CN110576089A - 颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管材弯曲成形技术领域，特别是涉及一种颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法。该方法通过使用推头推制管材沿模具流动变形实现弯曲，采用颗粒填料压缩实现内压支撑，采用两侧保压冲头进给来实现内压控制，通过对推头推制管材轴向力、颗粒填料压力的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为。本发明方法采用控制颗粒填料内压，能够对带有直线段的大口径小弯曲半径薄壁管弯头推弯成形。从而，适合成形大口径小弯曲半径薄壁弯管，同时还很好的克服外侧壁拉裂、内侧壁起皱、横截面椭圆形畸变、壁厚不均等特薄壁管材弯曲成形缺陷。

Description

颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法

技术领域

本发明涉及管材弯曲成形技术领域，特别是涉及一种颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法。

背景技术

管形构件具有空心截面，适用于作为输送物料的载体，同时还具有轻量化、强韧化和低耗高效等属性，航空航天发动机及运载火箭管路***中配置大量大口径、相对壁厚小、相对弯曲小的导管。由于这些装备对轻量化和可靠性要求的要求越来越高，很多弯管件要求无缝、超薄壁(相对壁厚，即厚度与管外径比≦0.005)、小弯曲半径(相对弯曲半径，即弯曲半径/管外径≦2)，传统弯曲方法很难获得合格产品，工程上主要采用拼焊法成形。但焊接变形不仅影响导管尺寸精度，而且降低其工作精度、抗疲劳性和耐蚀性，迫切需求无焊缝整体弯头。

国内外针对管材弯曲技术做出大量研究工作，开发一系列弯管技术，管材的弯曲工艺主要有绕弯、压弯、拉弯、滚弯、推弯等。在这些弯曲方法中，数控弯曲、内压推弯和充液压弯是几种可用于成形较小相对弯曲半径的弯曲方法。

(1)数控弯曲：数控弯曲技术在实际生产中广泛应用，数控绕弯可以连续一次成形三维空间上管材，通常附带有芯棒的数控弯曲可以弯曲相对弯曲半径1.5以上的管材，而附带防皱块等其他减少缺陷的结构的数控弯曲技术也可以弯曲相对弯曲半径1.2的管材。

(2)充液压弯：在密封的管坯内充填液体介质的充液压弯技术由于采用均匀分布的液体压力支撑，通过提高弯管内液体的压力再在模具内压弯成形，具有成形效率高，表面质量好的特点，可用于高性能铝合金及高强钢材料的弯曲成形，尤其适用于变曲率、径厚比d/t大的管材弯曲。

(3)内压推弯：内压推弯工艺是在推弯成形的基础上，在管坯内填充支撑物并是填料产生足够的内压力作用于管壁的管材弯曲工艺。由于引入填料的内压作用，可以有效的防止起皱的发生，由于推入力和摩擦力的作用，在管件轴向引起附加的压应力，从而使弯曲中性层向外侧移动，有利于减小外侧的壁厚减薄量。

以上所述三种管材弯曲方法其在本质上其变形机制都是拉压变形机制，即管材在弯曲时，弯曲变形区外侧材料受到切向拉伸而伸长，内侧材料受到切向压缩而缩短。根据变形过程中管件受力特点，管材弯曲工艺上主要面临的问题包括弯曲内侧失稳起皱、弯曲外侧壁厚减薄甚至破裂、横截面形状畸变以及弯曲变形后的回弹。上述技术难题在薄壁管弯曲变形中表现的更为突出。

发明内容

本发明的目的是提供一种颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，采用控制颗粒填料内压，能够对带有直线段的大口径小弯曲半径薄壁管弯头推弯成形。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，该方法通过使用推头推制管材沿模具流动变形实现弯曲，采用颗粒填料压缩实现内压支撑，采用两侧保压冲头进给来实现内压控制，通过对推头推制管材轴向力、颗粒填料压力的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为。

所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，该方法是按照以下步骤进行的：

步骤1：对管坯下料及对管坯端部内侧切坡口处理，管坯下料的长度L＞πR/2+L₀；式中，R为推弯模具中轴弧线半径，单位mm；L₀为成形后弯管的两端直线段长度总和，单位mm；

步骤2：在管坯的头部填充一段尼龙圆柱棒；

步骤3：将管坯自推弯模具的一端放入推弯模具中；

步骤4：在聚氨酯圆筒内放入一端带有芯头的芯棒，将聚氨酯圆筒和芯棒自推弯模具的另一端一同放入推弯模具中，聚氨酯圆筒和芯头初始放置在推弯模具的弯曲段位置；

步骤5：在管坯内填充颗粒填料，颗粒填料的填充长度与管坯最终所形成弯管的弯曲段长度相等，在管坯尾部填充另一段尼龙圆柱棒；

步骤6：推头和保压冲头一起向前推动管坯运动，芯棒向后被动移动，芯棒的芯头后退时会施加反向作用力，当聚氨酯筒完全推至推弯模具头部直线段后，通过芯棒加大压力与保压冲头受力平衡静止不动；

步骤7：管坯在进入弯曲段后，芯棒反向加压，颗粒填料在芯棒和保压冲头作用下受压缩提供支撑力；保压冲头和芯棒保压，保压时通过调节保压冲头和芯棒进给力控制内压，颗粒填料在保压阶段总体不动，管坯在颗粒填料支撑下向前流动；推头继续推动管坯运动，直至管坯形成弯管。

所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，步骤1中，在管坯的一端内侧切15°～75°坡口。

所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，步骤2和步骤5中，尼龙圆柱棒的硬度为邵氏硬度D80～90，尼龙圆柱棒直径小于管坯内直径1～3mm，使尼龙圆柱棒与管坯形成间隙配合。

所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，步骤3中，推弯模具的内直径和管坯的外直径相同，且推弯模具与管坯呈滑动配合。

所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，步骤4中，聚氨酯圆筒硬度为邵氏硬度A40～100，聚氨酯圆筒的外直径小于推弯模具的内直径1～3mm，使聚氨酯圆筒与推弯模具形成间隙配合，聚氨酯圆筒的内直径和管坯的内直径相同。

所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，步骤4中，聚氨酯圆筒的一端面与管坯头部的端面相对应并顶触，聚氨酯圆筒的另一端位于推弯模具头部直线段；芯头的一端面与管坯头部的尼龙圆柱棒相对应并顶触，芯棒的另一端伸出推弯模具之外。

所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，步骤5中，颗粒填料的材质为金属、陶瓷或塑料，颗粒填料的直径为0.5mm～10mm。

所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，步骤6中，保压冲头设置于管状的推头内，推头和保压冲头放入推弯模具的一端，推头的一端面与管坯尾部的端面相对应并顶触，保压冲头的一端面与管坯尾部的尼龙圆柱棒相对应并顶触。

本发明的设计思想是：

采用颗粒填料压缩实现内压支撑。采用圆柱形链式芯棒，芯棒在初始阶段到保压阶段被动受力保证颗粒填料移动到模具弯曲段后，在保压阶段到最终成形时芯棒主动施加反力和保压冲头实现内压控制。通过对推头推制管材轴向力、颗粒填料压力的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为。

本发明的优点及有益效果是：

1、现有技术的进给力直接施加管材上，型腔内部支撑力通过刚性芯棒直接施加管材上，无法实现薄壁管件，尤其是超薄壁(相对壁厚，即厚度与管外径比≦0.005)、小弯曲半径(相对弯曲半径，即弯曲半径/管外径≦2)管材弯曲变形。由于通过控制颗粒填料来产生管材内部支撑力，实现超薄壁(相对壁厚，即厚度与管外径比≦0.005)、小弯曲半径(相对弯曲半径，即弯曲半径/管外径≦2)管材弯曲变形，制备此类弯曲件。通过对颗粒填料压力、轴向力的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为的目的。

2、本发明的弯曲成形方法可以加工钢、铝、铜等金属及合金材料，特别适合于弯曲大口径小弯曲半径的管材。

附图说明

图1为颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法初始状态示意图；

图2为颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法中间状态示意图；

图3为颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法临了状态示意图。

图中，1—保压冲头；2—推头；3—管坯；4—颗粒填料；5—推弯模具；6—芯头；7—聚氨酯圆筒；8—芯棒；9—尼龙圆柱棒；10—坡口。

图4为通过本发明实施例颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法获得的大口径小弯曲半径薄壁弯管件图。

具体实施方式

下面将结合附图的大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法原理图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂。附图实施例中薄壁不锈钢管坯仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1-图3所示，本发明颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，通过使用推头推制管材沿模具流动变形实现弯曲，采用颗粒填料压缩实现内压支撑，采用两侧保压冲头进给来实现内压控制，通过对推头推制管材轴向力、颗粒填料压力的实时控制，来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为。该方法的具体按照以下步骤实现的：

步骤1：对管坯3下料及端部内侧切坡口处理，下料的长度L＞πR/2+L₀；式中，R为推弯模具中轴弧线半径(mm)，L0为成形后弯管的两端直线段长度总和(mm)。在管坯3弯曲内侧头部切40°坡口10，打磨管坯3两端消除毛刺，由于管材弯曲外侧受拉伸长，内侧受压缩短，所以坡口10设计可以适当减少内侧材料，从而减轻因材料过多而引起内侧起皱的风险；本实施例中，管坯3的长度为580mm，管坯3外径为144mm，管坯3壁厚为2mm；

步骤2：在管坯3的头部填充一段邵氏硬度D90的尼龙圆柱棒9，尼龙圆柱棒9的直径稍小于管坯3内直径2mm，这段尼龙圆柱棒9的长度为20mm，使尼龙圆柱棒9与管坯3形成间隙配合；

步骤3：将管坯3自推弯模具5的一端放入推弯模具5中，推弯模具5的内直径和管坯3的外直径相同，且推弯模具5与管坯3呈滑动配合(见图1)；

步骤4：在聚氨酯圆筒7内放入一端带有芯头6的芯棒8，聚氨酯圆筒7的硬度为邵氏硬度A 85，聚氨酯圆筒7的外直径小于推弯模具5的内直径2mm，使聚氨酯圆筒7与推弯模具5形成间隙配合，聚氨酯圆筒7的内直径和管坯3的内直径相同。将聚氨酯圆筒7和芯棒8自推弯模具5的另一端一同放入推弯模具5中，聚氨酯圆筒7和芯头6初始放置在推弯模具5的弯曲段位置，聚氨酯圆筒7的一端面与管坯3头部的端面相对应并顶触，芯头6的一端面与管坯3头部的尼龙圆柱棒9相对应并顶触，聚氨酯圆筒7的另一端位于推弯模具5头部直线段，芯棒8的另一端伸出推弯模具5之外(见图1)；

步骤5：在管坯3内填充若干颗粒填料4，颗粒材质为钢，直径为1.5mm，颗粒填料4的填充长度等于管坯3最终所形成弯管的弯曲段长度。在管坯3尾部填充另一段邵氏硬度D90尼龙圆柱棒9，尼龙圆柱棒9的直径稍小于管坯3内直径2mm，这段尼龙圆柱棒9的长度为20mm，使尼龙圆柱棒9与管坯3形成间隙配合；

步骤6：保压冲头1设置于管状的推头2内，推头2和保压冲头1放入推弯模具5的一端，推头2的一端面与管坯3尾部的端面相对应并顶触，保压冲头1的一端面与管坯3尾部的尼龙圆柱棒9相对应并顶触。推头2和保压冲头1一起向前推动管坯3运动，芯棒8向后被动移动，芯棒8的芯头6后退时会施加一定反向作用力，聚氨酯筒7至推弯模具5头部直线段后，通过芯棒8加大压力与保压冲头1受力平衡静止不动(见图2)；

步骤7：管坯3在进入弯曲段后，芯棒8反向加压，颗粒填料4在芯棒8和保压冲头1作用下受压缩提供支撑力。保压冲头1和芯棒8保压，保压时通过调节保压冲头1和芯棒8进给力控制内压，颗粒填料4在保压阶段总体不动，管坯3在颗粒填料4支撑下向前流动。推头2继续推动管坯3运动，直至管坯3形成弯管(见图3)。

其中，芯头6为圆柱形链式芯棒(可参见中国发明专利公开号CN109201807A)，芯头在初始阶段(图1)到保压阶段(图2)的作用是给前端尼龙棒9施加被动受力以保证颗粒填料4移动到模具弯曲段(图2)，在保压阶段(图2)到最终阶段(图3)的作用是主动施加反力和保压冲头1一起保证颗粒填料4产生合适内压，到达调节内压的作用。

如图4所示，通过本发明实施例颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法获得的大口径小弯曲半径薄壁弯管件，弯管外径Φ144mm，壁厚2mm，弯曲半径R280mm。

实施例结果表明，本发明方法采用控制颗粒填料内压，能够对带有直线段的大口径小弯曲半径薄壁管弯头推弯成形，适合成形大口径小弯曲半径薄壁弯管。应用本发明设备和方法制备的特薄壁管材弯曲成形件，很好的克服外侧壁拉裂、内侧壁起皱、横截面椭圆形畸变、壁厚不均等特薄壁管材弯曲成形缺陷。

Claims (9)

1.一种颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，其特征在于，该方法通过使用推头推制管材沿模具流动变形实现弯曲，采用颗粒填料压缩实现内压支撑，采用两侧保压冲头进给来实现内压控制，通过对推头推制管材轴向力、颗粒填料压力的实时控制来调整管材弯曲时的应力状态，进而达到控制变形行为。

2.按照权利要求1所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，其特征在于，该方法是按照以下步骤进行的：

步骤1：对管坯下料及对管坯端部内侧切坡口处理，管坯下料的长度L＞πR/2+L₀；式中，R为推弯模具中轴弧线半径，单位mm；L₀为成形后弯管的两端直线段长度总和，单位mm；

步骤2：在管坯的头部填充一段尼龙圆柱棒；

步骤3：将管坯自推弯模具的一端放入推弯模具中；

步骤4：在聚氨酯圆筒内放入一端带有芯头的芯棒，将聚氨酯圆筒和芯棒自推弯模具的另一端一同放入推弯模具中，聚氨酯圆筒和芯头初始放置在推弯模具的弯曲段位置；

步骤5：在管坯内填充颗粒填料，颗粒填料的填充长度与管坯最终所形成弯管的弯曲段长度相等，在管坯尾部填充另一段尼龙圆柱棒；

步骤6：推头和保压冲头一起向前推动管坯运动，芯棒向后被动移动，芯棒的芯头后退时会施加反向作用力，当聚氨酯筒完全推至推弯模具头部直线段后，通过芯棒加大压力与保压冲头受力平衡静止不动；

步骤7：管坯在进入弯曲段后，芯棒反向加压，颗粒填料在芯棒和保压冲头作用下受压缩提供支撑力；保压冲头和芯棒保压，保压时通过调节保压冲头和芯棒进给力控制内压，颗粒填料在保压阶段总体不动，管坯在颗粒填料支撑下向前流动；推头继续推动管坯运动，直至管坯形成弯管。

3.按照权利要求2所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，其特征在于，步骤1中，在管坯的一端内侧切15°～75°坡口。

4.按照权利要求2所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，其特征在于，步骤2和步骤5中，尼龙圆柱棒的硬度为邵氏硬度D80～90，尼龙圆柱棒直径小于管坯内直径1～3mm，使尼龙圆柱棒与管坯形成间隙配合。

5.按照权利要求2所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，其特征在于，步骤3中，推弯模具的内直径和管坯的外直径相同，且推弯模具与管坯呈滑动配合。

6.按照权利要求2所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，其特征在于，步骤4中，聚氨酯圆筒硬度为邵氏硬度A 40～100，聚氨酯圆筒的外直径小于推弯模具的内直径1～3mm，使聚氨酯圆筒与推弯模具形成间隙配合，聚氨酯圆筒的内直径和管坯的内直径相同。

7.按照权利要求2所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，其特征在于，步骤4中，聚氨酯圆筒的一端面与管坯头部的端面相对应并顶触，聚氨酯圆筒的另一端位于推弯模具头部直线段；芯头的一端面与管坯头部的尼龙圆柱棒相对应并顶触，芯棒的另一端伸出推弯模具之外。

8.按照权利要求2所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，其特征在于，步骤5中，颗粒填料的材质为金属、陶瓷或塑料，颗粒填料的直径为0.5mm～10mm。

9.按照权利要求2所述的颗粒填料辅助大口径小弯曲半径薄壁弯管推弯成形方法，其特征在于，步骤6中，保压冲头设置于管状的推头内，推头和保压冲头放入推弯模具的一端，推头的一端面与管坯尾部的端面相对应并顶触，保压冲头的一端面与管坯尾部的尼龙圆柱棒相对应并顶触。