什么是锥形管？设计、成型方法和应用

1.0锥形管简介

几何特征和关键设计因素

锥形管按结构可分为：

• 同心锥形管：两端的中心线对齐。
• 偏心锥形管：两端中心线偏移。

关键设计参数包括：

• 直径范围：大端直径（D）和小端直径（d）
• 长度和角度：管长（L）和锥角（A）
• 壁厚分布：恒定或逐渐变化
• 横截面形状：主要为圆形，但也可以是椭圆形或过渡形（例如，方形到圆形）

设计考虑：保持同心度、管理壁厚分布、避免应力集中、确保足够的接头强度（尤其是在焊接部分）。

锥度规格

锥度是一项核心设计特征，对功能有直接影响：

• 线性锥度：T = (D₁ – D₂) / L（单位：mm/m）

• 锥度：由半锥角θ/2定义（见图）

  

• 锥度比：例如 1:10（每 10 个单位的长度改变 1 个单位的直径）

形状变化

类型	特征	典型应用
圆锥形管	最常见；支持对称流	管道连接、火箭喷嘴
矩形锥形管	易于集成；空间效率高	暖通空调管道、照明桁架
定制形状锥形管	专用复杂截面	空气动力学部件

2.0什么是管锥度？

管材锥化是指管材的内径或外径沿轴向逐渐增大或减小的结构特征，通常形成锥形过渡。这种成型工艺使其在连接、过渡、装饰或功能性方面具有广泛的应用。

一个 锥形管 具有逐渐变化的横截面，改善了流体动力学，提高了连接精度，并具有结构和美学优势。

2.1锥度的基本过程

管材锥形化的核心原理是施加轴向力（物理或机械力）沿锥形模具或成型工具重塑管材。

• 在大多数情况下，管材锥度加工是通过冷成型工艺进行的。
• 模具、挤压头或旋转锤施加受控的摩擦力和压力，以逐渐减小或扩大管径。
• 一旦形成锥形部分，剩余部分就会保持恒定的直径，从而形成“瓶颈”结构。

2.2常见的管材缩径方法

方法	工作原理	主要特点
旋锻	通过模具对管端进行高速径向锤击	冷成型，适合长锥度，表面光滑，精度高
锥形拉伸	通过锥形模具拉管，逐渐减小直径	非常适合小锥角、薄壁管、高精度
辊压成型	通过多个滚轮组逐渐改变直径	中长管连续生产，效率高
液压成形	内部液压迫使管子抵住锥形模具	形状均匀，尺寸控制出色，适用于复杂轮廓
压锥	使用锥形模具直接轴向压制	设置简单，适合短长度和小批量生产
数控管端成型	伺服控制推压或压缩，精度可编程	自动化程度高，结果一致，适合大规模生产

2.3典型成型示例：旋锻

在旋转锻造中，将直径较大的管坯插入锻造机：

• 管子被夹入固定装置中。
• 模具围绕管子高速旋转。
• 每分钟约 3000 次径向敲击逐渐减小管径。
• 后成型操作可能包括修整、扩口或热处理。

2.4适用材料

管材锥形加工可适用于多种金属，包括：

• 不锈钢
• 碳钢
• 铝合金
• 铜/黄铜
• 钛合金
• 其他：镍合金、双相不锈钢等。

不同材料对每种方法的适用性各不相同。选择时应考虑抗拉强度、延展性、壁厚和其他材料特性。

概括

• 管材锥度加工是管端成型的关键技术。
• 兼容各种金属和生产要求。
• 影响产品性能、外观、装配精度。
• 工艺选择应基于材料、尺寸、生产量和锥度几何形状。

3.0锥形管制造工艺及设备选型

锥形管或圆锥形管的制造涉及一系列成型方法和专用设备。

3.1管端旋锻机

用于径向减小管端直径，形成用于连接或插入的锥形轮廓。

主要特点：

• 冷成型，无屑工艺，效率高
• 适用于大批量生产中的小直径至中等直径
• 可选扩口或端部成型延伸件

3.2管端锥度机

专为在管材上成型标准或定制锥形端而设计。常见应用包括连接锥度、喇叭口和过渡段。

工作原理：

• 使用伺服驱动或液压模具系统对管端同时施加径向和轴向力
• 锥角、锥长和壁厚变化可预编程
• 支持同心和偏心锥形几何形状

主要特点：

• 比锻压更适合较长的锥角
• 可加工厚壁或硬质合金管
• 提供更平滑、更精确的锥度，非常适合密封接口或焊前准备

3.3旋压成型

非常适合成型中小直径的锥形管，尤其适用于壁厚较大或壁厚变化较大的管。通常使用数控旋压机进行。

流程步骤：

• 预热毛坯（如果需要）
• 将圆盘或短管安装到旋转主轴上
• 成型辊沿轴向和径向施加力，使材料沿着锥形模具成型
• 后续工序可能包括修整或热处理

优点：

成型质量高、结构无缝、厚度控制精确、表面光洁度优良

3.4板材轧制+焊接工艺

常用于生产大口径锥形管，特别是直径超过DN600的管道。

流程步骤：

• 板材切割和边缘准备
• 使用三辊或四辊卷板机进行锥形卷制
• 缝焊（内部和外部）
• 热处理和尺寸校正

特征：

尺寸灵活，适应性强；需要高质量焊接以确保完整性

3.5模压成型

适用于标准化锥形管的批量生产。该工艺使用液压机上的锥形模具进行热成型或冷成型。

3.6锥形管成型机（数控锥形系统）

专为生产锥形管而设计的可编程控制专用 CNC 机器。

主要特点：

• 可编程锥角和推力路径调整
• 兼容碳钢、不锈钢、铝合金等
• 自动化程度高，支持定制化批量生产

4.0锥形管的常用材料及性能要求

材料类型	典型的锥形管产品	应用领域/用例	关键绩效要求
碳钢	– 碳钢锥形结构管（如Q235） – 无缝锥形输送管（A106） – API 5L锥形减径管	建筑结构、石油和天然气运输、液压系统	强度高、性价比高、焊接性、耐压性、耐磨性好
不锈钢	– 304锥形装饰管 – 316L卫生锥形输送管 – 不锈钢锥形医用管	食品、饮料、化工、制药、医疗、室内设计	优异的耐腐蚀性、卫生性、镜面抛光效果
铝合金	– 铝制锥形灯杆 – 铝制家具腿 – 锥形自行车车架管	家具、运输设备、户外结构、建筑	重量轻、耐腐蚀、外观漂亮、易于成型
钛合金	– 钛锥形导管 – 航空航天锥形连接管	医疗植入物、航空航天、国防	强度高、耐腐蚀性优良、生物相容性、耐热性
镍合金	– 哈氏合金锥形管 – 因科镍锥形耐腐蚀管	石油化工、高温气体、海洋环境	高温稳定性、抗氧化和氯化物腐蚀，适用于恶劣环境
铜/黄铜	– 铜锥形接头 – 黄铜锥形喷嘴	管道、燃气输送、装饰配件	优良的导热性、高成型性、装饰性表面质量
复合材料	– 碳纤维锥形管 – 玻璃纤维锥形管	高端运动器材、航空航天、天线结构	超轻、高强度、耐疲劳，但材料成本较高

5.0锥形管的典型应用领域

家具和装饰行业

• 锥形铝制桌腿管
• 不锈钢锥形沙发腿管（304级）
• 粉末涂层锥形家具管（黑色饰面）
• 空心锥形椅腿管
• 锥形吊灯装饰管

汽车和摩托车行业

• 排气扩散器锥形管
• 涡轮过渡锥管
• 锥形消声器管过渡段
• 锥形散热器过渡软管接头

工业和机械结构

• 锥形结构异径管（碳钢）
• 锥形不锈钢工艺管
• 锥形API螺纹管
• 液压锥形管端连接

市政和建筑设施

• 锥形路灯杆管
• 锥形旗杆管
• 锥形广告牌支撑管
• 公园锥形栏杆柱管

锅炉和热力系统

• 锅炉烟道锥形过渡管
• 锥形燃烧器喷嘴
• 热交换器锥形入口管
• 锥形热风导管

石化和流体系统

• 316L锥形耐腐蚀化工管
• 用于热分布的哈氏合金锥形管
• 锥形流量控制管
• 液体/气体锥形分配喷嘴

航空航天和高端结构

• 碳纤维锥形桅杆管
• 锥形机身连接管
• 飞机锥形喷嘴管
• 用于卫星结构的锥形桁架管

6.0锥形管设计快速参考

类别	物品	单位/描述
几何参数	大端外径（D1）	毫米/英寸
	小端外径（D2）	毫米/英寸
	管长（L）	毫米/英寸
	锥度比	(D1 − D2) ÷ L
	锥角（θ）	θ = arctan((D1 − D2) ÷ 2L)
	壁厚（t）	毫米（常数或变量）
制造方法	型锻	适用于小角度的长锥体；冷成型
	冲压/成型机	非常适合短管或大批量生产
	锥度拉伸	精度高；适用于薄壁、小直径管
	液压成形	均匀成型；适用于复杂几何形状
	数控端部成型	精密控制；适合一致的批量生产
材料选项	不锈钢（SUS 304/316）	耐腐蚀；适用于医疗、食品和结构用途
	铝合金（6061/5052）	重量轻；适用于家具和运输
	碳钢（Q235、1018）	成本效益高；非常适合结构应用
	铜/黄铜	优异的延展性；适用于装饰或导电部件
设计考虑	壁厚（t常数）	影响强度和可制造性
	表面处理	抛光、电镀、涂层、防腐处理
	管端成型	根据需要扩口、缩口、扩张
典型应用	—	汽车排气管、家具腿、医用导管、自行车车架、照明支架

6.1锥度计算的快速公式

线性锥度比
1. 锥度比 = (D1 − D2) ÷ L

锥角（度）
2. θ = arctan((D1 − D2) ÷ 2L)

6.2例子

物品	价值
D1（大端）	60毫米
D2（小端）	30毫米
L（长度）	300毫米
锥度比	(60 − 30) ÷ 300 = 0.1
锥角θ	arctan(30 ÷ 600) ≈ 2.86°

7.0锥形管发展的未来趋势

随着工业设备不断向大型化、多功能化发展，对非标过渡管的要求也越来越高。未来的关键发展方向包括：

推广高强度钢及复合材料锥形管

自动锥度机和数控成型技术的进步

模块化设计，方便集成到标准化系统中

锥形管作为过渡和结构优化的关键部件，其设计制造技术日趋成熟，未来有望在能源、环保、装备制造等领域发挥更大作用。

参考

https://academic.oup.com/treephys/article-abstract/22/13/891/1663763

https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/03052150310001639281

https://pdfs.semanticscholar.org/c6c4/2705d501918cbdb488e290fe79100c3ef3c9.pdf