CN104462634A - 小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法 - Google Patents

Abstract

为解决现有技术小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒技术存在的几何尺寸难于确定，没有针对不同规格管材需要弯曲成设计形状时勺形芯棒的设计方法等问题，本发明提出一种小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法，定义的勺形芯棒的几何尺寸参数包括：芯棒总长度L、芯棒与管材内壁的单边间隙δ、芯棒直径d、勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁、勺形曲面中心与芯棒轴线的距离L₂和勺形曲面圆角半径r。本发明的有益技术效果是能快速而精确地对不同规格管材弯曲成形为设计形状式所需的勺形芯棒的几何尺寸进行设计，勺形芯棒结构简单，加工方便，能够有效避免截面扁化超标和“鹅头”缺陷的产生，保证了弯管件的质量。

Description

小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法

技术领域

本发明涉及到一种小口径厚壁管数控弯曲成形技术，特别涉及到一种小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法。

背景技术

弯管零件由于能够满足轻量化、高强度和低消耗等方面的要求，已被广泛应用于航空和航天等高技术领域。并且，除应用于气体、液体的输送管路外，也广泛用作金属结构件。数控弯管技术不仅能够使管材塑性弯曲实现精确成形，而且可以快速形成批量生产能力，且具有高效、节能和质量稳定的特点，因而常用于金属弯管的塑性成形。

数控弯管的模具通常包含弯曲模、夹持模(又称夹块)、压力模(又称压块)、防皱模(又称防皱块)及芯模(又称芯棒和芯球)，芯模在管材弯曲过程中承受较大的摩擦力，并对弯曲成形的弯管质量具有重要的作用。通常，对于直径小于12mm管材的弯曲，芯模尺寸较小，处于制造及加工成本的考虑，常采用不带芯球、前端为圆角的芯棒作为芯模。但是，采用这种芯模弯曲成形的弯管，常常会出现截面扁化超标和俗称“鹅头”的缺陷。所谓截面扁化超标是指弯曲成型后弯曲段直径和原管材直径的差值与原管材直径地比率，即截面扁化率大于5％；所谓“鹅头”是指弯曲成型后在弯管弯曲段外侧形成的类似鹅头的隆起。这两种缺陷均属于重大质量缺陷，有这两种缺陷的弯管均属于报废品，不能投入使用。为避免弯曲成形过程中出现上述两种缺陷，美国专利USP4380917提出了一种勺形芯棒(Spoon Mandrel)，其芯棒端头的上曲面接近理想的弯管内壁形状，采用该芯棒可以有效防止在弯曲成型过程中出现上述两种缺陷。上海交通大学相关科技人员对管材弯曲中常用的圆头芯棒、勺形芯棒和带芯球芯棒进行了仿真对比，结果表明勺形芯棒可以同时减轻截面扁化及壁厚减薄情况(唐鼎,李大永,彭颖红.芯棒形式对铜管绕弯成形质量影响的仿真研究.中国机械工程,17(2006)80-82)。然而，上述技术文献均没有针对勺形芯棒具体几何尺寸的设计方法的介绍，更没有针对不同规格管材在需要弯曲成设计形状时，如何确定勺形芯棒几何尺寸的设计方法的介绍。这对勺形芯棒的推广应用造成障碍。显然，现有技术小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒技术存在着几何尺寸难于确定，没有针对不同规格管材需要弯曲成设计形状时勺形芯棒的设计方法等问题。

发明内容

为解决现有技术小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒技术存在的几何尺寸难于确定，没有针对不同规格管材需要弯曲成设计形状时勺形芯棒的设计方法等问题，本发明提出一种小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法。本发明小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法定义的勺形芯棒的几何尺寸参数包括：芯棒总长度L、芯棒与管材内壁的单边间隙δ、芯棒直径d、勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁、勺形曲面中心与芯棒轴线的距离L₂和勺形曲面圆角半径r；各个参数确定方法包括：

芯棒总长度L按下式(1)确定，

L＝10D  (1)

芯棒与管材内壁的单边间隙δ按下式(2)确定，

$\mathrm{\δ}=\frac{D}{100}---\left(2\right)$

芯棒直径d按下式(3)确定，

d＝D-2t-2δ  (3)

勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁按下式(4)确定，

$L_1=\sqrt{2R(D-2t-2\mathrm{\δ})}---\left(4\right)$

勺形曲面中心与芯棒轴线距离L₂按下式(5)确定，

L₂＝R  (5)

勺形曲面圆角半径r按下式(6)确定，

$r=\frac{D}{12}---\left(6\right)$

上述各式中，L为芯棒总长度，D为拟成形管材外径，δ为芯棒与管材内壁单边间隙，d为芯棒直径，t为管材壁厚，L₁为勺形曲面中心与芯棒前端的距离，R为管材弯曲半径，L₂为勺形曲面中心与芯棒轴线的距离，r为勺形曲面圆角半径，并且，所有参数的单位均为mm；

获得上述参数后，采用三维机械制图软件根据芯棒总长度L及芯棒直径d画出一个圆柱体，根据勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁和勺形曲面中心与芯棒轴线的距离L₂确定扫掠中心，以L₂为扫掠半径、以直径为d的圆为扫掠图形，对上述圆柱体进行切除即得到勺形曲面，以圆角半径r对勺形曲面与原有圆柱曲面间的交割线进行圆角操作，由此，完成勺形芯棒的几何尺寸设计和造型。

本发明小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法的有益技术效果是能快速而精确地对不同规格管材弯曲成形为设计形状式所需的勺形芯棒的几何尺寸进行设计，设计出的勺形芯棒结构简单，加工方便，能够有效避免截面扁化超标和“鹅头”缺陷的产生，保证了弯管件的质量，并且，还消除了勺形芯棒推广应用的障碍。

附图说明

附图1是数控弯管模具的结构示意图；

附图2是截面扁化超标缺陷的示意图；

附图3是“鹅头”缺陷的示意图；

附图4是本发明设计方法的勺形芯棒几何尺寸定义的示意图；

附图5是本发明设计方法的勺形曲面几何形状和尺寸形成示意图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法作进一步的说明。

具体实施方式

附图1是数控弯管模具的结构示意图，图中，l为弯曲模，2为夹块，3为压块，4为防皱块，5为芯模。由图可知，现有技术数控弯管的模具通常包含弯曲模、夹持模(又称夹块)、压力模(又称压块)、防皱模(又称防皱块)及芯模(又称芯棒和芯球)，芯模在管材弯曲过程中承受较大的摩擦力，并对弯曲成形的弯管质量具有重要的作用。通常，对于直径小于12mm管材的弯曲，芯模尺寸较小，处于制造及加工成本的考虑，常采用不带芯球、前端为圆角的芯棒作为芯模。

附图2是截面扁化超标缺陷的示意图，附图3是“鹅头”缺陷的示意图，由图可知，采用不带芯球且前端为圆角的芯模弯曲成形的弯管，常常会出现截面扁化超标和俗称“鹅头”的缺陷。所谓截面扁化超标是指弯曲成型后弯曲段直径和原管材直径的差值与原管材直径地比率，即截面扁化率大于5％；所谓“鹅头”是指弯曲成型后在弯管弯曲段外侧形成的类似鹅头的隆起。这两种缺陷均属于重大质量缺陷，有这两种缺陷的弯管均属于报废品，不能投入使用。为避免弯曲成形过程中出现上述两种缺陷，美国专利USP4380917提出了一种勺形芯棒(Spoon Mandrel)，其芯棒端头的上曲面接近理想的弯管内壁形状，采用该芯棒可以有效防止在弯曲成型过程中出现上述两种缺陷。上海交通大学相关科技人员对管材弯曲中常用的圆头芯棒、勺形芯棒和带芯球芯棒进行了仿真对比，结果表明勺形芯棒可以同时减轻截面扁化及壁厚减薄情况(唐鼎,李大永,彭颖红.芯棒形式对铜管绕弯成形质量影响的仿真研究.中国机械工程,17(2006)80-82)。然而，上述技术文献均没有针对勺形芯棒具体几何尺寸的设计方法的介绍，更没有针对不同规格管材在需要弯曲成设计形状时，如何确定勺形芯棒几何尺寸的设计方法的介绍。这对勺形芯棒的推广应用造成障碍。显然，现有技术小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒技术存在着几何尺寸难于确定，没有针对不同规格管材需要弯曲成设计形状时勺形芯棒的设计方法等问题。

附图4是本发明设计方法的勺形芯棒几何尺寸定义的示意图，附图5是本发明设计方法的勺形曲面几何形状和尺寸形成示意图，图中，l为弯曲模，2为夹块，3为压块，6为勺形芯模，A为管材，虚线为扫掠路径。由图可知，本发明小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法定义的勺形芯棒的几何尺寸参数包括：芯棒总长度L、芯棒与管材内壁的单边间隙δ、芯棒直径d、勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁、勺形曲面中心与芯棒轴线的距离L₂和勺形曲面圆角半径r；各个参数确定方法包括：

芯棒总长度L按照下式(1)确定，

L＝10D  (1)

芯棒与管材内壁的单边间隙δ按下式(2)确定，

$\mathrm{\δ}=\frac{D}{100}---\left(2\right)$

芯棒直径d按下式(3)确定，

d＝D-2t-2δ  (3)

勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁按下式(4)确定，

$L_1=\sqrt{2R(D-2t-2\mathrm{\δ})}---\left(4\right)$

勺形曲面中心与芯棒轴线距离L₂按下式(5)确定，

L₂＝R(5)

勺形曲面圆角半径r按下式(6)确定，

$r=\frac{D}{12}---\left(6\right)$

上述各式中，L为芯棒总长度，D为拟成形管材外径，δ为芯棒与管材内壁单边间隙，d为芯棒直径，t为管材壁厚，L₁为勺形曲面中心与芯棒前端的距离，R为管材弯曲半径，L₂为勺形曲面中心与芯棒轴线的距离，r为勺形曲面圆角半径，并且，所有参数的单位均为mm；

获得上述参数后，采用三维机械制图软件根据芯棒总长度L及芯棒直径d画出一个圆柱体，根据勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁和勺形曲面中心与芯棒轴线的距离L₂确定扫掠中心，以L₂为扫掠半径、以直径为d的圆为扫掠图形，对上述圆柱体进行切除即得到勺形曲面，以圆角半径r对勺形曲面与原有圆柱曲面间的交割线进行圆角操作，由此，完成勺形芯棒的几何尺寸设计和造型。

具体实施例1

将外径D为6mm、壁厚t为0.5mm的管材弯曲成形为弯曲半径R为12mm弯管，采用本发明小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法设计弯曲成形所需的勺形芯棒，具体为：

按照下式确定芯棒总长度L，

L＝10D＝10×6＝60(mm)

按照下式确定芯棒与管材内壁的单边间隙δ，

$\mathrm{\δ}=\frac{D}{100}=\frac{6}{100}=0.06\left(\mathrm{mm}\right)$

按照下式确定芯棒直径d，

d＝D-2t-2δ＝6-2×0.5-2×0.06＝4.88(mm)

按照下式确定勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁，

$L_1=\sqrt{2R(D-2t-2\mathrm{\δ})}=\sqrt{2\×12\×(6-2\×0.5-2\×0.06)}\≈11\left(\mathrm{mm}\right)$

按照下式确定勺形曲面中心与芯棒轴线距离L₂，

L₂＝R＝12(mm)

按照下式确定勺形曲面圆角半径r，

$r=\frac{D}{12}=\frac{6}{12}=0.5\left(\mathrm{mm}\right)$

获得上述参数后，采用三维机械制图软件UG NX4根据芯棒总长度60mm及芯棒直径4.88mm画出一个圆柱体，根据勺形曲面中心与芯棒前端的距离11mm和勺形曲面中心与芯棒轴线的距离12mm确定扫掠中心，以12mm为扫掠半径、以直径为4.88mm的圆为扫掠图形，对上述圆柱体进行切除即得到勺形曲面，以圆角半径0.5mm对勺形曲面与原有圆柱曲面间的交割线进行圆角操作，由此，完成勺形芯棒的几何尺寸设计和造型。根据上述几何尺寸加工勺形芯棒并检验合格后，在实际弯曲成形过程中，加工出来的弯管均未出现“鹅头”缺陷，测定其截面扁化率均在2％以内，完全可以满足相关技术规范的要求。

具体实施例2

将外径D为8mm、壁厚t为0.6mm的管材弯曲成形为弯曲半径R为24mm弯管，采用本发明小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法设计弯曲成形所需的勺形芯棒，具体为：

按照下式确定芯棒总长度L，

L＝10D＝10×8＝80(mm)

按照下式确定芯棒与管材内壁的单边间隙δ，

$\mathrm{\δ}=\frac{D}{100}=\frac{8}{100}=0.08\left(\mathrm{mm}\right)$

按照下式确定芯棒直径d，

d＝D-2t-2δ＝8-2×0.6-2×0.08＝6.64(mm)

按照下式确定勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁，

$L_1=\sqrt{2R(D-2t-2\mathrm{\δ})}=\sqrt{2\×24\×8-2\×0.6-2\×0.08)}\≈18\left(\mathrm{mm}\right)$

按照下式确定勺形曲面中心与芯棒轴线距离L₂，

L₂＝R＝24(mm)

按照下式确定勺形曲面圆角半径r，

$r=\frac{D}{12}=\frac{8}{12}=0.7\left(\mathrm{mm}\right)$

获得上述参数后，采用三维机械制图软件Solidworks 2008根据芯棒总长度80mm及芯棒直径6.64mm画出一个圆柱体，根据勺形曲面中心与芯棒前端的距离18mm和勺形曲面中心与芯棒轴线的距离24mm确定扫掠中心，以24mm为扫掠半径、以直径为6.64mm的圆为扫掠图形，对上述圆柱体进行切除即得到勺形曲面，以圆角半径0.7mm对勺形曲面与原有圆柱曲面间的交割线进行圆角操作，由此，完成勺形芯棒的几何尺寸设计和造型。根据上述几何尺寸加工勺形芯棒并检验合格后，在实际弯曲成形过程中，加工出来的弯管均未出现“鹅头”缺陷，测定其截面扁化率均在2.7％以内，完全可以满足相关技术规范的要求。

显然，本发明小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法的有益技术效果是能快速而精确地对不同规格管材弯曲成形为设计形状式所需的勺形芯棒的几何尺寸进行设计，设计出的勺形芯棒结构简单，加工方便，能够有效避免截面扁化超标和“鹅头”缺陷的产生，保证了弯管件的质量，并且，还消除了勺形芯棒推广易用的障碍。

Claims (1)

1.一种小口径厚壁管数控弯曲成形用勺形芯棒几何尺寸设计方法，其特征在于：该方法定义的勺形芯棒的几何尺寸参数包括：芯棒总长度L、芯棒与管材内壁的单边间隙δ、芯棒直径d、勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁、勺形曲面中心与芯棒轴线的距离L₂和勺形曲面圆角半径r；各个参数确定方法包括：

芯棒总长度L按下式(1)确定，

L＝10D  (1)

芯棒与管材内壁的单边间隙δ按下式(2)确定，

$\mathrm{\δ}=\frac{D}{100}---\left(2\right)$

芯棒直径d按下式(3)确定，

d＝D-2t-2δ  (3)

勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁按下式(4)确定，

$L_1=\sqrt{2R(D-2t-2\mathrm{\δ})}---\left(4\right)$

勺形曲面中心与芯棒轴线距离L₂按下式(5)确定，

L₂＝R  (5)

勺形曲面圆角半径r按下式(6)确定，

$r=\frac{D}{12}---\left(6\right)$

上述各式中，L为芯棒总长度，D为拟成形管材外径，δ为芯棒与管材内壁单边间隙，d为芯棒直径，t为管材壁厚，L₁为勺形曲面中心与芯棒前端的距离，R为管材弯曲半径，L₂为勺形曲面中心与芯棒轴线的距离，r为勺形曲面圆角半径，并且，所有参数的单位均为mm；

获得上述参数后，采用三维机械制图软件根据芯棒总长度L及芯棒直径d画出一个圆柱体，根据勺形曲面中心与芯棒前端的距离L₁和勺形曲面中心与芯棒轴线的距离L₂确定扫掠中心，以L₂为扫掠半径、以直径为d的圆为扫掠图形，对上述圆柱体进行切除即得到勺形曲面，以圆角半径r对勺形曲面与原有圆柱曲面间的交割线进行圆角操作，由此，完成勺形芯棒的几何尺寸设计和造型。