管材高精度弯曲成形模具设计与工艺研究

尚保园

摘 要：管材弯曲成形是机械加工中的重要组成部分，常见的加工方式为弯管机加工，在较小口径的管材加工中，多见于手工弯管器弯曲，但是手工弯管器精度较低且遇到特殊弯曲要求时难以满足，本文对手工高精度弯管进行研究，从弯曲模具、检具、工艺方法等部分进行分析，总结了一套管材高精度弯曲成形的工艺方法。

关键词：管材;弯曲;设计工艺研究

前言

弯管的主要参数包括弯曲半径、弯曲角度、弯管段弧长、起弯点。高精度多半径弯管的工况下，常规手工弯管器难以实现，需要根据弯曲形状及弯曲精度设计专用弯曲模具及检具，并且要有合适的弯曲工艺，才可以达到弯管的精度要求。

一、检具的设计

复杂管材弯曲成形后，由于几何形状的特殊性，在不借助三坐标测量仪或投影仪等现代化高端检测设备的情况下，难以对其精度进行检验，如果采用这些高端设备进行检测从经济性和检测效率上均较差，所以在弯管模具设计之前，要针对目标管形进行专用检具设计。

专用检具的设计方法：可以在同一检具上设计目标管形的整体检测结构和不同弯曲部分的单一检测结构，为回弹测试做准备。

专用检具的优点有以下几点

（1）可以在弯曲模具调试时，更好的量化弯管模具的调整数据及调整方向;

（2）加工成本低，相对高端检测设备而言，有非常好的经济优势;

（3）对操作者技能要求低，检测效率高;

（4）可以根据目标管形的精度要求，进行检测结构的设计，可进行全管形检测且检测精度高;

（5）可以和弯管模具同步并行，缩短研发周期。

二、模具设计与测试

弯管模具是管材成形的核心部件，管材弯曲的难点在于回弹的测试，要想设计精准的弯管模具，必须在设计之前对管材的回弹进行测试，首先预估管材回弹系数进行测试模具的设计，例如取目标管形弯曲半径的0.9倍进行模具设计，测试用的简易弯管模具主要由弯曲模（定轮）、一个绕其旋转的动轮、一个固定两轮的固定杆组成，在测试过程中，要以匀速进行弯曲。在回弹量测试过程中，常见的错误为，直接观察弯管弧度部分是否与检具吻合，其实这是在测试弧长，影响弧长的前提因素有弯曲角度和弯曲半径，所以应该按照角度、半径、弧长的顺序进行测试。

1.角度测试

将管材弯曲成形后放置于检具中进行比对测试，如发现角度大于检具上标准管形的角度，那么在下一次弯曲测试中，应该增加弯曲距离，以达到标准角度，如发现角度小于标准管形角度，那么调节方式相反，在每一次弯曲过程中，应在弯曲模具上标记弯曲结束点，以利于下一次调节。

2.回弹测试即弯曲半径测试

弯曲成形后的管子放到弯管检具中进行比对，当角度与检具吻合时测量弯管与检具管形半径之间的最大误差，如果弯管处于检具标准管形外侧时应将增加弯曲模具直径，增加的直径尺寸应为测得误差的2倍，如果弯管与检具对比弯管部分处于检具标准管形内侧时，应该将弯曲模具直径向小的方向调节，调节量同上文。

3.弧长

同樣采用与管形检具比对的方式进行弧长测试，弧长与弯曲半径和弯曲角度有关，应该在调节两者到标准管形时，在单一弧度弯管中弧长自然会达到目标尺寸。在弯管与检具比对过程中，要准确分析出，造成弯管无法放进检具的具体原因，包括角度、起弯点、弯曲半径。

三、多半径弯管摸具设计与调试

1.弯管模具组件中心可调式设计

在管材生产中，很难做到管材硬度一致，那么在弯管过程中回弹也不一致。弯曲模具部件中心可调的设计可以解决不同批次管形回弹不一致的问题。

在经过测试后，最优的模具（定轮）尺寸已经被设计出来，在同一根弯管上如果存在两个或者两个以上弯管段时，需要根据管形设计相对应的弯曲模具部件，且由于回弹的存在，两组弯管部件之间的中心距离，要设计成可调节式，如果弯管段之间是平行关系，那么在进行第一次试验弯曲后经过与检具的对比，可直接根据测量出的误差进行弯管模具部件之间的距离调节。如果弯曲段之间为非平行关系时，无法将检具对比中测得的误差用于调节模具组件中心距，需要根据三角函数关系结合测量结果进行推导，以计算出弯曲模具部件之间的合理中心距。即找到最优起弯点。

2.模具加工误差和组装后累积误差的应对方法

弯管摸具的零件在加工过程中难免存在加工误差，当组装到一起时会产生误差累积对弯管产生不良影响，例如两组弯管模具部件的中心高度误差会影响弯管成型后的平面度。所以在弯管摸具弯管之前应该对弯管摸具的装配误差进行调整，然后再进行弯管。

3.特殊弯管模具

在一些特殊弯管工况下需要对弯管有配对要求，由于管材弯曲的影响因素复杂，很难做到两个成形弯管完全一致，针对这一问题在模具设计时，可将弯曲模具设计成双槽或多槽，将双管或多管同时弯曲，可有效排除弯曲过程中的影响因素，实现双管或多管的弯曲一致。

四、弯曲工艺

在已调试好的弯管模具进行批量生产时，弯管工艺应该注意以下几点：

1.温度

不同温度下，管材的回弹量会不同，在高精度弯管要求中，会体现的较为明显，所以在弯曲过程中应该尽量选择与回弹测试时相接近的温度进行批量生产，如实际生产中温度相差较大时，应重新调整摸具及摸具组件中心距离。保证批次的一致性，应该进行生产批次标记。

2.弯曲速度

在其他弯曲条件不变的情况下弯曲速度与弯曲管形存在关系，弯曲速度过快，会造成弯曲部分半径大于目标半径，且会产生弯曲缺陷，例如内侧褶皱、圆度变差、外侧弯裂。这是由于管材在弯曲过程中，靠近模具的一侧被压缩，远离模具的一侧被拉伸，较快的弯曲速度会使压缩与拉伸的变化速率过快，造成弯曲缺陷，所以在弯曲过程中应该使整个弯曲过程速度均匀。

3.弯曲力度

在手工弯曲过程中，由于操作人员的弯曲力度不同，会对弯管一致性产生影响，应该按照操作人员来划分弯管的批次，以保证批次的一致性。方便生产管理和公差控制。

4.圆度控制

管材弯曲过程中，圆度是一个重要指标，填充物的密实程度是影响这一指标的直接影响因素，填充物应该选择目数较小的材料，以减少管材内部未能填充到的空间，在填充工艺上应该采用压机将填充物压进管材内部，保证填充物的密实度，在管材弯曲过程中才能起到有效且均匀的支撑，降低弯曲过程中产生的圆度误差。

结语

在手工高精度弯管模具设计中，应该对弯曲半径、回弹量、弧长、角度、起弯点进行分析和测试，从而设计出合格的模具。设计专用的检具也有诸多优点。在弯曲过程中，应该注意温度、弯曲速度、弯曲力度、填充物的密实程度等工艺因素，从而弯曲出合格的管形。