型钢和钢管的弯曲加工技术详解

1.型钢机械弯曲

型钢弯曲方法有冷弯和热弯两种。对弯曲半径较小、形状复杂、批量少的弯曲件，通常采用加热后手工弯曲，小型铜可在冷态下手工弯曲。对批量生产，弯曲质量要求较高的弯曲件一般采用机械冷弯。机械冷弯一般在型钢弯曲机、卷板机、撑直机、弯管机上进行，也可用压力机压弯，拉弯机或拉弯模拉弯。

（1）型钢滚弯 型钢滚弯可在专用的型钢弯曲机上进行，弯曲机的工作原理与卷板机相似，工作部分有三个或四个滚轮，如图4-53所示。

三辊型钢弯曲机的工作部分。三个辊轴均直立安置，两个辊轴由电动机带动，为主动辊。另一个为从动辊，可用手轮调节其位置，以达到所需的弯曲半径。型钢的水平边在弯曲时始终被滚轮所卡住，以防止弯曲时起皱。只要改换滚轮的形状，就可以弯曲各种形状的型钢。如图4-53所示为正在向内滚弯角钢。型钢也可在卷板机上滚弯，如图4-54所示。在卷板机辊轴上套上辅助套筒，套筒上开有一定形状的槽，便于将需要弯曲的型钢边嵌在槽内，以防弯曲时产生皱折。当型钢内弯时，套筒装在上辊轴上，如图4-54a所示；外弯时，套筒装在两个侧辊上，如图4-54b所示。弯曲的方法与钢板滚弯相同。

图4-53 型钢弯曲机滚弯角钢

图4-54 卷板机上滚弯型钢

a）角钢内滚弯 b）槽钢外滚弯

（2）型钢压弯 型钢可在压力机或撑直机上压弯。在撑直机上压弯时，以逐段进给的方式进行弯曲，由于两支座间有一定的跨距，使型钢的端头不能支撑而弯曲，为此可加放一垫板，随同垫板一起压弯，如图4-55a所示。如果型钢的尺寸高出顶头时，也可以安放垫板进行压弯，如图4-55b所示。

在压力机上用模具压弯时，为防止型钢截面的变形，模具上应有与型钢截面相适应的型槽。图4-56所示为压力机上用模具压弯槽钢，将槽钢置于下模上，压下上模，便能弯曲成所需的形状。

图4-55 撑直机压弯型钢

图4-56 用模具压弯型钢

型钢弯曲成形除上述几种方法外，还可在弯管机上装上专用工装进行回弯。将型钢的一端固定在弯模上，弯模旋转时型钢沿模具发生弯曲，这种方法称为回弯。图4-57所示为在弯管机上弯曲型钢。

（3）弯曲件质量分析 型钢弯曲常见的缺陷有弯裂、皱折、扭曲、曲率不均和角度变形等。其造成原因有：弯曲半径选择不当；滚弯时托辊高低调整不当；滚轮槽的尺寸太大；辊轴调节量不均匀等因素。

2.钢管弯曲

（1）钢管弯曲的过程 如图4-58所示，钢管在外力矩M的作用下，被弯曲的弯头外侧因受切向拉应力F₁的作用逐渐伸长，使管壁减薄；弯头内侧因受切向压应力F₂的作用逐渐压缩，使管壁增厚。离中心层oo越远，这种现象越严重；只有在中心层oo，由于金属材料受的拉应力和压应力互相抵消，使钢管保持原来的长度。因此，在计算钢管展开长度时应以弯头理论中心层作为依据。

图4-57 弯管机上弯曲型钢

在弯曲时，钢管截面上由于受到拉应力的合力N₁和压应力的合力N₂，钢管受到径向压缩，在弯曲半径方向直径减小，而其垂直方向的直径增大，使钢管的截面变成椭圆形，如图4-59所示。其圆度的大小与钢管的直径、壁厚、弯曲半径和材料性能有关。

图4-58 钢管弯曲时的受力情况

图4-59 截面椭圆形

图4-60 内侧起皱

此外，当弯曲半径与钢管直径之比和钢管壁厚与大径之比越小，钢管内侧的压应力越大，管壁会失去稳定而起皱，如图4-60所示。钢管截面的椭圆变形和弯头处壁厚的减薄，使钢管降低了承受压力的能力。因此，在钢管弯曲过程中，要采取各种工艺措施，保证钢管弯曲的质量。

（2）弯管工艺 弯管的方法很多，常用机械弯管方法见表4-3。下面主要介绍机械冷弯的两种工艺。

表4-3 常用弯管方法

注：1.，Rx为相对弯曲半径；R为管中性层弯曲半径；D_w为管大径。2.，δx为相对厚度；δ为管壁厚。

1）有心弯管。在钢管内的弯曲变形处插入一定直径的心轴（心棒），弯曲时阻止了径向力对弯头外侧向中心层靠拢，并在一定程度上防止弯头内侧起皱。因此，采用有心弯管能弯曲半径只有两倍管子大径的弯头。

图4-61为有心弯管示意图。钢管4内部涂上润滑油，然后套在位置已调妥的心轴5上，弯管模1上的夹头2将钢管夹紧，滑槽3压紧钢管，开动弯管机，钢管按弯管模弯曲成所需的弯曲半径。

心轴的位置正确与否，对弯管质量有很大的影响，应使心轴位置处于钢管发生弯曲变形的部位。如果伸出量过大，虽能改善钢管弯曲后截面的圆度，但心轴和管壁的摩擦力增大，使弯头外侧过分拉长而产生不允许的减薄，甚至使弯头处直径胀大或发生拉裂现象；若伸出量过小，接触不到钢管弯曲部位，起不到心轴的作用，钢管弯头处截面容易变成椭圆形，并使弯头内侧皱折。因此，控制心轴的伸出量非常重要。

心轴的伸出量e，如图4-62所示，e值可用下式确定

图4-61 有心弯管示意图

1—弯管模 2—夹头 3—滑槽 4—钢管

5—心轴 6—心杆 7—调节螺母

图4-62 心轴位置

式中 R——钢管的中心层弯曲半径（mm）；

D_n——钢管的小径（mm）；

z——钢管小径与心轴之间的间隙（mm），z=D_n-d；

d——心轴直径（mm）。

在实际操作时，为简便地确定心轴的位置，可按图4-63调整。将待弯的钢管切一个短圆环，圆环沿弯管模的半圆槽滑动，模拟出弯头的轨迹，同时调整心轴，使圆环内壁刚好能通过心轴的端部，此时心轴就在正确的伸出量位置上。

图4-63 用圆环调整心轴位置

1—弯管模 2—圆环

3—心轴 4—钢管

影响心轴伸出量e的因素很多，它不但与钢管直径、壁厚和弯曲半径有关，而且还与钢管的材料和弯曲速度有关。因此，不论采用哪种方法来确定伸出量e都需要经过多次试弯修正。

心轴的伸出量是通过心杆上的螺纹进行调整。

同一规格而实际小径略有不同的钢管（由于钢管直径和壁厚公差造成），必须准备2～3个直径相差不太大的心轴，分别来弯曲钢管小径略有不同的弯头。

有心弯管虽然减小钢管弯后的截面变形，但也存在一些缺点。由于采用心轴，使操作复杂，劳动强度增大，心轴与钢管内壁的摩擦，会使内壁拉毛，弯头外侧壁厚减薄量增加，弯管功率较大；对小口径钢管的弯曲，采用有心弯管还存在着许多困难。

2）无心弯管。无心弯管有一般无心弯管和反变形法无心弯管两种。

①一般无心弯管。图4-64所示为回弯拉拔法弯管示意图。钢管4上划出弯曲位置线（即夹头位置线），弯管模1上的夹头2将钢管夹紧，滑糟（拖板）3压紧钢管。开动弯管机，钢管按弯管模弯成所需的弯曲半径。

钢管的弯曲变形引起的弯头截面变成椭圆形，当钢管在弯管机的弯管模上弯曲时，钢管变形情况与前述有所不同。图4-65所示为钢管在弯管模上弯曲时的截面变形图，由于有一半钢管是紧贴在弯管模上的半圆槽内，因此它基本保持原来的形状。在径向力的作用下，仅使弯头外侧截面的形状改变，因此减小了截面的变形。

图4-64 回弯拉拔法弯管示意图

1—弯管模 2—夹头 3—滑槽 4—钢管

图4-65 截面变形图

采用一般无心弯管，最小弯曲半径可达3.5～4倍的钢管大径，如果弯曲半径过小会造成弯头截面圆度值超差。如对圆度值有一定要求，必须采用反变形法无心弯管。

②反变形法无心弯管。反变形法无心弯管与一般无心弯管所不同的是压紧滚轮（或滑槽）具有反变形槽，如图4-66所示。

在钢管弯曲变形前，压紧滚轮先对钢管施加压力，使钢管的外侧产生向外凸出的变形，在弯曲过程中，凸出的变形可抵消弯后的椭圆变形。从理论上讲，只要反变形槽的尺寸适当，就可以保证弯头部分的圆度不变。但反变形量的大小与钢管材料、相对弯曲半径R_x和相对壁厚δ_x等有关。因此，实际上要保证弯头部分圆度不变是不可能的。

图4-66 反变形法无心弯管示意图

a）圆管变形 b）圆管不变形

1—滚轮或滑槽 2—弯管模

图4-67 反变形槽

要得到满意的弯头，反变形滚轮或滑槽的尺寸应合适，其尺寸按图4-67和表4-4选取。

表4-4 反变形滚轮或滑槽的槽形尺寸

注：1.D_w为管大径。

2.R_x为相对弯曲半径。

对新制的反变形滚轮或滑槽必须经过验证合格后方可用于生产。

反变形滚轮位置如图4-68所示。滚轮中心与弯管模中心的e值为0～20mm，其值通过试弯确定，其目的是使钢管在末弯曲变形之前预先得到充分的反变形。若滚轮位置太靠前将失去反变形的作用，太靠后影响弯头的表面质量。

由于采用反变形滚轮，当弯管停止后，终端处的反变形管段无法恢复到原来的形状，影响外观质量。若增大滚轮直径，可使外观质量得到改善，但实际上因夹头长度的限制，滚轮直径不能任意增大，若改用反变形滑糟则能增加夹头长度，但反变形滑槽要使钢管产生反变形需要很大的压紧力，若反变形量不充分会影响弯头截面的圆度。

一般来说，只有当弯曲半径R大于1.5倍钢管大径D_w时，采用反变形法无心弯管，才能保证弯管质量。如果与心轴同时使用，可得到更好的效果。

反变形法无心弯管与有心弯管相比，具有下列优点：

①没有心轴，弯管时管内不必涂油，简化了工序，提高了生产效率。(www.xing528.com)

②管壁减薄量小，内壁不会机械划伤，因此弯管质量较高。

③为弯管的机械化和自动化创造了有利的条件。

④不需特殊设备，在通用弯管机上均可采用。

因此，反变形法无心弯管被广泛地用来弯制ϕ32～ϕ108mm的各种钢管。

（3）弯管模及心轴

1）弯管模。弯管模有整体式和分瓣式两种，如图4-69所示。整体式弯管模用来弯曲180°弯曲角的钢管；分瓣式弯管模用来弯曲大于180°弯曲角的钢管。

图4-68 反变形法无心弯管滚轮位置

1—反变形滚轮 2—夹头 3—弯管模

4—钢管 5—导向滚轮

图4-69 弯管模

a）整体式 b）分瓣式

由于冷弯后钢管的弹性变形，使弯头的弯曲半径R比弯管模半径R′要大。当R_x≤10时，R′可按下列经验公式计算：

①合金钢管R′=0.94R。

②碳素钢管R′=（0.96～0.98）R。

R大时取小值；R_x≤1.5时 R′=R；

③弯管模半圆槽

④半圆槽侧面半径r=（1～3）mm，D_x小时取小值。

⑤弯管模弯曲段一般取180°+30°；直段长度取L=（1.2～2）D_w。

2）心轴。心轴有圆头式、尖头式、关节式等多种形式，心轴形式及使用特点见表4-5。

（4）弯管质量分析 常见弯管缺陷的产生原因和排除方法见表4-6。

（5）钢管冷弯工艺参数 钢管冷弯工艺参数包括弯头外侧最小壁厚和减薄率、最小相对弯曲半径、弯头伸长量、旋转力矩、夹紧力、压料力和回弹前弯曲角等。这些参数直接影响到钢管弯曲后的质量，严格控制这些参数，具有极其重要的意义。

表4-5 心轴形式及使用特点

表4-6 常见弯管缺陷

（续）

1）弯头的最小壁厚和减薄率。钢管弯曲时使弯头外侧纤维伸长而壁厚减薄。过分的减薄是设计所不允许的。钢管弯曲后的允许减薄率见表4-7。

弯头外侧壁厚随着弯曲半径的减小而减薄，它与允许的圆度、材料性能等指标有关。在生产中可用模拟弯头进行解剖，当实测弯头外侧最小壁厚大于等于技术条件允许的最小壁厚时，则为合格。

表4-7 钢管弯头处允许减薄率

注：b=δ^-_δδ′×100%，δ为管壁厚；δ′为管弯头处最小壁厚；D_w为管大径。

2）最小相对弯曲半径。弯曲半径的大小直接影响到钢管弯后截面的圆度值和壁厚减薄量。当弯曲半径小到某一极限值时，弯管过程被破坏——弯头外侧破裂或失稳起皱。因此，设计的钢管弯曲半径不能小于最小相对弯曲半径。

最小相对弯曲半径R_xmin可按下列两个条件进行计算：

按壁厚允许减薄率

按内侧不起皱条件

1≤R_xmin≤6.5（1-9δ_x）式中 K_s=0.5（1-δ_x）-α_y；

R_x——相对弯曲半径；

δ_x——相对管壁厚；

α_y——技术条件允许的圆度值（%）。

以上计算式仅适用于无心弯管，按内侧不起皱条件的计算式适用于0.02≤δ_x<0.095。当δ_x<0.02时无法采用无心弯管；当δ_x>0.095时，因壁厚较厚，一般不考虑起皱因素。

3）弯头伸长量。钢管弯曲后的伸长是由于钢管的中性层向曲率中心方向偏移所致。要计算伸长量首先必须计算钢管弯曲后的中性层偏移量e。e值大小应根据静力学的条件，将所有作用在钢管截面上各力之和等于零的方程式中求得。由于推导复杂，可按下式近似计算：

式中钢管的平均半径（mm）。则弯头的伸长量ΔL为：

式中 α——弯曲角度。

弯头伸长量不仅与钢管直径、弯曲半径、弯曲角度有关，而且与钢管材料的力学性能、弯管时压紧力等有关，因此在实际生产中往往先试弯几根钢管，测其伸长量，取其平均值。

也可按表4-8所列的单位弯曲角度伸长量ΔL作为下料时的参考。

表4-8 单位弯曲角度伸长量

钢管下料时减去弯头伸长量，不但可以节省材料，而且可以省去管子弯后划余量线和切割工作，因此确定正确的弯头伸长量，对提高生产效率，降低成本具有重大的意义。

4）旋转力矩。计算旋转力矩是为了校核或选用弯管机。计算的旋转力矩必须小于弯管机最大主轴输出功率，确保弯管机的安全使用。

①冷弯旋转力矩M_T（N·m）：

M_T=M_w+M_ym+M_xm

②弯管力矩M_w（N·m）：

式中 K₀——相对强化系数，请查阅有关资料；

K₁——钢管截面形状系数，请查阅有关资料；

W——钢管抗弯截面系数，请查阅有关资料。

③压料摩擦力矩M_ym：

用滚轮弯时M_ym=（0.05～0.08）M_w

用移动式滑槽时M_ym=（0.1～0.15）M_w

用固定式滑槽时M_ym=（0.4～0.55）M_w

④心轴摩擦力矩无心弯管，M_xm=0；有心弯管，δ_x=0.03～0.06，R_x=2～4时，M_xm=1.5M_w。

图4-70 夹紧力和压料力

5）夹紧力和压料力。夹紧力F₁（N）和压料力F₂（N），如图4-70所示，分别按下列公式计算

式中 l₁=（1.5～2）D_w（mm）；

l₂=2D_w（mm）。

6）回弹前弯曲角。钢管的弯曲过程是塑性变形并伴随有弹性变形的过程。当外力矩去掉后，被弯曲的钢管将产生一定的弹力，使弯曲半径增大，弯曲角度变小。正确掌握回弹量，使弯曲后的钢管可不经矫正，一次达到图样要求。因此，在设计弯管模时，要确定合理的弯管模半径；在操作时，使其角度弯得大些，抵消弯曲后的回弹。回弹前弯曲角α′可用下式计算：

式中；

α′——回弹前弯曲角（°）；

α——回弹后弯曲角（°）；

E——弹性模量（MPa）；σ_s——屈服极限（MPa）。

当R_x=2.5～6时，可按下列经验公式确定α′：α′=1.05α+Δα′1

D_w≤ϕ76mm，Δα₁=2.5°～3°，材料塑性好取小值。

D_w=ϕ83～ϕ108mm，Δα₁′=4°～5°，材料塑性好取小值。影响回弹的因素有弯曲半径、材料力学性能、钢管壁厚偏差等。因此，按上

述计算法初步确定回弹前弯曲角，而后通过试弯进行修正。