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管子冷态弯制时的变形情况及芯棒的选择方法

弯管芯棒的选取和使用


摘要:介绍了管子在冷态弯制时的变形情况,以及通过合理选择芯棒及掌握其正确的使用方法,达到弯制出理想小半径管件的方法。 
      键词:应力;芯棒;相对弯曲半径;相对壁厚 

一、引言 
       弯管技术广泛应用于锅炉及压力容器行业,中央空调制造业、汽车工业、航空航天工业、船舶制造业等多种行业,弯管质量的好坏,将直接影响到这些行业的产品的结构合理性,安全性、可靠性等。因此,为了弯制出高质量的管件,就应该掌握管件在不同工艺条件下的加工技巧。对于冷态弯管,合理选择芯棒的形成及掌握其正确的使用方法非常必要。 

二、工艺分析 
      在纯弯曲的情况下,外径为D、壁厚为S的管子受外力矩M的作用发生弯曲时,中性层外侧的管壁受拉应力σ1的作用而减薄,内侧管壁受压应力σ2的作用而增厚(见图1a)。同时,合力F1和F2又使管子弯曲处的横截面发生变形而成为近似椭圆形(见图1b),内侧管壁在σ2的作用下还可能出现失稳而起皱(见图1c),为弯制出理想的管件,就应采取相应的措施来防止上述这些缺陷的产生,其中有芯弯管就是最常用的有效方法之一。 

图1管子弯曲时的受力及变形情况 
(a)管子弯曲时的受力情况(b)管子弯曲时的截面变形(c)管子弯曲时的内侧失稳起皱

所谓有芯弯管,就是当被弯制的管子相对弯曲半径R/D或相对壁厚S/D较小时,为了获得高质量的管件,在管子被弯制过程中,在其内部插入一根合适的芯棒,以防止管子弯曲时圆弧处出现变扁及起皱现象的方法(见图2)。

图2有芯弯管示意图 
1.弯管模盘2.芯棒头3.防皱块4.管子5.芯棒杆6.夹紧块7.压力导向模

三、弯管方式的选择 
      一般来说,冷态弯管有两种方式:一种为无芯弯管,一种为有芯弯管。对于在什么情况下采用无芯弯管,什么情况下采用有芯弯管以及在有芯弯管时选用何种芯棒,需要对弯制管件的相对弯曲半径R/D及相对壁厚S/D、弯曲角度α数值的大小进行分析之后来确定。R/D、S/D及α各值与弯管方式及芯棒形状之间的相互关系如表1所示,弯管时参照此表可达到满意的效果。 

     从表1可以看出,对于相同外径D、壁厚S的管子,在弯制不同的圆弧半径R时,由于其相对弯曲半径R/D、相对壁厚S/D以及弯曲角度α的不同,可分别选用下列方式进行弯管:①无芯弯管、②使用硬式芯棒弯管、③使用软式芯棒弯管等。当R/D≥3、S/D≥0.05时,采用无芯弯管即可;当R/D≤2.5、S/D≥0.05或R/D≥3、S/D≥0.025时,使用硬式芯棒可达到预期的效果;当R/D与S/D两者都较小而弯曲角度α较大时,弯管过程中必须使用软式芯棒。

表1

 

注:1.选择虚线下面的方式进行弯管时,应配防皱块;2.N―表示可以不使用芯棒(即无芯弯管);3.H―表示可以使用硬式芯棒弯管;4.F―表示需使用软式芯棒弯管,后面的数字为推荐的球节数。

四、芯棒的选用 
      芯棒的形状是多种多样的,对于具有不同相对弯曲半径或相对壁厚的管件,以及对其加工要求的不同,应选用不同的形状芯棒。一般情况下,可将芯棒分为两大类:一种为硬式芯棒(见图3a、b、c),一种为软式芯棒(见图3d、e、f)


图3芯棒的基本形状 
(a)圆柱芯棒(b)圆柱球头芯棒(c)爪形芯棒(d)链式芯棒(e)软轴芯棒(f)球窝节芯棒

      在选用硬式芯棒时,由于圆柱形芯棒(或圆柱球头芯棒)形状简单、制造方便、所使用场合比爪形芯棒更普遍;而在选用软式芯棒时,由于球窝节芯棒能够多方挠曲,各球节之间是球面铰接,能适应各种变形,因此,在弯制薄壁或相对弯曲半径较小的管件时经常采用,同时,选用球窝节芯棒还要根据不同的相对弯曲半径、相对管壁厚度和弯曲角度考虑选用不同的球节数,球节数目的多少可参考表1选取。若球节数少,则达不到预期的效果;球节数多,则制造困难且不便于管子穿入。对于R/D、S/D及α在表1所列各值之间的数值,可参照此表折衷取值来选取芯棒和确定弯管方式。 

      芯棒形状选定后,还不能保证弯出高质量的管件,芯棒与管子内径之间的间隙大小也是影响弯管质量的重要因素。如果芯棒的球节直径偏小,管子弯曲时圆弧内侧有可能产生波浪形皱折(见图4A处),而且还可能起不到防止圆弧外侧变扁的作用;直径偏大或者球节外径不够光滑时,会拉伤管壁,管子圆弧外侧还有可能起鼓包甚至破裂。选择合理的芯棒直径及对其充分润滑是保证弯管质量不可缺少的要素。

图4球节直径偏小时出现内侧起皱、外侧变扁

芯棒直径尺寸d可参照下列经验公式选取: 

d≈(0.94~0.98)D 
式中d―芯棒直径,mm 
D―管子内径名义尺寸,mm 


五、芯棒的正确使用 
      在芯棒形状和尺寸大小确定之后,其插入管子开始弯曲处的位置尺寸e(见图5)也是影响弯管质量的一个不可忽视的因素。如果伸出靠前(e值太大),可能会挤裂管子外壁;如果插入不足,又起不到相应的防变扁作用,圆弧内侧还可能起皱。

图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值可参照下式选取: 
e≤(1/4~1/2)D 
式中e―芯棒插入管子弯曲起始处的距离,mm 
D内―管子内径名义尺寸,mm 
      为弯出高质量的管件,在按照上式选取e值后,应先进行试弯,根据试弯情况调整弯管方式及芯棒的形状(对于球窝节芯棒还要考虑选取不同的球节数),调整芯棒至恰当的位置,实验出同批次材料的回弹量并加以调整修正弯曲补偿角 度,这样所弯制出的管件其圆弧处的横截面形状基本没有椭圆形。如果再配以防皱块和助推装置,可消除圆弧内侧管壁的波浪形皱折且可减少圆弧外侧管壁的减薄量,从而达到弯制薄壁或小半径管件的目的。 
      此外,在对方(矩)形钢管进行弯制时,除模具及芯棒的截面形状与圆形钢管不同之处,其芯棒的选取使用及弯制方式基本相同。 


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