大直径薄壁管数控弯曲芯模.pdf

本发明公开了一种大直径薄壁管数控弯曲芯模。芯模包括芯模芯杆(1)、偏心芯头(2)、芯头间联接件(3)和弹簧(4)，其特征在于：芯模芯杆(1)和偏心芯头(2)、以及偏心芯头(2)间采用球窝式结构连接，同时弹簧(4)把芯头间联接件(3)卡在偏心芯头(2)上，偏心芯头(2)的球心在芯头体内的位置不在芯头的几何中心。采用上述芯模，可以适应管材在各种弯曲半径下的弯曲成形，对实现大直径薄壁管在小弯曲半径下的高质量稳定成形具有重要意义，在不增大管材扁化程度的条件下，可以减小管材起皱的可能性以及减薄程度，提高导管的弯曲质量。

1.  一种大直径薄壁管数控弯曲芯模，芯模包括芯模芯杆、偏心芯头、芯头间联接件和弹簧，其特征在于：芯模芯杆和偏心芯头、以及偏心芯头间采用球窝式结构连接，同时弹簧把芯头间联接件卡在偏心芯头上，偏心芯头的球心在芯头体内的位置不在芯头的几何中心。

2.  根据权利要求1所述的一种大直径薄壁管数控弯曲芯模，其特征在于：偏心芯头的球心在芯头体内的位置不在芯头的几何中心，偏心芯头的偏心程度为偏心芯头偏心距离与偏心芯头厚度的比值。

3.  根据权利要求1所述的一种大直径薄壁管数控弯曲芯模，其特征在于：根据偏心芯头转动的几何协调条件，决定偏心芯头转动角度范围的偏心芯头几何结构关键参数，包括偏心芯头厚度，偏心芯头外半径，偏心芯头内半径，偏心芯头偏心距离。

4.  根据权利要求1所述的一种大直径薄壁管数控弯曲芯模，其特征在于：其偏心芯头的设计方法包括如下步骤：
第一步，在给定管材的直径D，壁厚t以及弯曲半径R₀条件下，确定偏心芯头的个数n和厚度k。
nk=π180αR0]]>公式1
在公式1中，α为管材弯曲段需要球头支撑的范围，对于管直径与壁厚的比值大于50的铝合金大直径薄壁管，α的取值范围为40～45度。当α给定后，确定偏心芯头个数n，n的取值范围为3～5个。根据公式1，由偏心芯头个数n计算偏心芯头厚度k。对相同直径的管材，偏心芯头个数越多，厚度越小，偏心芯头强度越小。由于铝合金管材较软，故偏心芯头厚度取得较小，以减小弯曲过程中铝合金管的起皱和减薄程度。
第二步，确定偏心芯头的内半径d₀′和外半径d₀。
d0=(D-2t-Cball)2d0′=d0+C′]]>公式2
在公式2中，D为管材的直径，t为管材的壁厚，C′为偏心芯头外圆弧表面和内圆弧表面之间的间隙，其取值范围为3～5mm，C_ball为偏心芯头与管材内壁的间隙，取值范围为0.3～0.9mm，偏心芯头外半径d₀的圆心为该偏心芯头的球心，内半径d₀′的圆心为与该偏心芯头相连的前一个偏心芯头的球心。
第三步，由内外半径差|d₀-d₀′|，确定偏心芯头最大转角θ₂对应的参数x₂。
x₂为偏心芯头球心与由偏心芯头小端顶点做偏心芯头大端轮廓线的平行线和偏心芯头中心轴线相交的交点的距离，x₂的取值由|d₀-d₀′|确定。|d₀-d₀′|越大，x₂越小，θ₂越大；同时，球头的加工难度越大，成本越高。根据球头厚度，|d₀-d₀′|为3～5mm，则x₂的变化范围为3～1mm。随着内外半径差|d₀-d₀′|的增加，x₂将减小，见表1。
表1偏心芯头最大转角θ₂相应的x₂

大直径薄壁管数控弯曲芯模
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体是一种铝合金大直径薄壁管数控弯曲芯模及其偏心芯头设计方法。
背景技术
随着铝合金管直径的增加以及弯曲半径的减小，铝合金大直径薄壁管在数控弯曲中发生起皱的可能性将越来越大。目前，工业界常采用减小管材与模具间接触间隙的方法，减小管材起皱的可能性，但是，这又将增大管材的减薄和扁化程度。在铝合金大直径薄壁管数控弯曲成形过程中，芯模参数对管材的起皱、减薄和扁化均将产生重要的影响。传统的薄壁管数控弯曲的芯模芯头结构，普遍采用对称式结构，该结构的特点是球心位于芯头的中心，芯头间采用球窝式结构连接，芯头能随着管材的弯曲变形作一定角度的转动。该结构的缺点是，由于对称式结构的特点，芯头与芯头间在转动时发生干涉的范围较大，弯曲过程中芯头可转动的角度范围不大，管材在弯曲中无法实现与小弯曲半径的变形协调；同时，由于对称式芯头结构容易产生与管材外弧面的过度接触，从而增大管材的壁厚减薄程度。在申请号为200710018458.X的发明专利申请文件中公开了一种柔性弯管芯模的设计，该设计的芯模虽然可以增加芯模在弯管过程中的转动程度，但是，该发明仍然采用对称式结构芯头，因此对于铝合金大直径薄壁管的数控弯曲过程无法适用。因此，改进芯模的几何结构，并获得合理的芯模几何结构参数的设计方法，将成为提高铝合金大直径薄壁管数控弯曲过程成形质量的有效方法。
发明内容：
为克服现有技术中所采用的对称式结构芯头不适用于铝合金大直径薄壁管数控弯曲的不足，本发明提出了一种适合铝合金大直径薄壁管数控弯曲芯模。
芯模包括芯模芯杆、偏心芯头、芯头间联接件和弹簧，其特征在于：芯模芯杆和偏心芯头、以及偏心芯头间采用球窝式结构连接，同时弹簧把芯头间联接件卡在偏心芯头上，偏心芯头的球心在芯头体内的位置不在芯头的几何中心，偏心芯头的偏心程度为偏心芯头偏心距离与偏心芯头厚度的比值，即在相同偏心芯头厚度条件下，偏心芯头偏心距离越小，偏心芯头的偏心程度越大。
根据偏心芯头转动的几何协调条件，确定出决定偏心芯头转动角度范围的偏心芯头几何结构关键参数，包括偏心芯头厚度，偏心芯头外半径，偏心芯头内半径，偏心芯头偏心距离。其具体设计过程是：
第一步，在给定管材的直径D，壁厚t以及弯曲半径R₀条件下，确定偏心芯头的个数n和厚度k。
nk=π180αR0]]>公式1
在公式1中，α为管材弯曲段需要球头支撑的范围，对于管直径与壁厚的比值大于50的铝合金大直径薄壁管，α的取值范围为40～45度。当α给定后，确定偏心芯头个数n，n的取值范围为3～5个。根据公式1，由偏心芯头个数n计算偏心芯头厚度k。对相同直径的管材，偏心芯头个数越多，厚度越小，偏心芯头强度越小。由于铝合金管材较软，故偏心芯头厚度取得较小，以减小弯曲过程中铝合金管的起皱和减薄程度。
第二步，确定偏心芯头的内半径d₀′和外半径d₀。
d0=(D-2t-Cball)2d0′=d0+C′]]>公式2
在公式2中，D为管材的直径，t为管材的壁厚，C′为偏心芯头外圆弧表面和内圆弧表面之间的间隙，其取值范围为3～5mm，C_ball为偏心芯头与管材内壁的间隙，取值范围为0.3～0.9mm，偏心芯头外半径d₀的圆心为该偏心芯头的球心，内半径d₀′的圆心为与该偏心芯头相连的前一个偏心芯头的球心。
第三步，由内外半径差|d₀-d₀′|，确定偏心芯头最大转角θ₂对应的参数x₂。
x₂为偏心芯头球心与由偏心芯头小端顶点做偏心芯头大端轮廓线的平行线和偏心芯头中心轴线相交的交点的距离，x₂的取值由|d₀-d₀′|确定。|d₀-d₀′|越大，x₂越小，θ₂越大；同时，球头的加工难度越大，成本越高。根据球头厚度，|d₀-d₀′|为3～5mm，则x₂的变化范围为3～1mm。随着内外半径差|d₀-d₀′|的增加，x₂将减小，见表1。
表1偏心芯头最大转角θ₂相应的x₂