shí)，可以將模瓣的外圓尺寸直接加工到成型狀態(tài)，即最大外圓尺寸時(shí)整個(gè)模瓣外圓實(shí)體連線構(gòu)成一個(gè)光滑完整的圓，這樣可以很大程度上的避免波紋管成型后波峰處出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象，但仍然不能完全避免模痕的出現(xiàn)。此類機(jī)械脹形的模具最初的設(shè)計(jì)理念就是要求這種模具在制作波紋管時(shí)，能夠加工出各種不同波高的波紋管以滿足波紋管的設(shè)計(jì)需要。而成型狀態(tài)時(shí)達(dá)到最大的外圓尺寸所對(duì)應(yīng)的波紋管波高僅是一個(gè)單一尺寸的波高，多數(shù)情況下并不是波紋管設(shè)計(jì)時(shí)所需要的波高。還有就是在制作這種模瓣時(shí)，相對(duì)耗用的材料費(fèi)用更高，加工難度也相應(yīng)增加。所以設(shè)計(jì)這種分體模瓣模具時(shí)，往往采用自然狀態(tài)下模瓣外圓周為一個(gè)整體光滑的圓的結(jié)構(gòu)。

3.2 模具導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

一般機(jī)械脹形模具在模瓣導(dǎo)向方面采用模瓣與內(nèi)支撐桶或支撐板上加裝導(dǎo)向桿或?qū)蚧赖脑O(shè)計(jì)，來(lái)保持每個(gè)分體模瓣在運(yùn)動(dòng)方向上的穩(wěn)定。但這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向桿或?qū)蚧?，增加了模瓣運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力和模具的結(jié)構(gòu)尺寸，無(wú)法滿足小口徑波紋管的加工要求。所以在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)摒棄過(guò)多的冗余結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變壓錐與模瓣的配合面形式，達(dá)到模瓣工作時(shí)均勻向外一致運(yùn)動(dòng)的要求。將模瓣與壓錐的配合面從原有的圓弧配合面，改變成平面與平面的配合，即在整體上壓錐的錐面變成由多個(gè)相同棱面組成的圓錐棱面，每一個(gè)棱面對(duì)應(yīng)一個(gè)具有相同傾斜角度棱面的模瓣。這樣在壓錐與模瓣配合時(shí)，就會(huì)通過(guò)這些棱面與棱面的自動(dòng)復(fù)位和找正，保持每個(gè)模瓣在圓周方向上的均勻分布，也保證每一個(gè)模瓣在成型過(guò)程中始終保持一個(gè)向外的直線方向運(yùn)動(dòng)，使波紋管在圓周方向上均勻受力。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械脹形模具生產(chǎn)的波紋管在外觀質(zhì)量上相比其他成形方式?jīng)]有優(yōu)勢(shì)。但可通過(guò)制定合理的工藝方法，提高操作人員的技能水平，保證工藝紀(jì)律的嚴(yán)格執(zhí)行來(lái)彌補(bǔ)其不足，進(jìn)而充分發(fā)揮機(jī)械脹形模具在產(chǎn)品多樣化和生產(chǎn)效率高等方面的優(yōu)勢(shì)。

[1]劉俞銘.波紋管設(shè)計(jì)計(jì)算與生產(chǎn)新工藝新技術(shù)實(shí)務(wù)全書[M].北京:北方工業(yè)出版社,2006:244-245.

The Principle and Structural Features of Mechanical Bulging Mold for Bellows

Tang Shunqiang
(Dalian Sanwei Expansion Joints Co.,Ltd,Liaoning Dalian 116113)

With the growing demand for corrugated expansion joints in various industries, it is necessary to constantly explore more effcient methods of producing bellows expansion joints. In this paper, combined with production practice, compared to other bellows production methods, analysis of the mechanical bulging in the bellows manufacturing advantages. The manufacturing method of the bellows and the calculation of the force during the bulging process are introduced. The principle and the technical structure of the mechanical bulging are discussed.

Dellows expansion joint;Mechanical bulging; Mold;Manufacture

TE8

A

2096-2789（2016）12-0103-02