[发明专利]一种小口径厚壁管绕弯成形的勺形芯棒设计方法

说明书

本发明公开了一种小口径厚壁管绕弯成形的勺形芯棒设计方法，包括勺形芯棒总长度L、勺形芯棒与管材内壁单边间隙δ、芯棒直径d、勺形曲面中心与芯棒前端距离L1、勺形曲面中心与芯棒轴线距离L2、及勺形曲面圆角半径r的确定方法。该方法可以快速而精确地对不同规格管材弯曲勺形芯棒的尺寸进行设计，推广了勺形芯棒的应用。采用上述方法设计的勺形芯棒，不但结构简单，加工方便，可以适应不同规格管材的弯曲成形，在截面扁化率满足要求的情况下避免外侧“鹅头”现象的产生，这对保证弯管件截面质量、实现小口径厚壁管数控弯曲高质量稳定成形具有重要意义。

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体是一种小口径厚壁管绕弯成形的勺形芯棒设计方法。

背景技术

弯管零件由于容易满足对产品轻量化、高强度和低消耗等方面的要求，在航空和航天等高技术领域中得到了广泛应用，除大量应用于气体、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，可以快速形成批量生产能力，而且具有高效、节能、质量稳定的特点，并易于实现数字化和高技术化，因此，在航空和航天等高技术领域，管材数控弯曲成形已经发展成为一种先进适用技术。

数控弯管完整模具结构一般包含弯曲模、夹持模(夹块)、压力模(压块)、防皱模(防皱块)及芯模(芯棒和芯球)，如图1所示。其中，芯模在弯管过程中承受较大的摩擦磨损作用，因此常选用耐磨性较好的铝青铜QAL10-3-1.5(其中含铝8.5-10.0％，铁2.0-4.0％，锰1.0-2.0％，余量铜)作为制作芯模的材料，且能保证管材与模具在润滑条件下较小的摩擦力。然而，一方面由于铝青铜材料本身成本较高，另一方面，对于小口径管材(管材外径D<12mm)弯曲，芯模尺寸较小，芯球加工困难。因此，从节约制造及加工成本考虑，对于小口径管材数控弯曲，采用不带芯球、前端为圆角的芯棒作为芯模，如图2所示。

小口径厚壁管材数控弯曲后管件容易产生截面过度扁化(航空导管加工的相关规范明确要求工作压力大于7MPa的导管，截面扁化率应控制在管子外径D的5％以内)及“鹅头”现象(芯棒伸出量过长，在弯管外侧形成类似鹅头的隆起)，如图3及图4所示。以上两种现象是影响小口径厚壁管件质量的主要缺陷。通过增大芯棒伸出量，可以有效的减小截面扁化程度。然而，增大后的芯棒伸出量极易产生“鹅头”现象。

在1983年公开的美国专利《Tube-bending Machine》(专利号：4380917)中提出了一种勺形芯棒(Spoon Mandrel),该芯棒的上曲面接近理想弯管的内壁形状，如图4所示。上海交通大学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，目前并没有具体的勺形芯棒几何尺寸说明及设计方法。

发明内容

为了快速有效的设计并加工制造勺形芯棒，克服小口径厚壁弯管件截面过度扁化及鹅头缺陷，本发明提供了一种小口径厚壁管绕弯成形的勺形芯棒设计方法。

本发明包括勺形芯棒总长度L、勺形芯棒与管材内壁单边间隙δ、芯棒直径d、勺形曲面中心与芯棒前端距离L₁、勺形曲面中心与芯棒轴线距离L₂、及勺形曲面圆角半径r的确定方法。

本发明一种小口径厚壁管绕弯成形的勺形芯棒设计方法，步骤如下：

步骤1，由于芯棒长度对弯管件截面质量的影响不大，在保证芯棒对管材内壁的有效支撑及本身刚度下，确定勺形芯棒总长度：L＝10D

其中，L为勺形芯棒总长度，D为管材外径；

步骤2，确定勺形芯棒直径d：

d＝D-2t-2δ

其中，d为勺形芯棒直径，t为管材壁厚，δ为勺形芯棒与管材内壁单边间隙；