管弯管机弯孔设计说明书

65第 1 章前言1.1 管材弯曲加工的种类和技术现状1.1.1 滚弯曲第 1 章 前言1.1 管材弯曲加工的种类和技术现状管材弯曲加工的方法很多。按成形方法区分，主要有滚弯曲,模弯曲和无模弯曲三种。按弯曲时加热与否，可分为冷弯曲和热弯曲。按弯曲时有无填充物，又分为有芯弯管和无芯弯管。近年来，弯管弯曲成形技术取得了新进展，相继开发出了零半径钢管弯曲加工，热应力弯曲和激光弯曲成形等最新技术。1.1.1 滚弯曲滚弯时用三个驱动辊轮对管材进行弯曲加工的加工方法，其工作原理如下图 1-1 所示。滚弯方法及滚弯机工作原理与板材滚弯基本相同，区别仅在于管材滚弯所用的滚轮具有与弯曲管坯断面形状相吻合的工作表面。通过改变滚轮的间隔，就可作各种曲率半径的弯曲，尤其对弯制环形或螺旋线形弯管件特别方便。不过，滚弯方法对弯曲半径有一定的限制，仅适用于曲率半径要求大的厚壁管件。图 11 滚弯工作原理图1.1.2 模弯曲模弯曲是一种钢管在弯曲模型中实现弯曲的成形过661.1.2 模弯曲1.压弯2.推弯程，它包括压弯，推弯和绕弯三种方式。1. 压弯 压弯是最早用于管材弯曲加工的工艺方法。如下图1-2 所示，它是在液压机上利用模具或胎具对管坯进行弯曲加工。压弯方法既可以弯制带直段的管件，又可以弯制弯头。由于压弯具有生产效率高，模具调整简单等突出优点，故在生产中一直被广泛应用。图 12 压弯原理示意图2. 推弯 推弯是在一般压力机，液压机或专用推制机上进行弯曲加工，主要用于弯制弯头。推弯包括型模式冷推弯管和芯棒式热推弯管。型模式冷推弯管是在普通液压机或曲柄压力机上，利用金属的塑性，在常温状态在将管坯压入带有弯曲型腔的型模中，从而形成弯头。型模式冷弯管装置如下图 1-3a 所示，芯棒式特推弯管是在专用推制机上，在推力和牛角芯棒阻力的作用下，边加热边推制，使管坯产生周向扩张和轴向弯曲变形，从而将较小直径的管坯推制成较大直径的弯头,原理如下图 1-3b 所示。81图 13a 型模式冷推弯管示意图图 13b 芯棒式热推弯管3. 绕弯 绕弯使最常用的弯管方法，包括碾压式和拉拔式，其工作原理如下图 1-4 所示，按弯管设备的不同，绕弯823. 绕弯又可以分为手工弯管和弯管机弯管两类。手工弯管是利用简单的弯管装置对管坯进行弯曲加工。它不需要专用的弯管设备，弯管装置制造成本低，调节使用方便，但劳动量大，生产率低，主要应用于小批量生产的场合。（a） （b）图 14 绕弯工作原理图（a） 辗压式 （b） 拉拔式弯管机弯管是在立式或卧式弯管机上进行冷态弯曲加工，是用得最多的一种弯管方式。目前，弯管机弯管主要包括有芯弯管，无芯弯管和顶压弯管三种工艺方法。有芯弯管是在弯管机上利用芯棒使管材沿弯曲模胎绕弯的工艺方法，其工作原理如下图 1-5 所示，弯曲模胎 4 固定在机床主轴上并随主轴一起旋转，管坯 5 的一端由夹持块 3 压紧在弯曲模胎上。在管坯与弯曲模态的相切点附近，其弯曲模胎逐渐成形。管件的弯曲角度由挡块控制，当弯曲模胎转到管件要求的角度时，则撞击挡块，使弯曲模胎停止转动。83图 15 有芯弯管原理图1. 压块 2. 芯棒 3. 夹持块 4.弯曲模胎 5. 管坯无芯弯管工作原理如下图 1-6 所示，它的结构比有芯弯管简单，工作原理与有芯弯管相同，只是没有芯棒支撑内管壁，而是在管坯进入弯曲变形前，预先利用反变形装置（如反变形滚轮和反变形滑槽）给以管坯一定量的反向变形。在弯曲后，由于不同方向变形的相互抵消，使管坯截面基本保持圆形。无芯弯管与有芯弯管相比，既提高了生产率，又避免了芯棒的消耗，省却了管内的润滑。84图 16 无芯弯管原理图1. 弯曲模胎 2. 夹持块 3. 滚轮 4. 导向轮 5. 管坯1.1.3 无模弯曲随着经济建设的迅速发展，管道的规格和用材也在向大型化和高强度发展。目前，600MW 的火力发电机组的主蒸汽管路的直径已达 663mm，壁厚达 103mm，材料为 12CrMoV 高温合金钢。对于这种达口径，厚壁及高强度钢管的弯制加工，最适宜的方法就是无模弯曲。无模弯曲使利用局部加热代替弯曲模具和芯棒等工具进行弯曲加工的方法。按加热方式的不同，可分为中频感应弯管和火焰加热弯管两种。中频弯管原理如下图1-7 所示，它是将中频感应圈套在管坯上，依靠中频感应电流将管坯加热到所需的高温，随即对加热部分进行弯曲，并在弯曲后紧接着喷水冷却，从而获得所需的管851.1.3 无模弯曲件。火焰弯管的原理与中频弯管相同，只不过是用火焰加热圈代替了中频感应圈来加热管坯。图 17 中频弯管原理图1. 管坯 2. 支撑滚轮 3. 感应圈 4. 夹头 5. 转臂无模弯曲不需要模具，弯管成形质量好，弯管能力强，具有生产效率高，劳动强度低等优点。由于无模弯曲的弯曲力臂自由回转，弯曲半径可随弯曲力臂长度的变化任意改变，故其适应性比其他弯曲方法强。同时，由于加热线圈与管材的形状无关，故利用无模弯曲代替弯模成形，可以巧妙地解决异形钢管的弯曲加工问题。近年来，国内外都已开发出原子能发电厂使用的不锈钢管和桥梁建筑行业使用的大，中型光管的无模弯曲成形技术和全自动 CNC 三维弯曲成形生产线，该生产线利用 CAD/CAM 进行配管设计及全线计算机控制，以扩大弯管加工范围，并使管坯供给，准备，弯曲加工及配管组合后的焊接，切断和检测等工序全部实现了自动化。1.1.4 热应力弯曲热应力弯曲是一种利用工件内部温度分布不均匀所产生的热应力来驱动工件变形的特殊的成形方法，具有86无外力，无模具，便于现场操作等优点。通常产生热应力的方法是对工件进行局部加热或冷却。加热方式包括火焰局部加热和加热炉内整体加热；冷却方式剥夺空冷，喷水冷却及浸水冷却。由于钢管的形状所致，采用火焰加热和喷水冷却的方案难以形成合适的温度场，工艺过程不易控制。其效果如下图 1-8 所示图 18 钢管的热应力弯曲如图 18 所示，管的热应力弯曲工艺是：先将管子整体加热到某一高温，然后一定速度水平进入水中，直至管件完全冷却。其弯曲变形特点是：1.外弧的弯曲程度无明显差别；2.管件截面发生扁化，即管件沿弯曲半径方向的截面尺寸大于垂直弯曲平面方向的截面尺寸；3.管件弯曲程度和截面扁化成都随加热温度的增高而增大；4.长度直径比值较大的管件，其弯曲效果好；5.提高工件的初始温度，增加整体加热浸水冷却的次数，可获得较大的弯曲变形量。871.1.4 热应力弯曲1.1.5 激光成形弯曲工艺激光成形是一种利用激光束照射材料表面式形成的内部非均匀热应立场来实现材料成形的新技术。通过调整激光加工工艺参数和选择合适的扫描诡计就能成形任意的弯曲件，异形件和其他复杂的三维曲面等零件。与常规成形相比，其显著优点是：1.激光成形为无模成形，因而生产周期短，柔性大，特别适合小批量的大型零件生产；2.机关成形为非接触式成形，变形时无外力作用，因而不产生回弹变形和由此带来的问题；3.激光成形属热态变形，总的变形由多次扫描累积而成，故能够成形在常温下不易成形的难变形材料。钢管的激光成形方法比较复杂，根据所要弯曲的几何形状不同，采取的激光照射方法也大不相同。一般是先通过精确的有限元计算，然后确定照射方法和照射区域及工艺参数。通过选择不同的照射区域就可以形成扁化多端的形状。激光弯曲成形加工成本较高，目前还未应用于工程实际。但是，由于它的先进性和独特优势，在不久的将来必将获得广泛的应用。1.2 弯管工艺分析及常见的弯管1.2.1 弯管工艺分析管材弯曲与板材弯曲相比，虽然从变形性质等方面看非常相似，但由于管材空心横断面的形状特点，弯曲加工时不仅容易引起断面形状发生变化，而且也会使壁厚发生变化。因此，在弯曲加工方法，需要解决的工艺难点，产品的缺陷形式和防止措施，弯曲用模具及设备等方面，两者之间存在很大差别。881.1.5 激光成形弯曲工艺我们知道在纯弯曲的情况下，外径为 D，壁厚为 S的管子受外力距 M 的作用而弯曲时，弯曲变形区的外磁材料受到切向拉伸应力 作用而伸长，从而使外测拉管壁减薄；内侧材料则受到切向压应力 的作用而缩压短，从而使内侧管壁增厚， （见下图） 。图 19 管材纯弯曲时的受力情况由于位于弯曲变形区最外测和最内侧的材料所受的切向应力最大，故其管壁的厚度变化也最大，因此，外侧管壁会过量减薄(见下图 a)。当变形程度过大时，最外侧管壁会产生裂纹（见下图 b）,最内侧管壁会出现失稳而起皱（见下图 c） 。同时，由于弯曲内外侧管壁上切向应力在法向的合力（外侧切向拉应力的合力N1 向下，内侧切向压应力的合力 N2 向上）的作用，使弯曲变形区的圆管横截面在法向受压而产生畸变，即法向直径减小，横向直径增大，从而成为近似椭圆形（见下图 d） 。变形程度越大，则畸变现象越严重。另外，由于拉应力过渡到压应力的弹性阶段的存在，卸载时外层纤维因弹性恢复而缩短，内层纤维因弹性恢复而拉长，结果使工件弯曲的曲率和角度发生显著变891.2 弯管工艺分析及常见的弯管缺陷1.2.1 弯管工艺分析化，与模具的形状和设计要求的形状不一致，造成弯曲回弹现象，降低了弯曲件的工艺精度。图 110 常见的弯管缺陷（a） 圆弧外侧壁过量减薄 （b） 圆弧外侧弯裂（c） 圆弧内侧起皱 （d） 断面形状畸变1.2.2 常见的弯管缺陷及解决措施从上述工艺分析可知，常见的弯管缺陷主要有一下几种形式：圆弧处变扁严重（椭圆形） ，圆弧外侧管壁减薄量过大，圆弧外侧弯裂，圆弧内侧起皱及弯曲回弹等。随着弯管半径的不同，前四种缺陷产生的方式及部位有所不同，而且不一定同时发生，而弯曲工件的弹性回弹却是不可比避免的。弯管缺陷的存在对弯制管件的质量会产生很大的负面影响。管壁厚度变薄，必然降低管件承受内压的能力，影响其使用性能；弯曲管材断面形状的畸变，一方面可能引起横断面积减小，从而增大流体流动的阻力，另一方面也影响管件在结构中的功能效果；管件内壁起皱不但会削弱管子强度，而且容易造成流动介质速度不均，产生涡流和弯曲部位积聚污垢，影响弯制管件的正常使用；回弹现象必然使管材的弯曲角度大于预定的角度，90从而降低弯曲工艺精度。因此，应在弯制之前采取对应措施防止上述缺陷的产生，以获得理想的管件，保证产品的各项性能指标和外观质量。在通常情况下，对于前面提到的几种常见缺陷，可以有针对性地采取下列措施：1.对于圆弧外侧变扁严重的管件，在进行无芯弯管时可将压紧模设计成有反变槽的结构形式；在进行有芯弯管时，应选择合适的芯棒，正确安装，并在安装模具时保证各部件的管槽轴线在同一水平面上。2.小半径弯管时圆弧外侧减薄是弯曲的工艺特点决定的，是不可避免的。为了避免减薄量过大，常用的有效方法是使用侧面带有助推装置或尾部带有顶推装置的弯管机，通过助推或顶推来抵消管子弯制时的部分阻力，改善管子横剖面上的应力分布状态，使中性层外移，从而达到减少管子外侧管壁减薄量的目的。3.对于管子圆弧外侧弯裂的情况，首先应保证管材具有良好的热处理状态，然后检查压紧模的压力是否过大，并调整使其压力适当，最后应保证芯棒与管壁之间有良好的润滑，以减少弯管阻力及管子内壁与芯棒的摩擦力。4.对于圆弧内侧起皱，应根据起皱位置采取对应措施。若是前切点起皱，应向前调整芯棒位置，以达到弯管时对管子的合理支撑；若是后切点起皱，应加装防皱块，使防皱块安装正确，并将压模力调整至适当；若圆弧内侧全是皱纹，则说明所使用的芯棒直径过小，使得芯棒与管壁之间的间隙过大，或者就是压模力过小，应更换芯棒，并调整压模块使压模力适当。5.对于弯曲回弹现象，主要采用补偿法和校正法来911.2.2 常见的弯管缺陷及解决措施加以控制。补偿法是通过综合分析弯曲回弹的影响因素，根据弯曲时的各种条件和回弹趋势，预先估算回弹量的大小，在设计制造模具时，修正凹凸模工作部件尺寸和几何形状，实现“过正”弯曲。校正法是在模具结构上采取措施，使校正力集中在弯角处，改变应力状态，力图消除弹性变形，克服回弹。如拉弯工艺，在弯曲的同时施加拉力，使整个断面都处于拉应力的作用下，卸载时弹性回复与变形方向一致，可明显减小回弹量。1.3 本文的主要设计内容1. 对弯管工艺进行工艺分析，指出常见的五中弯管缺陷并提出相应的解决措施；2. 新型蛇形管弯管机的方案设计，包括机械系统设计，液压系统设计和控制系统设计；3. 分析管材弯曲变形区的应力应变状态，建立管材弯曲力矩的计算公式，对加紧模和管坯夹持部分进行受力分析，建立加紧机构所需加紧力的计算公式和校核公式，并计算新型弯管机的各个力能参数。4. 管材弯曲变形区的应力应变状态，建立管材弯曲力矩的计算公式，对夹紧模和管坯受夹持部分进行受力分析，建立夹紧机构所需夹紧力的计算公式和校核公式，并计算新型弯管机的各个力能参数。9293941.3 本文的主要设计内容9596第 2 章总体设计2.1 引言第 2 章 总体设计2.1 引言管道弯曲段的加工工艺及设备，一直是国内外管件技术开发的重点。目前主要采用热压、压焊、中频推制和中频弯管四种工艺。前三种工艺的共同特点是生产率高，设备投资大，需制作模具，成本较高，适用于大批量的订货;中频弯管的主要特点是带有直管段，夸曲半径无级可调且不需模具，设备投资小，但生产率较低，适用于多规格小批量的订货。一般，对直径较小的中低压管件多采用弯头，而对大口径厚壁管多采用中频弯管。小半径弯管具有其它弯头工艺不可比拟的优越性。随着电站装机容量的不断增长，管道布置日趋魔大，对管道系统的质量、安全性等要求越来越高。如果采用R=(1.53.0)D。的小半径弯管，可使电站管系布置结构紧凑，减少管系占用空间，节约运输、安装和材料费用，并能通过优化设计，提高管道系统的运行质量。为了借鉴原有弯管机的结构技术，并在新型弯管机的研制方案中克服原有设备的缺陷，我们对该设备进行了仔细的研究，认为它主要存在以下问题：1. 自动化程度低，工作效率低下 用原有弯管机加工管坯时，整个弯管过程都是通过工作人员手动操作，至少需要四人协同工作，操作中一旦有人操作不当，就会造成废品，且人工进料，人工旋转管坯加工角度费时费力，工作效率低。2. 无加热系统，弯管弯曲精度低缺陷多1542.2 确定新型弯管机研制方案由于管材直径较小，冷弯时弯曲应力较大。随着弯曲半径的减小，金属的变形增大，现有弯管机的出力和强度难以保证;更主要的是，若仍采用常规的弯管工艺，则将使小半径弯管外弧侧的壁厚减薄率和横截面的椭圆度超差，内弧侧易产生波浪折皱，严重影响弯管质量。3. 工作可靠性差，故障率高原有弯管机完全采用传统的继电器进行电气控制，长期而频繁切换的工作状态已经大大降低了控制系统的工作可靠性，在工作中会经常出现继电器接触不实、触点烧毁等事故，影响工厂的正常生产。2.2 确定新型弯管机研制方案由于所研制的弯管机主要用于锅炉设备中管坯加工，且经常加工管坏直径为 15-25 mm，管子弯曲半径小且变化范围大，虽然管子弯曲加工并非批量进行，但工作频率高，故需要弯曲的管子总量还是很大，故对弯管设备的自动化程度要求高。经过仔细分析和消化国内外在管材弯曲加工方面的新技术和新工艺，针对工厂原有弯管机存在的一系列问题，本着低投入高效益的原则，我们决定在原有弯管机的基础上加以改进，研制一台数控蛇形管弯管机，它的自动化程度要有所提高，可以自动进料，自动加热，自动进行弯管弯曲加工，鉴于上述特点，我们确定了新型弯管机的研制方案。2.3 新型弯管机工作原理和技术参数新型弯管机主要由机械系统、液压系统、中频加热系统和控制系统三大部分组成，其工作原理如图 21所示：弯管模 3 固定在主轴上并跟随主轴一起转动，管子通过夹紧模 2 固定在弯管模的夹槽上，1 为移动式导向压料滑槽，紧贴于管坯的弯曲外侧，当弯管模回转时，1552.3 新型弯管机工作原理和技术参数管子就被缠绕在弯管模的周向，从而得到所需的弯管半径。新型弯管机的主要参数见表 21：表 21 新型弯管机的主要参数技术指标 数据弯管直径/mm 15 25弯曲半径/mm R40300弯管最大臂厚/mm 5最大弯曲角度/ 195进给/回程速度/r/min 3液压工作系统压力/Mpa 14MPa电机功率/KW 14进给精度/mm 1弯管速度/r/min 13弯曲角度精度/ 1弯管中心距地面高度/mm 10502.4 机械系统设计新型弯管机的机械系统主要由主传动机构、夹紧机构、压料机构、管坯进给机构、弯管模及床身等七部分组成。2.4.1 主传动机构根据弯管的原理并经过分析、比较，我们确定了如图 22 所示的主传动方案。弯管机的驱动力矩有双活1562.4 机械系统设计2.4.1. 主传动机构塞液压缸来提供。图 22 主传动机构方案示意图1. 主传动油缸 2. 链条 3. 链轮 4.传感器 5.弯管模6.主传动轴由于所需的驱动力矩比较大且要达到弯曲精度，故采用承载能力高而冲击较小且传动精确的链条链轮主传动轴作为传动装置，弯管时，压力油进入主传动油缸左腔并推动油缸活塞带动链条移动，链条通过链轮带动主轴旋转，从而使弯管旋转，以达到缠绕弯管的目的。液压缸采用双作用等速等行程式液压缸，活塞两端杆径相等，活塞正反、向运动速度、行程和推力均相等。2.4.2 夹紧机构管材在弯曲模胎上缠绕弯曲时，驱动力是由弯管模型腔内壁和管坯外壁之间的摩擦力来提供。为了产生摩擦力，就必须由夹紧机构提供一个夹紧力来把管坯压紧在弯管模胎的型槽上。而且，这个夹紧力必须足够大并持续作用在管坯上才能保证弯管工作正常进行。下面我们提出以下几种夹紧机构设计方案：1572.4.2夹紧机构图 23 用油缸直接夹紧1.夹紧油缸 2.夹紧模 3.弯管模1. 用油缸直接夹紧 如图 23 所示，采用油缸直接夹紧，其优点是结构简单，易于实现；缺点是所需夹紧油缸的缸径很大。经初步估计，当液压系统的工作压力为 14Mpa 时，夹紧油缸的内径至少需要 140mm。缸径越大，油缸的价格越高，这就增加了弯管机的制造成本。同时，因为夹紧块与弯管模的管槽轴线必须在同一水平面上，而弯管模本身是高出床身上表面的，所以夹紧油缸必然暴露在机床表面，影响美观。2. 通过连杆增力机构来实现夹紧 为了减少夹紧油缸的尺寸，使夹紧装置结构紧凑，在夹紧油缸和夹紧模之间增加一套连杆增力机构。这样一来，夹紧油缸只需提供较小的推力就可以获得较大的夹紧力。下面是我们拟定的三种增力机构方案。158L12Fjy3图 24 曲柄滑块增力机构1. 夹紧油缸 2. 夹紧模 3. 弯管模方案（1）：如图 24 所示采用曲柄滑块机构来增力。这时，夹紧力和油缸所提供的推力之间的关系为yjFl12（21）式中 油缸所提供的推力（N） ；jF夹紧机构所提供的夹紧力 （N） ；y夹紧油缸活塞中心与曲柄滑块机构固定1l支点的距离（m ） ；夹紧模管槽轴线与曲柄滑块机构固定支点2l的距离（m） 。由式（21）可见，采用了曲柄滑块机构以后，油缸的推力得到了线性放大，放大倍数为 。为了提21/l高放大倍数， 应尽量大而 应尽量小，这就使曲柄的1l2l刚度大为降低。通过计算，这种方案获得的放大系数最多为 1.4 倍，增力效果不明显。而且，夹紧油缸也是布159置在床身上面，影响外观。图 25 斜楔增力机构1. 夹紧油缸 2. 斜楔 3. 弯管模 4. 夹紧模方案（2）：如图 25 所示，夹紧油缸提供的推力经斜楔 2 放大后，通过平行四杆机构来实现夹紧块的夹紧动作。这时夹紧力和油缸推力之间的关系为：ctgFyj（22）式中 斜楔的楔角（） 。由式（22）可见，夹紧力和斜楔角的余切值成正比关系， 值越小，则获得的夹紧力越大。采用这种方案，可获得较大的增力系数，夹紧机构的动作也很平稳。但为了保证斜楔的强度和刚度，楔角 不能小于 30。因此，夹紧力的放大倍数约为 1.7 倍。另外，平行四连杆机构的采用在使夹紧机构平稳动作的同时，也增加了机构的复杂程度和加工制造的难度，从而提高了弯管机的研制成本。160方案（3）：采用如图 26 所示的四连杆机构升降夹紧机构。此时，夹紧力和油缸推力的关系为：21tgFyj（23）式中 两摇臂之间的夹角（） 。图 26 四连杆增力机构1. 夹紧油缸 2. 夹紧模 3. 弯管模由式（23）可见，夹紧力的放大系数为。当 角超过 140以后， 值稍微增大一点/)(tg儿，夹紧力就急剧增大。上述三种方案比较而言，方案 3 的增力效果最显著。而且，这种机构结构紧凑，动作平稳可靠，制造工艺较简单。因为夹紧油缸布置在连杆下方，故整体造型比较美观。经过比较，我们决定采用方案 3。2.4.3 压料机构压料机构也可以采用油缸驱动连杆，进而带动压料161模压紧管坯的结构形式。其连杆增力方式类似于夹紧机构，故压料机构的设计方案参考夹紧机构设计时的三种方案。同样，从增力效果、制造工艺、整体布局等方面考虑，我们仍选择图 26 所示的四连杆增力机构。2.4.4 管坯进给机构设计要求：工作有效行程 1m，要求进给速度0.30.4m/s，运转平稳，低速不爬行，传动具有可逆性，进给精度为1mm。图 27 管坯进给机构原理图1. 丝杠螺母 2. 丝杠 3. 联轴器 4.步进电机 5.液压卡盘如图 27 所示，管坯自动进给是通过步进电机 4带动丝杠 2 及丝杠螺母 1 转动，而丝杠螺母与液压卡盘5 焊接成一体，液压卡盘随着丝杠螺母的移动而直线运到。液压卡盘卡紧管坯时，管坯就由步进电机的控制而自动向前进给。1. 螺旋传动机构的选择根据进给速度及进给精度查得丝杠参数如下表所示：1622.4.3压料机构2.4.4 管坯进给机构表 22 丝杠主要参数导程 Ph（mm） 8钢球直径 Dw（mm） 4.763（ ）163圈数列数 2.51 433Ca 22000公称直径d0（mm）32螺纹升角与承载能力（N） Coa 56350参考文献【4】上册 P4 94 表 4.314由于滚珠丝杠传动中既有轴向力，又有径向力，故采用以下轴承。所选支承轴承型号：滚动轴承 30204 GB/T297-93 滚动轴承 60004 GB/T276-93因为丝杠的计算长度为 1000mm，可得丝杠两端的计l支承距离 1146mm。l2步进电机的选择根据脉冲当量和最大静转矩初选电机当传动比 i=1 时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由公式i= （2-phb3604） 式中 b为步进电机步距角为滚珠丝杠导程、 为系统脉冲当量。hp651.螺旋传动机构的选择选电动机型号为 130BF001，其步矩角 =b1.5故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。3步距角的选择由公式 01.580.3366bP PLi代 入 数 据 得4.进给机构总转动惯量得计算1） 机转子转动惯量查指导书表得207.cmkgJD2） 丝杠的转动惯量由指导书（2-5） 234108. cmkgLDJwS 得： 23448.27.0S 3）平移构件折算后的转动惯量 GJ6 米管坯、液压卡盘和工作台质量总和， kgm50（2-222 .81.0).5( cKgmJhG（）6）由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计4）总转动惯量计算 213.8.024.170cmkgJJGSD 5步进电机输出转矩的选择查指导书 步进电机启动转矩 与最大静转KM656.8kaMcm2.步进电机的选择矩 的关系有 ： maxjM（2-70./maxjKM7）6加速度力矩 （2-2max1062tnJMKa8） cmNMrvnkaPb 68.10.63421. in/.9.02maxa7空载摩擦力矩（取传动系统总效率 ）8.0cmNiLGMkf 2.1.432)6.50(20N3移 动 件 46.289102.108.7丝 杠 8附加摩擦力矩（2-cmNiFMh 423.0)9.1(8.04325. 209）为滚珠丝杠未预紧时的传动效率取09.065cmNMkqj afKq 17.30./31.970./ .9426821max3.步距角的选择4. 进给机构总转动惯量得计算5. 步进电机输出转矩的选择6加速度力矩故电机空载启动力矩 max10.329.1jN（步进电机最大静转矩 =9.31 ）maxjN故所选步进电机 130BF001 的最大静转矩满足要求。9. 轴向摩擦阻力 F 折算到电机上的转矩 FM根据动摩擦力公式：N（210）式中 摩擦阻力 (N)；F滑槽摩擦因数，这里取 （参考文04.献【19】查得） ；径向载荷 (N)，这里取 N（6 米N5max管坯、液压卡盘和工作台重量总和）则带入数值得:N 2054.0NF故 cmiMhF 185.3.132所以运动部件正常工作时的总负载转矩650.3p7空载摩擦力矩8附加摩擦力矩（2-NMMFKafKg 496.1285.342.068.2011）故运动部件正常工作时需的最大静转距 2maxj此时取 0.5 代入式中得：,5.03/2maxKgjMcmNj 496.8./.42max（电机最大静转矩） ax20.65.31j按步进电机最大静转矩选择要求 2max1axmax,jjj MM所以， 选择步进电机 130BF001 满足要求。10.启动矩频特性校核查指导书步进电机启动矩频特性曲线当启动力矩 时对应的允许启动频率0.93kqMNm，而由表查得电机的启动频率Hzfyq80，保证了电机快速启动时不丢步。yqf11运行矩频特性校核快速进给运行矩频特性校核：快进力矩 cmNMkfKJ 905.1876.02.滚动轴承30204 GB/T297-93滚动轴承60004GB/T301-931000mm计l1046mml电动机型号为130BF00165max1010.4362kjpvf HZkjyjf2.13Jkgcm9. 轴向摩擦阻力 F 折算到电机上的转矩查指导书得，允许快进频率 80kjfz电机的最高快进频率故电机快速进给时不丢步。12滚珠丝杠副刚度验算1） 滚珠丝杠副轴向变形ldElFbjj20max1)(4（212）参考文献【17】P97 式（513）式中 最大轴向载荷 (N)；maxF丝杠计算长度 (mm)；jl丝杠两端支撑距离 (mm)；l滚珠丝杠副的公称直径 (mm)；0d滚珠直径 (mm)；b丝杠材料的弹性模量；E对于钢， N/mm2。510.2E则带入数值得：.652.KfMNcm0.423MNcm10.启动矩频特性校核11运行矩频特性校核mm.5251 106.34)0(.216342） 滚珠与螺纹滚道间的接触变形无预紧时： 22)(1038.ZFdb（213）参考文献【17】P98 式（515）式中 轴向载荷 (N)；F滚珠直径 (mm)；bd工作螺母的滚珠数目，Z且有 ； 为 ，一圈的滚珠kjZi数， 为圈数， 为列数，外循环j，其中 为丝杠副的公称直径bd00（mm） 。则带入数值得：mm.322 10)5.0(1038. 3）支承滚珠丝杠的轴承轴向变形因采用推力球轴承作为丝杠支承，故由式（517）3204.ZdFQc（214）参考文献【17】P99 式（517）65max1axjjM20FN12滚珠丝杠副刚度验算式中 轴承的轴向载荷（N） ；F轴承的滚动体数目；Z轴承的滚动体直径（mm） 。Qd则带入数值得：mm.332104.85.604.0c2321（215）参考文献【17】P101 式（521）式中 滚珠丝杠副的传动精度（mm） ，这里为1mm；无预紧时，支承滚珠丝杠的轴承的轴3向接触变形量， 。c3则带入数值得： m5.021054.348.12333故所选丝杠刚度满足要求。13滚珠丝杠副稳定性验算由滚珠丝杠的临界载荷计算公式240)(ldmFbc步进电机满足要求6512.50KgMNmax2axjjMqyf（216）参考文献【17】P102 式（522）式中 滚珠丝杠的公称直径（mm） ；0d滚珠直径（mm） ；b滚珠丝杠的支承系数（N/mm 2） ；可查参m考文献【17】P102 表 55 得 210 5m则带入数值得：N3245105.9106)3(2cFscnF（217）参考文献【17】P102 式（523）式中 滚珠丝杠的临界载荷（N） ；cF滚珠丝杠承受的轴向压力（N） ；滚珠丝杠的稳定安全系数，一般取sn。45.2s则带入数值得： 601.93sn故所选丝杠有足够的稳定性。14.滚珠丝杠副临界转速验算所选步进电机满足要求电机快步启动不丢步65kjyjf13滚珠丝杠副稳定性验算由于滚珠丝杠转速100r/min，故要对其进行临界转速验算。对于钢制丝杠由式（525）（2-2160ldnc18）参考文献【17】P106 式（525）为了不发生共振现象，应使丝杠的转速满足下式：cn8.0（219）参考文献【17】P106 式（526）式中 丝杠的工作转速（r/min） ；n丝杠的支承距离（mm） ；l系数，其值与丝杠支承方式有关，这里1取 ；927.31丝杠小径， （mm） ，其1dRed201中 为圆弧偏心距，e（mm） ； 为滚珠)2(7.0bbd直径， ，这里06.Ldbmm，故取 mm， 为滚80L5bR道半径， （mm） ，bdR).4.(这里取 ， 。2701e则带入数值得：电机快速进给时不丢步6510.36m14.滚珠丝杠副临界转速验算r/min.351010468.927.316cnr/min sn所选丝杠有足够的稳定性65故有效应力集中系数为1.82由手册得尺寸系数 ；扭转尺寸系数 。轴按磨削加工，由手册得表面质量系数为轴未经表面强化处理，即 ，则按手册得综合系数为又由手册得材料特性系数=0.10.2, 取=0.1=0.050.1, 取=0.05于是，计算安全系数 Sca 值，按公式则得650.8cn故可知其安全。3) 截面右侧抗弯截面系数 W 按表中的公式计算，抗扭截面系数 WT 为弯矩 M 及弯曲应力为扭矩 T3 及扭转切应力为T3=960000 Nmm过盈配合处的 k/ 值，由手册用插入法求出，并取k/=0.8k/，于是得，所选丝杠满足要求TL3 联轴器14306ZCJBGB43238465轴按磨削加工，由手册得表面质量系数为故得综合系数为所以轴在截面右侧的安全系数为故该轴在截面右侧的强度也是足够的。本题因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。至此，轴的设计计算即告结束（当然，如有更高的要求时，还可作进一步的研究）。2.5 液压系统设计为使新型弯管机结构紧凑、工作平稳可靠、噪音小，我们决定采用全液压驱动方式。新型弯管机要求液压系统完成的主要动作有：65（1） 驱动弯管模平稳回转，快速复位；（2） 驱动夹紧模夹紧管坯；（3） 驱动压料模压紧管坯；（4） 驱动旋转液压卡盘卡紧管坯；（5） 驱动进给液压卡盘卡紧管坯。因此，新型弯管机的液压系统应有五个支路构成，每一支路驱动一个液压缸动作。为了使弯管机机构动作准确、工作可靠、效率高，此液压系统应有以下几个回路组成：2.5.1 换向回路 由于新型弯管机各运动部件的运动部件的运动速度较低，质量较小，换向精度要求也不太高，故采用三位四通电磁阀来使液压缸换向。2.5.2 调压回路 新型弯管机弯曲不同规格的管坯时所需的驱动力矩不同，对应的液压系统工作压力也就不同。如果仅按弯曲最大规格的管子来调整系统工作压力，则在弯曲小管子时势必造成能源浪费。因此，决定采用三级调压回路。如图2-9 所示，将远程调压阀 3 和 4 通过三位四通电磁换向阀 2 与电磁溢流阀 1 的外控口相连，使系统有三种压力调定值：当电磁换向阀 2 处于中位时，系统压力由电磁溢流阀 1 调定，为 14Mpa；当电磁换向阀 2 处于左位时，系统压力由远程调压阀 3 调定，为 8Mpa；当电磁换向阀 2 处于右位时，系统压力由远程调压阀 4 调定，为5Mpa。652.5.3 调速回路 为了提高新型弯管机的工作效率，希望它既能以较低的速度平稳弯管，又能快速复位。考虑到液压系统功率不大但负载变化较大，运动平稳性要求也较高，决定采用双定量泵组合供油的容积调速回路来调节主驱动油缸的速度，如图 2-10 所示。另外，为了提高新型弯管机的弯曲加工精度，决定增设回油节流调速回路来调节弯管动作接近终了时弯管模在达到预定弯曲角度时能够准确停止。2.5.4 卸荷回路 调压回路中采用的电磁溢流阀 1 是一个由先导式溢流阀和电磁换向阀组合而成的复合阀。当电磁换向阀处于左位时，液压系统就处于卸荷状态。为使油路结构简单，不再另外采用卸荷回路。2.5.5 锁紧回路 为使新型弯管机的夹紧、压料、支撑等动作可靠，对应65图 29 调压回路1. 电磁溢流阀 2. 电磁换向阀 3，4. 远程调压阀图 210 调速回路65液压缸的活塞应能准确的停止在要求的位置上。虽然换向回路中的三位司酮电磁换向阀处于中位时可将油路切断而使活塞停止在某个位置，但是由于滑阀式换向阀密封性能差，泄露较多，故不能活塞长期悬空不动，而要缓慢下滑。为了使活塞准确的锁紧在停止位置上，决定采用锁紧回路：在液压缸的进、回油路上都分别串接一个液控单向阀，将由缸两腔的油液封闭，如图 2-10 所示。由于液控单向阀的密封性能好，即使有什麽外力作用活塞也不至于移动，从而保证锁紧精度652.5 液压系统设计2.5.1换向回路图 211 锁紧回路2.6 中频加热系统设计对于小半径弯管，受拉侧破裂和受压侧的塑性失稳是其主要的破坏形式，当受拉侧的最大拉力达到了材料的断裂强度极限时，就会出现破裂现象，而受压侧的压缩应力达到一定值时就会使管壁内侧失稳(类似压杆失稳)而出现波浪折皱，严重影响弯管的质量，同时因为小半径弯管时变形大，管壁厚度减薄率和增厚率也是影响弯管质量的重要因素。根据有关资料，在压缩弯管工艺中，变形区被加热到 900度以上的高温下进行变形，可以认为此时材料的应力硬化模数D 二 0，因而在整个横截面上的应力的绝对值都是氏(材料在某一温度下的屈服极限)，理论一上说达不到破坏极限可，因此热变形时受拉侧的破裂受到很大程度的控制。此外，中频加热弯管时，弯曲变形在加热变形阻抗小的局部区域发生，加热的宽度愈小，变形宽度愈窄，也就愈不易发生塑性失稳而导致压曲和折皱。反之，虽能增加弯管时的柔性，降低推力，但易使受压侧失稳，不仅产生波浪折皱，且使横截而的椭圆度增加，难以保证合格的弯管制品。根据塑性屈服的理论，当变形区加热宽度不超过 2t 时，不会发生内侧管壁的塑性失稳，同时，及时冷却己变形区，增加变形横截面的刚度，可以很好的防止椭圆度的增加，实际证明，只要合理的设计线圈，配备合适的加热冷却条件，控制弯管时速度的均匀一致，652.5.2调压回路 2.5.3调速回路即可保证加热区的温度和宽度，从而避免受压失稳和椭圆度超差。图 17 中频弯管原理图1. 管坯 2. 支撑滚轮 3. 感应圈 4. 夹头 5. 转臂实验表明，平面假设在一直到破坏的大变形条件下仍可近似的运用，而且当弯曲时甚至是在大变形下，横剖面的形状畸变也可略去，感应加热小半径弯管是一种塑性大变形弯曲，在 800-1000 的弯管温度下，可以近似看作纯塑性弯曲。1、弯管时温度弯管时，高频感应加热所达到的温度必须能满足被弯的管子在热塑性变形范围所需的温度.加热温度取决于被弯管子的材料与壁厚，其关系见表 1。(1)加热时间的影响因为 T=B/v(B 是单位时间内推管移动的距离，m，即线圈的宽652.5.4卸荷回路2.5.5锁紧回路 度;二是弯管推进速度，m/s)，所以当中频线圈宽度一定时， v越快，管子在线圈中停留的时间就越短。因此，调整管子在中频线圈中停留的时间，也可满足弯管工艺对温度的要求。(2)磁阻损失的影响线圈与管子的间隙，一般认为越小越好，这样可减少空气磁阻，加热效率亦高。但由于管材的几何尺寸或外焊道都有制造公差，为保证加工过程不损坏昂贵的高频线圈，常用表 2 给出的间隙范围。表 2 中频感应加热线圈与管子间隙值2、小半径弯管过程中的塑性失稳现象弯曲变形是在感应加热段变形阻抗小的局部区域发生的。因此，加热带宽度越小，其变形区域越窄，就不易产生塑性失稳而导致压曲和波浪折皱;加热带宽度越大，可增加弯管时的柔性，降低推力，但此时易使受压侧发生塑性失稳，导致产生波浪折皱，.且增加横截面的椭圆度，严重影响弯管质量。根据塑性曲屈理论，可以计算出加热带宽度小于两倍壁厚时，不会出现受压侧的塑性失稳现象。在实际弯管生产中，只要合理设计感应圈，配备合适的加热和冷却条件，控制弯管推进速度，即可保证加热区的温度和宽度。根据以上选取中频加热线圈长度为 50mm。管子随加热的移动，由热敏系统控制。2.7 控制系统设计新型弯管机的工作特点是加工时间短，加工频度65高。因此，其电气控制系统必然出现频繁切换的工作状态。如果采用原来的完全由继电接触器组成的电气系统，在切换过程中容易出现继电器接触不实、出点粘连甚至烧毁等事故，影响生产的顺利进行。可编程控制器（Programmable Logic Controller简称 PLC）是随着计算机技术的发展而产生的一种新型工业控制装置。它既有计算机的可编程、可存储及运算速度快等特点，又具有大众化的与继电接触控制相类似的梯形图编程语言，还具有适合于恶劣场合的强可靠性及适应能力。另外，还具有编程方便、维修方便、可靠性高于继电器控制装置、体积小、成本可与继电器装置竞争、可扩展等优点，目前已经成为在工业现场应用最为广泛的工业控制装置。为了提高新型弯管机的工作效率和可靠性，决定采用可编程控制器来对它的弯管加工过程加以控制。为了保证弯管机的正常工作，本系统除了控制钢管的加工过程，还应设有必要的断路、过载保护项目。为了确保操作人员和设备的安全，应使控制系统的程序带有自诊断功能。当加工过程中出现故障时，系统发出警报并停止加工，防止故障的进一步扩大。而且，必须在排除故障后系统才能重新启动。另外，系统还应设有急停按钮，一旦出现紧急事故，可以通过按下急停按钮来停止系统的进一步工作,从而提高系统的安全系数，确保工作人员的人身安全，避免设备的硬性损害。第 3 章 计算新型弯管机力能参数65在新型弯管机的研制过程中，所有涉及到理论计算的问题（包括弯管机各力能参数的计算、各机构中用到的主要零件的尺寸确定及强度校核等）都是个人按照分工独立完成的，其中力能参数（包括弯管机的驱动力矩、夹紧机构的加紧力和压料机构的压料力）的确定是完成其他一切设计工作的前提条件。3.1 分析管材弯曲力矩管材弯曲力矩的计算是决定弯管机力能参数的基础。只有计算出管材的弯曲力矩后，才能确定弯管机所需的驱动力矩、液压系统工作压力、主传动机构各部件的结构尺寸、夹紧力大小以及弯管模半径等一系列参数。由于管材弯曲成形过程是一个包括几何非线性、材料非线性和接触非线性的复杂问题，弯曲时的力矩不仅取决于管材的材料性能、断面形状与尺寸以及弯曲半径等基本参数，同时也与弯曲方法、使用的模具结构等因素有很大的关系，因此要从理论上精确计算出管材的弯曲力矩是非常困难的。目前已有的计算弯曲力矩的公式都是对于板材而言，而管材的弯曲力矩一直没有一个确定的计算公式，大多是利用经验公式进行计算。我们通过对管材纯弯曲过程中的应力应变状态进行分析，根据塑性理论建立了管材均匀弯曲时所需弯矩的计算公式。3.2 分析管材弯曲变形区应力应变状态3.2.1 应变中性层和应力中性层 如图 3-1a 所示，管材在外力矩 作用下纯弯曲M时，弯曲变形区的外侧材料受到切向拉伸而伸长，内侧材料受到切向压缩而缩短。652.6 中频加热系统设计由于切向应力 和应变 沿管材断面的分布是连续的，故当弯曲过程结束，由拉伸区过渡到压缩区，在其交界处一定存在着一层纤维，它的长度等于管坯的原始长度，即该层纤维的应变 =0，此纤维层称为应变中性层，它在断面中的位置用曲率半径 表示。切向应力有弯曲外侧的拉应力转变为内侧的压应力时，断面也内一定存在着一层切向应力为零的纤维层，称为应力中性层，他在断面中的位置用曲率半径 表示。管坯在弹图 3-1 管材弯曲时的受力及其应力应变状态（a）受力状态 （b）应力应变状态性弯曲阶段，应力沿断面呈线性分布，应力与应变之间的关系遵循虎克定律，故应力中性层和应变中性层相互重合并通过断面重心。随着弯曲过程的进行，当弯曲变形程度超过材料的屈服极限后，变形性质由弹性变为塑性，故在弯曲过程中应力中性层和应变中性层不仅不相互重合，也不通过断面重心，而是随着曲率的增大逐渐向曲率中心方向移动，并且应力中性层的移动量大于应变中性层的移动量。不过，当弯曲变形程度较小时，中性层的移动量很小。魏建华分析和计算，在以后的推导中将其忽劣不计，而认为在弯曲过程中应力中性层和应变中性层相互重合并通过断面重心，弯曲后断面重心层的曲率半径用 表示。3.2.2 弯曲变形区的应力应变状态 65图 3-1b 所示为管材弯曲变形区的应力、应变状态，其中 A 点表示弯曲外区（拉伸区）的应力应变状态，B点表示弯曲内区（压缩区）的应力应变状态。当弯曲变形程度较小时，仅在管材切向产生较大的应力 ，而管壁厚度方向