CN102161059B - 铝合金大直径薄壁管数控弯曲的偏心芯模及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种铝合金大直径薄壁管数控弯曲的偏心芯头及其设计方法，包括偏心芯头(2)、芯模芯杆(1)和芯头间联接件(3)，偏心芯头间采用球窝式结构连接；偏心芯头(2)的球心在芯头体内的偏心度δ为δ＝h/k，其中h为偏心芯头球心到芯头大端的距离，k为偏心芯头的厚度。确定偏心芯头的内半径d₀′和外半径d₀和芯头最大转角θ₂对应的x₂，建立偏心距离h与偏心芯头最大转角θ₂关系，通过有限元模拟确定偏心芯头(2)间的最大转角θ₂的范围，进而确定h的取值范围。本发明减少了芯头间转动的干涉区域以及芯头与管材外弧面的过度干涉，适于管材在各种弯曲半径下的弯曲成形，在不增大管材扁化程度时，能够减小管材起皱的可能性以及减薄程度。

Description

铝合金大直径薄壁管数控弯曲的偏心芯模及其设计方法

一、技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体是一种铝合金大直径薄壁管数控弯曲芯模偏心芯头及其设计方法。

二、背景技术

随着铝合金管直径的增加以及弯曲半径的减小，铝合金大直径薄壁管在数控弯曲中发生起皱的可能性将越来越大。目前，工业界常采用减小管材与模具间接触间隙的方法，减小管材起皱的可能性，但是，这又将增大管材的减薄和扁化程度。在铝合金大直径薄壁管数控弯曲成形过程中，芯模参数对管材的起皱、减薄和扁化均将产生重要的影响。传统的薄壁管数控弯曲的芯模芯头结构，普遍采用对称式结构(图1)，该结构的特点是球心O位于芯头的中心，芯头间采用球窝式结构连接，芯头能随着管材的弯曲变形作一定角度的转动。该结构的缺点是，由于对称式结构的特点，芯头与芯头间在转动时发生干涉的范围较大，弯曲过程中芯头可转动的角度范围不大，管材在弯曲中无法实现与小弯曲半径的变形协调；同时，由于对称式芯头结构容易产生与管材外弧面的过度接触，从而增大管材的壁厚减薄程度。在申请号为200710018458.X的发明专利申请文件中公开了一种柔性弯管芯模的设计，该设计的芯模虽然可以增加芯模在弯管过程中的转动程度，但是，该发明仍然采用对称式结构芯头，因此对于铝合金大直径薄壁管的数控弯曲过程无法适用。因此，改进芯模的几何结构，并获得合理的芯模几何结构参数的设计方法，将成为提高铝合金大直径薄壁管数控弯曲过程成形质量的有效方法。

三、发明内容

为克服现有技术中所采用的对称式结构芯头不适用于铝合金大直径薄壁管数控弯曲的不足，本发明提出了一种铝合金大直径薄壁管数控弯曲的偏心芯模及其设计方法。

本发明包括偏心芯头、芯模芯杆和芯头间联接件，芯头间采用球窝式结构连接，其特征在于，偏心芯头的球心在芯头体内的位置不在芯头的几何中心，偏心芯头的偏心程度δ为：

δ＝h/k       (1)

在上式中，h为偏心芯头球心到偏心芯头大端的距离，k为偏心芯头的厚度。由式(1)可知，在相同偏心芯头厚度条件下，h越小，偏心芯头的偏心程度越大。此外，偏心芯头间采用球窝式结构连接。

根据偏心芯头转动的几何协调条件，确定出决定偏心芯头转动角度范围的偏心芯头几何结构关键参数，包括偏心芯头厚度k，偏心芯头外半径d₀，偏心芯头内半径d₀′，偏心芯头偏心距离h。其具体设计过程是：

第一步，在给定管材的直径D，壁厚t以及弯曲半径R₀条件下，确定偏心芯头的个数n和厚度k。

偏心芯头的个数n和厚度k为：

$\mathrm{nk}=\frac{\mathrm{\π}}{180}\mathrm{\α}{R}_0---\left(2\right)$

在式(2)中，α为管材弯曲段需要偏心芯头支撑的范围，对于管直径与壁厚的比值大于50的铝合金大直径薄壁管，α的取值范围为40～45度。当α给定后，确定偏心芯头个数n，n的取值范围为3～5个。根据式(2)，由偏心芯头个数n计算偏心芯头厚度k。对相同直径的管材，偏心芯头个数越多，厚度越小，偏心芯头强度越小。由于铝合金管材较软，故偏心芯头厚度取得较小，以减小弯曲过程中铝合金管的起皱和减薄程度。

第二步，确定偏心芯头的内半径d₀′和外半径d₀。

偏心芯头内外半径为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_0=\frac{(D-2t-C_{\mathrm{ball}})}{2}\\ {d_0}^{\′}=d_0+C^{\′}\end{array}\right.---\left(3\right)$

在式(3)中，偏心芯头外半径d₀的圆心为该偏心芯头的球心，内半径d₀′的圆心为与该偏心芯头相连的前一个偏心芯头的球心；C′为偏心芯头外圆弧表面和内圆弧表面之间的间隙，其取值范围为3～5mm；C_ball为偏心芯头与管材内壁的间隙，取值范围为0.3～0.9mm；D为管材的直径；t为管材的壁厚。

第三步，由内外半径差|d₀-d₀′|，确定偏心芯头最大转角θ₂对应的参数x₂。

x₂为偏心芯头球心O与F点的距离，由偏心芯头小端顶点A做偏心芯头大端轮廓线的平行线，该平行线与偏心芯头中心轴线的交点即为F点。x₂的取值由|d₀-d₀′|确定。|d₀-d₀′|越大，x₂越小，θ₂越大；同时，球头的加工难度越大，成本越高。根据球头厚度，|d₀-d₀′|为3～5mm，则x2的变化范围为3～1mm。随着内外半径差|d₀-d₀′|的增加，x₂将减小(表1)。

 表1偏心芯头最大转角θ₂相应的x₂

|d0-d0′|(mm)	x2(mm)
		3	3
4	2.4
		4.5	1.6
5	1

第四步，建立偏心距离h与偏心芯头最大转角θ₂的关系。

由三角形ECO和三角形AFB(图3)，可以确定出不同尺寸管材偏心芯头的最大转动角度的解析表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{\sin \mathrm{\&theta;}}_1=\frac{x_1}{d_0},(0<x_1<h)\\ {\tan \mathrm{\&theta;}}_2=\frac{k-h-x_2}{\sqrt{{d_0}^2-{(k-h)}^2}},\\ (0<h<k/\mathrm{2,0}<x_2<k-h)\end{array}\right.---\left(4\right)$

在式(4)中，θ₁为偏心芯头与芯模芯杆间的最大转动角度，θ₂为各偏心芯头之间的最大转动角度，θ₁仅与外半径d₀和x₁有关，且该转角与采用对称偏心芯头时无差别。通过选择合理的偏心距离h，实现偏心芯头最大转动角度θ₂的合理设计。在偏心芯头厚度k，芯头外半径d₀和x₂已知的条件下，根据式(4)，可以建立偏心芯头偏心距离h与θ₂的关系。

第五步，由管材极限弯曲过程的有限元模拟结果，确定偏心芯头间的最大转角θ₂的范围。具体过程是，首先建立铝合金大直径薄壁管数控弯曲过程模拟有限元模型，实现管材在最小弯曲半径下的稳定弯曲过程的模拟，并记录偏心芯头间的最大转角θ₂的取值范围。

第六步，根据θ₂的范围，根据偏心距离h与偏心芯头最大转角θ₂的关系，确定h的取值范围。至此，完成偏心芯模几何关键参数的设计。

本发明针对对称式偏心芯头存在的缺点，采用偏心结构的偏心芯头，可以减少偏心芯头间转动的干涉区域以及偏心芯头与管材外弧面的过度干涉。为了避免偏心芯头过大的偏心度，保证弯曲中球头对管材的有效支撑，本发明的偏心芯头的球心位置在偏心芯头体内的情况(图2)。采用上述方法设计的偏心芯头，可以适应管材在各种弯曲半径下的弯曲成形，对实现铝合金大直径薄壁管的在小弯曲半径下的高质量稳定成形具有重要意义，在不增大管材扁化程度的条件下，可以减小管材起皱的可能性以及减薄程度。

四、附图说明

图1为对称芯头形状结构示意图；

图2为偏心芯头形式形状结构示意图；

图3为偏心芯头间转动的几何协调关系示意图；

图4为偏心芯头几何结构参数的设计流程图；

图5为偏心芯模剖面示意图；

图6为偏心芯模装配平面示意图；

图7为偏心芯模装配等轴侧示意图。图中：

1.芯模芯杆2.偏心芯头3.芯头间联接件

五、具体实施方式

在本实施例中，针对壁厚为1mm，弯曲因子R₀/D为1.5，直径D分别为50mm、70mm、80mm和100mm的铝合金管管材，采用了偏心芯头2，即偏心芯头的球心在芯头体内的位置不在芯头的几何中心，偏心芯头2的偏心程度δ为δ＝h/k，其中，h为偏心芯头球心到芯头大端的距离，k为芯头的厚度。在相同芯头厚度条件下，h越小，芯头的偏心程度越大(图2)。

如图5-图7所示，本实施例的偏心芯模结构包括，芯模芯杆1、偏心芯头2以及芯头间联接件3，芯头间采用球窝式结构连接。偏心芯头2的偏心度分别为0.28～0.33(D/t＝50)、0.32～0.38(D/t＝70)、0.35～0.4(D/t＝80)、0.32～0.38(D/t＝100)。

本实施例还提出了一种偏心芯头2的设计方法。

本实施例根据偏心芯头转动的几何协调条件，确定出决定偏心芯头2转动角度范围的几何结构关键参数，包括偏心芯头的厚度k，偏心芯头的外半径d₀，偏心芯头的内半径d₀′和偏心芯头的偏心距离h，具体过程如下(图4)：

步骤1，在给定管材的直径D，壁厚t以及弯曲半径R₀条件下，确定偏心芯头2的个数n和厚度k。

偏心芯头2的个数n和厚度k为：

$\mathrm{nk}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{180}\mathrm{\&alpha;}{R}_0---\left(2\right)$

式中，h为偏心芯头2的球心到偏心芯头大端的距离，k为偏心芯头的厚度。由式(2)，根据管材的直径和壁厚(D/t)和弯曲因子(R₀/D＝1.5)，确定α值，由α确定偏心芯头2的个数n，然后由n确定芯头厚度k，本实施例中，α均取40度，偏心芯头个数和厚度设计结果如表2：

表2偏心芯头的个数和厚度

D/t	n	k(mm)
			50	4	15
70	4	18
			80	4	21
100	4	24

步骤2，由式(3)，确定偏心芯头外半径d₀，然后由d₀确定偏心芯头内半径d₀′，本实施例中，C_ball均取0.7mm，偏心偏心芯头的内外半径设计结果如表3：

表3偏心芯头内外半径

D/t	Cball(mm)	d0(mm)	d0′(mm)	C′(mm)
					50	0.3	23.65	26.65	3
70	0.7	33.65	37.65	4
					80	0.7	38.65	42.65	4
100	0.9	48.65	53.15	5

步骤3，根据|d₀-d₀′|，由表1，确定与球头最大转角θ₂相应的x₂，本实施例中，设计结果如表4：

表4偏心芯头最大转角θ₂相应的x₂

D/t	|d0-d0′|(mm)	x2(mm)
			50	3	3
70	4	2.4
			80	4	2.4
100	4.5	1.6

步骤4，根据(4)式，建立h与偏心芯头最大转动角度θ₂间的关系，本实施例中，设计结果如表5：

表5偏心芯头h-θ₂关系表

步骤5，根据不同尺寸管材极限弯曲过程的有限元模拟结果，发现θ₂的取值范围为16～18度，由表5，可以确定h。本实施例中，设计结果如表6：

表6偏心芯头偏心度

D/t	h(mm)
		50	4.2～4.9
70	5.8～6.8
		80	7.3～8.5
100	7.6～9.1

有限元模拟和实际弯管成形结果均表明，采用上述设计方法设计的偏心芯头几何结构参数，特别适合于小弯曲半径条件下弯管成形，在不增大管材扁化程度的条件下，可以减小管材起皱的可能性以及减薄程度。

Claims (2)

1.一种铝合金大直径薄壁管数控弯曲的偏心芯模，包括偏心芯头(2)、芯模芯杆(1)和芯头间联接件(3)，各偏心芯头间采用球窝式结构连接；其特征在于，该偏心芯头(2)的球心在芯头体内的位置不在芯头体的几何中心处；偏心芯头(2)的偏心程度δ为： 

δ＝h/k                 [1] 

在式[1]中，h为偏心芯头(2)球心到芯头大端的距离，k为芯头的厚度。 

2.一种如权利要求1所述铝合金大直径薄壁管数控弯曲的偏心芯模的设计方法，其特征在于，具体设计过程是： 

第一步，在给定管材的直径D，壁厚t以及弯曲半径R₀条件下，确定偏心芯头(2)的个数n和厚度k； 

偏心芯头(2)的个数n和厚度k为： 

在式[2]中，α为管材弯曲段需要偏心芯头支撑的范围，对于管直径与壁厚的比值大于50的铝合金大直径薄壁管，α的取值范围为40～45度；当α给定后，确定偏心芯头(2)的个数n，n的取值范围为3～5个；根据式(2)，由偏心芯头(2)的个数n计算芯头厚度k； 

第二步，确定偏心芯头(2)的内半径d₀′和外半径d₀； 

偏心芯头(2)的内外半径为： 

在式[3]中，偏心芯头(2)的外半径d₀的圆心为该偏心芯头(2)的球心，内半径d₀′的圆心为与该偏心芯头(2)相连的前一个偏心芯头(2)的球心；C′为偏心芯头(2)内圆弧表面与外圆弧表面的间隙，其取值范围为3～5mm；C_ball为偏心芯头(2)与管材内壁的间隙，取值范围为0.3～0.9mm；D为管材的直径；t为管材的壁厚；第三步，由内外半径差|d₀-d₀′|，确定偏心芯头(2)最大转角θ₂对应的参数x₂；x₂为偏心芯头(2)球心O与F点的距离，由偏心芯头(2)小端顶点A做偏心芯头(2)大端轮廓线的平行线，该平行线与偏心芯头(2)中心轴线的交点即为F点；x₂的取值由|d₀-d₀′|确定；|d₀-d₀′|越大，x₂越小，θ₂越大；|d₀-d₀′|为3～5mm， 则x₂的变化范围为3～1mm；随着内外半径差|d₀-d₀′|的增加，x₂将减小； 

第四步，确定偏心距离h与偏心芯头(2)最大转角θ₂的关系； 

不同尺寸管材偏心芯头的最大转动角度的解析表达式： 

在式[4]中，θ₁为偏心芯头(2)与芯模芯杆间的最大转动角度，θ₂为各偏心芯头(2)之间的最大转动角度，θ₁仅与外半径d₀和x₁有关，且该转角与采用对称偏心芯头(2)时无差别；在偏心芯头(2)厚度k，偏心芯头(2)外半径d₀和x₂已知的条件下，根据式(4)，确定偏心芯头(2)偏心距离h与θ₂的关系； 

第五步，由管材极限弯曲过程的有限元模拟结果，确定偏心芯头(2)间的最大转角θ₂的范围；具体过程是，首先建立铝合金大直径薄壁管数控弯曲过程模拟有限元模型，实现管材在最小弯曲半径下的稳定弯曲过程的模拟，并记录偏心芯头(2)间的最大转角θ₂的取值范围； 

第六步，根据θ₂的范围，根据偏心距离h与偏心芯头(2)最大转角θ₂的关系表，确定h的取值范围。 

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