CN101425097A - 一种薄壁管数控弯曲芯模参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁管数控弯曲成形过程芯模参数的设计方法。其特征在于首先对芯模复杂联结结构通过“特征等效”作建模简化，获得球窝式结构芯模(包括芯棒和柔性芯头)的关键参数，包括芯模的几何结构和在弯管中的作用位置，然后从芯模与管材的几何配合出发，根据薄壁弯管塑性变形特点，推导出相应芯模参数的参考公式。本发明提出的弯管芯模设计方法简便、有效，可用来快速选取不同弯曲条件下薄壁弯管过程芯模参数，以弥补实际生产中经验公式的不足。

Description

一种薄壁管数控弯曲芯模参数设计方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体是一种薄壁管数控弯曲芯模参数的设计方法。

背景技术

对于薄壁管数控弯曲过程，若没有芯模在管子内部的支撑作用，管材极易发生起皱和严重截面畸变。在中国专利200710018458.X的专利申请中提出了一种柔性弯管芯模，在该发明中，带柔性芯头的球窝式结构芯模具有良好的可设计性，在薄壁弯管过程中，球窝式结构芯模能随着管材的弯曲变形作任意转动，从而实现对管材内壁弯曲段的刚性支撑。数控弯管管径和弯曲半径不同，芯模的设计参数差异很大。在柔性弯管芯模的实际生产过程中，弯管模具规格很多，增加了芯模设计的复杂程度。目前常采用经验和试错的方法来确定芯模参数，前者不具有普遍性(如芯棒直径的经验公式为0.94～0.98D)，而后者耗时耗力，往往因芯模参数设计或安装不合理而导致生产出现问题。

发明内容

为克服现有技术中难以准确快速获得芯模参数的不足，本发明提出了一种薄壁管数控弯曲芯模参数的设计方法。

在芯模设计中，芯模的直径d、芯头的厚度k、芯棒/芯头的孔心间距p、芯棒圆角半径r以及芯棒的伸出量e和芯头的数量n是影响薄壁管数控弯曲成形的芯模主要因素，本发明通过“特征等效”作建模简化，获得包括芯棒和柔性芯头在内的以上球窝式结构芯模的关键参数，包括芯模的几何外形尺寸和在弯管过程中的作用位置，然后从弯曲过程中芯模与管材的几何配合出发，根据薄壁管塑性弯曲变形特点，推导建立了相应芯模参数的设计参考公式。下面逐一描述各个量的确定方法：

球窝式结构芯模包括芯棒体和柔性芯头，芯棒体的位置可通过螺纹进行调整，芯头连接在芯棒体上，其个数是可选的。根据实际弯曲过程中芯模结构和功能特征，球窝式结构芯模(包括芯棒和柔性芯头)可用芯模直径d、芯头厚度k、芯棒/芯头孔心间距p和芯棒圆角半径r等几何参数以及芯棒伸出量e和芯头个数n等作用位置参数来准确描述其几何和效用特征。其中芯棒伸出量e定义为芯棒头部伸向管件弯曲变形区的超过切点的小段芯棒长度。

设计所用基本假设和理论如下：

(1)芯头联接安装后放成管子弯曲状态时，芯棒与芯头及管材之间的连接满足“自然相接”原则，即相互之间处于不会产生连接干涉现象的理想接触条件。

(2)为了满足金属材料流动性的要求并提高芯头的使用寿命，支撑芯头圆球面最高点和最低点上下两个承压点的连线应指向弯曲中心，即在弯曲过程中芯头绕弯曲中心点0做垂直纸面Z轴方向的旋转。

(3)弯管塑性变形经历从不稳定到稳定变化的过程，且塑性变形只发生在弯曲切点附近的局部区域，这一区域是起皱、减薄拉裂和截面畸变发生的危险区域。

涉及到的字母工程意义如下：

D—管材外径，R—中心线弯曲半径，C-管材内壁和芯模间隙，C_max—管材不起皱时管材内壁与芯模间隙最大间隙，d—芯模直径，d_min-芯棒最小直径，r—芯棒圆角半径，k—芯头厚度，p—芯棒及芯头孔心间距，n—芯头个数，e-芯棒伸出量，e_min-最小芯棒伸出量，e_max-最大芯棒伸出量。

(a)对于芯模直径d而言，d过大即管材/芯棒间隙过小，则阻碍了材料的正常流动，使得芯棒对管材弯曲的摩擦阻力增大，导致管材外侧减薄严重甚至拉裂，且引起管件/夹块间滑动而发生管材前段起皱失稳，但是d过小即管材/芯棒间隙过大，则管材必然发生失稳起皱缺陷。因此存在一个最优的芯棒直径，来保证管材/芯棒间隙值达到最佳。根据给定管材规格对应的不起皱情况下的最大允许管材/芯模间隙C_max，可获得最小芯棒直径d_min为

d_min＝D-2t-2C_max                                            (1)

其中最大间隙C_max约为管材壁厚的20％左右。

(b)参见图2，在直角三角形OAB中，根据勾股定理，导出AB段长度如下：

$\left|\mathrm{AB}\right|=\sqrt{{(R+D/2-t)}^2-{(R+d/2)}^2}---\left(2\right)$

从而最大芯棒伸出量e_max即为AB段长度和芯棒圆角半径的总和，表示如下：

$e_{\max }=\sqrt{{(R+D/2-t)}^2-{(R+d/2)}^2}+r---\left(3\right)$

其中芯棒圆角半径r起到对材料流动的光滑过渡的作用。

当芯棒伸出量超过最大值e_max时，芯棒将与管材发生干涉使管材产生“鹅头”，导致过度减薄甚至拉裂。但同时，最小芯棒伸出量e_min应不小于芯棒圆角半径r值。当芯棒伸出量小于r值时，芯棒与防皱块之间配合失效而产生失稳起皱现象。由于芯棒圆角半径r仅完成过渡作用，因此只需取一较小值即可。

(c)芯头个数的主要作用在于控制截面畸变。然而，芯头个数过多，则壁厚减薄严重，或对管材造成过大的拖动，导致管件/夹块出现相对滑动，同时芯头个数超过一定数量后则对截面畸变的改善已不再明显。因此，应在能够控制截面畸变程度的基础上，尽量使用最少数量的芯头个数。应该通过对管件弯曲危险截面进行有效弧长支撑来选择芯头和控制截面畸变程度的方法，尽量使用最少的芯头个数。假设某一弯曲过程，管材需要支撑的有效弯曲段弧度(最大截面畸变发生前的截面位置)对应的角度为α。根据理论研究结果，管件截面畸变发生的最大值一般不小于弯曲角度的1/2，且随管径的增大和弯曲半径的减小而有所增大，因此α取值应大于不小于弯曲角度的1/2。

对于芯头厚度k，不宜太薄也不宜太厚。太薄则不能保证机械联结强度，而太厚则使芯头上的C点距离管材内径间隙太大而起不到对截面变形的刚性支撑作用。一般为了实现芯头在弯曲过程中的灵活转动，因此应在保证联结强度基础上使得芯头厚度较小。

则对于芯模内侧有：

$e+\mathrm{nk}=\frac{\mathrm{\π\α}}{180}(R-d/2)---\left(4\right)$

对于芯模中心有以下协调关系：

$e+\mathrm{np}=\frac{\mathrm{\π\α}}{180}R---\left(5\right)$

芯头间距p太小，弯曲时芯头之间会相互干涉，影响弯曲半径；芯头间距太大，两芯头之间的管材得不到有效支撑，管件会出现塌平，影响成形管件圆度。芯头间距不能太大，弯曲时芯头夹角一般应小于30度，否则将导致截面畸变过大，不利于发挥芯头对截面畸变的控制作用，因此有以下约束公式：

$\frac{p}{d/2}\≤\frac{\mathrm{\π}}{180}\×30---\left(6\right)$

考虑芯头干涉问题，在弯管内侧弯曲弧面，满足约束：

$\frac{n(k-k/3)}{R-D/2+t}\≤\frac{\mathrm{np}}{R}---\left(7\right)$

其中k/3为小弯曲半径弯管芯头紧密联结时在弯管内侧相互交叠的弧长。

则芯头个数可由如下参考公式得到：

$n=\frac{R-D/2+t}{k}(\mathrm{\α}-\mathrm{arctg}\frac{e}{R-D/2+t})---\left(8\right)$

本发明提出的弯管芯模设计方法简便、有效，可用来快速选取不同弯曲条件下薄壁弯管过程的芯模参数，以弥补实际生产中经验公式的不足。在计算所得取值范围内选取芯模参数，可有效避免失稳起皱、截面畸变以及过度减薄等缺陷，有效减小试弯次数，若结合弯管知识，可在以上参数选取范围内对弯管过程芯模参数进行优化。

附图说明

通过下面参照附图，可对芯模设计方法有更好的理解，进一步理解本发明特点。附图中：

图1所示为带芯头的柔性芯模外形示意图；

图2所示为带芯头的芯模结构特征建模示意图；

图3所示为图二中芯模和芯头联结处局部放大图。

图中，1-芯棒，2-芯头，3-管壁，4-防皱块，5-压块，6-夹块，6-1-弯曲模镶块，7-弯曲模，8-弯曲切点

具体实施方式

根据以上参考公式，对数控弯管的芯模参数进行了预先设计，求解得到5种不同弯管规格所对应的芯模参数的参考值，以指导有限元建模和便于实际生产模具设计和实验调模时合理参数的快速选择。

管子弯曲规格分别为38×1×42(管材外径×壁厚×中心线弯曲半径)，38×1×57，50×1×75和50×1×100。推导过程如下：

(1)由于当管材/芯模间隙C_max不超过壁厚的20％时，即可保证不发生失稳起皱，因此选取管材/芯模间隙c_max取值为0.2mm，根据式(1)可得到不同弯曲规格弯管过程对应的最小芯棒直径。进而通过式(3)得到最小芯棒直径对应的最大芯棒伸出量。芯棒圆角半径r取为6mm。由此，得到了不同弯曲规格对应的芯棒直径和伸出量的取值范围。表一所示为应用举例-不同弯曲规格对应的芯棒直径和芯棒伸出量；

表一、应用举例-不同弯曲规格对应的芯棒直径和芯棒伸出量

(2)考虑实际过程中芯头制作成本较高，对于相同管径管件，不同弯曲半径弯曲模具兼顾使用同一规格芯模，因此38×1×42和38×1×57对应的芯头厚度和芯棒/芯头孔心间距通过38×1×57规格推导得到，而50×1×75和50×1×100对应的参数则通过50×1×75规格计算得到。

通过式(6)和式(7)，可得到芯棒/芯头孔心间距p和芯头厚度k的取值范围，进而根据式(8)得到最小芯头个数(弯曲角度为90度，因此有效弯曲段弧度对应角度α取值为45度)，再通过式(4)和式(5)，获得可直接利用的芯棒/芯头孔心间距p和芯头厚度k取值。表二所示为应用举例-不同管材规格对应的芯棒参数；

表二、应用举例-不同管材规格对应的芯棒参数

结果表明，在上述设计的取值范围内选取芯模参数，能保证弯管成形的稳定进行，即不会发生起皱现象，且在芯棒伸出量控制较好情况下管材截面扁化和壁厚减薄程度都得到了控制，从而证明了参考公式的可靠性。

Claims (2)

1、一种薄壁管数控弯曲芯模参数设计方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)对芯模复杂联结结构通过“特征等效”作建模简化；

(b)获得球窝式结构芯模(包括芯棒和柔性芯头)的关键参数，包括芯模的几何结构和在弯管中的作用位置；

(c)通过芯模与管材的几何配合出发，根据薄壁弯管塑性变形特点，推导出相应芯模参数的参考公式。

2、根据权利要求1所述的一种薄壁管数控弯曲芯模参数设计方法，其特征在于：管材弯曲过程中需支撑的有效弯曲段弧长对应的角度不小于整个弯曲角的1/2。

Images