弯管模具设计分析

蒋燕刚　何绍川　杨艳芳

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AISI 304）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=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0.1～0.4 mm，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，易起皱。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、不断改进模具設计、逐步提高弯管工艺水平，从而制造出高质量的弯管产品。

参考文献：

[1] 蒋怡.钣金冲压工艺手册[M].北京：国防工业出版社，1989.

[2] 章燕谟.锅炉制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1990.

[3] 梁炳文.实用钣金工艺图集[M].北京：机械工业出版社，1994.