벤드 튜브 성형: 스프링백, 연신율 및 반경

1. 벤딩 스프링백

모든 형태의 소성 변형과 마찬가지로 튜브 굽힘에는 탄성 변형이 수반됩니다. 하중이 제거되면 굽힘 중성층의 바깥쪽 섬유는 탄성 회복으로 인해 짧아지고 안쪽 섬유는 길어져 굽힘 속도와 굽힘 각도가 변경됩니다. 이러한 현상을 스프링백이라고 합니다. 스프링백에는 그림 4-25와 같이 두 가지 형태가 있습니다.

1) 곡률이 감소합니다.

곡률은 1/ρ에서 감소합니다.₀ 1/ρ'로 언로드하기 전₀ 언로드 후

2) 굽힘 각도가 감소합니다.

굽힘 각도가 언로드 전 α에서 α로 감소합니다. ₀ 를 반환합니다. 스프링백의 크기는 곡률 ΔK의 변화 또는 굽힘 각도 Δα(스프링백 각도라고도 함)의 변화로 계산할 수 있습니다.

Δα = α - α ₀

(1) 굽힘 스프링백에 영향을 미치는 요인

굽힘 과정에서 스프링백의 양에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있으며, 주요 요인은 다음과 같습니다:

1) 블랭크의 기계적 특성.

σ 값이 작을수록_s /E, 즉 더 작은 σ_s 이며, E 값이 클수록 스프링백 값 Δα는 작아집니다.

2) 변형 R/T 정도.

동일한 조건에서 r/t가 작을수록 굽힘 변형 정도가 커지고, 전체 변형에서 탄성 변형이 차지하는 비율이 감소하므로 굽힘의 스프링백이 감소합니다.

3) 굽힘 중심 각도 α.

굽힘 중심 각도 α가 클수록 변형 영역의 길이가 길어집니다. 동일한 변형 조건에서는 단위 길이당 변형의 양이 감소합니다. 따라서 굽힘 각도 α가 클수록 전체 변형에서 탄성 변형이 차지하는 비율은 그에 따라 증가하며 스프링백 값 Δa는 더 커집니다.

4) 다이 클리어런스 Z.

더 크게 다이 클리어런스더 큰 스프링백.

5) 굽힘 방법.

스프링백 양은 드로우 벤딩 프로세스에서 가장 작고 푸시 벤딩 프로세스에서 가장 작습니다.

6) 공작물 모양 및 재료 구조 상태.

복잡한 형상, 여러 번의 상호 당김으로 인해 스프링백이 작아지고 냉간 가공 경화 후 스프링백이 커집니다.

7) 금형 구조 및 누르는 힘의 크기.

가장자리를 누르는 힘이 커서 공작물이 구부러진 후 반동량이 적습니다.

(2) 리바운드 값의 결정

공작물의 리바운드 값을 결정하는 것은 리바운드를 극복하기 위해 해당 조치를 취하여 구부러진 공작물이 설계 패턴의 정확도 요구 사항을 충족 할 수 있도록하는 것입니다. 리바운드 값을 결정하는 방법에는 룩업 차트 방법, 룩업 테이블 방법 및 계산 방법이 있습니다.

실제 벤딩 성형단면 왜곡 및 주름 문제가 존재하기 때문에 이러한 문제가 반발에 영향을 미치고, 반면에 프로파일 굽힘 과정에서 중성층을 정확하게 결정하기가 어렵 기 때문에 반발 계산이 더 어려워집니다. 프로파일 굽힘의 리바운드 계산은 플레이트 굽힘보다 훨씬 더 복잡하므로 리바운드를 계산하는 방법은 다음과 같습니다. 튜브 굽힘 는 모두 근사치이며 실제 상황과 큰 차이가 있습니다.

현재 국내외에서 리바운드에 대한 연구는 여전히 진행 중입니다. 리바운드에는 많은 요인이 관여하고 매우 복잡하기 때문에 현재 정확한 계산 공식이 없습니다. 따라서 리바운드 값의 제어는 일반적으로 다양한 구조의 금형을 사용하여 보정하며 주로 금형 테스트 중에 보정합니다.

(3) 리바운드를 줄이고 방지하는 방법

리바운드를 줄이고 방지하는 방법은 원칙적인 관점에서 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 범주의 방법은 변형을 증가시켜 리바운드 후 부품의 모양을 보장합니다. 이 범주의 주요 조치는 금형의 모양을 수정하거나 부품의 굽힘 곡률을 줄이거나 굽힘 각도를 늘려 리바운드 후 부품이 설계 요구 사항을 충족하도록 하는 것입니다.

또 다른 범주의 방법은 구부러진 변형 부품의 응력 분포를 변경하여 리바운드를 줄이는 것입니다. 이 범주에서 가장 일반적으로 사용되는 방법은 접선 인장 응력을 적용하여 구부러진 부품 단면의 응력 분포를 균일하게 만들어 하역 시 탄성 회복의 불균일성을 줄이고 리바운드 양을 줄이는 것입니다.

벤딩 성형에서 리바운드는 부품의 치수 정확도와 생산 효율에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나입니다. 리바운드 예측은 전체 성형 공정과 밀접한 관련이 있기 때문에 리바운드 문제는 매우 복잡하며 다음과 같은 연구에서 뜨겁고 어려운 지점입니다. 프로파일 벤딩 형성. 국내외의 많은 학자들이 심도 있는 연구와 토론을 진행했습니다.

현재 튜브 굽힘의 리바운드 문제를 처리하는 방법에는 여러 가지가 있습니다:

1) 경험에 따른 리바운드 데이터 표를 나열합니다.

예를 들어, 국내 여러 조선소에서 CNC를 구매했습니다. 파이프 벤딩 머신 제어 시스템에 설정된 경험 데이터를 리바운드 보정에 사용하는 미국 WALLACE COAST 회사의 제품을 사용합니다. 그러나 이 방법은 오차가 크기 때문에 CNC 파이프 벤딩 머신의 벤딩 정확도가 이상적이지 않습니다.

2) 이론적 계산 방법을 사용합니다.

배관 굽힘 시 힘의 상황은 매우 복잡하기 때문에 계산 시 가정과 단순화가 필요하고 재료 특성 및 실제 작업 조건을 예측하기 어렵기 때문에 현재까지 리바운드 이론 계산식을 실제로 사용한 성공적인 선례는 발견되지 않았으며 추가 논의가 필요합니다.

3) 항공기 및 자동차 제조 산업에서는 미국 이튼 레오나드사가 대표하는 방법이 수년 동안 사용되어 왔습니다.

이 방법은 파이프 굽힘의 리바운드에 영향을 미치는 많은 요소가 있지만 공작 기계가 조정되면 공정 매개 변수 (굽힘 반경, 굽힘 속도, 클램핑 력 등)가 결정되며, 이때 재료 파이프 배치를 구부린 상태에서 굽힘 각도와 반동 후 성형 각도 사이의 관계를 측정하므로 파이프 벤딩 머신 암의 회전 각도와 파이프의 성형 각도는 선형 관계로 간주 할 수 있습니다.

이 방법은 파이프 벤딩 머신에서 파이프를 125°와 22°로 구부린 후 CNC 파이프 형상 측정기에 올려 실제 성형 각도를 120°와 20°로 측정하여 두 점을 통해 직선 방정식을 설정하면 파이프 벤딩 머신 암의 회전 각도와 파이프의 필요한 성형 각도 사이의 관계를 얻을 수 있습니다. 이 방법은 좋은 효과가 있습니다.

파이프 굽힘의 리바운드 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 작업을 수행했습니다:

1) 많은 수의 리바운드 실험이 수행되었습니다.

여러 대의 파이프 벤딩 머신에서 다양한 사양의 코어리스 및 코어 파이프 벤딩 실험을 수행하고 측정 데이터에 대한 회귀 분석 계산을 수행하여 굽힘 각도 α 및 성형 각도 α ₀ 는 선형적으로 변화하며, 이는 선형 변화의 이론적 계산과 일치합니다. 그러나 다르게 이 선은 원점을 통과하지 않고 단면 거리 C가 있습니다.₁ 를 클릭합니다(그림 4-26 참조).

α = K₁ α₀ + C₁

공식에서 K₁ 는 직선의 기울기입니다;

C₁ 는 직선의 절편입니다.

위의 공식에서 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다: 동일한 배치의 재료로 구부러진 튜브의 경우 엔지니어링 굽힘 각도 범위 내에서 굽힘 각도 α와 성형 각도 α 사이의 관계는 다음과 같습니다. ₀ 는 항상 원점을 통과하지 않는 직선입니다.

2) 튜브 굽힘 스프링백 실험의 이론적 분석.

스프링백 실험의 결론의 정확성을 분석하기 위해 튜브 벤딩 머신의 작업 조건에 대한 힘 분석을 수행했으며, 몇 가지 가정과 단순화를 거친 후 많은 양의 계산을 수행했습니다.

계산 결과에 따르면 더 작은 범위의 굽힘 각도 내에서 굽힘 각도 α와 성형 각도 α의 관계는 다음과 같습니다. ₀ 이 구부러지고 굽힘 각도가 1보다 크면 굽힘 각도 α와 성형 각도 α 사이의 관계 ₀ 는 선형이며, 실험 중에 관찰된 선형 관계와 동일한 추세를 따르므로 스프링백 실험 결론의 정확성을 입증합니다.

두 값 사이에는 상당한 차이가 있으며, 이는 이론적 계산에서 가정 및 단순화와 실제 튜브 굽힘 조건이 계산된 상황보다 훨씬 더 복잡하다는 사실로 인해 발생한다는 점에 유의해야 합니다.

따라서 위에서 언급 한 연구는 "튜브 벤딩 머신 암의 회전 각도와 튜브의 굽힘 각도 사이의 관계를 선형으로 간주"하는 EATON LEONARD 회사에서 대표하는 연구 결과보다 더 깊숙이 들어갑니다.

요약하면, 현재 튜브 재료 굽힘 스프링백 문제를 해결하는 가장 좋은 방법은 튜브 재료 배치를 구부릴 때 주어진 튜브 벤딩 머신에서 두 가지 굽힘(예: 30° 및 90°) 실험을 수행할 수 있다는 것입니다. 실험하는 동안 튜브 벤딩 머신 암의 두 가지 실제 회전 각도 α를 기록합니다.₁ , α₂ 를 클릭하고 튜브의 두 성형 각도 α를 측정합니다.₀₁ , α₀₂ . 그런 다음 아래 공식을 사용하여 계수를 계산합니다.

K1 = (α ₂ - α ₁ ) / (α ₀₂ - α ₀₁ )

C1 = α ₁ - α ₁ (α ₂ - α ₁ ) / (α ₀₂ - α ₀₁ )

위의 두 공식을 리바운드 실험에서 α의 공식에 대입하여 얻은 선형 방정식이 해당 파이프 재료 배치에 대한 리바운드 규칙입니다.

2. 굽힘 연신율

벤딩 머신에서 구부린 후에는 특정 길이의 파이프의 축 길이가 증가하는데, 이를 굽힘 연신율이라고 합니다. 축 길이의 증가를 파이프의 연신율이라고 합니다. 굽힘 연신율은 부품의 치수 정확도에 영향을 미칩니다. 과거에는 이 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 방법이 사용되었습니다:

1) 경험에 기반한 신장 데이터 테이블을 제작용으로 컴파일했지만, 이 방법은 사용 시 오차가 큽니다.

2) 파이프 굽힘 연신율 이론과 관련된 계산 방법. 리바운드와 마찬가지로 현재 실제로 성공적으로 사용된 이론적 계산 공식은 아직 없으며, 이에 대한 추가 논의가 필요합니다.

3) 항공기 및 자동차 제조 산업에서는 이튼 레오나드사가 대표하는 방법, 즉 CNC 튜브 프로파일러로 반동을 측정하면서 굽힘 각도가 100°일 때 사용되는 재료 길이인 소위 아크 상수를 공식으로 계산하고, 파이프의 신장은 성형 각도에 정비례하는 것으로 간주하는 방식이 수년간 사용되어 왔습니다.

파이프 굽힘의 신장 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 작업을 수행했습니다:

1) 많은 수의 신장 실험이 수행되었습니다.

5개 조선소의 여러 벤딩 머신에서 다양한 사양의 코어리스 및 코어 절곡 실험을 수행하고 각 배치에서 얻은 데이터에 대해 회귀 분석 계산을 수행하여 연신율 △L은 원점을 통과하지 않는 성형 각도 α'와 선형 관계를 갖는다는 것을 알 수 있습니다. 즉

ΔL = K ₂ α'+C ₂

공식에서,

• K ₂ - 선의 기울기입니다;
• C ₂ - 직선.

측정된 데이터의 회귀 분석을 통해 상관 계수 γ는 0.97에서 0.99 사이로 명확한 선형 관계를 보여줍니다. 따라서 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다: 동일한 재료 배치의 튜브의 경우 엔지니어링 굽힘 각도 범위 내에서 연신율 ΔL과 성형 각도 α' 는 원점을 통과하지 않는 선형 관계를 갖습니다.

2) 관련 조선소의 스프링백 데이터 테이블에 대해서도 회귀 검증을 수행했습니다.

경험적 계산에 따르면 연신율 ΔL과 성형 각도 α' 또한 선형 관계를 가지며 상관 계수 γ가 0.99 이상으로 높은 선형성을 나타내지만 일반적으로 절편은 작습니다.

3) 파이프 굽힘 신장 실험의 이론적 분석.

연신율 실험의 결론의 정확성을 더 증명하기 위해 파이프 벤더의 파이프 굽힘 조건에 대한 힘 분석을 수행하고 몇 가지 가정과 단순화를 거친 후 많은 양의 계산을 수행했습니다. 계산 결과, 작은 굽힘 각도 범위 내에서 연신율 ΔL과 성형 각도 α' 는 곡선 관계를 가지며, 굽힘 각도가 3°보다 큰 경우 연신율 ΔL과 성형 각도 α' 는 선형 관계를 가짐을 알 수 있습니다.

이론적 분석의 선형 관계 부분과 실험 중 선형 관계의 추세는 동일하며 이는 파이프 굽힘 신장 실험의 결론의 정확성을 증명합니다. 이론적 계산의 가정과 단순화, 실제 파이프 굽힘 조건이 계산된 상황보다 훨씬 더 복잡하기 때문에 둘 사이의 값에 상당한 차이가 있다는 점에 유의해야 합니다.

동일한 배치의 재료로 구성된 튜브의 경우 공학적 굽힘 각도 범위 내에서 연신율 ΔL과 성형 각도 α'가 원점을 통과하지 않는 선형 관계를 갖는다는 연구 결론은 연신율이 성형 각도에 정비례한다는 전통적 견해와 다르며 전자가 파이프 벤더에 의한 파이프 굽힘의 실제 상황과 더 부합합니다.

요약하면, 현재 파이프 재료 굽힘 신장 문제에 대한 최선의 접근 방식은 파이프 재료 배치를 굽힐 때 주어진 파이프 벤더에서 길이 L은 같지만 굽힘이 다른(예: 30° 및 90°) 두 가지 굽힘 실험을 수행할 수 있어야 합니다. 실험 후 파이프를 제거하고 두 개의 실제 성형 각도 α'를 측정합니다. ₁ , α' ₂ 와 두 개의 실제 파이프 축 L' 의 길이가 증가합니다. ₁ , L' ₂ 를 입력하면 연신율을 계산할 수 있습니다.

ΔL1 = (L1 '-L) ΔL2 = (L2 '-L)

이를 통해 다음 두 가지 공식을 사용하여 ΔL과 관련된 선형 방정식의 계수를 계산할 수 있습니다.

K ₂ = (ΔL ₂ -ΔL ₁ ) / (α' ₂ -α' ₁ )

C ₂ = ΔL ₁ -α' ₁ (ΔL ₂ -ΔL ₁ ) / (α' ₂ -α' ₁ )

위의 두 방정식을 ΔL에 대한 선형 방정식에 대입하면 이 파이프 배치의 연신율 법칙을 구할 수 있습니다. 지능형 파이프 굽힘 측정기는 이 연신율 법칙을 편리하게 구할 수 있습니다.

3. 파이프 굽힘 및 스프링백 후 성형 반경 문제에 대한 처리 방법

파이프 재료가 구부러진 후 다시 튀어나오면 성형 반경 R'이 금형 반경 R보다 커져 파이프의 접점이 변경됩니다. 따라서 파이프를 구부릴 때 벤딩 머신은 이로 인한 시작 벤딩 포인트의 변화를 고려해야 합니다. 이튼 레오나드에서 사용하는 방법은 CNC 튜브 프로파일러를 사용하여 스프링백의 관련 매개 변수를 측정 한 다음 공식으로 스프링백 후 성형 반경을 계산하고이 계산 된 반경을 사용하여 시작 굽힘 지점을 수정하는 것입니다.

이 공식을 사용하여 시작 굽힘 점을 처리 할 때 작은 사양의 파이프 (예 : 3mm 미만)를 굽힐 때 오차가 크지 만 여전히 사용할 수 있으며 더 큰 사양의 파이프를 굽힐 때 오차가 특히 크고 효과가 좋지 않다는 것을 알 수 있습니다. 이는 또한 파이프 굽힘 중 매우 복잡한 상황과 재료 특성 및 실제 작업 조건을 예측하기 어렵 기 때문에 성형 반경의 이론적 계산 공식이 실제 요구 사항을 충족 할 수 없기 때문입니다.

시작 굽힘 지점을 잘 처리하지 않으면 굽힘 성형 정확도를 보장하기 어렵고 노마진 굽힘 공정을 구현할 때 어려움이 발생합니다. 이 문제를 해결하려면 최신 측정 장비를 사용해야 합니다.

특정 파이프 벤딩 머신을 대상으로 삼아 벤딩 및 스프링백 후 파이프 재료 배치의 성형 반경을 실제로 측정하여 공정에서 시작 굽힘 지점을 처리하기위한 기초로 사용됩니다. 지능형 파이프 굽힘 측정기는 굽힘 및 스프링백 후 파이프 재료의 성형 반경을 편리하게 얻을 수 있으며 측정 계산 원리는 다음 계산 공식에 나와 있습니다.

4. 지능형 파이프 굽힘 측정기를 사용하여 스프링백, 연신율 및 성형 반경을 측정하는 방법 4.

지능형 파이프 벤딩 측정기는 주로 위에서 언급한 파이프 벤딩 원리를 기반으로 하며, CNC 파이프 벤딩 기계와 함께 사용하기 위해 특별히 개발되었습니다. 이 기기는 측정 장치(측정 메커니즘, 각도 센서 포함)와 마이크로 컴퓨터 시스템(마이크로 컴퓨터, 인터페이스 보드 포함)으로 구성됩니다. 이 기기의 각도는 0.1°, 길이는 0.25mm로 정밀도가 높습니다.

기기의 측정 메커니즘은 그림 4-27과 같이 4바 평면형 메커니즘으로, 노드 a, b, c에 각도 센서가 설치되어 있어 인접한 두 막대 사이의 각도를 측정할 수 있습니다. d 및 e의 측정 헤드는 평면형이므로 측정 중에 막대 ad 및 be는 dghe 파이프의 직선 파이프 섹션에 수직이 될 수 있습니다.

4바 평면 메커니즘에서 각 막대의 길이가 알려져 있으므로 dghe 파이프의 관련 기하학적 매개 변수를 측정하고 계산할 수 있습니다. 방법은 다음과 같습니다:

1) 메커니즘의 알려진 조건과 각도 센서로 측정된 각도를 기반으로 파이프의 성형 각도 α'를 계산할 수 있습니다.

2) 메커니즘의 알려진 조건과 각도 센서로 측정한 각도를 기반으로 직선 파이프 축의 교차점의 거리 df와 fe를 계산할 수 있습니다.

3) 파이프의 시작 굽힘 지점에서의 거리 dg가 피팅 를 알면 실제 성형 반경 R'을 추가로 계산할 수 있습니다.

R'=O _g = (df-dg) / tan(α'/2)

4) 파이프 축의 길이 L'을 추가로 계산할 수 있습니다.

L’=df+fe-2R’tan(α’/2) +πR’α’/180

위의 원리와 공식에 따라 파이프 벤더에서 길이 L이 같고 굽힘 시작점이 각각 거리 d와 g인 두 개의 테스트 피스를 미리 정해진 각도(H ₁ =30°, H=90°)로 설정한 후 이를 제거하고 스마트 파이프 굽힘 측정기로 측정하면 자동으로 실제 측정을 완료하고 다양한 금속 재질 및 파이프 모델의 반발 변화 패턴, 신장 변화 패턴, 반발 후 형성 반경을 출력할 수 있습니다.

공작물의 파이프 모양이 주어지면 기기는 허용없이 굽힘을위한 블랭킹 데이터를 제공 할 수 있으며 시작점 보정 및 반발 보정을 포함한 CNC 파이프 벤더의 처리 프로그램을 제공 할 수 있습니다 (기기에는 파이프 모양 측정 기능도 있음). 기기에서 제공하는 데이터는 CNC 파이프 벤더의 성형 정확도를 크게 향상시킬뿐만 아니라 기술 발전을 촉진하여 노동 강도 감소, 강철 절약 및 생산 효율성 향상이라는 목적을 달성합니다.

5. 굽힘 반경

파이프 재료의 굽힘 변형 정도는 상대 굽힘 반경 R/D 및 상대 두께 t/D 값에 따라 달라집니다(R은 파이프 재료의 단면 중심층의 곡률 반경, D는 파이프 재료의 외경, t는 파이프 재료의 벽 두께). R/D와 t/D의 값이 작을수록 굽힘 변형 정도가 커지고 굽힘 중성층의 외벽이 지나치게 얇아져 파열될 수 있으며 가장 안쪽 벽은 두꺼워져 불안정해지고 주름이 생길 수도 있습니다.

동시에 변형 정도가 증가함에 따라 단면의 왜곡(평탄화)도 더욱 심해집니다. 따라서 파이프 재료의 성형 품질을 보장하기 위해서는 허용 범위 내에서 변형 정도를 제어해야 합니다. 파이프 재료를 구부릴 때 허용되는 변형의 정도를 굽힘 성형 한계라고 합니다. 파이프 재료의 굽힘 성형 한계는 재료의 기계적 특성 및 굽힘 방법뿐만 아니라 파이프 피팅의 사용 요구 사항에 따라 달라집니다.

범용 구부러진 부품의 경우 성형 한계를 정의하는 조건은 최대 신장 변형률 ε _최대 굽힘 변형 영역 바깥쪽의 중성층에서 가장 먼 위치에서 생성된 값은 재료의 가소성이 허용하는 한계값을 초과하지 않아야 합니다.

파이프 피팅 굽힘의 변형 영역 외부의 외부 표면층이 균열되지 않는 조건에서 한계 굽힘 반경 r _분 은 부품의 안쪽으로 구부릴 수 있는 파이프 피팅 굽힘의 성형 한계로 사용됩니다. _분 는 재료의 기계적 특성, 파이프 피팅 구조 크기, 굽힘 가공 방법 및 기타 요인과 관련이 있습니다.

다양한 굽힘 처리 방법에 대한 최소 굽힘 반경은 표 4-6에 나와 있습니다.

표 4-6 파이프 굽힘의 최소 굽힘 반경(단위: mm)

참고: D는 파이프의 외경입니다.

강관 및 알루미늄 파이프의 최소 굽힘 반경은 표 4-7에 나와 있습니다.

표 4-7 강관 및 알루미늄 파이프의 최소 굽힘 반경(단위: mm)