用数控弯管机冷弯钛管

时间：2024-07-28

冯泉

(南京碧盾环保科技有限公司)

用数控弯管机冷弯钛管

冯泉*

(南京碧盾环保科技有限公司)

简述了数控弯管机冷加工钛弯管的流程和关键点，通过实际加工证明用数控弯管机加工钛管是可行的。

钛加热器数控弯管机弯管加工

因钛金属比重轻、强度高和对碱、氯化物、氯的有机物、硝酸及硫酸等介质具有优良的抗腐蚀能力，在化工设备中应用广泛。采用钛电极从含硫化物的硫酸溶液中电解沉积和精炼金属，如铜、金、镍、锰及二氧化锰等。钛金属抗腐蚀性优异且其氧化膜可充当良好的分离剂，这是它在电解行业中得到应用的主要原因[1]。在电解法生产二氧化锰的过程中，由于电解液具有强腐蚀性，可利用钛耐腐蚀性制作加热器。笔者介绍了钛加热器的结构、热煨法加工钛弯管的缺点和利用数控弯管机加工钛弯管的工作原理、加工流程。

1 钛加热器

钛加热器主要由φ60mm×3mm的钛无缝管制作而成(图1)，设计压力为0.4MPa，设计温度为200℃。加热器放在盛满电解液的电解槽中，工作时向钛管内通入高温蒸汽对电解液进行加热。

图1 钛加热器结构简图

钛加热器的主要加工流程是：下料→弯管→组对→焊接→无损检测→压力试验→酸洗→入库。

2 钛弯管的加工方法

2.1热煨弯管

工业纯钛具有极高的冷加工硬化效应[2]，在冷变形过程中没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接近，并有产生裂纹的倾向。在钛弯管加工过程中，弯管尺寸由管径、弯曲半径和弯曲角度决定，当弯曲半径与管径的比值较小时，钛管容易产生拉裂及拉断等缺陷；但钛管在加热时，其硬度下降，塑形提高，因此采用热煨法加工钛弯管。

用热煨法加工钛弯管的流程是：在钛管内灌满细沙并捣实，然后把钛管装在简易弯管模上，用氧枪加热待弯曲的部位，弯制钛管；把弯好的钛管按每件90件切割，再和直管组对焊接。用热煨法加工的钛弯存在的缺点主要有：管椭圆度大(不小于4mm)、厚度减薄(最大减薄部位出现在外弧，减薄量超过1mm)；内壁受压容易起皱；尺寸和形状的一致性差，导致后序组对时要进行手工校正；加工效率低，弯制钛管时完全靠操作人员的经验和技术熟练程度；同时，由于加工过程中钛管被加热，若温度控制不好，易造成材料氧化，从而降低设备的耐腐蚀性能。

2.2数控弯管

近年来，随着数控技术的普及和高速发展，数控弯管机在弯管加工设备中逐渐崭露头角。数控弯管是先向机床内置计算机并输入管子的成型数据，然后放置管坯，由机床自动控制弯曲成型[3]。数控弯管机采用CNC控制器，弯制管件时的送料空间旋转及弯曲等动作全部由AC伺服工作元件执行。数控弯管机具有重复定位精度高、迅速快捷及加/减速平稳等特点，主要用来生产空间多弯、外形尺寸要求较高和相对弯曲半径大的空心管件，尤其是汽车的排气管及发动机的油管等。图2为数控弯管机工作原理示意图，数控弯管机主要由弯曲旋转轴装置、Y/B轴组合机构、调整装置和芯棒进给装置4部分组成，可实现运送、翻转和弯曲的空间控制，加工具有复杂空间形状的空心管。

图2 数控弯管机工作原理示意图

3 数控加工弯管

由于钛材冷加工性能差，在国内外文献中没有关于用数控弯管机加工钛管的研究。在最近的一批钛加热器制作中，为提高产品质量，同时也是对数控弯管机加工钛弯管做一种尝试，与专业的弯管加工厂家合作，采用数控弯管机冷加工钛弯管。

这批钛加热器共32套，规格为φ60mm×3mm，弯曲半径R为160mm，每套中弯曲角度为90°的有19个，弯曲角度为180°的有两个。

钛管选用工业纯钛，牌号为TA2，根据GB/T 3624-2010标准，管材外径允许偏差为±0.65mm，壁厚允许偏差不超过其名义壁厚的±12.5%，管材内、外表面应洁净，无裂纹、折叠、起皮及针孔等目视可见的缺陷[4]。

加工设备是型号为DN100mm×4000mm的数控弯管机。配套模具由弯管模、防皱模、夹紧模和芯模组成，模具的具体尺寸根据设备型号、管材规格和弯曲半径确定。为减少表面划伤，模具表面应光滑，表面粗糙度Ra≤1.6。

由于一套加热器的钛管展开长度约为35m，不可能一次加工成型，因此必须对加热管进行拆分。拆分原则为：

a. 根据设备的加工能力，DN100mm×4000mm弯管机的最大弯管长度为4m，因此拆分后的单支管长不能超过4m；

b. 拆分后的钛管规格种类应尽量少，以利于批量加工。

本例中一套加热器分成14段，按英文字母A，B，C，…，N顺序排列(图3)，其中A与N、D与K、E与J、F与I、G与H管段完全相同，这样，一套钛管只有9种规格，长度为1 350～3 840 mm不等，拆分后的管段典型结构如图4所示。

图3 加热器拆分示意图

a. B管段

b. D、K管段

c. G、H管段

通过试模可以检验模具的制作精度，调整模具的配合尺寸，了解材料的弯曲加工特性,并确定加工工艺参数，因此在批量生产前试模工作非常重要。弯管角度有90°和180°两种，如果180°能弯制成功，90°自然不会有问题，因此，在试模时笔者用6根长600mm管试弯180°弯头。前两支弯制时都开裂了，经分析，认为开裂的原因是钛材冷作硬化倾向大，冷弯加工难度比普通钢或不锈钢加工难度大，不可能一次弯曲成型。弯180°弯头时，由于弯曲半径R≤3D(R=160mm，D=60mm)，因此必须采用低速分段的加工方法控制弯制速度，弯制过程中增加适当的停顿，减缓冷硬现象。

在及时调整了工艺参数后，后面4根钛管试制时都没有开裂。通过试模，笔者认为用数控弯管机冷弯钛管是可行的，但由于钛材冷加工性能差，弯管加工工艺参数与普通钢管的加工工艺参数不同。由于钛管冷弯回弹系数大，且不易控制，只有通过多次试模才能确定合适的回弹系数。

在试模成功并初步掌握加工参数的基础上，笔者先试制一套盘管以进一步验证加工参数，为大批量加工做准备。在弯90°弯管时分4次弯制，每次间隔3～5s，总弯曲角为93.5°；弯180°弯管时分12次弯制，每次间隔3～5s，总弯曲角为184.6°。一套共21个弯(19个90°，两个180°)，一次试制成功。经检验，弯曲部分的平均椭圆度不小于0.5 mm，厚度减薄量不大于0.3mm，角度误差为±1°，完全满足后序组对焊接的要求，可以进行批量加工。

由于钛管的材料成本较高，为提高成品率，笔者在加工180°弯管时采用将芯棒提前抽出的方法，这样虽然局部椭圆度略有增加(不超过0.75mm)，但却有效避免了弯裂现象。加工448根钛弯管，只弯裂了1根，成品率为99.8%。