折弯机液压系统设计及主要零件的工艺工装

I 摘 要 在研究国内外 折弯 机械的发展状况和我国 折弯 机械存在的问题的基础上，根据 零件 作业的要求，设计了一种 利用液压元件驱动 单 向 作业的 折弯 机。该机型 采用曲柄滑块机构 ， 解决了实际生产之中薄板材的折弯 。并且通过对机构的运动分析和计算， 通过机构的转化来实现 使 折弯力在加工过程之中始终与零件时刻保持垂直的 一台空调冷凝器后罩生产线上专用的三梁二柱式的非标准设备。 该 折弯机 的特点是结构简单，操作容易，工效高。 关键词 ： 折弯机 液压 非标设备 n at in to to to to on a in is is is is 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 内外的科技现状 . 1 内外的现状 . 1 题目的和意义 . 2 文主要研究内容 . 3 第 2 章 折弯产品的零件图 . 4 第 3 章 折弯机设计原理和机构方案的分析、比较、确定 . 6 折弯机设计原理的分析、比较、确定 . 6 折弯机结构方案的分析、确定 . 7 第 4 章 折弯机设计的计算和结构说明 . 9 弯力的计算 . 9 压边力的计算 . 10 压紧块的设计 . 10 压边力的计算 . 11 压紧块中心位置的确定 . 12 架的受力分析 . 13 机架以及相关零件参数的确定 . 13 机架的受力分析 . 15 缸的选取 . 22 压紧缸的选取 . 22 折弯缸的选取 . 23 液压系统的设计 . 29 负载分析 . 29 执行元件主要参数的确定 . 30 拟定液压系统原理图 . 31 第 5 章 典型零件的加工工艺过程 . 34 导柱 . 34 压紧块的工艺安排 . 36 结 论 . 38 致 谢 . 39 参考文献 . 40 . . 1 of 1 . 1 of . 2 he . 3 of . 4 . 6 6 . 7 . 9 . 9 . 10 . 10 . 11 . 12 A . 13 . 13 A . 15 . 22 of . 22 of . 23 V of . 29 . 29 to . 30 of . 31 . 34 . 34 . 36 . 38 . 39 . 40 1 第 1 章 绪论 机械工业担负着国民经济各部门，包括工业，农业和社会生活各个方面提供各种性能先进，价格低廉，使用安全可靠的技术装备的任务，在现代化建设中是举足轻重的。机械设计是机械产品研制的第一道工序，设计工作的质量和水平直接关系到新产品质量、性能、研制周期和技术经济效益。 在一般的机械加工工厂中，有一部分设备是可以直接订购标准的设备，另一部分 则是买不到而需要专门设计和制造的设备。后一类设备通常称为非标设备。非标设备的设计和制造是一项必须经常进行的工作，它直接关系到工厂的生产效益和产品质量。本“折弯机设计”选用设计过程中没有现成具体结构，须独立思考，把有关理论知识灵活应用到设计实践中去的非标准设备作为毕业设计课题 。 内外的科技现状 内外的现状 经过多年的长期努力，我国在冷凝器设备研究方面取得重大技术研制成果。由于我国社会的发展和经济增长方式的改变，促使企业降低能耗，提高能源利用率和能量回收率。因此，近年来，节能节水型冷却设 备一冷凝冷却器的需求量大增，尤其在一些技术改造项目中，特别在 80 以下的低温冷却领域，管壳式冷凝器有着特别明显的优势，并已开始向民用空调领域扩展。近年来，管壳式冷凝器在我国的应用发展迅速，据不完全统计，国内已有管壳式冷凝器生产厂家超过 50 家，年产量近万台，产值十几亿，并以每年近 30速度增长，市场初具规模。但总体上厂家规模偏小，产品自主知识产权少，产品质量的稳定性不够，缺乏专业的维护保养队伍：同时，国内也缺乏权威的产品质量检测标准，没有足够的工程数据来指导设计和选型。这些都一定程度上影响了该产品的认同度 和市场推广速度。随着制造技术和产品性能的提高以及售后服务水平的跟进，作为水冷式冷凝器 +冷却塔的替代产品，管壳式冷凝器有着巨大的发展潜力。还有必须加大装备的开发力度，掌握装备的核心技术，形成一批具有自主知识产权的装备，做到性能先进、质量可靠、高效节能、经济安全，满 2 足化学工业的发展需求。 冷凝器的发展趋势 : 提高冷凝器的传热效率一在一定传热量和能量消耗的前提下使设备紧凑，减少占地和材料消耗，降低成本，是冷凝器今后邑的发展趋势，可由以下两个方面得以实现。 (1) 采用高的长径比冷凝器采用高的长 径比，一般在 6 9 之间，此时冷凝器的体积小，竖直方面重叠的排数也少，冷凝器抉热系数高。另外，壳体长可使水侧的流程数减少，管数减少，水侧阻力损失也相应减小 。 (2) 采用高效能抉热面各种人工强化的冷凝面统称为高效能传热面。螺旋直肋或焊、撬螺旋线管中冷凝氟利昂，凝结抉热系数比空管提高 。日本某公司研制的 C 型管和我国某厂研制的 由于管外侧面粗糙，顶部呈锯状，同时 内表面加工一条从外表面向里轧制的单头圆凸形螺旋线，因此具有很高的冷凝抉热系数，可达光管的 8 10 倍 。采用表面纵槽或波形 冷凝面及横纹槽管和缩放管都可大大提高传热效率。总之，通过管子形状或表面性质的改造来强化传热过程，以提高冷凝器的效率，是国内外冷凝器发展的一种趋势。 题 目的和意义 以上这些成绩的取得固然可喜，但我们必须还要看清一些现状， 根据资料显示： 就综合机械化的水平看，总体上 中国目前只能 赶上或达到国际上上世纪九十年代初的水平。 另外，冷凝器装置 与国外相比 ， 在技术 性能方面 ，环境保护、 可靠性方面和监控及保护系统方面 也都 存在不小的差距 。因此，必须提高自主创新能力，加大科研投入力度，努力达到世界先进水平。 对冷凝器折弯机的 结构的研究，使其操作简单，通用性好，模具成本低，更换方便，对提高劳动生产率，降低工人的劳动强度具有显著的作用。因此它的研制有十分重要的意义。 针对上述现象，对于冷凝器折弯机的研究一直是一个不间断的工作，今后相当长的时间内，我们都要研究它。 本设计的目的是为了 解决了实际生产之中薄板材的折弯 。并且通过对机构的运动分析和计算， 通过机构的转化来实现 使折弯力在加工过程之中始终与零件 时刻保持垂直的 一台空调冷凝器后罩生产线上专用的三梁二柱式的非标准设备。 该 折弯机 的特点是结构简单，操作容易，工效高 ， 因此它的研制有着十分重要 的意义。 3 文主要研究内容 根据 要加工的钢板的加工要求，设计一套满足冷凝器后罩折弯机的装置 ，并通过该设计培养独立设计 的 能力。 本设计拟解决的关键问题： 4 第 2 章 折弯产品的零件图 本设计的折弯机适应折弯钢板厚度 具体对该折弯机来说所加工零件的材料为 08F， 厚度为 在折弯加工之前，零件已经由冲压机床进行了加工，即使板材的四周向上折好高为 20边，另外在零件的中间部位还均匀分 布有一些凸起（如图 2示）。 图 2弯产品加工前的零件图 经过折弯机加工之后，即变成图 2示的结构。 图 2弯产品的零件图 对比图 2图 2得本设计所要完成的工作就是将图 2示的零件沿中 5 间的虚线将左边部分向上折起 90 度，即达到图 2示的形状。要求在折弯后，零件内侧的弯曲半径为 3时由零件图可知加工过程就是一个弯曲过程，而弯曲过程可分为三个阶段： 1. 弹性弯曲阶段 此时外弯曲力矩的数值不大，应力小于材料的屈服点； 2. 弹 在阶段 1 的基础上，外应力继续增大； 3. 纯塑性阶段 在阶段 2 的基础上，随着外应力的继续增大，毛坯的材料完全处于塑性变形阶段。 要完成加工过程，就要使零件的变形达到纯塑性变形阶段， 只有这样加工出的零件才能达到实际生活所需。 6 第 3 章 折弯机设计原理和机构方案的分析、比较、确定 折弯机设计原理的分析、比较、确定 由折弯产品的零件图可知，要实现的功能就是将图 2示的形状折弯成如图 2示。要实现这一功能可以有如下的 方案： 方案 （一） 利用冲压机床加工 设计一台专用的冲压机床来加工，将待加工件置于冲压机床的工作台面上，然后通过机床的冲压头作用加工而成。利用冲压机床加工的效率高，但是由于所需加工的零件面积相对冲压机床的工作台很大，这样要求冲压头也很大，而零件本身的厚度仅为 位面积上所能承受的压力很小，在加工过程之中零件很易断裂。同时由于待加工件的四周已经加工了高为 20边，使得在冲压加工过程之中将产生干涉，因此该方案难于实现。 方案 （ 二 ） 利用折弯机床加工 在方案 （ 1） 之中，为了加工得到所需的零件，所利用的方 法就是将待加工件置于一工作台上，然后从待加工件的正上方施加一冲力。 相对方案 （ 1） 而言，方案 （ 2） 主要是从零件的下方施加一个始终垂直于零件的力，使零件的一部分向上折起成图 2示的形状。具体来说就是设计一台专用的折弯机，先将图 3示待加工件虚线左边的部分置于折弯机的工作台上，再在工作台的正上方施加一垂直工作台的力，将零件压紧在工作台上，然后在零件的右边部分施加一个垂直该部分的力，慢慢的将右边部分向上折起，直到达到所需的形状（加工过程受力如图 3示）。 方案 （ 2） 改进了方案 （ 1） 之中出现的问题，避免 了在零件的表面施加一很大冲量。使零件在加工过程之中受力均匀，不会发生断裂现象，该方案可行。可选用该方案进行设计，来加工零件。 7 图 3件加工过程受力图 折弯机结构方案的分析、确定 通过设计原理的分析比较以及选用，结合所给的任务书，可以确定折弯机的大概轮廓，施加在零件上的压边力要求是一恒力，且在加工完成之后，该力可以撤除以便取走加工件，则可以选用一个双作用的油缸用做压紧缸，利用油缸活塞杆的上下移动来完成加工。又由任务书可知主机采用三梁二柱式的结构，且活动梁采用主柱导向，下梁焊接在机架上，上 梁通过导柱与下梁相连，则可以大概的定出折弯机的结构，即压紧油缸固定在上梁之上，活塞杆与活动梁相连，通过活塞杆的上下移动来带动活动梁运动（如图 3示 ）。 图 3弯机结构简图 又由于零件的四周有一高为 20边、表面有凸起，则不能让活动梁直 8 接压在零件之上，因此必须根据零件的结构来设计一压紧块，让压紧块与零件作用。 折弯机三梁二柱结构的确定提供了在加工过程之中的压边力，由图 3知要折弯零件不仅需要压边力，更重要的是需要有折弯力，由分析可知，要求折弯力在加工过程之中始终与零件垂直 ,则必须设计一个 机构 ,通过机构的转化来实现上述的要求。结合任务书可得 ,提供折弯力的施力体为油缸即折弯缸。其机构可如图 3示。 图 3弯机构图 该机构为一个含一个移动副的四杆机构，有三个转动副和一个移动副，其自由度为： F=3 3 24=1 该机构的原动件为移动副，具体对折弯机构来说就是折弯油缸。 通过折弯机结构和折弯机构的确定，可以定出折弯机的结构和折弯机工作过程：即为先是压紧油缸的活塞先动作，推动活动梁和压紧块向下运动 ,直到压紧块压住零件，并且保压一段时间，在压紧缸保压过程中，折弯缸对零件 进行折弯加工。加工完成后，压紧缸的活塞杆向上运动，将活动梁与压紧块移走，以便取走已加工件。由以上的叙述可知，要完成零件的加工，最关键的就是要有能够提供压紧力和折弯力的机构，且保证两力在工作过程之中的相互协调。 9 第 4 章 折弯机设计的计算和结构说明 弯力的计算 在整个设计过程之中，最终要达到的目的就是要将一板材加工成如产品的零件图所示的形状。则在整个设计计算过程之中首先应从折弯零件所需的折弯力入手。而此处所讲的折弯力即为在弯曲模中的弯曲力。 弯曲力的大小不仅与毛坯尺寸、材料的机械性能、凹模支点间的距 离、弯曲半径以及模具间隙等因素有关，而且与弯曲方式有很大的关系，因此要从理论上来计算弯曲力是很复杂的，计算的精确度也不高，通常在生产中是采用经验公式或经简化的理论公式来计算。 弯曲有自由弯曲和校正弯曲之分，自由弯曲即在弯曲的过程之中，被弯曲的部分没受到外部的阻碍；而校正弯曲是在弯曲的过程之中在外部对弯曲部位施加一个阻力来限制弯曲件的自由变形。 在本设计中，零件的弯曲属于自由弯曲。查冲压手册可得 V 形件的自由弯曲力计算公式为 : b 式中 F 自 N； 般取 K= 由于板材的材料为 08F，材料的厚度为 t=压手册， 08F 所对应的最小的折弯半径分为两种情况：当弯曲线垂直于扎制方向时 t 为材料的厚度） ;当弯曲线平行于扎制方向时 由于在加工过程之中难于知道扎制的分布情况，则假设弯曲线平行于板材内的扎制方向，因此： 此时的 在的层为材料变形的中性层，也是该材料所能折弯的最小半径，而在本设计之中，零件折弯后内侧的半径为 3于弯曲的最小半径，能加工。弯曲的最小半径 弯曲后的结构如图 4示。 10 图 4板材的示意图 又由折弯产品的零件图可知板材的宽度 b=522度 t=曲内侧半径 r=3机械设计手册可的零件的强度极限 b 不 小于 295处取 b=295材料的自由弯曲力为： b tF b 0 1 9 2 自 。 以上即为折弯力的求解过程，也就是说在折弯零件的过程之中，油缸通过折弯机构的转化最终作用在零件上的力不能小于 压边力的计算 压紧块的设计 由折弯机的原理可知要对零件进行折弯必须有一压紧力先压住零件，然后再进行加工。压边力由压紧油缸提供，通过压紧块作用在板材之上。而由图 2加工的零件表面不是平整的，则需要在活动梁的下面装一压紧块用来与零件接触， 而压紧块的结构完全是由零件的结构来确定。又零件一直位于工作台平面上的部分长为 792为 522四周有高为 20边，则将压紧块的长设计为 便不碰到零件。从主视图上看，使压紧块前后侧的平面与活动梁前后侧的平面对齐，而任务书中要求工作台的有效面积为55050取压紧块的宽为 300零件的中间部位排列有一些凸起，则压紧块的下部与一侧面应挖去深为 5块，在加工该处时由于结构的限制只能用铣床来加工。当零件折弯后，为使折起部分的凸起不与压紧块相干涉，则应在压紧块的侧面开 一深为 5为 490槽。总的说来就是让压紧块压住零件的三条靠外侧的边。同时由于零件的特殊结构，折弯前两侧 11 的高与其垂直的平面的相交处是半径为 3圆弧，折弯后折弯半径也为3要求压紧块同时与零件两相交面接触的地方也加工成半径为 3圆弧。又由于所折弯的零件仅为 ，则对压紧块的精度要求很高，因此在装配压紧块与活动梁时，应配作定位销孔。在确定定位销孔的位置是应使两孔之间的直线距离越大越好，这样能够减小定位的误差，同时定位销与其孔应为过盈配合。则压紧块的具体结构如图 4示。其具体的 结构尺寸见压紧块零件图。 图 4紧块结构示意 压边力的计算 在 已将压紧块的结构设计好，压边力的计算查冲压手册可得：压料力即压边力是 V 形自由弯曲力的 30 80 ，即， 式中： F/ 压料力 ， N； F 自由弯曲力， N； V 形自由弯曲力的计算公式为：式中 ： K 系数， 一般取 b 弯曲件的宽度， t 弯曲件的厚度， 又由折弯产品的零 件图可知板材的宽度 b=522厚度 t=查机械设计手册可的零件的强度极限 b 不小于 295此处取 b=295材 12 料的自由弯曲力为： NK b tF b 4 6 1 9 又由于有： ，取中值，则压边力为： 。 以上即为压边力的求解过程，具体来说就是，在折弯机工作过程之中，要能够顺利完成折弯过程， 压紧块 中心位置的确定 在 ，已经将压紧块的结构和具体尺寸确定，为计算方便在确定位置时将压紧块的长度取为 520由于压紧块的形状不规则，则其中心位置不在与活动梁相连的平面的几何中心位置。也就是说压紧块的中心不在活塞杆对活动梁作用的受力中心，这样在压紧缸保压过程中，将会产生转矩，则为了维持系统的平衡，导柱会对活动梁产生的弹力。 对压紧块的中心求解可采用面积等价法。由图 4知，可将压紧块分为两部分，即对中间的规则部分和余下的部分分别求其中心。以压紧块两边的交点为原点，两边分为 X 和 Y 轴建立坐标系（ 如图 4示 ） 。 图 4紧块中心图 由图可知，将压紧块分为四部分，则 D 的中心坐标为 （ 260， 159） ， A 的中心坐标为 （ 15/2， 150）， B 的中心坐标为 （ 520， 150）， C 的中心坐标为（ 260， 5+13/2）。 设 A、 B、 C 三块的合中心为 x1,，则显然，在 X 轴方 13 向上关于 C 点对称，则 60。在 Y 方向上由面积法得 : 1=150A+150B+（ 5+13/2） C 其中： A、 B、 C 分别表示对应的三部分的面积； +B+C。 代入数值可得 ： 则 A、 B、 C 三块的中心为 260， 设整个压紧块的中心为 x,y） ，则可转化为求 D 的合中心。同理可得： x=260， y= 而假若压紧块为一规则形状时的中心位置应为 （ 260， 150） ，则由以上可见压紧块的实际中心位置沿 以上即为压紧块的中心的求法，实际上就是压紧块的中心所在平面 a 平行于两导柱所确定的平面 b，且平面 a 向着零件弯曲线的方向平移了 距离。 架的受力分析 机架以及相关零件参数的确定 由任务书可知，折弯机采用三梁二柱式。三梁采用焊接结构，具体来说，机架采用焊接结构，则机架的材料均选用焊接性能好的 梁焊接在机架上，又要求工作台的工作面积为 55050且导柱要通过螺母固定在下梁上，则 选 机 架 的 底 座 为 74020 下 梁 选 用 其 尺 寸 为720064将两导柱中心之间的距离设计为 620导柱的直径为 60这样两导柱内侧之间的距离为 560同时，在下梁上还应装两个定位轴座，使折弯机构的中心定位在下梁 所在平面上。取定位轴座的宽度为80定位轴座上销轴的直径为 25则销轴的台阶的宽度为 5工作台可用的长度为 720 80+5） =550工作台的宽度应大于活动梁的宽度取 306工作台的实际有效面积可达到 55006同时在加工零件时，可根据零件的具体尺寸在下梁上钻两个直径为 5螺纹孔，使两螺纹孔确定一个平面。又零件在未加工前的面积为 104022折弯部分的长度为 248此余下的长度大于下梁的宽度，则可在下梁的一侧加一个托板托住零件伸出的部分。托板 外侧的最外端焊上两个带内螺纹孔的小挡块，小挡 14 块上装有螺钉，螺钉是用来定位零件在工作台上的位置。这样，下梁上两螺纹孔与托板上的螺钉就准确的确定零件在工作台上位置。 机架、下梁和导柱的确定，就已经定出了折弯机的基本框架，活动梁在导柱上移动，上梁固定在导柱的另一头，又对于折弯机来说，应尽可能的保持三梁的长与宽一致，这样不仅结构对称而且受力也均匀，由此可确定上梁的尺寸为 72000时在上梁的中心开孔，使压紧油缸的活塞杆上下移动，油缸又通过法兰固定在上梁之上，这样上梁可以选用厚为 50钢板，又因为油 缸位于上梁的中心，且作用力大，则在上梁的中心将产生挠度，因此在上梁的外侧焊接两钢板以增加其刚度，由于上梁为一组焊件，则将上梁选用 时由于上下梁分别固定在导柱的两端，活动梁在导柱上下移动，则要求两导柱平行，为了保证平行可在上下梁与导柱相配合的四孔处焊上厚度为 5钢板，再对钢板进行加工，以减小加工面积。则上梁的具体结构如图 4示 (具体尺寸见零件图 )。 图 4梁结构图 由以上的叙述可知，已将上下梁的结构和具体的尺寸确定。而对于活动梁，是为了使活塞杆与其相连，带动压紧块上下运动，其结构简单。 活动梁的长与宽分别与上梁一致，取 720 300但在活动梁长的一侧应挖去一长为524为 20槽以让开零件折弯后四周的边产生干涉。同时，由于活动梁要在导柱上上下活动，则应在活动梁上装上导向套，同时配作螺纹孔用来装配油杯，其结构如图 4示（具体尺寸见零件图）。 15 图 4动梁结构示意图 三梁的确定已经将折弯机的具体结构定出，同时将工作台与地面的距离定为 800此来确定机架的高度，同时机架的结构为焊接式，则将机架的材料选为 架的底座选长 740 720为 25钢板，然后在平行于底板长的方向上焊上两垂直于底板的钢板，为增加其强度，再在两垂直钢板之间焊上一钢板，这样从正上方看三块钢板，就形成了一个 H 的形状，然后在三垂直底板的另一端焊接一长 720 286 20钢板，再在该钢板上焊接两根型号为 8 的槽钢，用来连接下梁。这样整个机架和下梁就形成了一组焊件。同时，在底板上还需装上一个支撑架用来定位折弯缸。在中间垂直钢板上开一个长为 300宽为 150孔让折弯缸通过。而对于折弯缸底座的支撑架，将其设计为一个单独的构件，这样既便于加工有便于装配。其 具体的结构尺寸由折弯缸尾部转耳来决定。另外，在导柱与上下梁相连接的地方应采用过渡配合，这样可以保证导柱装上后不会晃动。 由以上叙述可知，已经将折弯缸的具体结构和各梁的尺寸定出，只需要校核各处的强度来确定所选的零件尺寸是否合格。 机架的受力分析 通过压紧块中心的计算可知，在压紧缸的保压过程之中，由于压紧块的受力中心与压紧块的中心不重合，则将会以压紧块中心产生偏转，但系统却是保持平衡的，则活动梁将受到导柱对其产生的弹力，受力图见图 4 对该系统进行受力分析得，系统受到压紧力 P， 重力 G， 支撑力 N 以及导 16 柱对上梁的弹力 于 2为一对内力，则 又由钢的密度为： =将活动梁与压紧块当中规则的形状来计算，可求得其重量为： 0 3 3 因为压紧力为 50重力远小于压紧力，在计算过程之中，可忽略活动梁与压紧块的重力，即认为 P=N。对活动梁和压紧块进行受力分析得： 在水平方向上 ： 2，且方向相反； 在竖直方向上： N=P= 再以 O 点为转动中心，以逆时针转动方向为正， 则力矩平衡方程为： 2 ，又有 8 39880 则 则由上述计算可知，在压紧缸保压的过程之中，导柱受到活动梁的两弹力作用，在此时导柱相当于一固定梁，受到一对大小相等，方向相反的力作用，将发生弯曲变形，受力图如图 4示： 图 4紧块受力图 图 4柱受力简图 对导柱进行受力分析，取水平向右为正，竖直向上为正，则可分别求得导柱在水平方向与竖直方向上所受到的力： 在水平方向上： 21 ； 17 在竖直方向上： 由于 21 ，则 R 。 对导柱由力矩平衡方程可得： 07025530 21 点为支点：以 01 8 52 5 52 2 5 21 点为支点：以 ；又与 1839821 的方向相反。与竖直向上，且又两方程可得： 8 8 6 当确定好各力的大小后，设弹力 作用点为 C， 作用点为 D，则 c 为： c 1 d 2 则其弯矩图为： 图 4柱受力弯矩图 则由弯矩图可知，危险截面将在截面 D，由于导柱的材料为 45， 查机械设计手册 1，可得 45 的屈服极限为 50，安全系数为 4，则导柱的许用强度为： s 。 又由于导柱的截面形状是直径为 42圆，则可求得它的抗弯截面系数为： 43340 0 0 2 3 则导柱的弯曲强度条件为： 18 WM m a xm a x 带入数据得： 40 0 0 2 3 m a xm a x 则由上式可知导柱的强度满足要求，安全。 由以上计算可知，导柱的强度小于许用值，但由于导柱两端固定，而在靠近下梁的一端受到活动梁对其的弹力作用，则导柱将会产生弯曲变形，如果导柱的挠度过大，产生的变形将会影