弯管在制冷、机械、化工等行业中的应用十分广泛,薄壁钢管弯管的批量生产,一般是在弯管机上冷弯成形,由于薄壁钢管管壁支撑失稳临界力较低,弯曲部位常出现瘪皱等变形缺陷。这些缺陷不但削弱钢管的强度,降低其承载能力,而且容易造成管内流动介质速度不均、产生涡流和弯曲部位积聚污垢等,影响弯管的正常使用,因此消除弯管缺陷成了弯管过程中最大难点,必须高度重视。

一、薄壁钢管弯曲受力与变形分析

薄壁钢管弯曲时,管子在外力作用下弯曲变形,其弯曲部分的外缘在拉应力作用下管壁变薄,而管子内缘在压应力作用下管壁增厚。由于在管子弯曲过程中,外缘拉应力和内缘压应力的合力都向中部作用,导致管子弯曲部位在水平面上的直径变大,垂直面上的直径减小,出现椭圆形。同时,如果弯曲模具弧槽参数选择不当,不能起到强化弯曲部位管壁的作用,则管子内缘在压应力作用下,因管壁失稳临界力较低而产生波浪形皱褶。由以上分析可知:薄壁钢管弯曲时极易产生瘪皱缺陷。因此设计薄壁钢管弯曲模具时,必须合理确定其结构参数,以便钢管弯曲时,在模具作用下使管子产生一预加反应力,以抵消薄壁钢管弯曲时产生的椭圆变形,对弯曲部位的瘪皱缺陷进行合理控制。

二、薄壁钢管弯曲模具设计

简易薄壁钢管弯管机的结构如图1所示,弯管模具如图2所示,由弯管模块、滚动压轮和导轮组成。

滚动压轮和导轮安装于滚轮座中,并可在转盘的滑槽中上下移动。弯管时,扳动手柄带动转盘绕轴转动,由导轮向管子施加压力,使其发生弯曲变形。同时滚动压轮在钢管弯曲部位施加一定压力,通过轮上弧槽使之产生一反向预压力,以抵消钢管弯曲时产生的椭圆变形,使管子内缘与弯管模块弧槽紧密贴合,以强化弯曲部位管壁,消除内壁皱褶。

1.弯曲模块

钢管弯曲后的半径和形状取决于弯管模块,因此,必须合理确定其结构参数,弯管模块如图3所示:

图3 弯管模块

1)弯管模块直径D由于外力取消后,被弯曲的钢管会产生回弹,所以弯管模块直径应小于两倍的弯管曲率半径,数值按下面的经验公式计算

(2)圆弧槽半径r与倒圆半径r1因相对弯曲半径ε(ε=R0/d)的不同而有所不同,其目的是为了强化钢管弯曲部分管壁,避免皱褶,数值可按下式计算:

r=Kd/2,其中K为按相对弯曲半径ε大小确定的系数,当ε≥3.5时,K=1;当ε<3.5时,K=1-0.1/(10ε³)

倒圆半径r1可取1～2mm,ε小时,r1取小值。
当ε≥3.5,钢管直径d小时,r1取小值;钢管直径d大时,r1取大值。

(3)材料与表面粗糙度值选择弯管模块可选用45钢或50钢制造,直径较大时,也可选用HT200制造。为了给弯管内缘均匀压缩创造有利条件,弯管模块弧槽面表面粗糙度值取Ra≤3.2μm为好。

2.滚动压轮

滚动压轮如图4所示,为防止弯曲过程中划伤钢管表面,需对弧槽边缘倒圆,一般取倒圆半径r1=0.5～1 mm,以不划伤钢管表面为宜。

图4 滚动压轮

为使滚动压轮在工作过程中对弯制钢管施加一反向预压力以抵消钢管弯曲产生的椭圆变形,需将滚动压轮的弧槽面设计成双圆弧曲线,其形状如图4所示。相关尺寸按下式计算:

滚动压轮的材料一般选用45钢,反变形槽表面淬火硬度40～45HRC,为使滚动压轮在工作过程中既对弯管侧壁有一定的拉拔作用,又不致产生较大摩擦阻力,其表面粗糙度值一般取Ra≤3.2μm为好。


3.导向轮

r=d/2,材料与热处理同滚动压轮。

导向轮如图5所示,为减小摩擦阻力,圆弧槽中心离开导轮外缘表面1～1.5mm,圆弧半径r=d/2,材料与热处理同滚动压轮。

4.滚动压轮与导轮相对位置

导向轮对钢管提前压弯角度α也是一个重要参数。为使滚动压轮所处位置恰好是钢管弯曲塑性变形的受力部位,应使α等于被弯钢管的回弹角。滚动压轮中心线与弯管模块中心线的距离δ可取5～15 mm。