汪鵬飛，李殿起

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，沈陽 110870)

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數控彎管機彎曲成形芯棒的研究

汪鵬飛，李殿起

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，沈陽 110870)

數控彎管機管件彎曲成形過程中，易出現管壁壓扁、破裂、折皺等問題。芯棒的設計和應用解決了這一難題。所以優(yōu)化芯棒的技術是提高彎管質量的重要環(huán)節(jié)。本課題以臺灣穎霖彎管機(CNC-80 Tube bender型)為對象就芯棒的設計、結構、原理進行了研究，并研究了芯棒直徑、伸出量、芯頭數等參數及關系公式，抽芯速度、彎曲速度對彎曲質量的影響，芯棒與管件間隙對彎曲變形產生的影響，芯棒的選擇和應用等問題。芯棒的使用降低了生產成本，提高了質量，為彎管成形加工提供理論參考與實際指導。

數控彎管機；彎曲成形；芯棒；伸出量

0 前言

隨著數控彎管技術廣泛應用于空調、汽車、航空、船舶等多個領域，彎管在工業(yè)發(fā)展中占有越來越重要的地位，因此彎管的質量和性能將直接影響工業(yè)產品的結構性能。但管件彎曲成型過程中會出現很多缺陷，主要是彎曲破裂、壓扁、撕裂、起皺等問題。灌沙是解決管件畸變的問題的傳統(tǒng)方法，現在芯棒的設計與應用合理地解決了彎曲成形中出現的問題。芯棒是數控彎曲成形工藝的重要組成構件，芯棒的設計和工藝參數對管件質量有重要影響。近年，國內外很多金屬材料方面的學者利用有限元、理論分析、實驗分析對管件彎曲成形過程進行了大量研究，主要研究管件材料性能。本文用臺灣穎霖生產的數控彎管機(CNC-80 Tube bender型號)對芯棒的結構和工作原理進行了研究，對芯棒直徑、芯頭數、伸出量、抽芯速度、彎曲速度之間的關系進行了分析，并建立了描述模型，研究參數對管件質量影響的規(guī)律。分析得出芯棒伸出量對管件彎曲成形質量的影響規(guī)律，芯頭數目對彎曲質量的影響規(guī)律，芯棒厚度與彎曲質量的關系，研究結果為數控彎曲加工過程中選取芯棒參數提供依據。

1 數控彎管機芯棒結構與原理的分析

數控彎管技術就是彎管機與芯棒結合進行彎曲加工的技術，芯棒的設計是根據管件彎曲形變情況而定的，芯棒的主要作用是管件彎曲時芯棒支撐著管件內壁以防止管件扁化或開裂。芯棒的結構分為芯軸與芯頭，芯軸根據彎曲管材直徑不同而設計多種型號，芯頭數目根據管件彎曲情況以及管件材料性能而定。多種型號的芯棒設計可以供彎曲加工選擇。根據加工情況，合理的選擇芯棒類型。芯棒有剛性芯棒和柔性芯棒兩類。目前數控彎管加工中多使用剛性芯棒，柔性芯棒可根據管件彎曲程度進行相應的調整，管件彎曲成形后還可以從管道中抽出來，柔性芯棒的特點是可以實現不用程度的移動和轉動。圖1為柔性芯棒基本結構圖。

圖1 柔性芯棒基本結構

柔性芯棒伸入管坯彎曲示意圖如圖2所示。在管件彎曲前，將芯棒預先安裝在工件設備上，再安裝毛坯管件，安裝時芯棒置入管件內，管材固定在彎曲模具上，進行加工前調整，彎曲模在設備指令下帶動固定塊運動，使管件彎曲成形。

2 彎管機芯棒的參數分析

正確的選擇芯棒類型是提高管件彎曲成形質量的重要條件，芯棒伸入管坯的位置、芯棒與管坯內壁的間距對彎曲管件的質量也有重要影響。圖3所示為芯棒大小與芯頭位置示意圖。d表示芯棒直徑；s表示芯頭厚度；P表示芯棒與芯頭孔中心距；r表示芯棒圓角半徑；e表示芯棒伸出量。

圖2 柔性芯棒伸入管坯彎曲示意

圖3 芯棒結構尺寸與工作位置示意

(1)芯棒直徑d。芯棒直徑大小與管壁內側間隙對管件彎曲質量有關，當芯棒直徑d較小時，芯棒對管壁起不到支撐作用，彎曲時管壁會發(fā)生折皺或扁化情況；當芯棒直徑d較大時，管壁橫截面變形減小，管材所受切向應力增大，易引起管件外裂。所以，合理的設計芯棒直徑很重要，實際應用的芯棒直徑都比管件內徑小，根據實際加工芯棒直徑公式

d≈(0.96～0.98)D內

(1)

式中，D內表示管壁內徑。

(2)芯棒伸出量e。芯棒伸出量對管件橫截面變形程度、扁化、開裂、壁厚減薄、折皺等都有影響。當芯棒的芯頭所處位置不合適時，管件彎曲易發(fā)生各種缺陷，當芯棒伸前量e較小時，芯頭不能為管件彎曲提供足夠的支撐力，彎曲時產生扁化，且管壁所受切應力較小，管壁的減薄率也較小。當芯棒伸前量較大時，管件內壁與芯棒的間隙變小，摩擦力增加，管件受切應力也增大，管件減薄率增加，管件將出現折皺、開裂現象。根據圖3芯棒位置的幾何關系，可以粗略的計算出伸前量為

e=μ(2R+D內-2t-u)

(2)

式中，t表示管件壁厚；μ表示芯軸與管壁內側間隙距。

實際生產中使用的芯棒都有圓角，所以考慮芯棒圓角半徑r，再計算芯棒伸前量時，理論值e和實際生產值e′分別為

e=(R+D2-T)2-(R+d2)2+r

(3)

e′=(1/4～1/3)D內

式(3)中可以得出伸前量與芯棒參數的關系。

(3)芯棒芯頭參數。影響管件質量的除芯棒直徑、伸前量，還與芯頭有關。芯頭參數包括芯頭的厚度s、中心距P、芯頭數量n等。

芯頭厚度s與間距P對管件成形的影響，當s較小時，芯頭連接時與下一個芯頭之間的連接不穩(wěn)定，影響芯棒的性能。當芯頭s較大時，芯棒不能為管壁內側提供足夠的支撐力。芯頭中心距P時，芯頭連接時發(fā)生干涉，對管件彎曲半徑有影響，且管壁橫截面支撐不足，從而引起管壁的畸變。根據實際彎曲生產情況可知中心距P的關系為

P-sD/2≤π6

(4)

為避免芯頭連接時發(fā)生干涉，根據幾何關系可得芯頭厚度關系為

nsR-D/2≤nPR

(5)

理論要求管件的有效支撐面是圓心角所對應的圓弧段，且圓心角應大于彎曲角度的一半，管件彎曲受力時，芯棒與管件內壁是接觸臨界狀態(tài)，可得厚度s、P為

s=πα180(R-d2)-en

(6)

P=παR180-en

(7)

根據式(4)、(5)可確定芯頭參數的取值范圍，根據(6)、(7)可計算芯頭厚度、芯頭中心距的值。

(4)芯頭數目n。芯頭數目對管件的畸變和壁厚變化有影響，芯頭數目越多，芯棒與管件內壁的摩擦力越大，則管壁外側越薄，同時芯棒退出難度增大，如果管件彎曲角度增大，芯頭數量多會對彎管件受力起到很好的支撐力，從而保證管件彎曲質量。芯頭數目計算公式:

n=α-arctaneR2arcsinP2R

(8)

與管件彎曲成形質量有關的還有退出芯棒的速度、管件彎曲的速度、助推管件進給的速度。所以合理的采用芯棒參數以及機床運動各參數對彎曲質量有重要影響。

3 芯棒的實驗與使用

根據課題對芯棒結構及參數的研究，以臺灣穎霖數控彎管機為實驗設備，實驗材料為321不銹鋼，做芯棒參數不同情況下對管件彎曲質量的影響，實驗材料的力學性能表1。

表1 實驗材料的力學性能

芯棒影響彎曲質量的主要參數是伸前量e、中心距P、芯頭數目n，對芯棒設置不同條件的參數，觀察管件壁厚變化、開裂情況、回彈角度，并檢測管件彎曲成形后質量情況，表2是芯棒參數變化設置。

表2 芯棒實驗參數的設置

根據芯棒參數條件設置不同，記錄實驗條件，測量管件成形后變化值，得出管件薄厚變化率、橫截面變形率 回彈角變化等情況。根據實驗結果分析出一定條件下管件彎曲質量最好的芯棒參數，表3是管件彎曲成形實驗值。

表3 管件彎曲變化試驗值

試驗管材變形情況如圖6。

圖6 試驗管材變形對比

試驗結果得出芯棒參數對管件彎曲質量影響的規(guī)律，為實際彎管加工提供數據支持。

芯棒的應用使管件彎曲質量得到了很大提高，比傳統(tǒng)的灌沙方法方便、高效，目前芯棒技術在工業(yè)中應用廣泛，對工業(yè)發(fā)展有重要影響。

4 結語

傳統(tǒng)的灌沙方法已經不能滿足對管件彎曲質量的要求，芯棒的設計和應用對彎管質量有了很大提高，根據建立芯棒參數模型，對不同芯棒參數條件做了多次彎曲試驗。試驗數據表明了芯棒對彎管質量有重要影響，以及芯棒各參數對彎管彎曲成形中具體缺陷的影響，并為彎管的實際加工提供數據支持。

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Research of CNC pipe bender forming mandrel

WANG Peng-fei，LI Dian-qi

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In CNC pipe bender, the forming process of tube wall is seen flattening, rupture, wrinkle and so on, while the design and application of mandrel could solve this difficult problem. So the optimization of the mandrel technology is very important to improve the quality of pipe bending. In this paper, it took the Taiwan Yinglin pipe bending machine (CNC-80 Tube bender type) as it’s concerning subject, the mandrel design, structure and principle are analyzed, it discussed mandrel diameter, stretch out the amount, core numbers and their relationship formulas. After that it considered how much the core pulling speed and bending speed influence bending quality, as well as the fitting clearance between the mandrel and the pipe on the impacts of bending deformation, issues of the selection and application of mandrel. It showed using mandrel could reduce the production cost, improve quality, which provide theoretical reference and practical guidance to bend forming.

CNC pipe bending machine;forming;mandrel;out of the amount

2017-01-03；

2017-03-17

國家自然科學基金青年基金項目(51105257,51310105025)遼寧省高等學校杰出青年學者成長計劃(LQJ2014012)；中國博士后科學基金(2015M571327)

汪鵬飛(1989-)，男，河南人，碩士研究生，研究方向為金屬管材數控彎曲及仿真分析。

TG335.6

A

1001-196X(2017)04-0030-04