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弯管工艺中回弹、伸长和成形半径的确定方法

武汉交通科技大学 胡 勇 王呈方

摘要:根据弯管加工理论、实验研究和大量实践, 总结出了对管材弯曲加工成形精度有重要影响的回弹、伸长和成形半径等参数的确定方法, 并可用智能弯管测量仪测取上述数据, 以用于指导生产。

关键词: 无缝钢管 弯曲 研究
众所周知, 管子弯曲加工是弹塑性弯曲, 弯曲回弹后必然会产生弯曲角变小、管件轴线变长和弯曲半径变大的现象。现代船舶管系零件加工正日益朝着生产流水线发展, 而流水线生产必须采用无余量弯管和先焊法兰后弯曲加工的生产工艺。在采用上述工艺技术时, 特别是使用数控弯管机后, 如何处理好回弹、伸长和成形半径的问题显得更为重要和突出。但长期以来这个难题一直没有解决好, 为此, 我们通过大量的工作, 总结出了对管材弯曲加工成形精度有重要影响的回弹、伸长和成形半径的确定方法。

1、管材弯曲回弹问题的处理方法

在此之前, 解决回弹的方法有:
①根据经验列出回弹数据表。如最近国内几家船厂从美国WALLACE COAST 公司购进的数控弯管机即是在控制系统中设置经验数据供回弹补偿使用。但因该方法误差较大, 故数控弯管机的弯管成形精度并不理想。
②用理论计算方法。由于弯管时受力情况非常复杂, 计算时需作假设和简化, 且材料性质和实际工况难以预计, 所以, 目前尚未发现有关回弹理论计算公式在实际使用中成功的先例, 尚有待进一步探讨。
③在飞机、汽车制造业中, 多年来一直采用以美国EATON LEONARD 公司为代表使用的方法。该方法认为, 虽然影响弯管回弹的因素很多, 但是机床调整好后工艺参数(弯曲半径、弯曲速度、夹紧力等) 已经确定, 而且此时又是在弯制某批材料管子的情况下测定弯曲角度与回弹后的成形角关系, 因而可以把弯管机臂的转角和管子的成形角看成线性关系。其办法是在弯管机上按125°、22°弯曲管子, 管子弯好后放在数控管形测量机上测出其实际成形角为120°、20°, 建立过两点的直线方程便可获得弯管机臂的转角与管子所需成形角之间的关系。该方法使用效果较好。
为解决好管材弯曲的回弹问题, 我们做了以下工作:
1.1 进行了大量回弹实验。为了提高管子角度测量的准确性, 实验中使用了“弯管测量仪”。通过在五个船厂的多台弯管机上进行多种规格的无芯和有芯弯管实验, 并对测取的数据进行回归分析计算可知, 其弯曲角H与成形角H′之间呈不过原点的直线关系。 (天阳钢管)
即: H= K 1H′+ C1 ???(1)
式中 K 1——直线斜率 C1——直线截距
经对测取的数据进行回归分析计算其相关系数C均在019999 以上, 可见其直线性很高。故可得出以下结论: 同批材料弯出的管子, 在工程弯曲角度范围内, 其弯曲角H与成形角H′之间均呈不过原点的直线关系。
1.2 对有关船厂的经验回弹数据表进行了数据回归验算。例如对大连造船厂等的“管子弯曲回弹角表”的经验回弹数据进行回归验算表明, 其弯曲角H与成形角H′之间也是呈不过原点的直线关系, 其相关系数C均在01999 以上, 可见其直线性也很高, 这也再一次证明了回弹实验结论的正确性。
1.3 弯管回弹实验的理论分析。为了分析回弹实验结论的正确性, 我们针对弯管机的工况进行了受力分析, 在作了一些假设与简化后进行了大量计算。计算结果表明, 在较小的弯曲角范围内, 弯曲角H与成形角H′之间呈曲线关系; 在弯曲角度大于1°以后, 弯曲角H与成形角H′之间均呈线性关系, 并与实验时的直线关系规律趋势相同, 由此说明了回弹实验结论的正确性。应当指出的是, 两者之间的数值相差较大, 这是由于理论计算的假设与简化以及实际弯管工况比计算情况复杂得多等原因造成的。
由此可见, 上述工作比以EA TON L EONARD公司为代表使用的“把弯管机臂的转角和管子的弯曲角度看成线性关系”的研究成果更加深入。
综上所述可知, 目前处理管材弯曲回弹问题的最好方法是: 弯曲加工某批管材时, 可在给定的弯管机上做两个不同弯头(例如30°和90°) 的实验。实验时记录弯管机臂的两个实际转角H1、H2 , 并测量管子的两个成形角H′1、H′2。然后按下述公式求取方程式(1) 的系数:
K 1= (H2 - H1)?(H′2- H′1) (2)
C1= H1 - H′1 (H2 - H1 )?(H′2- H′1) (3)
将式(2)、(3) 代入式(1) 得到的直线方程式即是该批管材的回弹规律。使用智能弯管测量仪能方便地得到回弹规律。

2、管材弯曲轴线伸长问题的处理方法

一定长度的管子在弯管机上弯曲后, 管子的轴线长度会增大, 其增大量称为管子的伸长量。对于这个问题, 过去解决的方法有:
①根据经验列出了伸长数据表供生产使用, 但使用该方法时误差较大。
②有关弯管伸长理论的计算方法。与回弹一样,目前尚未发现有理论计算公式在实际中使用成功的先例, 尚有待进一步探讨。
③在飞机、汽车制造业中, 多年来一直使用一种以EATON LEONARD 公司为代表采用的方法, 即在用数控管形测量机测量回弹的同时, 用计算公式计算出所谓的圆弧常数A R C, 也就是弯曲角度为100°时所用的材料长度, 其结果也是认为管子伸长量与成形角度成正比关系。为解决好管材弯曲的伸长问题, 我们做了以下工作〔2〕:
2.1 进行了大量伸长实验。通过在五个船厂的多台弯管机上进行多种规格的无芯和有芯弯管实验, 并对每一批材料取得的数据进行回归分析计算可知,其伸长量$L 与成形角H′之间均呈不过原点的直线关系。即:
$L= K 2H′+ C2 (4)
式中 K 2——直线斜率 C2——直线截距
经对测取的数据进行回归分析计算其相关系数C均在0197~ 0199 之间, 可见其直线关系明显。因此可获得以下结论: 同批材料的管子, 在工程弯曲角度范围内, 其伸长量$L 与成形角H′之间均呈不过原点的直线关系。
2.2 对有关船厂的经验回弹数据表也进行了数据回归验算。经验算可知, 其伸长量$L 与成形角H′之间也呈直线关系, 其相关系数C均在0199 以上, 可见其直线性也很高, 但是截距一般较小。
2.3 弯管伸长实验的理论分析。为了分析伸长实验结论的正确性, 我们针对弯管机的弯管工况进行了受力分析, 在作了一些假设与简化后进行了大量计算。计算结果表明, 在小弯曲角度范围内, 其伸长量$L 与成形角H′之间呈曲线关系; 在弯曲角度大于3°以后, 其伸长量$L 与成形角H′之间均呈线性关系。(www.be-wingroup.com)理论分析的线性关系部分与实验时的直线关系规律趋势相同, 说明了弯管伸长实验结论的正确性。应当指出的是, 两者之间的数值相差较大, 这是由于理论计算的假设与简化以及实际弯管工况比计算情况复杂得多等原因造成的。以上研究的同批材料的管子在工程弯曲角度范围内, 其伸长量$L 与成形角H′之间均呈不过原点的直线关系的结论与历来认为的伸长量与成形角成正比的观点不同, 前者更加符合弯管机弯管的实际情况。
综上所述可知, 目前管材弯曲伸长问题的最好处理方法应是: 弯曲加工某批管材时, 可在给定的弯管机上作两个试件长度L 相同、弯头不同(例如30°和90°) 的弯曲实验, 实验后取下管子并测量好管子的两个实际成形角H′1、H′2 和两个实际管子轴线增加后的长度L ′1、L ′2, 则其伸长量为$L 1 = (L ′1 -L )、$L 2= (L ′2- L )。由此即可用下式求出直线方程式(4) 的系数:
K 2= ($L 2- $L 1)?(H′2- H′1) (5)
C2= $L 1- H′1 ($L 2- $L 1)?(H′2- H′1) (6)
将式(5)、(6) 代入直线方程式(4) 即得该批管材的伸长规律。使用智能弯管测量仪能方便地获得该伸长规律。

3、管子弯曲回弹后成形半径问题的处理方法

管材弯曲回弹后, 其成形半径R ′较模具半径R变大, 这样就会引起管子切点的变化。因此, 弯管机弯管时应考虑由此引起的起弯点的变化。以EATON LEONARD 公司为代表使用的方法是, 利用数控管形测量机测出回弹的有关参数, 再用计算公式计算出回弹后的成形半径, 并使用此计算半径对起弯点进行修正。我们曾使用该公式处理起弯点,发现在弯曲小规格(如<3 以下) 的管子时, 误差虽然较大, 但尚可使用; 在弯曲较大规格的管子时,(021-57590225) 误差就特别大, 使用效果不好。其同样是由于弯管时情况非常复杂以及材料性质和实际工况难以预计等原因, 致使成形半径的理论计算公式难以满足实际需要造成的。
如果起弯点处理不好, 则弯管成形精度难以保证, 实施无余量弯管工艺时就会发生困难。为了解决这个问题, 应该使用现代化测量仪器。以某台弯管机为对象, 实际测出所求某批管材弯曲回弹后的成形半径, 以作为工艺上处理起弯点的依据。使用智能弯管测量仪能方便地获得管材弯曲回弹后的成形半径, 其测量计算原理见后面计算式(8)。

4、使用智能弯管测量仪测取回弹、伸长和成形半径的方法

智能弯管测量仪〔3〕主要是根据上述弯管原理,专门为数控弯管机研制的配套使用仪器。仪器组成有测量装置(包括测量机构、角度传感器)、微机系统(包括微机、接口板)。仪器精度较高, 角度为011°,长度为0125mm。仪器测量机构是一个如下图所示的四杆平面机构, 节点abc 上各装有一个角度传感器, 用它们可测出相邻两杆之间的角度。de 处为测头, 由于测头为平面, 所以测量时可使adbe 杆均与dghe 管子的直管段垂直。四杆平面机构的各杆长度均为已知, 这样便可测量计算出dghe 管子的有关几何参数。方法如下:
弯管角度
1.据机构的已知条件和角度传感器测出的角度可测算出管子成形角度H′。
2.根据机构的已知条件和角度传感器测出的角度可测算出直管轴线交点距离df f e
3.当已知管件弯曲时的起弯点距离d g 时, 可进一步测算出实际成形半径R ′为:
R ′= og = (df - d g )?tg (H′?2 ) (7)
4.可进一步测算出管子轴线长度L ′为:
L ′= df + f e- 2R ′tg (H′?2) + PR H′?180 (8)
根据上述原理和算式, 只需将两个相同长度为L 、起弯点距离为d g 的试件在弯管机上进行预定角度(H1 = 30°、H= 90°) 的弯曲, 然后取下用智能弯管测量仪进行测量, 就能在几乎无人的情况下实际测量并打印出不同金属材料与型号管子的回弹变化规律、伸长变化规律和回弹后的成形半径。如给出工件管形, 仪器还可以提供无余量弯管的下料数据, 而且能为数控弯管机提供包括起弯点修正和回弹补偿的加工程序(该仪器也具有测量管形的功能)。仪器所提供的数据, 不仅大大提高了数控弯管机弯管的成形精度, 而且可促进工艺进步, 达到减轻工人劳动强度、节约钢材和提高生产效率的目的。
参考文献
1 王立新1 矢量弯管1 北京: 国防工业出版社, 19841
2 王呈方等1 弯管机弯管回弹与伸长变化规律的实验研究1 中国 造船, 1993 (2)
3 胡 勇等1 智能弯管回弹伸长测量仪的研制及应用1 船舶工程, 1996 (2)

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