铝合金圆管冷弯成形生产线设计

奚建胜

【摘 要】根据企业提供的产品和技术要求,规划了铝合金圆管冷弯成形生产线的总体布局,设计了决定焊接质量和稳定性的导向挤压装置;通过计算确定了成形机架的数量和带料宽度;应用参数化技术设计了辊花图和轧辊,显著降低其他规格产品轧辊设计的时间.所设计生产线结构合理,已用于实际生产.

【期刊名称】《轻合金加工技术》

【年(卷),期】2018(046)003

【总页数】4页(P37-40)

【关键词】铝合金圆管;冷弯成形;生产线设计;轧辊设计

【作 者】奚建胜

【作者单位】湖北汽车工业学院材料科学与工程学院,湖北十堰442002

【正文语种】中 文

【中图分类】TG333.93

铝合金因导热性好、质量轻、价格适中等特点，已成为热交换装置中散热元件的主要材料。某大型热交换器采用铝合金圆形导热管，外部胀接铝合金翅片的结构形式。其传统铝合金散热管采用挤压成型，生产效率低，壁厚精度不易得到保障，因此考虑用高频焊管代替挤压管。应企业要求，规划了一条铝合金圆管冷弯成形生产线，并设计一套成形轧辊。

1 产品分析

圆管材料为1050A铝合金，图1为该企业产品中的一种规格的圆管，由于后期要进行胀接翅片，要求产品的屈服强度不低于80 N/mm2，扩口率大于25%，焊缝处内外壁不能有残渣，管子表面不能有明显划伤。

2 产品成形方案

铝合金焊管冷弯成形与钢管的类似，主要由开卷-成形-焊接-整形-矫直-切断等几部分组成。开卷和切断装置一般都有专业厂家生产，可直接购买，生产线设计的核心是导向挤压装置、成形和定径机架的布局及轧辊设计。

2.1导向挤压装置

中小型冷弯成形焊管的焊接一般都采用非接触高频焊接方法，其原理是让待焊圆管穿过通入高频电流的感应线圈，管子中产生感应电流，利用电流的集肤效应和邻近效应，使管坯边缘V形会合角处极快地加热到焊接温度，再通过挤压，实现管子的连续焊接。由于铝合金材料热导率大，要求有较高的加热速度和焊接速度，其高频电源频率一般在400

kHz～600 kHz，焊接速度在100 mm/min～150 mm/min，这对导向挤压装置的精度和稳定性也提出更高的要求。

图1 产品横截面图Fig.1 Product section

图2 导向挤压结构Fig.2 Guide and squeezing device

图2所示为导向挤压装置的结构，管子外侧用两对导向辊导向，中间设置陶瓷导向条，保证焊接边的对中，调整导向条及其固定板前后位置，可改变焊接边汇合处V形角大小，确保5°～7°的合理角度。整个导向装置与挤压辊距离尽可能小，以防止管子高速前进中出现偏转、搭边。焊接挤压采用立式双辊挤压装置，由于挤压辊与感应线圈非常近，所以用钨钢或陶瓷等无磁材料，以防严重发热。管子内部固定一根空心拉杆，其作用：一是在焊接部位固定磁棒，以提高高频加热效率，端部固定去内毛刺刀杆；二是在内孔中通入冷却液，对磁棒进行冷却，同时冲掉刮下的内毛刺渣。图3为焊接部位断面图。

图3 焊接部位断面图Fig.3 Section of the welding position

2.2 成形道次确定

成形道次对冷弯成形非常重要，道次多了会增加设备成本和空间，道次少了成形会不稳定。目前尚无一个精确的公式来计算冷弯成形道次，常用的方法是采用边缘极限拉伸来估算。图4所示为带料由板到圆的示意图，板带纵向变形最大的地方在其边缘，随着板料的抬起，其边缘长度被拉长，当板料完全封闭后，抬起高度达到最大，即为圆管直径D。把边缘实际长度简化为L′，带料变形区长度简化为L，Б.Д.茹科夫斯基推算出单半径孔型

系统中带料的边缘伸长率为[3]:

(1)

式中：

B—带宽的一半。

图4 型腔布局Fig.4 Products layout

为了保证成形稳定性，边缘伸长要求尽量保持弹性变形。1050铝合金材料屈服强度为80 N/mm2，弹性模量70G Pa，根据公式虎克定律：

推算出材料的弹性极限伸长率δ为0.14%，把该值以及一半带料宽度B

带入公式(1)，可得：

L≈42.7D

以生产最大管径为Φ50 mm计算，生产线长度L约为2 135 mm，平辊间距取300 mm，计算出需要7道次。为保证成形稳定性，在平辊之间加辅助立辊，由于第5架平辊上要安装固定管内空心拉杆，预留空间较大，所以5平前设为两道立辊，成形部分最终采用7平8立的布局，如图5所示。

完成焊接和刮除内外毛刺后，要对圆管进行定径和矫直，目的是为了把尺寸、圆度、直线度调整到公差范围内，同时通过滚挤提高管子表面和焊缝的光洁度。定径采用6平5立的布局，之后用3个土耳其头进行矫直，整条生产线布局如图5所示。

图5 生产线布局Fig.5 Layout of a production line

3 带宽计算

成形轧辊的型腔一般根据带材宽度来设计，特别是成形后期的封闭型腔和导向辊、挤压辊的型腔，轧辊设计好后，再更改原材料宽度的话，会对生产线调试带来很大挑战。带料宽度由3部分组成[4]：

B=ΔB+ΔBs+ΔBh

式中：

B—产品料宽；

ΔB—加上定径余量后的计算料宽；

ΔBs—收缩余量；

ΔBh—焊接余量。

以图1产品为例，在直径Φ25 mm上增加0.5 mm的定径余量，即定径前管子直径为Φ25.5 mm。由于相对弯曲半径(r/t)较大，不考虑中性层的偏移，管厚几何中心即为中性层，根据其直径得到计算料宽ΔB约为77 mm；管子在成形过程中，为保证带料的稳定移动，必须使其有一定的张力，加之边缘拉长，使带料在纵向总体拉伸，导致宽度方向的收缩，收缩量的大小受前后平辊设计速差、平辊压紧程度、润滑条件、带料尺寸和性能等很多因素影响，根据经验，铝合金材料收缩余量一般取1 mm～1.5 mm，带料越窄、厚度越薄、强度越低则取值越小，本例取1.3 mm。铝合金高频焊接余量取0.2 mm，最后得到产品所需带料宽度为78.5 mm。

4 轧辊设计

轧辊是管子成形的关键，特别是铝合金这样较软的材料，带料通过轧辊型腔时，如果型腔对带料包覆性不好，横断面有点接触，就很容易出现“粘料”现象。这是由于管子和轧辊局部压力过大，导致强烈的摩擦，使铝合金材料粘在辊子上，并且随着管子的高速移动，会越来越严重，最终导致无法生产，这也是铝合金材料冷弯成形最容易出现的问题。合理的变形量分配和轧辊型腔设计是解决这一问题的主要措施。

4.1 辊花设计

轧辊设计的第一步是孔型规划，即型腔辊花图的设计。孔型规划的基本问题是正确选择变形区长度和各机架变形量的合理分配，使带料在孔型中变形均匀、成形平稳，不致产生边缘鼓包和型面粘料等缺陷。轧辊孔型设计一般有中心弯曲法、边缘弯曲法、圆周弯曲法、综合弯曲法等[5]，本例采用成形过程稳定、边缘相对伸长小的综合弯曲法，如图6

所示，带料边缘圆弧1的半径等于挤压辊半径且保持不变，弧长逐架增加，带料中心圆弧2的弧长和半径逐渐减小。

图6 辊花设计Fig.6 Design of section flowers

带料在挤压辊处成形为一个完整的圆，按照之前设计，圆的直径为Φ25.5 mm，则中性层半径为12.25 mm，在建模软件的参数列表中，创建料宽参数B和挤压辊中性层半径参数r并赋值，在软件草图环境中绘出图6a右侧两段相切圆弧1和2，标注圆弧1的半径r1并设置其值等于r，标注圆弧1的弧长L1，标注圆弧2的半径r2，标注圆弧2的弧长并用关系式设置其值为(B/2-L1)，把圆弧2左侧端点约束到坐标中心，圆心约束到对称中心，实现对两段曲线的全约束，最后像两段圆弧得到图6a完整曲线，曲线的两个变量L1和r2分别控制两段圆弧的变形量。

类似地，做出7平8立及导向辊共16个轧辊型腔中性层曲线图，调整L1和r2两个参数，均匀分配各辊的变形量，得到图6b所示型腔辊花图。

4.2 参数化轧辊设计

以一对平辊为例，新建一个装配文件，把设计好的辊花文件装配进来，把辊花中与该平辊对应的曲线关联复制到装配文件中，在曲线所在平面创建草图，把关联复制进来的曲线两侧各偏置半个料厚，得到内外型腔曲线，在曲线外侧绘出轧辊外形形状，如图7a所示。带料在平辊之间必须保持一定的张力，所以轧辊的底径逐架增加0.5 mm。为了方便加工，上辊做成3瓣式，左右两个零件相同，所以在装配文件中再新建三个组件，上辊两

个，下辊一个，分别把图7a草图关联复制到三个文件中，以图中虚线为旋转中心，选择相对应的草图部分为截面曲线，用回转命令做出辊子实体，再添加键槽、圆角、倒角等特征，完成后如图7b所示[6]。与此类似，做出其他所有成形部分平辊和立辊的实体图。整形部分平辊和立辊外形一致，型腔都为圆形，直径从挤压辊的Φ25.5 mm逐架均匀递减至产品直径Φ25 mm。完成实体设计后，再做出所有轧辊的工程图。

设计完成后，如需调整变形量或型腔尺寸，可通过L1和r2两个参数来修改辊花图，打开轧辊实体文件后，软件自动更新实体图和工程图。设计其他规格圆管的轧辊时，无须重新作图，只更改料宽参数B挤压辊中性层半径r，适当调整参数L1和r2，即得到新的辊花图，打开已做好的轧辊实体文件，根据需要调整辊子外形尺寸，更新工程图后完成新轧辊的设计。

图7 轧辊设计Fig.7 Design of rolls

5 结 论

1)规划了最大可生产Φ50 mm铝合金圆管的冷弯成形生产线，通过计算确定了机架数量、布局以及Φ25 mm圆管料宽尺寸。

2)将参数化技术应用到圆管的辊花图及轧辊设计中，方便对已完成设计的修改和新产品的设计，大大提高了设计效率。

3)生产线整体布局合理，运行可靠，生产的圆管满足使用要求。

【相关文献】

[1] 曹国富，曹笈.高频直缝焊管理论与实践[M]. 北京:冶金工业出版社，2016：10-11.

[2] 陈祝年.焊接工程师手册[M]. 北京:机械工业出版社，2009：757-758.

[3] 吴凤梧.国外高频直缝焊管生产[M]. 北京:冶金工业出版社，1985：135-136.

[4] 首钢电焊钢管厂.高频直缝焊管生产[M]. 北京:冶金工业出版社，1982：176-177.

[5] 李登超.冷弯型钢焊管生产技术[M]. 北京:化学工业出版社，2011：103-106.

[6] 乔治·哈姆斯.冷弯成型技术手册[M]. 北京:化学工业出版社，2009：145-159.