由于管件具有中空結(jié)構(gòu),能夠滿足輕量化、強韌化、低消耗等要求,因此在航空航天、船舶、化工、汽車等高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
在復(fù)雜的管路系統(tǒng)中,彎管是最為薄弱的部位,其成形質(zhì)量直接影響整個管路的性能。
這些缺陷最終導(dǎo)致管材的精度不足,無法滿足高技術(shù)含量行業(yè)的要求。
什么是管材塑性彎曲成形?
復(fù)雜管路系統(tǒng)
管材塑性彎曲成型是指管材在多模具協(xié)同作用和嚴(yán)格配合下發(fā)生塑性變形,從而獲得空間任意曲線形狀制品的重要加工方法。
管件常用材質(zhì)分為黑色金屬和有色金屬:
● 黑色金屬材料:鋼,鋼合金和不銹鋼。
● 有色金屬材料:鋁,銅和鎳等。
彎管工藝及設(shè)備
彎管常用的設(shè)備有液壓彎管機和數(shù)控彎管機,在汽車行業(yè),工業(yè)化生產(chǎn)一般使用數(shù)控彎管機,產(chǎn)品精度和生產(chǎn)效率會更高。
常用的彎管方法有4類,分別為:旋轉(zhuǎn)拉伸彎曲、壓縮彎曲、芯軸彎曲和滾動彎曲。
● 旋轉(zhuǎn)拉伸彎曲
使用模具和在旋轉(zhuǎn)動作中工作的各種部件的組合來彎曲管材。該動作將管材向前拉,在管道中形成所需的彎曲。旋轉(zhuǎn)拉伸彎曲分為有芯軸彎曲和無芯軸彎曲。
● 壓縮彎曲
模具保持靜止,反向模具使固定模具周圍的材料彎曲。
● 芯軸彎曲
在這個過程中,芯軸被放置在彎曲的管子內(nèi)部,特別是薄壁材料,以防止在部件的彎曲處可能發(fā)生的缺陷,例如波紋,扁平或塌陷。
● 滾動彎曲
當(dāng)需要大半徑彎曲或曲線時使用此方法,管材穿過一系列呈金字塔排列的三個輥子。
管材的塑性彎曲成形是一個沿彎曲曲線逐漸變形的過程。管材在外力矩作用下彎曲,變形區(qū)外側(cè)材料收到切向拉伸而伸長,內(nèi)側(cè)靠彎曲模部分材料收到切向壓縮而縮短。隨著彎曲力矩的逐漸增大,管材變形程度隨之增加, 因此管材彎曲經(jīng)歷了彈性、彈塑性和塑性三個不同的變形階段。
● 彎曲初期,管材處于較小曲率狀態(tài),只產(chǎn)生彈性變形,應(yīng)力沿截面成線性分布,應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系遵循虎克定律,應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層相互重合并通過截面重心,沿管材管徑以應(yīng)力中性層為界,劃分為拉伸變形區(qū)與壓縮變形區(qū),如上圖(a)所示。
● 當(dāng)管材彎曲變形程度超過材料的屈服極限后,管材外側(cè)和內(nèi)側(cè)表面材料首先進(jìn)入塑性變形,如圖(b)所示。
● 隨著變形程度的不斷加大,塑性變形區(qū)越來越大并向中性層位置擴大,彈性區(qū)越來越小,如圖(c)所示。此時應(yīng)力中性層和幾何中心軸不再重合,隨著曲率的增大逐漸向曲率中心方向移動。
● 當(dāng)外載荷增大到一定程度,管材內(nèi)部各處的切向應(yīng)力均大于屈服極限時,管材發(fā)生純塑性變形,如圖(d)所示。
管材塑性彎曲卸載后,常見的質(zhì)量缺陷有:
● 回彈
● 橫截面畸變
● 外側(cè)管壁減薄甚至斷裂
● 內(nèi)側(cè)管壁增厚甚至起皺
在外壁不破裂、內(nèi)壁不起皺的條件下,主要從以下兩方面評價彎管成形的性能:
1. 彎曲變形部分局部的形狀尺寸精度,主要以外壁減薄率與橫截面畸變率作為評價指標(biāo)。
2. 管材彎曲成形后整體的形狀尺寸精度,主要以彎曲變形后回彈率作為評價指標(biāo)。
回彈
回彈是由于彈性變形區(qū)材料的彈性恢復(fù)以及塑性變形區(qū)材料彈性變形部分的彈性恢復(fù)而引起的。
管材彎曲卸載后,回彈管材的實際彎曲角度θ'小于預(yù)彎曲成形角度θ。
回彈角△θ
回彈直接影響彎管件的形狀和尺寸精度,降低裝配效率,并可能造成過大的殘余應(yīng)力,影響零件和整個結(jié)構(gòu)的可靠性。
實際生產(chǎn)中常采用退火處理,回彈補償?shù)却胧浹a回彈引起的彎曲角度誤差。
橫截面畸變
管材塑性彎曲過程中,內(nèi)應(yīng)力的存在會使管材圓弧處的橫截面發(fā)生畸變。
通常采用長軸變化率θl和短軸變化率θs表征橫截面畸變程度。
畸變程度計算
式中D為管材原始外徑,Dmax為橫截面畸變后長軸的長度,Dmin為畸變短軸的長度。
對于有芯軸彎曲,靠近彎曲模一側(cè)材料受到芯軸和彎曲模的共同作用,變形很小,可忽略不計。外側(cè)材料只受到芯軸的支撐作用,畸變較為明顯。
對于無芯彎管,因為內(nèi)部沒有任何支撐,畸變程度可能加劇。
對于橫截面畸變嚴(yán)重的管件,進(jìn)行無芯彎曲時,可將壓模設(shè)計成具有反變形槽結(jié)構(gòu),以減輕彎曲時的畸變程度。
對于有芯軸彎曲,應(yīng)及時檢查芯軸的磨損情況,保證芯軸與管件內(nèi)壁間的雙邊間隙不大于0.3mm,同時設(shè)置適當(dāng)?shù)男据S伸出量。
外側(cè)壁厚減薄,內(nèi)側(cè)壁厚增厚
管材塑性彎曲過程中,外則材料受拉壁厚減薄,內(nèi)側(cè)材料受壓壁厚增厚。
通常用壁厚減薄率△t1和增厚率△t2來檢驗彎管壁厚的變化:
壁厚變化計算
其中t為管材原始壁厚
當(dāng)壁厚減薄率△t1過大時,會導(dǎo)致最外側(cè)管壁產(chǎn)生裂紋,產(chǎn)品達(dá)不到要求而報廢。
當(dāng)壁厚增厚率△t2過大時,超過了材料的壓縮失穩(wěn)極限而引起起皺,管件也達(dá)不到技術(shù)要求。
管壁的厚度變化受幾何參數(shù),材料參數(shù)和工藝參數(shù)的綜合影響。通常為降低壁厚減薄率,可在管材外側(cè)增加推力推動材料從未變形區(qū)向變形區(qū)流動,來達(dá)到減小外壁減薄率的目的。
管材外側(cè)拉裂
管材塑性彎曲過程中,外側(cè)壁很容易出現(xiàn)裂紋或斷裂,尤其是薄壁彎曲成形。
產(chǎn)生外壁開裂的原因有:
● 管材的熱處理不當(dāng)
● 壓模壓力過大,管材彎曲過程中材料流動阻力太大。
● 芯軸與管材內(nèi)壁的間隙過小,導(dǎo)致摩擦力太大。
● 芯軸伸出量過大等
為防止管材的外壁開裂,在排除熱處理和材質(zhì)本身的因素外,對壓模壓力、內(nèi)壁間隙,芯軸伸出量及潤滑情況等都需要進(jìn)行檢查。
管材內(nèi)彎側(cè)起皺
彎管起皺主要發(fā)生在內(nèi)彎側(cè),通常分為3種情況:
1. 前切點處起皺
2. 后切點處起皺
3. 圓弧內(nèi)側(cè)全起皺
● 前切點起皺一般由于芯軸安裝時伸長量過小,管壁在彎曲過程中得不到芯棒的支撐。
● 后切點起皺一般由于沒有安裝防皺模或防皺模安裝位置不對。
● 全起皺的原因較為復(fù)雜,主要在于:
○ 防皺模位置靠后或形槽尺寸過大,防皺模起不到支撐管壁的作用。
○ 壓模壓力過小,管材與防皺模間隙過大。
○ 芯軸直徑尺寸過小和位置不合理等
為防止彎管內(nèi)側(cè)起皺,若前切點起皺,應(yīng)向前調(diào)整芯棒位置;若后切點起皺,應(yīng)加裝防皺模,調(diào)整合理的傾角和壓模壓力;若全起皺,除調(diào)整壓模壓力外,還要檢查芯軸直徑,直徑太小或磨損嚴(yán)重時需要及時更換。
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