CN104550370B - 厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法，包括管坯的设计和模具的设计两方面内容；其中，管坯是一直管，外径有一段阶梯用于装卡，模具分为横梁、连杆、弯曲模、芯棒几部分，连杆、弯曲模、芯棒都各有两个，左、右连杆分别连接在横梁与左右弯曲模在之间，左、右弯曲模下端共同通过一支承销轴枢接旋转；管坯放置在左、右弯曲模的穿管空腔中，左、右芯棒分别自左、右端部穿进管坯。本发明通过简单的模具将压力机提供的压力转换为弯管的弯曲成形力，所涉工艺适用于厚壁、大管径、小弯径比的大角度弯管道。

Description

厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法

技术领域

本发明涉及管道成形技术，尤其涉及一种本发明应用于大直径、厚壁管道的大弯曲角度小弯曲半径的弯制方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

高强度、厚壁、大直径钢管是工业设备的重要部件，特别是在石油化工和核电领域有着广泛的应用。现有弯管工艺主要有：压弯、推弯、绕弯等，都需要专用模具或大型专业设备来实现装夹、并提供弯曲成形力。而大型管道在弯曲过程中变形情况复杂，易出现角度回弹、壁厚减薄、椭圆度超标等缺陷，这就导致弯管设备投入大，后续调试周期长，消耗大。而大型弯管又有生产批量小的特点。此外，大型弯管一般需要采用非标管弯制，而大型非标管道一般为锻造管坯加工获得，生产锻造管坯的重型机器厂都有大型压力机。如何在现有大型压力机上采用简单模具或机构，生产大直径、厚壁、小弯曲半径弯管，且内孔表面质量良好、管口定位精度高的大型弯管，成为一个工程技术问题。

发明内容

本发明涉及一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法，解决了在现有大型压力机上实现大直径、厚壁大型管道的小弯曲、大角度弯制的问题，适用于厚壁、大管径、小弯径比的大角度管道的弯曲成形。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法是，取一管坯，置于一模具中；所述模具包括横梁、连杆、弯曲模、芯棒，其中横梁与压力机的活动横梁连接，横梁通过两根连杆分别连接左、右两弯曲模，左、右弯曲模的下端共同通过一支承销轴枢接在一起，使两个弯曲模可以绕支承销轴旋转；左、右弯曲模的内部都具有穿管空腔，所述管坯置于其中，左、右两芯棒分别自左、右弯曲模端部穿进所述管坯；其中一芯棒具有弯曲部，所述弯曲部与成形弯管具有同样的弯曲半径。

进一步讲，所述管坯为一直管，所述直管内径与成形弯管内径相同，外径大部分与成形弯管外径相同，只在端部留有一小段阶梯段，所述阶梯段外径比成形弯管外径略大。

进一步讲，所述左、右弯曲模的上外部都具有一连接销耳，连接销耳上的上销孔用于穿设连接销轴与所述连杆相连；左、右弯曲模的下外部也都具有一连接销耳，两个连接销耳上的下销孔通过穿设所述支承销轴将两个弯曲模枢接起来。

进一步讲，具有弯曲部的所述芯棒，除具有弯曲部外还具有轴肩部、直轴部，所述弯曲部是由直轴部沿上轮廓线自然向下呈圆弧形弯曲，下轮廓线保持不变而成形。

进一步讲，具有弯曲部的所述芯棒，弯曲部的弧形角度为θ＝(α/2)+K，其中α为成形弯管的弯曲角度，K＝0～5°。

进一步讲，在假设成形弯管的管内径为D₀，管外径为D₁，弯曲段的弯曲角度为α，弯曲半径为R，一端直管段长度为L₀，另一端直管段长度为L₁的前提下，

所述左弯曲模的尺寸设计如下：

设左弯曲模的穿管空腔直径为D₅，总长为L₅，上、下销孔之间的轴向距离为L₄，径向距离为L₇；下销孔的中心与穿管空腔中心的径向距离为L₆，则

$L_4=\frac{M_{\max }}{F},$ 同时要求 $L_4\≥\frac{L_{18}}{2}$

M_max为弯曲成形过程中最大弯矩，F为压力机施加的压下力，L₁₈是连杆上两个销孔之间的距离；

$L_5=L_1+\frac{2\mathrm{\πR}}{4}-1.5(D_1-D_0)+\mathrm{\ΔL}+\mathrm{\Δ}{L}_2-\mathrm{\Δ}{L}_1,$ 其中△L为长度补偿量，△L₁≈D₁-D₀，△L₂＝(0.5～1)*(D₁-D₀)

L₆＝R

L₇：由L₄结合强度校核计算获得弯曲模上销孔位置确定

D₅＝D₁+△G₁，△G₁为装配间隙。

所述右弯曲模的尺寸设计如下：

设右弯曲模的穿管空腔直径为D₆，阶梯空腔直径为D₇，空腔总长为L₉，阶梯空腔长度为L₁₁，上、下销孔之间的轴向距离为L₈，径向距离为L₁₂，下销孔距穿管空腔中心的径向距离为L₁₀，则

L₈＝L₄

L₉＝L₀+1.5(D₁-D₀)

L₁₀＝R

L₁₁＝L₃＝1.5(D₃-D₂)

L₁₂＝L₂-L₀-L₃+△L₂-0.5△L₁，

D₆＝D₁+△G₂

D₇＝D₄+△G₃，D₄＝1.5D₁-0.5D₀

△G₂、△G₃为装配间隙，根据弯管技术要求具体确定。

所述具有轴肩部、直轴部和弯曲部的芯棒的尺寸设计如下：

设轴肩部直径为D₉、厚度为L₁₄，直轴部直径为D₈、长度为L₁₃，弯曲部为由直轴部沿上轮廓线自然向下呈圆弧形弯曲，下轮廓线保持不变而成形；其中

$L_{13}=L_1+\frac{2\mathrm{\πR}}{4}-1.5(D_1-D_0)+\mathrm{\ΔL}+\mathrm{\Δ}{L}_2-0.5\mathrm{\Δ}{L}_1$

L₁₄＝0.5(D₀-D₁)

D₈＝D₁+△G₁-△G₄

D₉＝3D₁-2D₀+△G₅

其中△L为长度补偿量，△L₁≈D₁-D₀，△L₂＝(0.5～1)*(D₁-D₀)，△G₁、△G₄、△G₅为装配间隙，根据弯管技术要求具体确定。

本发明有益效果是：本发明通过简单的模具将压力机提供的压力转换为弯管的弯曲成形力，在弯曲成形力作用下将内孔装有芯棒的大型管道绕弯曲中心拉拔弯曲成形弯管。所涉弯管工艺适用于成形精密度要求高、厚壁、大管径、小弯径比的大角度管道的弯曲成形。通过本工艺弯曲成形后的管道能保证其中心线的位置度，内部芯棒有利于保证弯管外弧区的轮廓度，同时壁厚变化均匀，椭圆度小。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为弯管示例图；

图2为管坯示例图；

图3为模具与管坯装夹的初始状态图；

图4为模具与管坯装夹，管坯弯曲成形状态图；

图5为左弯曲模结构图；

图6为右弯曲模结构图；

图7为左芯模结构图；

图8为右芯棒结构图；

图9为横梁结构图；

图10为连杆结构图；

图11-1为弯管受力分析轴截面图；

图11-2为弯管受力分析横截面图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与实施例一起阐释本发明。

本发明所涉及的是厚壁大直径、大弯曲角度小弯曲半径的弯管成形方法，涉及管坯的设计和弯曲模具的设计两方面内容。

以图1所示成形后的90°弯管为例，设该弯管的管内径为D₀，管外径为D₁，弯曲段的弯曲角度为90°，弯曲半径为R，弯曲段一端衔接的直管段长度为L₀，另一端衔接的直管段长度为L₁。

根据这样的弯管，设计制作它所用的管坯，如图2所示，该管坯的设计方法是：

取一段直管，外径为阶梯型，端部有一外圆环带，直管总长为L₂，内径为D₂；第一阶梯段外径为D₄、长度为L₃，第二阶梯段也就是外圆环带部分外径为D₃、长度为L₂-L₃，L₃小于L₂，D₃小于D₄，其中：

D₂＝D₀

D₃＝D₁

D₄＝D₁+0.5(D₃-D₂)

其中△L为长度补偿量，取值可根据数值模拟结果确定；

L₃＝1.5(D₃-D₂)。

本发明设计外圆环带的意义是，因为要将管坯一端卡在弯曲模中，而这一部分要有足够的强度，通过增设长度为L3的管坯外圆环带，可以有足够的强度，在将管坯从弯曲模中被拉出来的过程中，不致使管坯局部变形。

管坯设计好后，据此设计弯管模具。管坯4与模具的装配关系见图3、图4所示，图3为初始装配状态，图4为管坯弯曲90°后的状态。模具包括横梁1，4个连接销轴2，左、右两根连杆3，左弯曲模8，右弯曲模6，左芯棒9，右芯棒5，支承销轴7。

横梁1与压力机的活动横梁连接(图中未示出压力机活动横梁)，横梁上通过两个连接销轴2分别连接左、右两根连杆3；左连杆下端再通过连接销轴2连接到左弯曲模8，右连杆下端再通过连接销轴2连接到右弯曲模6。左、右弯曲模都为具有穿管空腔的穿管结构件，零件图分别如图5、图6所示，两个穿管结构件的上部分外部都具有一连接销耳，两个连接销耳上都具有上销孔，用于穿设连接销轴2与连杆相连；下部分外部也都具有一连接销耳，两个连接销耳上都具有下销孔，下部分的这两个连接销耳相对设立，可通过穿设支承销轴7将两个穿管结构件枢接在一起，使两个穿管结构件可以绕支承销轴7旋转。当左、右弯曲模处于水平平衡位置时(图3所示位置)，两个穿管结构件上部分的连接销耳内侧之间留有△L₁的间隙，具体尺寸计算见下述。

左、右弯曲模的穿管空腔内径一样大，管坯4可以从两个穿管空腔中穿进去。左芯棒9和右芯棒5分别从左、右弯曲模端口部伸进管坯的芯部，并且将弯曲模端部堵住。当左、右弯曲模处于水平平衡位置时(图3所示位置)，左芯棒9内端部与管坯之间具有△L₂的距离，具体尺寸计算见下述。左芯棒9的形状如图7所示，按形状特征可依次划分为如下几部分：轴肩部91、直轴部92、弯曲部93。右芯棒5的形状如图8所示，按形状特征可依次划分为：轴肩部51和直轴部52。

模具各部件的形状和结构尺寸都具有独特的设计原则，下面分别介绍：

左弯曲模8的结构如图5所示，设左弯曲模8的穿管空腔直径为D₅，总长为L₅；连接销轴2与支承销轴7轴心间的轴向距离为L₄，径向距离为L₇；支承销轴7的轴心距穿管空腔中心的径向距离为L₆。各部分尺寸计算如下：

$L_4=\frac{M_{\max }}{F},$ 同时要求 $L_4\≥\frac{L_{18}}{2}$

M_max为弯曲成形过程中最大弯矩，根据管坯弯曲过程中弯矩获得，其中σ_θ为管坯弯制时的切向应力(MPa)、t₀为管坯初始壁厚(mm)、y为微单元体距离管坯弯曲中性面的距离、r₀为管坯内半径、β为微元体角度(rad)、dβ为微元体开口角度；弯管受力分析如图11-1、11-2所示，其中ρ_ε为管材弯曲时的应变中性层曲率半径。若σ_θ取值为管坯材料的屈服极限，ρ_ε取值为R，将其代入弯矩算式积分即可计算得M_max。

F为压力机施加的压下力，L₁₈是连杆3的两个销孔之间的距离。

L₅＝L₂-L₀-L₃+△L₂-△L₁，其中△L₁≈D₁-D₂，△L₂＝(0.5～1)*(D₁-D₂)

L₆＝R，R为弯管的弯曲半径

L₇：由L₄结合强度校核计算获得弯曲模上销孔位置确定

D₅＝D₁+△G₁，△G₁为装配间隙，根据GB1801-79(或最新版)选用间隙配合，获得△G₁值。

右弯曲模6的结构如图6所示，设右弯曲模6的穿管空腔直径为D₆，阶梯空腔直径为D₇，空腔总长为L₉，阶梯空腔长度为L₁₁；连接销轴2与支承销轴7轴心间的轴向距离为L₈，径向距离为L₁₂；支承销轴7轴心距穿管空腔中心的径向距离为L₁₀；各部分尺寸计算如下：

L₈＝L₄， $L_4=\frac{M_{\max }}{F}$

L₉＝L₀+L₃

L₁₀＝L₆，L₆＝R

L₁₁＝L₃

L₁₂＝L₅+0.5△L₁＝L₂-L₀-L₃+△L₂-0.5△L₁，其中△L₁≈D₁-D₂，△L₂＝(0.5～1)*(D₁-D₂)

D₆＝D₁+△G₂

D₇＝D₄+△G₃，D₄＝D₁+0.5(D₃-D₂)

△G₂、△G₃为装配间隙，根据弯管技术要求具体确定即可。

左芯棒9与左弯曲模及管坯配合，左芯棒9的形状如图7所示，按形状依次划分为如下几部分：轴肩部91、直轴部92、弯曲部93。设轴肩部直径为D₉，厚度(也可称为长度)为L₁₄；直轴部直径为D₈，长度为L₁₃；弯曲部为由直轴部沿上轮廓线自然向下呈圆弧形弯曲，而直轴部下轮廓线保持不变而成形，圆弧形曲面的半径为R₂，弧形角度为50°，弧形圆心点位于自直轴部上轮廓线弯曲点所做的竖直线上(见图7)。以上左芯棒9弯曲部尺寸是按管坯弯曲角度为90°设计，如要设计其它弯曲角度(如α)的弯管机构，则弧形角度θ＝(α/2)+K，其中K＝0～5°。

L₁₃＝L₅+0.5△L₁＝L₂-L₀-L₃+△L₂-0.5△L₁，△L₁≈D₁-D₂，△L₂＝(0.5～1)(D₁-D₂)

L₁₄取值约为0.5(D₀-D₁)

D₈＝D₅-△G₄

D₉＝D₈+2(D₁-D₀)＝3D₁-2D₀+△G₅

R₂＝R

△G₄、△G₅为装配间隙，根据弯管技术要求具体确定。

右芯棒5与右弯曲模及管坯配合，右芯棒5的形状如图8所示，按形状依次划分为：轴肩部51和直轴部52。设轴肩部直径为D₁₁，厚度(也可称为长度)为L₁₆；轴部直径为D₁₀，长度为L₁₅；

L₁₅：取值约(0.5～1.0)D₀

L₁₆：取值约(0.5～1.0)*(D₀-D₁)

D₁₀＝D₂-△G₆，

D₁₁＝D₉，D₉＝3D₁-2D₀+△G₅

△G₅、△G₆装配间隙，根据弯管技术要求具体确定。

横梁1的形状如图9所示，设横梁上两个连接销轴2的中心距离为L₁₇，

$L_{17}\≤2\left\{\sin \right[\sqrt{L_4^2+L_7^2}\·\arctan \left(\frac{L_4}{L_7}\right)+\frac{\mathrm{\π}}{4}]-\frac{\sqrt{2}}{2}\·L_{18}$

L₇由L₄结合强度校核计算获得弯曲模上销孔位置确定，L₁₈是连杆3的两个销孔之间的距离。

连杆3，如图10所示，连杆上两个销轴孔的中心间距为：

$L_{18}\≥\sqrt{2}\left\{\sin \right[\arctan \left(\frac{L_4}{L_7}\right)\sqrt{L_4^2+L_7^2}]-L_4\}$

当左、右弯曲模连接起来处于水平平衡位置时(图3所示位置)，弯曲模管腔中心线到弯曲模回转中心线之间的距离即为R1，R1＝R＝L₆＝L₁₀，R弯管的弯曲半径。实际在整个弯制过程中左、右弯曲模管腔中心线到弯曲模回转中心的距离始终为R1。

将组成的模具结构组件安装在压力机工作空间，其中横梁1与压力机的活动横梁连接，整个模具通过支承销轴7固定在水压机的工作平台上。压力机活动横梁上下运动，左右弯曲模8、6可以围绕支承销轴7旋转并调整空间位置，左右弯曲模内侧端面与中心线的交点以支承销轴7为中心，以R1为半径空间旋转。

管坯4在组合弯管模具中弯制过程描述：模具组件与管坯4按图3在压力机工作台上安装，横梁1连接到压力机活动横梁上，弯管结构通过支承销轴与工作台连接固定支承。左芯棒、右芯棒分别与左、右弯曲模端面连接，压力机活动横梁缓慢压下，横梁将压力机活动横梁的压下力通过连杆传递给左、右弯曲模，压下力转化为迫使管坯弯曲成形的弯曲成形力，管坯逐渐弯曲成形，检查右弯曲模6和左弯曲模8之间的夹角达到90°后活动横梁停止压下，并对回弹进行反复压下矫形至成形结束。

值得注意的是，以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法，其特征是：取一管坯，置于一模具中；

所述模具包括横梁、连杆、弯曲模、芯棒，其中横梁与压力机的活动横梁连接，横梁通过两根连杆分别连接左、右两弯曲模，左、右弯曲模的下端共同通过一支承销轴枢接在一起，使两个弯曲模可以绕支承销轴旋转；

左、右弯曲模的内部都具有穿管空腔，所述管坯置于其中，左、右两芯棒分别自左、右弯曲模端部穿进所述管坯；其中一芯棒具有弯曲部，所述弯曲部与成形弯管具有同样的弯曲半径。

2.根据权利要求1所述的一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法，其特征是：所述管坯为一直管，所述直管内径与成形弯管内径相同，外径大部分与成形弯管外径相同，只在端部留有一小段阶梯段，所述阶梯段外径比成形弯管外径略大。

3.根据权利要求1所述的一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法，其特征是：所述左、右弯曲模的上外部都具有一连接销耳，连接销耳上的上销孔用于穿设连接销轴与所述连杆相连；左、右弯曲模的下外部也都具有一连接销耳，两个连接销耳上的下销孔通过穿设所述支承销轴将两个弯曲模枢接起来。

4.根据权利要求1所述的一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法，其特征是：具有弯曲部的所述芯棒，除具有弯曲部外还具有轴肩部、直轴部，所述弯曲部是由直轴部沿上轮廓线自然向下呈圆弧形弯曲，下轮廓线保持不变而成形。

5.根据权利要求1或4所述的一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法，其特征是：具有弯曲部的所述芯棒，弯曲部的弧形角度为θ＝(α/2)+K，其中α为成形弯管的弯曲角度，K＝0～5°。

6.根据权利要求3所述的一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法，其特征是：在假设成形弯管的管内径为D₀，管外径为D₁，弯曲段的弯曲角度为α，弯曲半径为R，一端直管段长度为L₀，另一端直管段长度为L₁的前提下，

所述左弯曲模的尺寸设计如下：

设左弯曲模的穿管空腔直径为D₅，总长为L₅，上、下销孔之间的轴向距离为L₄，径向距离为L₇；下销孔的中心与穿管空腔中心的径向距离为L₆，则

同时要求

M_max为弯曲成形过程中最大弯矩，F为压力机施加的压下力，L₁₈是连杆上两个销孔之间的距离；

其中△L为长度补偿量，△L₁≈D₁-D₀，△L₂＝(0.5～1)*(D₁-D₀)

L₆＝R

L₇：由L₄结合强度校核计算获得弯曲模上销孔位置确定

D₅＝D₁+△G₁，△G₁为装配间隙。

7.根据权利要求6所述的一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法，其特征是：所述右弯曲模的尺寸设计如下：

设右弯曲模的穿管空腔直径为D₆，阶梯空腔直径为D₇，空腔总长为L₉，阶梯空腔长度为L₁₁，上、下销孔之间的轴向距离为L₈，径向距离为L₁₂，下销孔距穿管空腔中心的径向距离为L₁₀，则

L₈＝L₄

L₉＝L₀+1.5(D₁-D₀)

L₁₀＝R

L₁₁＝L₃＝1.5(D₃-D₂)

L₁₂＝L₂-L₀-L₃+△L₂-0.5△L₁，

D₆＝D₁+△G₂

D₇＝D₄+△G₃，D₄＝1.5D₁-0.5D₀

L₂为管坯直管总长，L₃为管坯长度，D₂为管坯内径，D₃为管坯阶梯也就是外圆环带部分外径，D₄为管坯外径，△G₂、△G₃为装配间隙，根据弯管技术要求具体确定。

8.根据权利要求3所述的一种厚壁大直径管道的大弯曲角度小弯曲半径的成形方法，其特征是：在假设成形弯管的管内径为D₀，管外径为D₁，弯曲段的弯曲角度为α，弯曲半径为R，一端直管段长度为L₀，另一端直管段长度为L₁的前提下，

具有轴肩部、直轴部和弯曲部的所述芯棒的尺寸设计如下：

设轴肩部直径为D₉、厚度为L₁₄，直轴部直径为D₈、长度为L₁₃，弯曲部为由直轴部沿上轮廓线自然向下呈圆弧形弯曲，下轮廓线保持不变而成形；其中

$L_{13}=L_1+\frac{2\mathrm{\π}R}{4}-1.5(D_1-D_0)+\mathrm{\Δ}L+{\mathrm{\ΔL}}_2-0.5{\mathrm{\ΔL}}_1$

L₁₄＝0.5(D₀-D₁)

D₈＝D₁+△G₁-△G₄

D₉＝3D₁-2D₀+△G₅

其中△L为长度补偿量，△L₁≈D₁-D₀，△L₂＝(0.5～1)*(D₁-D₀)，△G₁、△G₄、△G₅为装配间隙，根据弯管技术要求具体确定。