管材翻卷成形

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1、第二届锻压装备与制造技术论坛板材加工技术研讨及产品信息交流会议论文集管材翻卷成形重庆大学王孝培0引言管材翻卷成形是从传统的冲压翻边、缩口工艺发展起来的特种成形工艺。它是通过模具对管件施加轴向压力使管材口部边沿产生局部弯曲的变形过程。利用此项技术制造零件具有工艺简单、工序少、成本低、质量好等一系列优点，甚至可以生产出用其他冲压方法难以得到的零件。此工艺已在汽车、航空航天等工业领域得到广泛应用。管材翻卷成形有两种基本方式，即外翻卷和内翻卷(图1)金、低碳钢、奥氏体不锈钢等，以olOxl到谚250x5规格的管坯都可以

2、成功地翻卷成双层管。1管材外翻卷成形翻卷成形，较其他成形工艺而言，其变形过程更为复杂，它包括扩口、卷曲、翻卷几种变形过程及其相互转换。实现这种成形工艺的模具有多种，其中简单、常用的是锥形模和圆角模。1．1锥形翻管模锥形翻管模结构如图3所示，属于通用翻管模。逝匦逝5凰(a)【b)扣)图1管材翻卷成形示意图(a)、(b)外翻(c)、(d)内翻1．管坯2．导轨环3．锥模4．圆角模外翻卷：管坯在轴向压力作用下，从内向外翻卷，成形后增大其周长。内翻卷：管坯从外向内翻卷，成形后减小其周长。利用翻卷工艺除了能有效地成形多种筒

3、类双壁管式多层管零件外，还可以加工凸底杯形件、阶梯管、异形管(图2)以及半双管、环形双壁汽筒、空心双壁螺母、热交换器、汽车消声器、电子工业中的波导管等。目前上述零件一般采用多工步冲压和焊接方法加工，难度大，费用高，外观质量差。采用翻卷工艺可保证零件使用的可靠性，轻量化，节省原材料。这种模具结构简单，在一套模具上可成形不同规格的管材，这一点是其他管材成形模具很难做到的。另外，作为精密管材翻卷成形的预成形工序，锥形模成形也得到广泛应用。翻管时，管坯的一端置于锥模上，另一端由压力机滑块施加压力，以实现管坯翻卷。设计这

4、种模具时，模具的半锥角Ot是最关键的参数，Ol的大小除了决定翻管成形的可行性外，还影响着翻管的几何尺寸，即翻管系数KⅨ=鲁，D和D，分别为管坯外径与翻管外径)。显然，存在一临界半锥角Ol。，当模具的半锥角仅≥旺。时，翻卷才能正常进行。lLHJlJ1、l～j／、L，lItiI图2翻卷工艺加工成形的制件(a)双层管(b)阶梯管(c)异形管(d)凸底杯目前，根据资料，很多金属材料都可以在模具上以各种不同的翻卷方式成形，如铝合金、铜及铜合一129一咿丁'rr一面sin％晤考虑材料强化和扩口刚性端的影响，可将上式修改为：

5、第二届锻压装备与制造技术论坛板材加工技术研讨及产品信息交流会议论文集ao-c叫孚[簪]”1)式中：L——-~扩13平直端长度，L=0．17ttancYV'—tZtan20t—+4dt：卜管坯平均直径；￡——管坯壁厚；n——材料硬化指数；A——材料强化系数；盯广材料屈服强度。(11成形中临界半锥角确实存在，设计锥模时，必须满足一Ot≥Oto。实验证明，当0【i--60。时，管端发生翻卷成形，否对于D=42mm的3A21铝管，由上式算出，oto=550一600。通过实验证明，当仅oI>60。(仅一68。)时，翻管能

6、顺利进行。这时，轴向压力为最小；当0t=55。一600时，管坯端部卷曲而不进入翻卷阶段；当0t<55。时，管端在锥模上只扩口而不卷曲．。在通用锥模上翻卷成形时，管端容易滑动，管制件质量不高。为防止滑动，通常在锥模’上设计成如图4所图4外翻管锥模示的定位凸台，这1．锥模2-导流环3．定位凸台4压头种结构对提高质量有一定效果。若在凸台锥模上将凸台与锥面用圆弧过渡而成圆角锥形模(图5)，由于提高了管坯与锥模的对中性，管端变形受到圆弧的约束，使其管件质量进一步得到改善。图5圆角锥形模1．链模2．管坯3．压头在锥模设计中

7、，模具半锥角a的大小，不仅决定翻卷成形的可能性，还影响翻管件的几何尺寸，有许多学者对此进行了研究，从理论上推导出了临界半锥角俚。(=550一600)，有也学者提出Oto=52。-60。，他们提出的半锥角数值非常接近。由此证明，锥模翻卷则，不能顺利实现管材的翻卷。对图5所示的圆角锥形模结构，因有锥面与定位凸台之间的圆弧过渡区，这种模具的主要工艺参数除半锥角d外，还有圆角半径r。管坯在轴向压力作用下，管口端在锥台圆弧部分形成的人模弯曲半径，记作伽，称为弯曲半径。学者Manabe和Nishimura研究发现，风与仅存

8、在一定关系。在圆角锥形模成形时，弯曲半径伪用量纲为一的献=Ⅳ佃)可得：商o=po／、／d￡=l／V'8(1-cos00(2)式中：d和￡——管坯的中径与壁厚。由式(2)得知，赢随着半锥角仅的增加而减少，即随着d的增加，管坯末端趋向于卷曲。如果卷曲的发生条件取决于弯曲半径风，那么就存在一个临界半径风。从而可以推断当人模弯曲半径Po>p。时，管坯末端紧贴模其锥面扩口，反之，若风≤‰，则管端