弯头推挤工艺中角型芯头设计新设想——文献学习体会

文献概况

本文发表于1996年第1期《机械工程师》（ISSN 1002-2333），作者支左。文章针对弯头推挤工艺中角型芯头的设计问题，提出了一种新的设计思路。该文虽篇幅极短（仅23页），但提出了具有工程实用价值的创新想法，反映了弯头成形工艺领域对芯头设计的持续关注。弯头作为管道系统中用量最大的管件之一，其成形工艺的效率与质量直接影响生产成本与产品性能。

弯头推挤工艺概述

弯头推挤成形（Push Bending / Pushing Process）是一种冷成形工艺，主要用于中小口径弯头的批量生产。其基本原理是：将管材送入模具，通过芯头（Core Die）和模具（Mandrel）的挤压作用，使管材在弯曲过程中保持圆度、避免起皱和椭圆化，最终形成所需角度的弯头。

推挤工艺的关键在于芯头设计。芯头作为弯头内腔的成形工具，其形状直接决定了弯头的内径精度、壁厚均匀性以及弯曲后管材的几何质量。传统的芯头设计多采用圆柱形或简单的锥形结构，但在处理大角度弯头（如90°、180°）或特殊壁厚管材时，往往出现以下问题：

• 弯头内弧侧壁厚减薄过大
• 弯头外弧侧出现起皱或折叠
• 弯头内径椭圆化严重
• 芯头与管材之间的摩擦阻力过大，导致成形力过高

角型芯头设计新设想

传统芯头设计的局限性

传统圆柱形芯头在弯头推挤过程中，由于管材在弯曲时内外弧侧的变形量不同（内弧侧压缩、外弧侧拉伸），圆柱形芯头无法适应这种非均匀变形，导致：

1. 内弧侧过度压缩：芯头对内弧侧的支撑不足，管材壁面被过度压缩，壁厚减薄。
2. 外弧侧支撑不足：芯头与外弧侧管壁之间存在间隙，管材容易起皱。
3. 摩擦阻力分布不均：圆柱形芯头与管材的接触压力沿周向分布不均匀，导致局部应力集中。

角型芯头的设计原理

文章提出的角型芯头设计，其核心思想是将芯头的横截面从圆形改为带有棱角的形状（如三角形、菱形或多边形），利用棱角的"锚定"效应改善管材的成形质量。具体原理如下：

1. 棱角锚定效应：角型芯头的棱角与管材内壁形成局部咬合，在弯曲过程中限制管材的径向变形，减少椭圆化。
2. 均匀变形引导：棱角将管材的变形引导为更均匀的分布，避免局部过度压缩或拉伸。
3. 摩擦阻力优化：角型芯头与管材的接触面积小于同直径圆柱形芯头，在保持足够支撑力的前提下降低摩擦阻力。

关键设计参数

与工程实践的结合

在弯头推挤工艺的实际生产中，芯头设计是一个需要综合考虑多个因素的复杂问题。笔者在管件制造企业的技术工作中，曾参与过多种芯头方案的优化设计。角型芯头的设计思路虽然新颖，但在实际应用中需要注意以下几点：

1. 管材材料的适应性：角型芯头的棱角可能对某些材料（如薄壁不锈钢管、铜管）造成划伤或压痕，需根据管材材质选择适当的芯头角度和表面粗糙度。
2. 弯曲角度的影响：对于大角度弯头（如180°），角型芯头的棱角在弯曲全程中持续与管材接触，可能产生累积磨损，需考虑芯头的耐磨处理或可更换设计。
3. 与模具的匹配：角型芯头的形状需要与外模具（弯曲模、夹模、压模）精确匹配，否则可能导致管材在弯曲过程中产生不均匀变形。
4. 工艺参数的协同优化：芯头设计不是孤立的，需要与弯曲速度、润滑条件、加热温度（对于热弯工艺）等工艺参数协同优化，才能实现最佳的成形质量。

关键思考与启示

本文的价值在于提出了一个简单而有效的创新思路——通过改变芯头的几何形状来改善弯头成形质量。这种"从几何入手解决问题"的思路在成形工艺领域具有普遍意义。在当前的智能制造环境下，虽然已有大量先进的成形仿真技术（如有限元分析FEA）可用于芯头设计优化，但基于物理机制的几何创新仍然不可替代。

对于从事管件成形工艺的技术人员而言，本文提醒我们：工艺创新不一定需要昂贵的设备或复杂的技术，有时仅仅是一个巧妙的几何设计就能带来显著的效果提升。同时，角型芯头的设计也体现了"以摩擦力学为基础"的工艺设计思路，这对于其他冷成形工艺（如管材拉拔、管材滚压等）的模具设计也具有借鉴意义。