Гибка труб на малый радиус: технология и контроль

Гибка труб на малый радиус всегда находится на границе возможностей металла и оборудования. Если для радиусов R ≥ 2–2,5D ещё можно «простить» оснастке мелкие недоработки, то при R ≤ 1,5D труба ведёт себя как тонкостенная оболочка: малейшая ошибка в зажиме, смазке или последовательности операций превращается в морщины, вытяжку стенки и брак по геометрии. В компании МСК МЕТАЛЛ мы относимся к таким задачам как к отдельному инженерному проекту: сначала считаем и моделируем, а уже потом гнём.

Особенно чувствительны к малым радиусам тонкостенные трубы, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы и конструкции, где геометрия дуги входит в расчёт прочности или сборочные допуски. Именно поэтому для экстремальных радиусов требуется другая оснастка, другой подход к контролю и иной уровень дисциплины на участке гибки.

Что происходит с металлом на малом радиусе

Сжатие внутри и растяжение снаружи — точки риска

При гибке трубы нейтральный слой металла смещается к внутренней стороне дуги. Внутренняя стенка работает на сжатие, наружная — на растяжение. Для больших радиусов это перераспределение деформаций относительно мягкое, но при R ≤ 1,5D картина резко меняется: растяжение снаружи и сжатие внутри концентрируются в очень узких зонах.

Практически это проявляется так:

• наружная поверхность стремится истончиться и вытянуться по касательной к дуге;
• внутренняя стенка пытается «сжаться» и выгнуться внутрь, образуя складки;
• сечение стремится перейти из круга в овал с уменьшением диаметра по малой оси.

Для конструктора это три ключевые зоны риска: потеря толщины, овальность и локальные концентраторы напряжений на месте складок. Для производственника задача в том, чтобы грамотно распределить эти деформации по длине дуги и не дать им выйти за допустимые значения.

Где сходятся морщины и почему это брак

Морщины при гибке на малый радиус появляются на внутренней стороне дуги, где труба работает на сжатие. Металл не выдерживает локального укорочения, и стенка начинает закладываться гармошкой. При недостаточной поддержке дорном и неправильных режимах зажима эти складки:

• всегда стремятся «сойтись» в одну зону, образуя выраженный гребень;
• часто доходят до половины толщины стенки и становясь зародышами трещин;
• затрудняют прохождение среды внутри трубы (жидкости, газа, кабельной разводки).

С точки зрения контроля качества это однозначный брак: морщины нельзя «спрятать» покраской или мехобработкой. При расчётных конструкциях складки запрещены нормативами, а в ответственных контурах (теплообменники, элементы систем безопасности, опорные фермы) подобные дефекты просто недопустимы по логике безопасной эксплуатации.

Как стенка теряет толщину до критики

На наружной стороне малорадиусного гиба стенка вытягивается. Относительное истончение оценивают как

ψ = (s₀ − s_min) / s₀ · 100 %,

где s₀ — исходная толщина стенки, s_min — минимальная измеренная толщина по дуге.

Для большинства конструкционных сталей безопасным считается диапазон истончения до 8–12 %. При малых радиусах, особенно на тонкостенных трубах, без качественной оснастки и дорна этот показатель легко выходит за 15–20 %. Дальше начинают страдать:

• усталостная прочность дуги при циклических нагрузках;
• стойкость к внутреннему давлению;
• ресурс при динамических воздействиях (вибрация, удары).

Поэтому при назначении режима гибки и выборе оснастки для малых радиусов мы заранее закладываем целевой уровень истончения стенки и контролируем его не выборочно, а по всей дуге, особенно в наиболее нагруженных зонах.

Оснастка для экстремума

Удлинённый дорн и сегменты поддержки

Если радиус гибки стремится к R ≈ 1–1,5D, без дорна обойтись практически невозможно. Классический сплошной дорн уже не обеспечивает достаточной поддержки, поэтому применяются:

• сегментные дорны, где каждый элемент подстраивается под локальную деформацию дуги;
• шариковые дорны для тонкостенных труб и нержавеющих сталей;
• удлинённые дорны с выносом зоны поддержки за пределы теоретической точки гиба.

При этом длина активной части дорна подбирается так, чтобы он работал не только в области максимального изгиба, но и на подходе к ней. Это обеспечивает плавное перераспределение напряжений и не даёт стенке заложиться в морщину. В подавляющем большинстве задач по малым радиусам мы реализуем именно дорновую гибку труб на специализированных станках.

Центровка калибрами на входе и выходе

Даже идеальный дорн не спасёт деталь, если труба заходит в зону гиба с перекосом. На малых радиусах допуск по соосности заготовки и оснастки сжимается до миллиметров, поэтому мы используем:

• входные калибры и направляющие, жёстко фиксирующие трубу перед захватом;
• выходные калибрующие втулки или опорные призмы, стабилизирующие геометрию после гиба;
• контроль соосности по контрольным штифтам и базовым площадкам.

Цель этой системы проста: труба должна входить и выходить из зоны гибки строго по оси, без смещений и поворотов вокруг продольной оси. Тогда нагрузка от прижимного башмака, дорна и зажима распределяется равномерно, а риск местных дефектов резко снижается.

Смазка и охлаждение «без разрывов»

При гибке на малый радиус контактные давления между трубой и оснасткой возрастают в разы. Любой «пробел» в смазке превращается в локальный перегрев, задиры и микротрещины. Для таких задач мы применяем:

• специальные высокотемпературные смазки с высокой несущей способностью плёнки;
• дозированную подачу смазки по всей длине зоны контакта;
• контроль температуры оснастки и заготовки, а при необходимости — промежуточное охлаждение.

Непрерывность смазочного слоя критична. Именно она позволяет трубе «скользить» по дорну и прижимам, не разрушая поверхность и не провоцируя неравномерную вытяжку стенки. При работе с нержавеющей сталью и цветными сплавами мы подбираем составы, которые не оставляют трудносмываемых следов и не ухудшают последующую сварку или покрытие.

Гибы по порядку и приёмка без сюрпризов

Последовательность операций для сложных контуров

Малый радиус гибки редко встречается в одиночестве. Чаще это часть сложного контура с несколькими участками в одной или нескольких плоскостях. Ошибка в выборе порядка гибов приводит к тому, что уже сформированные дуги мешают оснастке или создают дополнительные напряжения.

Поэтому для сложных деталей мы сначала строим технологическую модель контура и назначаем порядок операций. Как правило, соблюдаются следующие принципы:

• сначала выполняются самые малые радиусы, пока труба ещё максимально «свободна»;
• затем гнутся большие радиусы и корректирующие участки;
• на последнем этапе формируются незначительные догибы, компенсирующие пружинение.

Точность такой работы обеспечивается станками с числовым программным управлением. Сложные последовательности и трёхмерные контуры удобнее всего реализовывать как чпу-гибку труб с сохранением программы и воспроизводимого результата от партии к партии.

Компенсация пружинения по участкам

После снятия нагрузки труба частично выпрямляется — это пружинение. Для больших радиусов его иногда компенсируют по усреднённому значению: задали угол чуть больше, получили требуемую геометрию. При малых радиусах такой подход уже не работает, потому что:

• пружинение зависит от материала (углеродистая сталь, нержавеющая сталь, алюминий);
• на разных участках контура напряжённое состояние отличается;
• толщина стенки после вытяжки по дуге становится неоднородной.

Поэтому компенсацию пружинения мы назначаем по участкам. Для каждого типа материала и диаметра трубы определяем поправку Δφ и задаём в программе угол:

φ_зад = φ_треб + Δφ.

По результатам приёмки опытной партии эти значения уточняются. В итоге для серийного заказа уже существует набор проверенных поправок, которые обеспечивают стабильный выход деталей в требуемых допусках.

Шаблоны, овальность и допуски

Контроль результата при малых радиусах — такой же важный элемент технологии, как и выбор оснастки. На приёмке мы оцениваем не только «красоту» дуги, но и параметры, влияющие на работоспособность детали:

• угол гиба и фактический радиус;
• овальность сечения;
• изменение толщины стенки;
• совокупное положение нескольких гибов в пространстве.

Овальность обычно описывают формулой

δ_ов = (D_max − D_min) / D_ном · 100 %,

где D_max и D_min — максимальный и минимальный диаметры по взаимно перпендикулярным направлениям, а D_ном — номинальный наружный диаметр трубы.

В зависимости от назначения изделия допустимые значения овальности могут находиться на уровне 5–8 %, а для ответственных изделий — ещё ниже. Эти требования задаются либо конструкторской документацией заказчика, либо отраслевыми стандартами. Для тонкостенных изделий и сложных контуров мы дополнительно применяем методики контроля, характерные для таких работ, как гибка тонкостенных труб.

Фактическая геометрия проверяется:

• по жёстким шаблонам и кондукторам;
• по измерительной разметке и базовым точкам;
• с применением координатных измерительных средств при сложной пространственной геометрии.

Для серийных партий мы фиксируем результаты измерений, чтобы отслеживать стабильность процесса и вовремя реагировать на малейшие отклонения.

Малые радиусы гибки — это всегда баланс между возможностями металла, оснастки и станка. Если этот баланс соблюдён, труба собирается в изделие «с первого щелчка» без подгонок, а конструкция отрабатывает весь расчётный ресурс без скрытых слабых мест. Именно к такому результату мы стремимся в каждом проекте, где на чертеже рядом с трубой стоит условие R ≤ 1,5D.