摘要：介紹了管子在冷態(tài)彎制時的變形情況，以及通過合理選擇芯棒及掌握其正確的使用方法，達到彎制出理想小半徑管件的方法。
鍵詞：應(yīng)力；芯棒；相對彎曲半徑；相對壁厚
一、引言
彎管技術(shù)廣泛應(yīng)用于鍋爐及壓力容器行業(yè)，中央空調(diào)制造業(yè)、汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、船舶制造業(yè)等多種行業(yè)，彎管質(zhì)量的好壞，將直接影響到這些行業(yè)的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)合理性，安全性、可靠性等。因此，為了彎制出高質(zhì)量的管件，就應(yīng)該掌握管件在不同工藝條件下的加工技巧。對于冷態(tài)彎管，合理選擇芯棒的形成及掌握其正確的使用方法非常必要。
二、工藝分析
在純彎曲的情況下，外徑為D、壁厚為S的管子受外力矩M的作用發(fā)生彎曲時，中性層外側(cè)的管壁受拉應(yīng)力σ1的作用而減薄，內(nèi)側(cè)管壁受壓應(yīng)力σ2的作用而增厚(見圖1a)。同時，合力F1和F2又使管子彎曲處的橫截面發(fā)生變形而成為近似橢圓形(見圖1b)，內(nèi)側(cè)管壁在σ2的作用下還可能出現(xiàn)失穩(wěn)而起皺(見圖1c)，為彎制出理想的管件，就應(yīng)采取相應(yīng)的措施來防止上述這些缺陷的產(chǎn)生，其中有芯彎管就是最常用的有效方法之一。
圖1管子彎曲時的受力及變形情況
(a)管子彎曲時的受力情況(b)管子彎曲時的截面變形(c)管子彎曲時的內(nèi)側(cè)失穩(wěn)起皺
所謂有芯彎管，就是當被彎制的管子相對彎曲半徑R／D或相對壁厚S／D較小時，為了獲得高質(zhì)量的管件，在管子被彎制過程中，在其內(nèi)部插入一根合適的芯棒，以防止管子彎曲時圓弧處出現(xiàn)變扁及起皺現(xiàn)象的方法(見圖2)。
圖2有芯彎管示意圖
1.彎管模盤2.芯棒頭3.防皺塊4.管子5.芯棒桿6.夾緊塊7.壓力導(dǎo)向模
三、彎管方式的選擇
一般來說，冷態(tài)彎管有兩種方式：一種為無芯彎管，一種為有芯彎管。對于在什么情況下采用無芯彎管，什么情況下采用有芯彎管以及在有芯彎管時選用何種芯棒，需要對彎制管件的相對彎曲半徑R／D及相對壁厚S／D、彎曲角度α數(shù)值的大小進行分析之后來確定。R／D、S／D及α各值與彎管方式及芯棒形狀之間的相互關(guān)系如表1所示，彎管時參照此表可達到滿意的效果。
從表1可以看出，對于相同外徑D、壁厚S的管子，在彎制不同的圓弧半徑R時，由于其相對彎曲半徑R／D、相對壁厚S／D以及彎曲角度α的不同，可分別選用下列方式進行彎管：①無芯彎管、②使用硬式芯棒彎管、③使用軟式芯棒彎管等。當R／D≥3、S／D≥0.05時，采用無芯彎管即可；當R／D≤2.5、S／D≥0.05或R／D≥3、S／D≥0.025時，使用硬式芯棒可達到預(yù)期的效果；當R／D與S／D兩者都較小而彎曲角度α較大時，彎管過程中必須使用軟式芯棒。
表1
注：1.選擇虛線下面的方式進行彎管時，應(yīng)配防皺塊；2.N―表示可以不使用芯棒(即無芯彎管)；3.H―表示可以使用硬式芯棒彎管；4.F―表示需使用軟式芯棒彎管，后面的數(shù)字為推薦的球節(jié)數(shù)。
四、芯棒的選用
芯棒的形狀是多種多樣的，對于具有不同相對彎曲半徑或相對壁厚的管件，以及對其加工要求的不同，應(yīng)選用不同的形狀芯棒。一般情況下，可將芯棒分為兩大類：一種為硬式芯棒(見圖3a、b、c)，一種為軟式芯棒(見圖3d、e、f)
圖3芯棒的基本形狀
(a)圓柱芯棒(b)圓柱球頭芯棒(c)爪形芯棒(d)鏈式芯棒(e)軟軸芯棒(f)球窩節(jié)芯棒
在選用硬式芯棒時，由于圓柱形芯棒(或圓柱球頭芯棒)形狀簡單、制造方便、所使用場合比爪形芯棒更普遍；而在選用軟式芯棒時，由于球窩節(jié)芯棒能夠多方撓曲，各球節(jié)之間是球面鉸接，能適應(yīng)各種變形，因此，在彎制薄壁或相對彎曲半徑較小的管件時經(jīng)常采用，同時，選用球窩節(jié)芯棒還要根據(jù)不同的相對彎曲半徑、相對管壁厚度和彎曲角度考慮選用不同的球節(jié)數(shù)，球節(jié)數(shù)目的多少可參考表1選取。若球節(jié)數(shù)少，則達不到預(yù)期的效果；球節(jié)數(shù)多，則制造困難且不便于管子穿入。對于R／D、S／D及α在表1所列各值之間的數(shù)值，可參照此表折衷取值來選取芯棒和確定彎管方式。
芯棒形狀選定后，還不能保證彎出高質(zhì)量的管件，芯棒與管子內(nèi)徑之間的間隙大小也是影響彎管質(zhì)量的重要因素。如果芯棒的球節(jié)直徑偏小，管子彎曲時圓弧內(nèi)側(cè)有可能產(chǎn)生波浪形皺折(見圖4A處)，而且還可能起不到防止圓弧外側(cè)變扁的作用；直徑偏大或者球節(jié)外徑不夠光滑時，會拉傷管壁，管子圓弧外側(cè)還有可能起鼓包甚至破裂。選擇合理的芯棒直徑及對其充分潤滑是保證彎管質(zhì)量不可缺少的要素。
圖4球節(jié)直徑偏小時出現(xiàn)內(nèi)側(cè)起皺、外側(cè)變扁
芯棒直徑尺寸d可參照下列經(jīng)驗公式選?。?nbsp;
d≈(0.94～0.98)D
式中d―芯棒直徑，mm
D―管子內(nèi)徑名義尺寸，mm
五、芯棒的正確使用
在芯棒形狀和尺寸大小確定之后，其插入管子開始彎曲處的位置尺寸e(見圖5)也是影響彎管質(zhì)量的一個不可忽視的因素。如果伸出靠前(e值太大)，可能會擠裂管子外壁；如果插入不足，又起不到相應(yīng)的防變扁作用，圓弧內(nèi)側(cè)還可能起皺。
圖5芯棒插入到管子的位置尺寸
芯棒插入管子的初始位置尺寸e值可參照下式選?。?nbsp;
e≤(1／4～1／2)D
式中e―芯棒插入管子彎曲起始處的距離，mm
D內(nèi)―管子內(nèi)徑名義尺寸，mm
為彎出高質(zhì)量的管件，在按照上式選取e值后，應(yīng)先進行試彎，根據(jù)試彎情況調(diào)整彎管方式及芯棒的形狀(對于球窩節(jié)芯棒還要考慮選取不同的球節(jié)數(shù))，調(diào)整芯棒至恰當?shù)奈恢?，實驗出同批次材料的回彈量并加以調(diào)整修正彎曲補償角 度，這樣所彎制出的管件其圓弧處的橫截面形狀基本沒有橢圓形。如果再配以防皺塊和助推裝置，可消除圓弧內(nèi)側(cè)管壁的波浪形皺折且可減少圓弧外側(cè)管壁的減薄量，從而達到彎制薄壁或小半徑管件的目的。
此外，在對方(矩)形鋼管進行彎制時，除模具及芯棒的截面形狀與圓形鋼管不同之處，其芯棒的選取使用及彎制方式基本相同。
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