铜冷却水套冷却管弯管的胎具设计

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[摘 要]根据弯管冷加工的理论、实验研究和大量的实践，设计出了带有短直段U型小曲率半径的蒙乃尔合金管的胎具，以用于实际生产，经过实际测量以及计算，验证煨制带有短直段U型小曲率半径的弯管达到了国家机械生产标准，为以后类似产品的生产提出了一种新的解决方法。

[关键词]U形管；蒙乃尔管；曲率半径；减薄率；椭圆度

中图分类号：TF089 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0156-02

前言

冷却套作为钢铁生产中的冷却壁，具有很好的冷却作用。而蒙乃尔合金作为一种优良的合金材料被广泛的应用于实际生产中，特别是在冷却装置中更为突出。管弯曲加工是弹塑性弯曲，弯曲回弹后必然会产生弯曲角变形、管件轴线变长和弯曲半径变大的现象。特别是在生产小曲率半径的弯管时更具有以上突出的特点。采用冷液压煨管机可以大幅度的提高生产效率，并且在一定程度上解决了以上问题[1]。

闪速炉沉淀池侧墙垂直水套装置中的冷却管材质为Monel400，管材规格为：外径D=φ36mm、管壁厚t=6mm、弯曲曲率R=60mm、管长L=3760mm；技术要求管材内径的通球直径至少满足（75～80）%D，并且要求在生产过程中应该有15mm短直段的U型形状。然而目前关于煨管机的应用多为具有固定角度或者一定角度的现象，关于短直段U型小曲率半径的相关研究并未涉及。目前现有的金属管材外形形状成型通常采用如下方式。

（1）采用弯管机成型，利用机械式或液压式弯管机进行冷煨成型，但是在实际生产中没有相关的生产胎具，因此具有一定局限性；

（2）采用塞弹簧外加人力扳动方式成型，利用弹簧撑满管材进行热煨成型。（3）采用塞砂子外加人力扳动方式成型，利用砂子装满管材进行热煨成型。

上述成型方法虽然能实现金属管材的煨弯成型，但存在如下问题：

（1）由于弯管机的形式固定，根据相关技术要求，煨管时的煨管回转半径应该为管径的3倍以上，在一定程度上限制煨管机的使用；

（2）采用管内塞弹簧方式成型时，由于需要用到大量的弹簧，大大增加了生产成本，同时不能制作短直段U型小曲率半径的弯管；

（3）采用管内装砂子方式成型时，比较费时，同时技术要求也较为严格。

针对这一情况，设计了能够煨制短直段U型小曲率半径的煨管胎具，希望在以后的生产中具有一定的指导作用。并且针对蒙乃尔合金管，利用以往的煨管参数在煨制铜冷却套中，计算出具有煨制冷却套特有的参数工艺，完成了产品的生产。

1、冷却管结构形式及技术要求

沈冶机械公司制造的某种型号铜冷却水套（如图1所示）的冷却管（以下简称管材）共3种结构形式（即件1、2、3），其材质为Monel400（合金管，以Ni、Cu为主要成份），管材外径为36mm，壁厚6mm，弯曲半径全部为R60mm。管材中的件3形状最为特殊（如图2所示）。本文仅以件3为例做重点介绍。件3外形弯曲点共两处；两弯曲点距离有15mm直段；两端有2×R1’锥形螺纹扣。技术要求管材不得有接头；管材弯制成型后不得出现严重压扁、缩径现象，且应进行通球实验，并保证通球率不小于内径的75%（即18mm）；管材弯制成型后还应进行水压实验。

根据JB/T 5000.11-2007中的弯管成型规定[1]，当管材外径≤42mm时，弯曲半径应≥2.5倍的管材外径。因此按此标准，管材外径为36mm时，弯曲半径应≥2.5X36=90mm，而管材弯曲半径为R60mm，超出了标准；再者件3的两弯曲点间的直段距离仅有15mm；可以看出关于管材弯制成型的技术要求较为严格，管材弯制成型的难度较大。

2、弯管设备

弯管设备采用单头液压数控弯管机（以下简称弯管机），型号为DW75NC-B。弯管机最大可以进行240°旋转（即最大弯曲角度为240°），旋转动力采用齿轮传动机构；推动力源采用液压装置，控制系统采用数字编码自动化控制装置。工作时需在其动力端配置安装配套工装，弯管机与工装安装调整后整体进行弯管工作。

3、弯管工装

管材弯制成型所用的与弯管机配套的工装包括弯管胎、导模、夹模、螺柱、定位装置。其中弯管胎是最重要的核心部分，用于管材形状的弯制成型，弯管胎应在充分考虑弯管机工作方式的基础上能够满足上述冷却管结构形式的管材弯制成型。导模（带槽形）主要起到管材弯制成型时的导向挡位作用。夹模（带槽形）主要用于夹持管材，属于管材弯制成型的推动端，在弯管机液压系统共同作用下可给管材施加推力。螺柱主要用于定位，带有螺纹扣，与弯管胎底部螺纹孔配合为一体，整体可随弯管机圆周旋转。定位装置用于将管材一端进行定位固定。

弯管胎的设计：根据弯管机的结构特性，弯管机最大弯曲角度为240°；再根据管材的结构形式，共有两处弯曲点，弯曲半径均为R60mm，两弯曲点中间有15mm直段，设计出可以进行180°一次弯制成型的弯管胎。弯管胎的外形分主要上下两层，上层结构与管材的外形结构相符（带槽形），用于管材形状的弯制；下层为平座，底部带定位键槽，用于与弯管机定位配合。

4、试验材料

蒙乃尔400主要应用于化学和石油化工以及海洋开发等领域。可用来制造各种换热设备、锅炉给水加热器、石油等领域。针对我公司设计生产的冷去套应用该种材质，因此本次实验针对我厂实际生产的蒙乃尔M400合金作为实验和生产材料，其具体成分如表1。

5、弯管实验及弯管过程

由于材质为Monel400的冷却管成本较高，且管材弯制成型时会产生一定拉伸和回弹，为达到图纸设计要求，需通过实验来确定弯管胎的相关尺寸。按照冷却管结构图的尺寸进行仿形设计出的弯管胎结构，将其尺寸d设计为15mm，尺寸L设计为135mm，在此称之为1#弯管胎，1#弯管胎加工制作好后，利用它进行弯管实验。

实验准备：准备好管材、导模、夹模、弯管胎、螺柱、定位装置及相关工具等。管材为铜冷却水套冷却管（展开长+加长量），材质为Monel400；由于管材成型后需打压，因此管材两端带螺纹扣。

实验过程：将导模、夹模、螺柱与弯管胎全部与弯管机机体装配并调整好。然后对管材划线定位，用划针划出管材展开长中心线和起弯点位置线。控制弯管机数控键盘，将弯管机导模和夹模后退；之后将管材放入导模、夹模的槽形中，将管材的起弯点位置线对准弯管胎A点；控制弯管机数控键盘，将弯管机导模和夹模向前推进，使其将管材夹持紧固；在推力旋转端将定位装置安装于管材上，调整好后锁紧端头螺母，以此防止管材弯曲成型过程中发生位移而导致管材撕裂.各项均准备好之后，设定弯管机的弯曲角度为θ=180°，然后控制弯管机数控键盘，使弯管机推力端施加推力开始弯曲成型，弯管过程中导模固定不动，夹模及弯管胎与螺杆的组合体在弯管机动力装置作用下均以螺柱的中轴为中心做匀速圆周运动，使得管材在夹模槽内匀速位移，逐渐随弯管胎的圆周运动和弯曲角度的变化发生塑性弯曲变形。直至弯管机运行完设定的弯曲角度，即管材弯制成型过程结束。

6、试验检测方法

根据已有的相关文献以及行业标准，利用测量结果计算U型管的实际减薄率、椭圆度参数。

6.1 弯曲管壁减薄率计算

弯管时，弯头里侧的金属被压缩，管壁变厚；弯头背面的金属被拉伸、管壁变薄。弯曲半径越小，弯头背面管壁减薄就越严重，对背部强度的影响就越大。为了使管子弯曲后不致对原有的工作性能有过大改变，一般规定管子冷弯曲后，管壁减薄率不得超过 15%。管壁减薄率可按下式进行计算具体计算过程如下：

C=（T-T1）/T×100% （1）

式中：C―壁厚减薄率，T―弯曲前管子壁厚，T1―弯曲后管子壁厚，经测量实际壁厚为5.8mm，采用上式计算：

C=（6.0-5.8）/6.0×100%=3.3%

6.2 圆周度的计算

弯管时，由于管子弯曲段内外侧管壁厚度的变化，还使得弯曲段截面由原来的圆形变成了椭圆形。弯管断面形状的改变，会使管子的过流断面面积减小，从而增加流体阻力，同时还会降低管子承受内压力的能力，因此，一般对弯管的椭圆率做以下规定：管径小于或等于150mm时，椭圆率不得大于10%；管径小于或等于200mm 时，椭圆率不得大于8%。管道的椭圆率可按下式进行计算：

T=（d1-d2）/D×100% （2）

式中 T――椭圆率（%）； d1――最大椭圆变形处的长径（mm）； d2――最大椭圆变形处的短径（mm）。根据现场测量数据，U形管椭圆后的长轴长为36.5mm，短轴长为33.6mm，利用上式计算：

T=（36.5-33.6）/36×100%=8.1%

7、结果

通过弯管机利用弯管胎进行了管材的弯制成型（过程同上），弯制成型后的冷却管检测结果符合相关技术要求：

（1）管材弯制成型后弯曲点外形良好，没有出现严重压扁、缩径现象。

（2）管材弯制成型后进行了通球实验，首先在煨制管前进行通球实验，采用Φ22mm的木球通球，可以顺利通过。煨制完成后采用Φ21mm木球进行试验，结果表明，可以顺利通过，保证了通球率合格。

（3）管材弯制成型后进行了水压实验，没有出现渗漏现象，水压实验结果合格。

（4）管材弯制成型后进行了结构外形的测量，各项尺寸均满足设计要求。

通过上述工艺方法进行的铜冷却水套冷却管的弯制成型可以满足图纸技术要求，为铜冷却水套制作的后续工序（如铸铜浇注）奠定了基础。同时，也积累了一定的金属管材弯制成型的宝贵经验，为以后同类产品的生产制作提供了技术保障。

参考文献

[1] 胡勇，王呈方.弯管工艺中回弹、伸长和成型半径的确定方法[J].锻压机械，1997（1）：35-37.