弯管模具设计

摘 要：管材的冷弯成型,应用范围越来越广泛,而相应的弯管质量也要求越来越高,为保证弯管质量,必须设计合理的弯管模具,文章论述了弯管过程中的模具设计及相应的工艺参数.

关 键 词：弯管；模具结构；轮模；夹模；导模；防皱板

中图分类号：TG76文献标识码：A文章编号：1006-8937（2013）17-0013-02

金属管材的弯曲在现代工业领域应用十分广泛,主要用于汽车、机械、环保、化工、民用等行业.笔者从事汽车零部件的制造行业多年,主要研究发动机上的EGR及排气管方面的零件产品制造,多为不锈钢焊管（如AISI304）的弯管、成型产品.文章根据实际工作经验,分析弯管模具设计的几个要点.

1模具结构及动作概述

如图1所示,为一套弯管模具的标准结构,主要有轮模、夹模、导模、芯棒、防皱板等五部分组成,工作时其动作过程为：芯棒进芯,夹模夹紧管材随轮模一起转动,导模压紧管材随着管材的弯曲而跟随,而防皱板固定不动,当弯管角度达到设定角度后,芯棒退出,导模、夹模松开、复位,完成整个动作,文章将围绕这五个部件的设计进行论述.

2模具设计

2.1轮模

轮模是整个弯管模具设计的核心,设计时一般先从它开始.产品管材外径D,壁厚δ,弯曲半径R（设计三要素）确定后,在设计轮模弯曲半径时必须考虑管材的反弹,从而确定模具的弯曲半径R'：

目前,Rx等于1为行业技术的最高水平,由于成本高、难度大,一般设计均不考虑.

轮模型腔直径按管材外径D设计,管材壁厚、外径决定了管材的强度,直接影响夹模的夹持长度,轮模夹持长度与夹模配合,在后面的夹模设计将进行论述.

轮模由于频繁受夹模的夹紧冲击及管材的弯曲力,因此要求整体韧性好,有良好的抗冲击能力,且型腔表面耐磨,目前一般采用调质+氮化的热处理工艺,型腔表面硬度可达HRC55～HRC60.

2.2夹模

夹模设计的主要尺寸为长度尺寸,它主要取决于产品两个弯曲之间的直段长度,夹模长尺寸过小,不能夹紧管材,弯管时管材易打滑,操作外观,弯曲部分出坑,不满足产品要求.反之,尺寸过大,容易将前一个弯夹扁、变形,这在工艺上是不充许的.因此,长尺寸要选择合适.通常按（2～3）D设计,如果产品直段长度<（2～3）D,可考虑使用仿形模具结构设计,增加夹持稳定性.对于只有一个弯曲的产品可考虑在夹紧时增加支撑手柄,提高夹持稳定性.

夹模型腔直径按管材外径D设计,为保证夹持稳定、不打滑,型腔直径一般按下差设计（与之配合夹持的轮模直段型腔尺寸设计相同）,通过设备调整夹模的夹紧程度,达到最佳状态,从而保证弯管稳定夹持,且满足外观要求.

为保证夹模夹紧过程管材外表面不被夹伤,型腔的棱角必须有R角设计.夹模一般淬火处理到HRC50左右,从而提高耐磨性和使用寿命.

2.3芯棒

芯棒的形状是多种多样的,主要是起支撑作用,从而控制弯曲部分管材的变形及质量,使用何种形状的芯棒,主要取决于产品的设计及管材规格及设计结构.图2为芯棒的常用结构形状.

直芯棒结构简单,加工、使用方便,主要用于管材壁厚较厚,弯曲半径较大,弯曲变形要求不高的产品.球头直芯棒在上料操作时更加方便,目前已基本取代了图2（a）直芯棒的结构.弧形直芯棒在加工方面较球头直芯棒要复杂一些,但由于其弧形在弯曲过程中起到了一定的支撑作用,因此弯曲部分变形较小,在弯管质量方面有所提高.

联接式芯棒主要是多个球形珠子联接在一起,在管材弯曲过程中,可保持对材料的支撑作用,因此弯曲变形较小,弯管较为饱满,质量很高.而硬联接芯棒主要是用几个钢性连接片和销将珠子连接起来,结构较为简单,加工难度适中,使用寿命较长,目前被广泛应用于弯管的批量生产中.软联接芯棒虽然加工较为简单,但联接结构稳定性及强度均较差,极少使用.万向联接芯棒,使用效果最好,但加工难度高,使用成本也较高,目前,国内很少使用,而国外使用较为普遍.

联接式芯棒中,珠子个数的多少,取决于管材的弯曲角度和弯曲半径,目的是获得理想的弯曲饱满程度.珠子数量过多,阻力大,弯曲过程中容易断裂,影响生产效率.珠子数量过少,弯曲变形大,饱满程度不好,质量不满足要求.

一般芯棒大多淬火处理到HRC50左右,来抵抗管材的弯曲磨损,从而提高使用寿命.如果硬度过高,则会降低芯棒的韧性,容易发生断裂.

芯棒直径尺寸很关键,一般它要比管材的理论内径小0.1～0.4mm,以保证管材的顺利插入和弯管质量.其中,间隙的大小完全取决于产品设计,不同设计,不同管材,其设计间隙都是不一样,需要在实践中去领悟.

2.4导模

在弯管过程中,导模主要是压紧管材,并辅推动管材弯曲,导模运动速度理论上应和管材转动的线速度一致,在实际调试、生产时,可通过设备调节而改变导模辅推速度,直到调试出最理想产品为止.

导模压紧力大小目前一般由经验确定,压紧力过大管材减薄量明显,甚至断裂,压紧力过小,皱.调试时通过设备调整将导模压紧力到合适状态.

导模长度尺寸过大,在数控弯管机尾料弯管送料时干涉或浪费管材长度,这在工艺上都是不充许的.通常,长度尺寸是由展开的弧长和经验计算出来的.一般按弯曲弧长的展开长度再加上3倍的管材直径.

型腔棱边倒角设计R角过渡,解决合模夹痕,提高管件外观质量.导模淬火处理到HRC50左右,保证型腔耐磨并提高使用寿命.

2.5防皱板

管材壁厚和外径的比值即t/D≤0.055时,设计弯管防皱板,使管子在轮模的切点处建立一个直线区,防止管子在弯曲变形时起皱.

防皱板一方面起着对管子的支撑、防皱作用,同时管材相对防皱板型腔滑动,因此要求防皱板耐磨、表面光滑、材料磨擦系数小.目前常用的材料是铝青铜（QAl9-4）,采用加工中心加工,配合曲面精度高及型腔表面光滑,是防皱板的加工关键点.

2.6弯曲力矩

理论上讲,在进行任何一套弯管模具设计时,首先应该计算产品的弯曲力矩,从而确定弯管机的能力是否满足要求.

而实际上,管材弯曲时的弯矩、不仅取决于管材的性能、断面形状及尺寸、弯曲半径等参数,同时还与弯曲方法、使用的模具结构等有很大的关系.因此,目前还不可能将诸多因素都用计算公式表示出来,在生产实践中,目前主要还是依靠经验做出估算.由于弯管机设备能力一定,有最大弯曲力矩、最大弯管规格的限制,只需了解设备能力,在设计模具前加以考虑,防止因设备能力不足而导致模具设计的浪费,而不需要进行弯曲力矩的详细计算.

弯管机的弯管能力一般说明书中都有说明,在设计中必须考虑.

3结语

弯管模具设计的最终目标是以最低的成本、稳定的批量生产来满足产品要求,满足客户交付要求.这需要在工作中持续研究、不断改进模具设计、逐步提高弯管工艺水平,从而制造出高质量的弯管产品.