馮 泉

(南京碧盾環(huán)保科技有限公司)

用數(shù)控彎管機(jī)冷彎鈦管

馮 泉*

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簡述了數(shù)控彎管機(jī)冷加工鈦彎管的流程和關(guān)鍵點，通過實際加工證明用數(shù)控彎管機(jī)加工鈦管是可行的。

鈦加熱器 數(shù)控彎管機(jī) 彎管加工

因鈦金屬比重輕、強度高和對堿、氯化物、氯的有機(jī)物、硝酸及硫酸等介質(zhì)具有優(yōu)良的抗腐蝕能力，在化工設(shè)備中應(yīng)用廣泛。采用鈦電極從含硫化物的硫酸溶液中電解沉積和精煉金屬，如銅、金、鎳、錳及二氧化錳等。鈦金屬抗腐蝕性優(yōu)異且其氧化膜可充當(dāng)良好的分離劑，這是它在電解行業(yè)中得到應(yīng)用的主要原因[1]。在電解法生產(chǎn)二氧化錳的過程中，由于電解液具有強腐蝕性，可利用鈦耐腐蝕性制作加熱器。筆者介紹了鈦加熱器的結(jié)構(gòu)、熱煨法加工鈦彎管的缺點和利用數(shù)控彎管機(jī)加工鈦彎管的工作原理、加工流程。

1 鈦加熱器

鈦加熱器主要由φ60mm×3mm的鈦無縫管制作而成(圖1)，設(shè)計壓力為0.4MPa，設(shè)計溫度為200℃。加熱器放在盛滿電解液的電解槽中，工作時向鈦管內(nèi)通入高溫蒸汽對電解液進(jìn)行加熱。

圖1 鈦加熱器結(jié)構(gòu)簡圖

鈦加熱器的主要加工流程是：下料→彎管→組對→焊接→無損檢測→壓力試驗→酸洗→入庫。

2 鈦彎管的加工方法

2.1熱煨彎管

工業(yè)純鈦具有極高的冷加工硬化效應(yīng)[2]，在冷變形過程中沒有明顯的屈服點，其屈服強度與強度極限接近，并有產(chǎn)生裂紋的傾向。在鈦彎管加工過程中，彎管尺寸由管徑、彎曲半徑和彎曲角度決定，當(dāng)彎曲半徑與管徑的比值較小時，鈦管容易產(chǎn)生拉裂及拉斷等缺陷；但鈦管在加熱時，其硬度下降，塑形提高，因此采用熱煨法加工鈦彎管。

用熱煨法加工鈦彎管的流程是：在鈦管內(nèi)灌滿細(xì)沙并搗實，然后把鈦管裝在簡易彎管模上，用氧槍加熱待彎曲的部位，彎制鈦管；把彎好的鈦管按每件90件切割，再和直管組對焊接。用熱煨法加工的鈦彎存在的缺點主要有：管橢圓度大(不小于4mm)、厚度減薄(最大減薄部位出現(xiàn)在外弧，減薄量超過1mm)；內(nèi)壁受壓容易起皺；尺寸和形狀的一致性差，導(dǎo)致后序組對時要進(jìn)行手工校正；加工效率低，彎制鈦管時完全靠操作人員的經(jīng)驗和技術(shù)熟練程度；同時，由于加工過程中鈦管被加熱，若溫度控制不好，易造成材料氧化，從而降低設(shè)備的耐腐蝕性能。

2.2數(shù)控彎管

近年來，隨著數(shù)控技術(shù)的普及和高速發(fā)展，數(shù)控彎管機(jī)在彎管加工設(shè)備中逐漸嶄露頭角。數(shù)控彎管是先向機(jī)床內(nèi)置計算機(jī)并輸入管子的成型數(shù)據(jù)，然后放置管坯，由機(jī)床自動控制彎曲成型[3]。數(shù)控彎管機(jī)采用CNC控制器，彎制管件時的送料空間旋轉(zhuǎn)及彎曲等動作全部由AC伺服工作元件執(zhí)行。數(shù)控彎管機(jī)具有重復(fù)定位精度高、迅速快捷及加/減速平穩(wěn)等特點，主要用來生產(chǎn)空間多彎、外形尺寸要求較高和相對彎曲半徑大的空心管件，尤其是汽車的排氣管及發(fā)動機(jī)的油管等。圖2為數(shù)控彎管機(jī)工作原理示意圖，數(shù)控彎管機(jī)主要由彎曲旋轉(zhuǎn)軸裝置、Y/B軸組合機(jī)構(gòu)、調(diào)整裝置和芯棒進(jìn)給裝置4部分組成，可實現(xiàn)運送、翻轉(zhuǎn)和彎曲的空間控制，加工具有復(fù)雜空間形狀的空心管。

圖2 數(shù)控彎管機(jī)工作原理示意圖

3 數(shù)控加工彎管

由于鈦材冷加工性能差，在國內(nèi)外文獻(xiàn)中沒有關(guān)于用數(shù)控彎管機(jī)加工鈦管的研究。在最近的一批鈦加熱器制作中，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時也是對數(shù)控彎管機(jī)加工鈦彎管做一種嘗試，與專業(yè)的彎管加工廠家合作，采用數(shù)控彎管機(jī)冷加工鈦彎管。

這批鈦加熱器共32套，規(guī)格為φ60mm×3mm，彎曲半徑R為160mm，每套中彎曲角度為90°的有19個，彎曲角度為180°的有兩個。

鈦管選用工業(yè)純鈦，牌號為TA2，根據(jù)GB/T 3624-2010標(biāo)準(zhǔn)，管材外徑允許偏差為±0.65mm，壁厚允許偏差不超過其名義壁厚的±12.5%，管材內(nèi)、外表面應(yīng)潔凈，無裂紋、折疊、起皮及針孔等目視可見的缺陷[4]。

加工設(shè)備是型號為DN100mm×4000mm的數(shù)控彎管機(jī)。配套模具由彎管模、防皺模、夾緊模和芯模組成，模具的具體尺寸根據(jù)設(shè)備型號、管材規(guī)格和彎曲半徑確定。為減少表面劃傷，模具表面應(yīng)光滑，表面粗糙度Ra≤1.6。

由于一套加熱器的鈦管展開長度約為35m，不可能一次加工成型，因此必須對加熱管進(jìn)行拆分。拆分原則為：

a. 根據(jù)設(shè)備的加工能力，DN100mm×4000mm彎管機(jī)的最大彎管長度為4m，因此拆分后的單支管長不能超過4m；

b. 拆分后的鈦管規(guī)格種類應(yīng)盡量少，以利于批量加工。

本例中一套加熱器分成14段，按英文字母A，B，C，…，N順序排列(圖3)，其中A與N、D與K、E與J、F與I、G與H管段完全相同，這樣，一套鈦管只有9種規(guī)格，長度為1 350～3 840 mm不等，拆分后的管段典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 加熱器拆分示意圖

a. B管段

b. D、K管段

c. G、H管段

通過試模可以檢驗?zāi)＞叩闹谱骶?，調(diào)整模具的配合尺寸，了解材料的彎曲加工特性,并確定加工工藝參數(shù)，因此在批量生產(chǎn)前試模工作非常重要。彎管角度有90°和180°兩種，如果180°能彎制成功，90°自然不會有問題，因此，在試模時筆者用6根長600mm管試彎180°彎頭。前兩支彎制時都開裂了，經(jīng)分析，認(rèn)為開裂的原因是鈦材冷作硬化傾向大，冷彎加工難度比普通鋼或不銹鋼加工難度大，不可能一次彎曲成型。彎180°彎頭時，由于彎曲半徑R≤3D(R=160mm，D=60mm)，因此必須采用低速分段的加工方法控制彎制速度，彎制過程中增加適當(dāng)?shù)耐ｎD，減緩冷硬現(xiàn)象。

在及時調(diào)整了工藝參數(shù)后，后面4根鈦管試制時都沒有開裂。通過試模，筆者認(rèn)為用數(shù)控彎管機(jī)冷彎鈦管是可行的，但由于鈦材冷加工性能差，彎管加工工藝參數(shù)與普通鋼管的加工工藝參數(shù)不同。由于鈦管冷彎回彈系數(shù)大，且不易控制，只有通過多次試模才能確定合適的回彈系數(shù)。

在試模成功并初步掌握加工參數(shù)的基礎(chǔ)上，筆者先試制一套盤管以進(jìn)一步驗證加工參數(shù)，為大批量加工做準(zhǔn)備。在彎90°彎管時分4次彎制，每次間隔3～5s，總彎曲角為93.5°；彎180°彎管時分12次彎制，每次間隔3～5s，總彎曲角為184.6°。一套共21個彎(19個90°，兩個180°)，一次試制成功。經(jīng)檢驗，彎曲部分的平均橢圓度不小于0.5 mm，厚度減薄量不大于0.3mm，角度誤差為±1°，完全滿足后序組對焊接的要求，可以進(jìn)行批量加工。

由于鈦管的材料成本較高，為提高成品率，筆者在加工180°彎管時采用將芯棒提前抽出的方法，這樣雖然局部橢圓度略有增加(不超過0.75mm)，但卻有效避免了彎裂現(xiàn)象。加工448根鈦彎管，只彎裂了1根，成品率為99.8%。

4 結(jié)束語

用數(shù)控彎管機(jī)冷彎鈦管產(chǎn)品質(zhì)量高，加工效率高，能在一次加工中完成多個彎次的加工，減少了后序組對和焊接的工作量，適合大批量生產(chǎn)。制作的關(guān)鍵在于要根據(jù)材料的力學(xué)性能和設(shè)備的加工能力選擇合適的工藝參數(shù)(包括彎制速度、順序及回彈量的設(shè)置等)，這樣才能保證生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

[1] 萊因斯C，皮特爾斯M著，陳振華譯.鈦與鈦合金[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：346.

[2] 張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：22.

[3] 盧險峰，鄒華杰.數(shù)控彎管機(jī)的應(yīng)用與技術(shù)要點[J].機(jī)械工人，2005，(9)：80～81,90.

[4] GB/T 3624-2010，鈦及鈦合金無縫管[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

*馮 泉，男，1976年2月生，工程師。江蘇省南京市，210061。

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