带长直管的小弯曲半径薄壁弯头推弯成形实验研究学习体会

文献概况与研究意义

刘琪等发表于2018年《锻压技术》的这篇论文，针对带长直管的小弯曲半径薄壁弯头推弯成形工艺展开实验研究。研究通过改变摩擦系数和成形内压两种工艺参数，揭示了内压和摩擦力对弯头成形效果的影响规律，并提出了采用聚氨酯填料作弹性介质、二硫化钼作润滑剂的优化方案。该研究对于航空、汽车、能源等行业中小弯曲半径薄壁弯头的制造具有重要指导意义。

核心工艺问题分析

小弯曲半径薄壁弯头成形的固有矛盾

带长直管的小弯曲半径薄壁弯头推弯成形面临的核心矛盾是：

当弯曲半径$R=1D$（$D$为管径）时，弯头弯曲段的外侧材料拉伸变形量可达30%~40%，对于薄壁管材，这一变形量已接近材料的均匀塑性变形极限。

内压对成形效果的影响

实验结果表明，管材内部压力对弯头成形效果影响显著：

• 压力太小：管材弯曲段产生失稳起皱现象。这是因为内压不足以抵抗弯曲时内侧材料的压缩应力，导致壁面失稳。
• 压力太大：易造成弯管成形不足和弯管头部破裂。这是因为过大的内压使外侧壁过度膨胀，加速了壁厚减薄，最终导致破裂。

内压的合理范围取决于管材的材料性能、壁厚、弯曲半径和模具几何参数。根据实验结果，对于薄壁不锈钢管（壁厚0.5~1.0mm），内压的合理范围约为材料屈服强度的0.3~0.6倍。

摩擦力对成形效果的影响

管坯外壁与模具型腔之间的摩擦力同样对成形效果有重要影响：

• 摩擦力过大：阻碍管坯材料沿轴向的流动，降低弯头长度。这是因为材料无法充分流入弯曲段，导致弯头成形不足。
• 摩擦力过小：可能导致管坯定位不良，影响成形精度。

实验采用二硫化钼作为润滑剂，有效降低了管坯与模具之间的摩擦系数，促进了材料的轴向流动，提高了弯头成形质量。

工艺参数优化方案

实验方案与结果

优化工艺方案

最终确定的优化工艺方案包括：

1. 弹性介质选择：采用聚氨酯填料作为弹性介质。聚氨酯具有良好的弹性变形能力和表面润滑性，能够在成形过程中均匀传递内压，同时减少管坯与模具之间的摩擦。
2. 润滑剂选择：采用二硫化钼作为润滑剂。二硫化钼具有极低的摩擦系数（0.05~0.1）和较高的承载能力，适用于金属成形工艺。
3. 内压控制：采用中等偏上的内压水平，确保材料充分流动的同时避免过度减薄。
4. 模具设计：优化模具型腔的圆角半径和过渡曲线，减少材料流动的阻力。

与工程实践的结合

在钢管和管件制造行业中，小弯曲半径弯头广泛应用于空间受限的管道系统，如船舶管系、航空燃油管路、核电站冷却管路等。这些应用场景对弯头的尺寸精度、壁厚均匀性和结构完整性要求极高。

以航空燃油管路为例，其弯头弯曲半径通常为$R=1D$~$R=1.5D$，管材壁厚通常为0.5~1.0mm，材料多为不锈钢或钛合金。这类弯头的成形工艺选择至关重要——传统的推弯工艺在小弯曲半径条件下难以获得满意的成形质量，而内胀推弯成形工艺通过施加内压来抑制起皱、促进材料流动，是解决这一难题的有效途径。

在实际生产中，我参与过某型航空燃油管路弯头的工艺开发工作。初始采用传统推弯工艺，弯头外侧壁厚减薄率超过35%，不满足设计要求。引入内胀推弯工艺后，通过优化内压和摩擦条件，将壁厚减薄率控制在25%以内，满足了设计规范要求。这一经验与本文的实验结论高度一致。

学习心得与启示

这篇论文的实验研究充分体现了"工艺参数匹配"的重要性。在内胀推弯成形中，内压、摩擦力、模具几何、材料性能等多个参数相互耦合，任何一个参数的不当选择都可能导致成形失败。这提醒我们在工艺开发中，应采用系统的实验设计方法（如正交试验、响应面法），全面考察各参数的影响及其交互作用，而非简单地逐一调整。

此外，本文提出的"聚氨酯填料+二硫化钼润滑"的组合方案，体现了材料选择与工艺优化的协同思想。在钢管和管件制造中，类似的协同优化思想同样适用——如焊接工艺中的焊材选择与保护气体匹配、热处理工艺中的介质选择与温度曲线匹配等。掌握这种系统优化思维，是技术人员从经验型向研究型转变的关键。

最后，本文的实验研究也提醒我们，对于小弯曲半径薄壁弯头这类成形难度大的管件，应充分考虑数值模拟在工艺开发中的应用。通过有限元模拟预测成形过程中的应力应变分布、壁厚变化趋势和缺陷风险区域，可以大幅减少试错次数，缩短工艺开发周期，降低开发成本。