液压弯管机设计（夹具部分）【含CAD图纸、说明书】
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摘 要 弯管机是一种能够实现对金属管状材料的弯曲的一种设备。它主要的加工材料在现实生活很多地方都能看到，比如冰箱的冷凝管、空调的回流管、还有摩托车的排气管等等都是弯管机加工的一些实例。然而，目前国内对金属管状材料的弯曲大多数都是人力实现弯管，这不仅仅影响工厂的生产效率、大大的影响生产质量、极大的浪费人力物力资源，而且还不符合我国对目前工厂要求的高效率高质量的基本要求。所以本次的所研究的液压弯管机就是解决工厂生产效率低下，解放工人的劳动力，提高生产的工件质量。为了解决这些问题，我们采用了液压式弯管机，该弯管机采用液压的方式不仅能够提供平稳足够的弯曲力而且弯曲速度也会大大提升，从而提高生产效率。所以制造的弯管机能够实现多种管材类型的加工。如今设计的液压弯管机大体上能够满足到上述所需要求，不过该液压弯管机仍然存在很多的不足还需要改进，比如实现上下料的快速转换和高精度的弯管等等一系列问题，所以我们仍然需要提高创新和创作意识，为我国的弯管技术能够和国外一些先进的弯管技术而努力。 关键字：液压弯管机；夹具设计1AbstractBending machine is a key equipment of infrastructure construction in our country. Not only in electric power, petroleum chemical industry, also in the natural gas, central heating and other transportation process and need to a lot of elbow, elbow, and in refrigerators, air conditioners and circulating cooling system of machinery and equipment have great value in use. So the bending machine is one of the important production equipment, it is safe, reliable and efficient operation, directly related to the production efficiency and processing quality of automatic production line.Currently bender are different and complicated in structure, is mainly in the bending process greatly in tubular damage: in the bending process, the outer wall of the tube is tensile and the inner wall is compressed, there is stress concentration, and in the use of process under (mainly from bending in liquid or gas) a smaller range of pressure, in the outer wall is stretching to crack cause leakage. There are two important factors affecting the quality of the elbow: one is the material, the two is the machine. The machine fixture and the direct contact with the workpiece, so the fixture part is particularly important, a good fixture scheme on the quality of processing a great impact. Key words: Hydraulic pipe bender;Fixture design1目 录摘 要2Abstract31引 言51.1国内外研究背景及发展趋势51.2研究目的及意义52 液压弯管机的简介及分类62.1弯管机的简介62.2弯管机的分类及其特点63液压弯管机设计总体方案63.1设计要求63.2方案选择74管材弯曲相关参数计算74.1管材的力学性能分析84.2管材弯曲过程分析84.3最小弯曲半径的计算94.4管材中性层曲率半径104.5管材的抗弯截面系数104.6管材弯曲力矩的计算114.7旋转力矩的计算124.8夹紧力和压料力的计算134.9 轴承的选择135 轴及轴上零件的设计计算145.1 键的选用165.2 螺栓和螺母的选用176 推力杆设计177 弯管零件设计187.1 弯管模的设计187.2夹紧模的设计197.3 压料模设计198 液压缸的设计198.1 液压缸工作压力的选定208.2 液压缸内径D与活塞杆直径d的选择208.3 主液压缸铰链结构设计219 箱体的设计2210 箱体底座设计2211 管材支撑零件设计23结 语241、引 言1.1国内外研究背景及发展趋势弯管机不管在国内还是国外都是各个行业非常重要的一块，它的发展对一个国家的强大也有着很大的联系。当前，国内的弯管机相对国外一些发达国家相比还是存在很明显的差距，比如在精度、质量、效率等等方面都是有很大的不足。目前，国外的弯管机能够实现全自动化，在国外的工厂里，只有机器在工厂运作，基本上一个车间就只有一个管理人员。不管是上料、弯曲、下料、装箱都能够自动完成，而且生产速度相比国内也是有很大的优势。这就值得国内的一些厂家所深思，为什么国外的弯管机在保证质量、精度等等的条件下生产速度还比我们快。所以我们国内应该朝着这些方向去研究。当然，在近几年国内的弯管机技术也是进步非常之快，这是因为我们国家对弯管机设计起步比较晚，所以有很多的资料可以借鉴，但是在一些高精尖的部分还是要靠我们自己去摸索。我们可以沿着全自动的方向去考虑，如何实现全自动？这就可以借鉴国外的思路和方法，可以在上料口处添加机器人等等，当然想法是很多实现就很难，所以才要我们去努力去研究。 1.2研究目的及意义自主研究一台液压弯管机夹具设计，该设计能够实现对管状工件的夹紧和弯曲过程中保证被加工工件的稳定和保护被加工工件不被破坏。该夹具设计能够使得工件的平稳运动，大大降低了工件的不合格率，提高了工厂的生产质量和业绩，在各个方面都有着重要的意义。2、液压弯管机的简介及分类2.1 弯管机的简介弯管机是极度普遍而且实际应用也涉及的非常广泛的一种设备。该设备就是对一些回转体刚性管件进行弯曲加工，使得这些管件能够按照人们的要求弯曲一定的角度，比较常见的有30度、45度、60度、90度、145度、180度等等。在我们的日常生活当中，这种设备所加工出来的成品也是无处不见。比如自来水钢管、电热风扇的加热u型管、电冰箱的冷凝管、空调的回流管等等。这些弯管有大有小有粗有细，这就使得弯管机的型号形态各异。液压弯管机看似是一种很普通的设备，但它的应用之广泛、价值之高大、结构之巧妙就使得我们去认真的去研究、去专研。这样我们国家的弯管技术才能有一个质的飞跃。2.2 弯管机的分类及其特点图下就是根据弯管的不同的图示。3、液压弯管机设计总体方案 3.1 设计要求通过设计弯管机，必须有一定的要求。运行时的压力有液压杆控制，能够按照人们的要求对管子弯曲成型，管材规格为外径*壁厚：19*1.0 22*1.0 28*1.5 35*1.5。3.2方案选择要提高公司的生产效率，使用液压弯管，动力足而且稳定，能够对工件起到有效的保护。因为所需加工的管材规格可知，外径和壁厚都不是很大，所以液压所提供的动力是足够的。但考虑到加工的管材长度未知，所以上料口的位置留有足够的活动空间可供不同长度的管材上料。具体的设计图示。4、管材弯曲相关参数计算4.1 管材的力学性能分析在下面的图中我们可以看出被弯管的受力后力的变化图，横坐标为变形量，纵坐标为作用在被弯材料上的力。当弯管件上的受力不大于Fe，这时就是在弹性变化阶段，当作用在被弯管件上的里去除的时候，被弯管件就回到原来的状态；管件上的力在Fe与Fs之间，就处于屈服阶段，当作用在被弯管件上的力去除后，该被弯管件不能恢复原来的形状；当作用在管件上的力F达到Fb时，弯管到强度极限，再加力F，管件结构破坏，产生断裂或强度不足。是被弯管件的抗弯截面系数的解算等式，F/W是管的许用应力，用/0是应变量，得出许用应力应变量图。Fb（b）F（）Fe（e）Fs（s）（）0 图2-1 管材力学性能分析图从上面的图我们可以看出当被弯管材，我们可以看出，当管材符合我们要求就符合上图弯曲且实际可行。4.2 管材弯曲过程分析当作用在被弯管材上的力矩超过了他的强度极限的时候，被弯管材才会发生弯曲。在它弯曲的过程中，由于被弯管材是一种空心的管状，因此一定会出现在被弯管材被弯曲的过程中，管材内侧被被挤压。同时，处于内侧的被弯管材守到挤压。当作用在管材上的挤压应力太大，处于内侧的材料就会发生起皱。因此就需要极其严格和缜密的计算来保证他的各个参数都符合要求。当然，要设计出一台合格的弯管机这些参数也是远远不够的，因为被弯管件在弯曲过程中是极为的复杂和繁琐的。在弯曲过程中有些力是时刻变化的。在下面的表格中就显示出了了不同参数的之间的关系，这也像我们展示了弯管机设计的下一个阶段，被弯管件的恢复弹性阶段。被弯管件的材料是45钢的，45钢是存在着一定的塑性，当作用在被弯管件上的力没有超过它的屈服极限，该被弯管件是存在一定的恢复弹性的能力。在弯曲角度一定的条件下，45钢相对其他材料的恢复弹性的能力较小，但是，对恢复弹性研究能帮助我们了解弯曲出更高精度的角度和更适合我们的弯管，很显然，公司工厂不愿意也不希望他们幸幸苦苦弯制出来的弯管在去下之后过了一段时间就恢复了原来的形状。在下面的图中我们可以很明显清晰的看出被弯管件在被弯曲的三个过程。在这些不同的过程中，各个力也是不相同的，并不是一成不变的，这也就是弯管机设计的要点也是难点之一。FF校F自S32 10 图2-2 1-弹性弯曲阶段；2-自由弯曲阶段；3-校正弯曲阶段4.3 最小弯曲半径的计算就是被弯管件能够弯曲的最小的角度。这个量称为相对弯曲半径。它的定义就是被弯管件的弯曲后的半径和被弯管件的直径的比值。通过这个比值就可以看出被弯管件的弯曲程度。由于本次设计的被弯管件的材料为45钢。通过查表和查手册可以得到45钢的管材延伸率s=16%。然后又查的最小弯曲半径的计算公式：Rmin=D0/2s 式中 Rmin 最小弯曲半径 s 管材延伸率 D0 管材直径 本次设计要求的管材规格为：直径*壁厚-19*1.0、22*1.0、28*1.5、35*1.5（mm），把这些数据代入式子中可求出最小弯曲半径，根据要求，确定弯曲半径。见下图1-1：4.4 管材中性层曲率半径由于弯管件的内侧和外侧都会分别受到挤压和拉伸应力。所以，一定会存在一个区域既没受到拉伸也没受到挤压。因此它的中性层在管子的内部，并不是简单的位于管材的中间的一个面。这个系数是用来描述中性层偏移量的大小，因为这个系数很小，而且本次的设计又不需要弯管精度很高的条件，因此该系数可以忽略不计。被弯管件中性层曲率半径由公式计算得出，它的计算公式如下： 式中 管材中性层曲率半径 r 管材最小弯曲半径 X 管材中性层系数 D 管材的外经 图1-2材料规格已知：r/D1.5，故取x为0.5.取规格为直径*壁厚为35*1.5（mm）的为例，故中性层曲率半径： （mm）中性层曲率半径表： 图1-34.5 管材的抗弯截面系数 不同的材料它的强度和刚度也不一样，这些强度和刚度能够抵挡材料的受力变形。这种能够抵抗弯曲应力和弯矩应力的能力，在材料力学中我们用抗弯截面系数来示意。通过查表和查设计手册得到具体的计算公式如下： 式中：W管材的抗弯截面系数，； D管材的外径，m； 管材的内径必上外径。取规格为直径*壁厚为35*1.5（mm）的为例，根据公式计算得：=通过上述公式计算出给出的四种规格的被弯管件，结果如下图1-4所示： 4.6 管材弯曲力矩的计算被弯管件在弯曲过程中是相当的复杂，被弯管件所受到的力是无规律的变化的。这就使得研究被弯管件的力学性能分析的难度异常大。在我们的工厂实际生产中，也是没有具体的公式计算出实际的被弯管件弯曲所需要的里。虽然有这些困难，通过借鉴我们还是可以找到解决问题的办法，由于实际的生产实践给出的大量的经验，生产公司得出了一种近似的求解该力的方法，由于是近似的求解方法。但这并不影响，因为近似得出所求力之后，我们可以稍微取的大一点就可以了。经验理论公式的计算如下： 式中：材料的屈服强度，MPa； r 管材的内径，m； t 管材的壁厚，m； 中性层的弯曲半径，m； 材料的抗拉强度，MPa； 实际中，有的不确定的因素。因此，上诉的理论公式也起不到多大的作用。在这种情况下我们可以借鉴经验公式来估计计算。尽管这样算出来的数据存在误差，可是与实际的并不是相差甚远，而是接近。经验公式如下： 式中：考虑因摩擦而使弯矩增大的系数 W抗弯截面系数，； 材料的抗拉强度，MPa； D 管材外径，m； 管材中性层曲率半径，m并不是摩擦系数，可是它的大小决定于被弯管件的材料类型和弯管的方式，通常来将，较硬的材料并且不添加减摩擦物质，一般取58；如果使用较硬材料的铰链式芯棒，一般取3；如果使用没有填充物的弯管件，一般取1.21.5. 规格为直径*壁厚为35*1.5（mm）的举例，计算如下：（N*m）被弯管件所要求的弯曲力如下： 式中：弯曲件宽度，m。代进上式可得： 把需要加工的被弯管件规格可计算出弯曲力矩图：图1-54.7 旋转力矩的计算计算力矩公式：式中：旋转力矩； 弯管力矩； 弯管纵向分力矩； 弯管横向分力矩。移动式滑槽时： 取 因此得旋转力矩图1-64.8 夹紧力和压料力的计算弯管机对管件的压紧力和压料力，用上式算出的最大的弯曲力矩算出得到就可以了。（1）.夹紧力的计算 计算得出：，取，算出夹紧力。（2） .压料力的计算通过对弯管件弯曲的过程中，尾端是铰链连接的液压杆和弯管模一起旋转。但是压料模只是起到压紧被弯管件的作用并不随着弯管模一起旋转。夹紧模和压料模就好比是一根杠杆的两头，弯管模是杠杆的支点。因此夹紧力和压料力的大小是可以视为等同的，所以我们都取P2=32900N。 4.9 轴承的选择因为该液压弯管机中的轴是竖直安装的，轴承的的选择应该是既能承受一定的径向载荷也能承受轴向载荷，而且能够承受住较大的径向力，还受到轴向力。因此有两种轴承可以考虑，一种是推力球轴承一种是圆锥滚子轴承。这次设计中选用圆锥滚子轴承，因为轴承的使用是一双的，可是轴的每一段的直径大小不一样，使得轴的安装方便，因此就使用两个规格不同的圆锥滚子轴承安装在轴的两端。选用的原则和示意图如下图。这次通过查表选择型号分别为30211和30215。5、 轴及轴上零件的设计计算该弯管机的主轴的设计主要包括轴的总长度，每一段的长度和直径。而且必须计算出轴的最小直径和进行轴的强度校核。必要的时候还需要对轴进行热处理等等。1.轴的最小轴径本次设计的主轴的扭转应力应该满足如下的条件： 其中：扭转切应力，MPa； T轴所受的扭矩，N*mm； 轴的抗扭截面系数，； n轴的转速，r/min； P轴传递的功率，kW； d计算截面处的直径，mm； 许用扭转切应力，MPa，见表1-7。轴的最小直径： 式中，其值查图1-7 图1-7 轴常用材料的及值功率，L是旋转主轴杆子的长度，取值100mm，计算如下： kw取为30MPa，为120，带式中得：mm2.轴的结构设计在该主轴的中心部分用螺栓连接着一根传动杆子，而且在轴的两端是是用两个不同型号的圆锥滚子轴承支撑。在主轴的上方加工有一个传动力矩的键槽，而且还攻有用于拧紧弯管模的螺纹。主轴的中心部分有连接杆子，但它和主轴并不是一个整体。因为一体的话存在着加工工艺的问题，根本无法加工出来，因此我们在主轴的中间钻出一个孔。这个孔的大小和传动杆末端的大小，它们应该需要的是过盈配合，为了防止脱落，在推力杆的末端加工了一段螺纹用于紧固推力杆和轴。3.确定轴的各段直径通过计算算出来弯管机主轴的最小直径51.2mm之后，由于这个直径不好加工而且没有该直径的轴承与之配合，所以咱们去轴的最小直径为55mm。但是在主轴的末端，存在着连接的轴套和轴承。因为力是从中间顶端传来的，末端只是起到定位的作用，它没有传递和输出力矩,然而主轴的中间需要通过钻孔来固定推力杆，因此中间主轴的直径取60mm。主轴的末端应该添加一个圆锥滚子轴承，因此主轴末端的直径取60mm。4.确定轴的各段长度轴的顶端有需要加工传动键槽而且还需要加工出紧固弯管模的螺纹，液压弯管模的厚度为53mm，底座的厚度为36mm，主轴长度取208mm。但是中间的轴需要传动较大的力矩而且只需要连接推力杆，取为70mm。根据轴套尺寸定轴长度为80mm。5.1 键的选用液压弯管机的主轴上方需要洗传动弯管模的键槽，通过键来传递液压驱动的力矩。因此通过查阅相关资料我们取圆头平键，图下是一些比较普遍的一些键的选用。这次设计使用的的键的尺寸取b=18mm,h=11mm,L=50mm5.2 螺栓和螺母的选用 螺栓和螺母在机械中都是标准件，在各个机械中的使用也是非常的普遍。它的选用是根据很多方面，比如使用的场所，被连接工件的材料。而在本次的设计中，绝大部分的螺栓都是在一些力较小的情况下的。因此本次选用的尺寸也是相对较小，多为M10的。尤其是被弯管件主轴上的螺母，由于被弯管件模需要被夹紧所以会有加工螺纹，因此螺栓的大小也理应取大一点，所以我们取M55。6、 推力杆设计这个液压弯管机并不是和通常的弯管机一样采用齿轮和齿条传动，而是使用液压推力缸带动焊接在推力杆上的旋转手柄，然后通过用螺栓固定在主轴上的推力杆带动主轴转动。这个主轴虽然承受了很大的力，可是这根带动手柄所承受的力也是不容小觑的。在上面我们谈到和计算出液压弯管机弯管所要求的力矩和力，这是被弯管件一定要的力。但是我们可以这样认为，两个力是相差不大的，甚至我们可以近似相等。这个力的大小不仅与很多因素有关，但主要的因素还是杆件的长度，我们取杆长150mm。因为推力杆是要跟着主轴一块转动，如果液压杆保持不动是完全不可行的，所以采用铰链连接是真实可行的。具体形状如下图所示。7、 弯管零件设计7.1 弯管模的设计由于任务书上给出的原始数据是加工4种规格型号的被弯管件，因此，与之对应的弯管模也应该有四块。但是他们的结构和形状是大体相似的，因为加工的管件尺寸不一，不同的只是半径。在上述我们已经谈到采用绕弯式，因此，在被弯管件的前端需要有压紧装置。可是液压弯管模是盘状，要夹紧的话受力面是不足的，不能起到夹紧的作用。因此我们在弯管模上切出一个平台状可供夹紧，实际形状如下图。当进行弯管时，弯管模受到的力相对较大，因此要考虑弯管模的材料和表面的硬度。通过计算，弯管模的材料选为45钢，表面淬火。7.2夹紧模的设计夹紧模应该是成对使用，一块固定在液压缸的推力杆上，另一块则是通过螺栓固定在弯管模上，一对夹紧模同时工作，液压杆上的夹紧模工作时向下运动夹紧被弯管件。实际结构如图。7.3 压料模设计我们在上述被弯管件受力分析是讨论过，材料在弯曲过程中内外侧都受到不同程度的弯曲应力，如果没有一个装置来控制被弯管件的变形，那么很可能会发生破裂甚是断裂。因此我们在靠近弯管模旁边加设一个压料模，这样保证了被弯管件在弯曲过程中不会被损坏。实际如下图。当然，不同的管材进行弯曲的时候，压料模也是不同的。8、 液压缸的设计在这个液压弯管机中，从图纸上可以看出，上料一个液压杆，压料模有一个液压杆，夹紧模有一个液压杆，传动部分也有一个液压杆，所以一共需要4个液压杆。在这4个中，每一个都是需要来回运动，所以这四个液压杆必须都是双向液压杆。由于本次主要是液压弯管机的设计，因此液压杆的选用和计算可以近似。8.1 液压缸工作压力的选定因为液压杆是可以选用的，根据参数选择如下：下图是不一样的设备的参数选择。选择方法有两种：1、由负载决定;2、由机械的种类决定。如下图1-8所示; 图1-8按负载选执行元件的工作压力 图1-9 按机械类型选执行元件的工作压力通过对上表的数据参数，对压料缸和夹紧缸取10MPa。8.2 液压缸内径D与活塞杆直径d的选择因为我们选用的液压缸我们只需要它释放出足够的推力，因此该液压缸都是无杆腔进液，具体计算如下： 式中：液压缸机械效率，这里取0.9代入数据得： 得出内经以后，可以按照弯管的速度来确定活塞杆的直径d，速度比的含义是： 由上式可得： 式中的取值按国家标准规定（GB/T2348-1993），通过下表查询： 图1-10 液压缸速度比与工作压力的关系取=1.33，代入式中得d=29.4mm根据计算而选择的液压缸内径D与活塞杆直径d应圆整到国家技术标准的规定，如下表1-11所示： 图1-11 液压缸内径系列尺寸（GB/T2348-1993） 图1-12 液压缸活塞杆系列尺寸（GB/T2348-1993）经圆整得：D=63mm，d=32mm。8.3 主液压缸铰链结构设计该弯管机在上述可以了解到它的运行方式，通过主液压杆推动焊接在推力杆上的杆子带动主轴的旋转。该杆子的运动并不是轴向和纵向单独的一个方向，它是存在一定的弯曲角度。但是液压杆的进给是直线的，如果主液压杆的装配是固定不动的，那么焊接的杆子就会被液压杆压断，不能实现弯管，所以主液压杆应该采用铰链式连接，具体结构见零件图。9、 箱体的设计这台弯管机的设计，它的主轴的传动方式并不是通过齿轮啮合。是通过传动杆带动的方式，因此箱体的设计和常规的并不一样。因为有一根传动杆子，所以箱体的右侧必须开槽供杆子往复运动。箱体的整体采用矩形。考虑到它的装配工艺性，存在一根主轴的安装，为了拆卸方便可以把箱体设计成两半式，这样既方便了装拆也方便了制造。具体的设计如下。10 箱体底座设计箱体的设计不仅需要满足要求，而且各个零件的装配也要方便，但是一台弯管机仅仅有箱体还是不够的，由于存在主轴末端需要支撑，总体结构见下图。11 管材支撑零件设计由于管材在加工的过程中未进入的地方长度很长，而且箱体的高度又比较高，如果没有托举的装置不仅
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