彎管工藝中回彈、伸長和成形半徑的确定方法

 新聞資訊     |      2018-07-25 15:03

摘要:根據彎管加工理論、實驗研究和大量實踐, 總結出了對管材彎曲加工成形精度有重要影響的回彈、伸長和成形半徑等參數的确定方法, 并可用智能彎管測量儀測取上述數據, 以用于指導生産。

關鍵詞: 無縫鋼管 彎曲 研究
衆所周知, 管子彎曲加工是彈塑性彎曲, 彎曲回彈後必然會産生彎曲角變小、管件軸線變長和彎曲半徑變大的現象。現代船舶管系零件加工正日益朝着生産流水線發展, 而流水線生産必須采用無餘量彎管和先焊法蘭後彎曲加工的生産工藝。在采用上述工藝技術時, 特别是使用數控彎管機後, 如何處理好回彈、伸長和成形半徑的問題顯得更為重要和突出。但長期以來這個難題一直沒有解決好, 為此, 我們通過大量的工作, 總結出了對管材彎曲加工成形精度有重要影響的回彈、伸長和成形半徑的确定方法。

1、管材彎曲回彈問題的處理方法

在此之前, 解決回彈的方法有:
①根據經驗列出回彈數據表。如最近國内幾家船廠從美國WALLACE COAST 公司購進的數控彎管機即是在控制系統中設置經驗數據供回彈補償使用。但因該方法誤差較大, 故數控彎管機的彎管成形精度并不理想。
②用理論計算方法。由于彎管時受力情況非常複雜, 計算時需作假設和簡化, 且材料性質和實際工況難以預計, 所以, 目前尚未發現有關回彈理論計算公式在實際使用中成功的先例, 尚有待進一步探讨。
③在飛機、汽車制造業中, 多年來一直采用以美國EATON LEONARD 公司為代表使用的方法。該方法認為, 雖然影響彎管回彈的因素很多, 但是機床調整好後工藝參數(彎曲半徑、彎曲速度、夾緊力等) 已經确定, 而且此時又是在彎制某批材料管子的情況下測定彎曲角度與回彈後的成形角關系, 因而可以把彎管機臂的轉角和管子的成形角看成線性關系。其辦法是在彎管機上按125°、22°彎曲管子, 管子彎好後放在數控管形測量機上測出其實際成形角為120°、20°, 建立過兩點的直線方程便可獲得彎管機臂的轉角與管子所需成形角之間的關系。該方法使用效果較好。
為解決好管材彎曲的回彈問題, 我們做了以下工作:
1.1 進行了大量回彈實驗。為了提高管子角度測量的準确性, 實驗中使用了“彎管測量儀”。通過在五個船廠的多台彎管機上進行多種規格的無芯和有芯彎管實驗, 并對測取的數據進行回歸分析計算可知, 其彎曲角H與成形角H′之間呈不過原點的直線關系。 (天陽鋼管)
即: H= K 1H′+ C1 ???(1)
式中 K 1——直線斜率 C1——直線截距
經對測取的數據進行回歸分析計算其相關系數C均在019999 以上, 可見其直線性很高。故可得出以下結論: 同批材料彎出的管子, 在工程彎曲角度範圍内, 其彎曲角H與成形角H′之間均呈不過原點的直線關系。
1.2 對有關船廠的經驗回彈數據表進行了數據回歸驗算。例如對大連造船廠等的“管子彎曲回彈角表”的經驗回彈數據進行回歸驗算表明, 其彎曲角H與成形角H′之間也是呈不過原點的直線關系, 其相關系數C均在01999 以上, 可見其直線性也很高, 這也再一次證明了回彈實驗結論的正确性。
1.3 彎管回彈實驗的理論分析。為了分析回彈實驗結論的正确性, 我們針對彎管機的工況進行了受力分析, 在作了一些假設與簡化後進行了大量計算。計算結果表明, 在較小的彎曲角範圍内, 彎曲角H與成形角H′之間呈曲線關系; 在彎曲角度大于1°以後, 彎曲角H與成形角H′之間均呈線性關系, 并與實驗時的直線關系規律趨勢相同, 由此說明了回彈實驗結論的正确性。應當指出的是, 兩者之間的數值相差較大, 這是由于理論計算的假設與簡化以及實際彎管工況比計算情況複雜得多等原因造成的。
由此可見, 上述工作比以EA TON L EONARD公司為代表使用的“把彎管機臂的轉角和管子的彎曲角度看成線性關系”的研究成果更加深入。
綜上所述可知, 目前處理管材彎曲回彈問題的最好方法是: 彎曲加工某批管材時, 可在給定的彎管機上做兩個不同彎頭(例如30°和90°) 的實驗。實驗時記錄彎管機臂的兩個實際轉角H1、H2 , 并測量管子的兩個成形角H′1、H′2。然後按下述公式求取方程式(1) 的系數:
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) 得到的直線方程式即是該批管材的回彈規律。使用智能彎管測量儀能方便地得到回彈規律。

2、管材彎曲軸線伸長問題的處理方法

一定長度的管子在彎管機上彎曲後, 管子的軸線長度會增大, 其增大量稱為管子的伸長量。對于這個問題, 過去解決的方法有:
①根據經驗列出了伸長數據表供生産使用, 但使用該方法時誤差較大。
②有關彎管伸長理論的計算方法。與回彈一樣,目前尚未發現有理論計算公式在實際中使用成功的先例, 尚有待進一步探讨。
③在飛機、汽車制造業中, 多年來一直使用一種以EATON LEONARD 公司為代表采用的方法, 即在用數控管形測量機測量回彈的同時, 用計算公式計算出所謂的圓弧常數A R C, 也就是彎曲角度為100°時所用的材料長度, 其結果也是認為管子伸長量與成形角度成正比關系。為解決好管材彎曲的伸長問題, 我們做了以下工作〔2〕:
2.1 進行了大量伸長實驗。通過在五個船廠的多台彎管機上進行多種規格的無芯和有芯彎管實驗, 并對每一批材料取得的數據進行回歸分析計算可知,其伸長量$L 與成形角H′之間均呈不過原點的直線關系。即:
$L= K 2H′+ C2 (4)
式中 K 2——直線斜率 C2——直線截距
經對測取的數據進行回歸分析計算其相關系數C均在0197~ 0199 之間, 可見其直線關系明顯。因此可獲得以下結論: 同批材料的管子, 在工程彎曲角度範圍内, 其伸長量$L 與成形角H′之間均呈不過原點的直線關系。
2.2 對有關船廠的經驗回彈數據表也進行了數據回歸驗算。經驗算可知, 其伸長量$L 與成形角H′之間也呈直線關系, 其相關系數C均在0199 以上, 可見其直線性也很高, 但是截距一般較小。
2.3 彎管伸長實驗的理論分析。為了分析伸長實驗結論的正确性, 我們針對彎管機的彎管工況進行了受力分析, 在作了一些假設與簡化後進行了大量計算。計算結果表明, 在小彎曲角度範圍内, 其伸長量$L 與成形角H′之間呈曲線關系; 在彎曲角度大于3°以後, 其伸長量$L 與成形角H′之間均呈線性關系。(www.steeltube-cn.com)理論分析的線性關系部分與實驗時的直線關系規律趨勢相同, 說明了彎管伸長實驗結論的正确性。應當指出的是, 兩者之間的數值相差較大, 這是由于理論計算的假設與簡化以及實際彎管工況比計算情況複雜得多等原因造成的。以上研究的同批材料的管子在工程彎曲角度範圍内, 其伸長量$L 與成形角H′之間均呈不過原點的直線關系的結論與曆來認為的伸長量與成形角成正比的觀點不同, 前者更加符合彎管機彎管的實際情況。
綜上所述可知, 目前管材彎曲伸長問題的最好處理方法應是: 彎曲加工某批管材時, 可在給定的彎管機上作兩個試件長度L 相同、彎頭不同(例如30°和90°) 的彎曲實驗, 實驗後取下管子并測量好管子的兩個實際成形角H′1、H′2 和兩個實際管子軸線增加後的長度L ′1、L ′2, 則其伸長量為$L 1 = (L ′1 -L )、$L 2= (L ′2- L )。由此即可用下式求出直線方程式(4) 的系數:
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) 代入直線方程式(4) 即得該批管材的伸長規律。使用智能彎管測量儀能方便地獲得該伸長規律。

3、管子彎曲回彈後成形半徑問題的處理方法

管材彎曲回彈後, 其成形半徑R ′較模具半徑R變大, 這樣就會引起管子切點的變化。因此, 彎管機彎管時應考慮由此引起的起彎點的變化。以EATON LEONARD 公司為代表使用的方法是, 利用數控管形測量機測出回彈的有關參數, 再用計算公式計算出回彈後的成形半徑, 并使用此計算半徑對起彎點進行修正。我們曾使用該公式處理起彎點,發現在彎曲小規格(如<3 以下) 的管子時, 誤差雖然較大, 但尚可使用; 在彎曲較大規格的管子時,(021-57590225) 誤差就特别大, 使用效果不好。其同樣是由于彎管時情況非常複雜以及材料性質和實際工況難以預計等原因, 緻使成形半徑的理論計算公式難以滿足實際需要造成的。
如果起彎點處理不好, 則彎管成形精度難以保證, 實施無餘量彎管工藝時就會發生困難。為了解決這個問題, 應該使用現代化測量儀器。以某台彎管機為對象, 實際測出所求某批管材彎曲回彈後的成形半徑, 以作為工藝上處理起彎點的依據。使用智能彎管測量儀能方便地獲得管材彎曲回彈後的成形半徑, 其測量計算原理見後面計算式(8)。

4、使用智能彎管測量儀測取回彈、伸長和成形半徑的方法

智能彎管測量儀〔3〕主要是根據上述彎管原理,專門為數控彎管機研制的配套使用儀器。儀器組成有測量裝置(包括測量機構、角度傳感器)、微機系統(包括微機、接口闆)。儀器精度較高, 角度為011°,長度為0125mm。儀器測量機構是一個如下圖所示的四杆平面機構, 節點a、b、c 上各裝有一個角度傳感器, 用它們可測出相鄰兩杆之間的角度。d、e 處為測頭, 由于測頭為平面, 所以測量時可使ad、be 杆均與dghe 管子的直管段垂直。四杆平面機構的各杆長度均為已知, 這樣便可測量計算出dghe 管子的有關幾何參數。方法如下:

1.據機構的已知條件和角度傳感器測出的角度可測算出管子成形角度H′。
2.根據機構的已知條件和角度傳感器測出的角度可測算出直管軸線交點距離df 、f e。
3.當已知管件彎曲時的起彎點距離d g 時, 可進一步測算出實際成形半徑R ′為:
R ′= og = (df - d g )?tg (H′?2 ) (7)
4.可進一步測算出管子軸線長度L ′為:
L ′= df + f e- 2R ′tg (H′?2) + PR H′?180 (8)
根據上述原理和算式, 隻需将兩個相同長度為L 、起彎點距離為d g 的試件在彎管機上進行預定角度(H1 = 30°、H= 90°) 的彎曲, 然後取下用智能彎管測量儀進行測量, 就能在幾乎無人的情況下實際測量并打印出不同金屬材料與型号管子的回彈變化規律、伸長變化規律和回彈後的成形半徑。如給出工件管形, 儀器還可以提供無餘量彎管的下料數據, 而且能為數控彎管機提供包括起彎點修正和回彈補償的加工程序(該儀器也具有測量管形的功能)。儀器所提供的數據, 不僅大大提高了數控彎管機彎管的成形精度, 而且可促進工藝進步, 達到減輕工人勞動強度、節約鋼材和提高生産效率的目的。
參考文獻
1 王立新1 矢量彎管1 北京: 國防工業出版社, 19841
2 王呈方等1 彎管機彎管回彈與伸長變化規律的實驗研究1 中國 造船, 1993 (2)
3 胡 勇等1 智能彎管回彈伸長測量儀的研制及應用1 船舶工程, 1996 (2)