弯头管件的冷推制成形工艺 向延平宗伟奇 张具武 （广州造船厂有限公司） （华南农业大学） 摘要：本文主要简述了等径和异径弯头专用液压机冷推制成形的工艺方法，对专 用液压机冷推制、中频加热推制、液压机冲压压型法生产弯头工艺进行了比较，阐 述了弯头成形专用液压机的冷推制弯头管件的成形机理。 关键词：弯头液压机异径 １ 前言 随着船舶和石化、燃气行业的发展， 这些行业的管道系统中用于输送液体和气 体的钢制管弯头需求逐渐增多，提高弯头 的成形制造水平及生产率是管件生产企业 加快管件技术改造步伐的主要内容，采用 何种方式制造弯头能够多快好省？存在着 其方法的可行性、经济性、效率等方面的 选择。 异径弯头是一种将异径接头和弯头合 二为一在管道中既拐弯又变径的特型管配 件，它的应用可减少用一个异径接头或弯 头的使用，利用弯头成形专用液压机制造 异径弯头的工艺在逐步成熟。 ２钢制弯头成形的常用方法和变形 特点 目前国内钢制管弯头成形制造常用的 加工方法有：铸造法、冲压压型法、焊接 法、冷热推制法。 冲压压型法一一在液压机上将加热过 的管坯用模具进行弯曲加工的方法；这种 方法是最早用于管弯头弯曲加工的工艺方 法，它在弯头生产中已获得了广泛应用。 但这种方法生产的弯头壁厚不均，外观质 量差，加工大型弯头时，模具的制造成本 较高。 焊接法一一用模具压制出两块管弯头 半壳体，然后焊接成弯头的方法；这种方 法的后续工序多，而且大型薄壁类弯头的 广船科技２０１１年第２期（总第１１２期） 焊接制造工艺性较差。 热推制法一利用中频感应快速加热管 件，提高其塑性，采用二步液压推进，牛 角芯棒扩径弯曲，将较小直径的管坯推制 成较大直径弯头的成形工艺；这种热推工 艺的生产率高、产品规格多、生产过程连 续性强、易于机械化生产，是现有各种弯 管工艺中较为经济有效的一种，已经成为 了目前生产弯头的主要方法。但热推碳钢 弯头时，弯头成形温度一般控制在７５０～ ９５０￣Ｃ之间，对牛角芯棒的红硬性有较高的 要求。 冷推制法一一常温下采用专用液压机 将管坯压人弯曲空腔的模具中，推压形成 管弯头的方法；按成形时有无模芯，又可 分为有芯和无芯弯头生产法。 钢管的弯曲加工，在不使用芯棒的情 况下，其横断面或大或小都会发生椭圆变 形，管材变形区的外侧材料受到切向拉伸 而伸长，内侧材料受到切向压缩而缩短， 外侧壁的减薄、破裂，内侧壁的增厚、起 皱和横截面畸变，以及卸载后的回弹及其 控制，是管材弯曲成形较难有效解决的技 术难题。管坯弯曲壁厚的变化情况不仅与 管材的直径和壁厚有关，还与相对弯曲半 径『相对弯曲半径ＲＸ＝Ｒ／Ｄ（Ｒ为弯曲半 径，Ｄ为管子外径）１有关，相对弯曲半径 ＲＸ越小，变形越大，在极限情况下，弯料 弯曲过程将被破坏，产生形状缺陷，尤其 是在对薄壁管材进行弯曲时，设计应尽可 能避免使用较小的弯曲半径。 ２９ ３ 弯头管件冷成形专用液压机的原 理 冷推弯管成形专用液压机的机械结构见 图１。 １下横梁２推制缸３推制缸锁紧螺母４电器箱５液压油箱６油箱立柱联 接板７行程开关安装座８立柱９上横梁１０锁模缸紧固螺母ｌ１锁模缸１２ 锁模缸滑块联接法兰１ ３锁模缸滑块１ ４工作台导向块１ ５推制限位架１６翻 芯油缸机构１ ７脱料油缸机构１ ８脱料油缸固定架１９齿轮滑动座２０下工作 台２１地脚螺栓２２地脚底板２３推制导向块２４推制工作台 图１冷推弯管成形专用液压机结构示意图 液压机的上横梁９、下横梁１、液压油箱 ５由四根立柱８焊接联接成主机机架整体；推 制油缸２以锁紧螺母３紧固在下横梁１的安装 孔中，推制工作台２４直接与推制油缸２的活 塞相联，推制工作台２４用固定在床身上的推 制导向块２３进行横向运动导向，在下横梁 ｌ沿推制方向焊接了推制限位架１５；锁模油 缸ｌｌ用锁紧螺母１０纵向固紧在上横梁９的安 装孔中，锁模缸滑块１３与锁模油缸ｌｌ的活塞 相联，锁模滑块１ ３用安装在滑块上的工作导 向块１４沿立柱进行纵向运动导向；主工作台 ２０固定在下横梁１的床身上；整机用地脚支 架联接焊接在地脚支承板２２上，再用地脚螺 栓２ １平放在地基基础上。 液压机的翻芯脱料辅助装置部分包括 翻芯油缸机构１６和脱料油缸机构１７。翻芯油 缸机构主要由翻芯齿轮旋转机构、翻芯油 缸、辅助油缸等构成，它的作用是在弯头 推制结束后，翻起安装其上的模芯和套在 模芯上已推制好的弯头管件。脱料油缸机 构包括脱料油缸、脱料滑块机构等，它的 ３０ 作用是退去翻芯机构中己翻起模芯上的己 成形的弯头工件。 弯头液压机液压系统主要由轴向柱塞 泵、齿轮泵、二位插装阀系统和锁模缸、 推制缸、翻芯油缸、翻芯辅助油缸、脱料 油缸五个油缸等构成。 芯棒液压机的液压系统的工作关键是 锁模缸要保持闭合压力，上下锁紧模具， 与此同时推制缸要以水平推力推压工件， 推制开始至结束这段时间都是锁模缸的锁 模阶段，要保证推制不能冲开模具；完成 推制工作后，锁模缸打开模具，翻芯油缸 机构成９０。翻起模芯和工件，脱料油缸机构 从模芯上脱去工件。 ４弯头专用液压机冷推制碳钢、不 锈钢弯头的成形工艺 用弯头成形专用液压机推制等径碳 钢、不锈钢弯头的模具装配示意图见图２。 下模１安装在弯头芯棒液压机的固定工 向延平宗伟奇张具武：弯头管件的冷推制成形工艺 ｜ Ｉ １ ／，， ｝ ｜ ＩＬＩ ＼ ｌ ｌ ＼ ｌ ｔ ／ 、一一 一一一 一一一 一 一 厂 ｌ ｌ．’ Ｕ％，＇￣Ｙ／／／／Ｊ ｌ ｌＬ …… Ｉ 卜下模２一模芯 ３一工件 ４一导柱５一推制杆６一上模 图２推制等径弯头模具装配示意图 作台上，上模６用压块固定在锁模油缸活塞 杆工作滑块上，推制杆５固定在推制油缸活 塞杆工作滑块上，模芯２与翻芯机构相联， 上、下模用导柱４导向。推制时，锁模缸以 最大的锁模力上、下压紧上模６、下模１，推 制缸以水平推力以推制杆５推制弯头，也使 工件套紧在模芯２上。推制结束后，锁模缸 滑块回程打开模具，翻芯机构呈９０。以模芯 ２翻起已推制完好的工件３，’液压机的脱料机 构从翻芯机构上退下已套在模芯上的工件 ３，完成弯头推制的完整工作过程。这种模 具设计成模芯２从管坯内部支承管壁，对防 止管坯截面畸变有一定的效果。 ５三种钢制弯头成形方法的比较 专用液压机冷推制、中频加热推制、 液压机冲压压型法生产弯头的生产工艺比 较见表１。 （１）用弯头专用液压机冷推制生产碳 钢、不锈钢弯头的流程为：多件管坯锯切 下料（下料管坯形状为梯形）、冷推制批 量生产、车切加工弯头坡口。这种推制生 产方法工序过程简单，生产效率高，成本 低，产品精度高，打磨工作量小，工人劳 动强度不大，开料损耗少，弯头的加工余 广船科技２０１１年第２期（总第１１２期） 量也小，产品质量好，但开料形状复杂。 表１ 生产弯头的生产工艺对比表 １专用液压机 中频加热 液压机冲压 名称 冷推制生产 推制生产 压型生产弯 弯头 弯头 头 开料形状 锯切端口成 锯切垂直 锯切端口成 梯形端口 端口 梯形端口 开料 单件开料 约０．３８工时 约０．２５工 约０．３８工时 时间 时 开料损耗 大 小 大 开料成本 高 低 高 加热 加热方法 不加热 中频加热 加热炉加热 加热时间 零 短 长 生产效率 高 巾 低 单件生产 约０．５工时 约３．０工时 约７．３工时 总工时 生产 劳动强度 小 由 大 方式 单件推制 约０．１５工时 约０．２Ｏ工 约０．２５工时 生产时间 时 单件生产 约：２０．ｏ０元 约：３６．０ｏ 约：７５．ｏｏ元 成本 兀 表面形状 光顺、好 光顺、好 不光顺、差 壁厚尺寸 均匀 均匀 不均匀 产品 比较 质量 端口余量 小 由 大 尺寸精度 精度高 精度高 精度低 比较 （２）中频加热推制生产碳钢弯头的流程 为：管坯锯切下料、多件安装、中频加热 连续推制生产、推制半成品油压机整型、 车切加工弯头坡口。这种方法生产效率 高，打磨工作量也不大，工人劳动强度一 般，开料损耗少，弯头的加工余量也小， 生产成本也较低，产品质量一般，开料形 状简单，但要加热和校正。 （３）采用液压机压型生产弯头的流程 为：多件管坯锯切下料（下料管坯形状为 梯形）、入油料炉加热、两次油压机压 型、整形、两次火工校圆、人工打磨、车 切加工端口。这种弯头生产工艺方法繁 杂，生产效率不高，打磨工作量大，开料 损耗大，生产成本也高。 ３１ ６弯头专用液压机冷推制异径弯头 （（ｔ）８８．９／７３×７．５）的成形工艺 异径弯头是曲面过渡连接两端半径不 同的管道弯头，其中心线是标准圆弧，弯 头大端面Ｄ１中心线至小端面Ｄ２的距离Ａ相 等，大小两端近似圆弧。异径弯头的零件 图见图３。 ，／ ／ 口 ／ Ｄ ２ 图３异径弯头示意图 （１）缩口次数的确定 异径弯头的冷推制成形过程中，毛坯 从一段直钢管成型为一条异径弯管，既有 弯曲又有缩口，变形比较复杂，工艺影响 因素除管坯的机械性能、变形伸长率、相 对弯曲半径Ｒ／Ｄ和相对壁厚ｔ／ＤＰＩ＂，还有缩口 系数（缩口系数Ｋ是指缩口后与缩口前管子 外径的比值，Ｋ＝Ｄ２／Ｄ１ Ｄ２一缩口后管子 外径；Ｄ１一缩口前管子外径）。异径弯头 的缩口次数的多少由缩口系数来决定，为 保证相对缩口质量，单次缩口的缩口系数 越大越好，管坯不起皱失稳的最小缩口系 数与管坯的厚度成反比，厚度愈小，最小 缩口系数要相应增大，小于最小缩口系数 的缩口要采用二次或多次缩口，通常单次 缩口的缩口系数为０．８时比较适当。 ８８．９／７３ Ｘ ７．５异径弯头的缩口系数Ｋ为 ０．８２，采用一次缩口成形的方式。 （２）异径弯头（ ８８．９／７３ Ｘ ７．５）的推制 坯料的准备 异径弯头沿弯曲空道缩径弯曲变形而 成，不可避免的产生一些断面形状的畸 变，坯料的强度越高，硬度越大，需要的 ３２ 变形力将越大，采取管坯完全退火措施， 提高塑性，减小变形缺陷的产生。２０ 钢 ８８．９／７３×７．５异径弯头推制坯料的下料采用 锯床开料方式，坯料的单件开料和两件开 料工艺尺寸形状图见图４。 Ｌ 呈曼曼 Ｊ 单件料 ２件料 图４坯料开料形状 （３）模具的表面粗糙度、热处理硬度、 推制润滑、推制速度的选择 弯头管坯和模具型腔表面，即便是经 过精细加工，从微观看，也是由无数参差 不平的凸牙与凹坑所构成。负荷增加时， 这种凸牙和凹坑之间的摩擦将加剧，使变 形力增加。因此，模具型腔要有较高的表 面光洁度和热处理硬度，并添加润滑剂减 少推制管坯与模具之间的摩擦力。 ８８．９／７３ Ｘ ７．５碳钢和 ８８．９／７３×４不锈钢异 径弯头推制时，推制模具型腔的加工采取 数铣加工并抛光的方式，使模具的热处理 硬度大于ＨＲＣ６０、表面粗糙度达到精加工 光洁度；碳钢管坯的冷推制润滑剂采用石 墨粉；不锈钢管坯的冷推制润滑选用润滑 脂。异径弯头的推制速度对工件成形质量 有较大的影响，２０ 钢 ８８．９／７３ Ｘ ７．５推制 时，液压机设计选择的空载推制速度为： １９ ｍｍ／ｓ，实际推制的平均速度低于５ ｍｍ／ｓ 向延平宗伟奇张具武：弯头管件的冷推制成形工艺 （４）异径弯头推制和模具装配工艺 的完整工作过程，推出的工件端口缺陷在 图５为异径弯头模具装配示意。 弯头的预留切除余量范围内。 推制制造的２０ 碳钢 ８８．９／７３×７．５和 ８８．９／７３×４不锈钢异径弯头的产品形状图 见图６。 ７结论 中小型碳钢、不锈钢弯头的制造采用 弯头成形专用液压机进行有芯冷推制生产 比较适宜，成形的弯头管壁壁厚均匀、质 量好、生产效率也较高；异径弯头管件也 可采用弯头成形液压机进行无芯制作。 （项目来源：广州市工业科技攻关计 划项目（２００７Ｚ２一Ｄ９０１ １））。 卜下模 ２一工件 ３一推制杆 ４～上模 ５一导柱 图５异径弯头模具装配示意图 下模１安装在弯头液压机的固定工作台 参考资料 ［１］小曲率半径紫铜管弯头挤弯工艺及模具张世俊刘大 上，上模４用压块固定在锁模油缸活塞杆工 军黄毅宏新技术新工艺１９９７年第６期 作滑块上，推制杆３固定在推制油缸活塞杆 ［２］管材弯曲变形探讨陈国新雷先明汽车工艺与材料 工作滑块上，上、下模用导柱５导向。推制 ２００５第８期 ［３】管端缩口工艺研究樊险峰等锅炉制造１９９５第 时，锁模缸以最大的锁模力上、下压紧上 ３期 模４、下模１，推制缸以推制杆３水平推制弯 头，用推制杆的凸肩定位，推制到位后， 锁模缸滑块回程打开模具，完成弯头推制 （收稿日期：２０１０－５—１０） 图６推制成形的异径弯头形状 广船科技２０１１年第２期（总第１１２期） ３３
