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毕业设计（论文） 题 目 折弯机运动方案及校直送料装置设计 学 院 名 称 航空制造工程学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 二O一五 年 六 月 折弯机运动方案及校直送料装置设计 全套图纸加扣3012250582 摘 要：随着社会的发展，工业的发展已经成为衡量大国经济技术实力的一个重要标准，对生产加工适用于航空、航海、军事用途的零件的机床要求也是水涨船高。金属线材应用极为广泛，然而国内的线材弯曲加工设备却是集成化程度低，设备操作繁琐，无法实现连续加工。本文针对以上不足，以发达国家的金属线材加工生产设备为参考依据，设计了一款数控折弯机的校直送料装置，为此本文从以下的方面展开研究与设计。 首先，本文对比分析国内弯曲设备的缺陷及不足，明确了本数控弯丝机的技术要求，在此基础上确定了弯丝机的整体结构设计方案，再将整个结构分解，单独对每个模块工作原理进行详细的说明及分析，对校直及送料装置进行了改进与突破。 其次，分别推导了该弯丝机弯曲系统、剪切系统及送线系统所需功率与线材相关系数的数学关系，为选择电机及驱动提供了参考依据。 最后，对弯丝机弯曲成形过程中可能出现的弯曲回弹现象进行了具体的分析，归纳总结了各因素对弯曲回弹的影响特点。然后针对该弯丝机的结构特点，提出了最佳弯曲成型的回弹补偿方案。关键词：弯丝机；校直送料系统结构设计；回弹补偿 指导老师签名： The designed of bending machine exercise program and straightening feeding device Abstract：With the development of society，Industrial development has become an important measure of economic and technological strength of a big country.Production and processing used in aviation, marine, military applications required for machine tool parts is also rising.The application of metal wire is widely used.However,The domesticequipment of wire bending processing have more procedure, lower degree of integration , the lack of continuous processing.Aiming at these deficiencies,this article designe a bending machine and straightening feeding device that base on the intelligent equipment of wire processing which imported from the developed countries.So the paper do the research and design work as the follow aspects. Firstly, this paper analyzed the characteristics and deficiencies of the domestic bending device and clarify about the technical requirements of the bending machine and on the basis of that determine the design scheme of overall structure of the wire bending machine.1绪论1.1 弯曲加工的分类机发展 金属线材的弯曲加工是指利用金属材料的塑性对其进行弯曲加工，其实质为对金属板材、线材或管材等施加外力，使其弯曲到一定的形状和尺寸，发生永久性变形而获得所需工件的一种无切削的加工方法，比如板料的圆弧加工、圆管的角度弯曲等。一般所说的塑性弯曲加工，指的是冷塑性加工，就是在金属材料再结晶温度以下进行的加工，因此塑性弯曲加工也被称为冷弯成形加工。 根据成形原理，弯曲工艺一般分为两种：一种是利用工具和模具形状的成形，如拉弯、压弯、绕弯，一种是依靠工件和工具、模具之间的相对运动成形，如滚弯、推弯等。 （1）拉弯 拉弯是应用较广泛的一种型材弯曲工艺，拉弯成形是指：工件在弯曲过程中施加切向拉力以克服内侧的起皱以及改善截面内的应力分布，减少回弹。根据弯曲方式的不同，可分为转台式拉弯和张臂式拉弯两种方式。转台式拉弯如图 3.1.1(a)是台面连同模具一起旋转，在这个过程中工件受到了拉伸和弯曲的力。张臂式拉弯如图 3.1.1(b)，其基本原理为拉弯机的台面固定不动，两侧的支臂旋转带动从而实现了工件的拉弯成形。 图3.1.1(a)转台式拉弯 图3.1.1（b）张臂式拉弯 （2）压弯 压弯可分为两种：有底模压弯和无底模压弯，有底模压弯是利用压力机，利用模具或胎具对工件进行弯曲加工，需要根据工件的形状，尺寸，大小制定模具，使用比较广泛。如图 3.1.2所示，压弯一般是利用一个固定凹模跟一个运动凸模进行弯曲，压弯工艺多用于板材、型材、管材。 图3.1.2有底膜压弯 图3.1.3绕弯 （3）绕弯 绕弯是将坯料绕一定形状的模胎逐渐弯曲的一种加工方法。绕弯时坯料的一端被夹紧在绕弯模的夹头上，旋转压轮将其压靠在绕弯模上，工作过程中绕弯模旋转，夹头带着坯料一起转动，所以坯料可以被弯曲成需要的形状。(4) 推弯 推弯的工作方式一般是在压力机、液压机上进行弯曲加工，根据推弯工艺的特点，可分为型模式冷推弯和芯棒式热推弯两种方式。型模式冷推弯是在常温下将线材或者管坯压入带有一定弯曲角度的模具型腔中。芯棒式热推弯是在推力和牛角芯棒阻力的作用下，边加热边推进，使管坯产生周向扩张以及轴向弯曲变形。 （5）滚弯 滚弯是将板材或型材通过旋转的辊轴使其弯曲的方法。这种方法是根据三点成圆的原理，利用工作辊相对位置的变化和旋转运动使板材发生连续的塑性变形，以获得预期形状的工件，如图 2.1.5所示。与压弯绕弯相比，滚弯的弯曲半径比较大，制件的曲率相等，属圆筒形产品，例如锅炉、油罐、滚筒等圆弧行工件，都可采用滚弯的方法来加工。 除了以上传统的弯曲加工工艺，近些年来，为了满足人们对弯曲工件的不同规格以及不同形状的需求，几种新型弯曲成形技术已经取得了良好进展，如零半径弯曲加工、中频感应局部加热弯曲、热应力弯曲加工以及激光成形弯曲加工等最新技术。 （6）中频感应局部加热弯曲 图2.1.5滚弯 图2.1.6中频弯管 （7）热应力弯曲加工 热应力弯曲加工工艺是一种利用工件内部温度分布不均匀从而产生的热应力来驱动工件变形的成形方法，具有无外力、无模具、便于操作等优点。通常产生热应力的方法为先利用火焰或激光对工件进行局部的加热，然后再冷却，冷却方法有浸水冷却、喷水冷却和空冷。 （8）激光弯曲成型 激光弯曲成形是近几年来出现的一种板材柔性成形方法，是一种无模具、无外力的非接触式热态积累成形技术，它的成形原理是：用激光束对金属板材表面进行不均匀加热处理，根据材料热胀冷缩的特性，金属板材内部会产生非均匀分布的热应力，如果加热热应力值大于材料的屈服极限数值，板材就会发生弯曲变形。 由于本文研究折弯4mm钢丝线材，综上所述可选绕弯及推弯的方式，由于要加工成U型工件，绕弯的弯曲方式有着弯曲半径受中心轴半径约束的明显缺陷，所以本弯曲系统选择型模式冷推弯成型的方式。1.2常用的弯曲加工设备 对于管材、板料、棒料、线材等不同形状的金属材料都有着其相应的弯曲加工设备，弯管机，板材滚弯或折弯机，棒料弯箍机以及线材折弯机（弯丝机）。管材、棒料的弯曲过程与线材弯曲较为相似，不同的地方就是管材弯曲过程中容易出现质量缺陷，如外管壁出现裂纹，内管壁起皱，横截面畸变等。基于以上原因，在处理管材弯曲时要考虑是否附带芯棒。而棒料弯曲与线材弯曲的特征也比较接近，不同之处就是棒料与线材截面半径差异较大，所需要的驱动力矩不同。在进行弯丝机的研究与设计之前，有必要了解弯管机与弯箍机设计。1.2.1弯管机 弯管是管材塑性加工方法的一种，在机械、管道工程、石油化工、航空航天等工业部门占有十分重要的地位，因此对于管材弯曲设备的研究以及开发就相对比较成熟。管材弯曲方法不同，所需的弯曲设备也不同，其中常用的弯管工艺是绕弯，而弯管机是主要的绕弯设备。 弯管机的发展经历了老式的手动式弯管机到近几年来的半自动弯管机、全自动弯管机。手动式弯管机如图 1.2.1 所示，其结构简单，轻巧灵活，可在大多数场合下进行弯曲作业，但是只适合精度要求不高的加工工艺；半自动弯管机一般仅仅对弯曲的角度进行控制，同时需要手工做调整，手动送料式的工作方式精确度达不到要求，而且工作效率低；全自动弯管机能够实现自动完成进给、弯曲的工序，适用于大批量生产。随着现代机床工业的兴起，特别是微型计算机、单片机、可编程控制器、液压技术的应用，出现了数控弯管机，能够依据零件加工图输入信息，由控制系统实现弯管工作的全自动控制，使弯管机的功能更趋完善，数控弯管机将成为现代弯管的主要加工设备。 图1.2.1手动弯管机 数控弯管机在国内相对研发较为成熟，生产厂家已经成功研制出各种新型的数控弯管机。目前，江苏张家港市、广东广州市等地已经成为了我国管材弯曲加工成型设备机械产业的聚集区，如张家港市的金源机械制造有限公司研制的 DW75CNC 系列的全自动弯管机、单头弯管机；重庆融海机电设备有限公司生产的 DW114NC单头液压弯管机，38NC-90 双头液压弯管机，DW18CNC 自动弯管机等。 这里以重庆融海机电设备有限公司生产的 DW18CNC 自动弯管机为例来说明我国数控弯管机存在的一些共同问题。 图1.2.2DW18CNC自动弯管机 如图 1.2.2 所示，该数控弯管机主要机构是由机头弯曲机构、管材轴线进给机构、绕管材轴线作旋转运动的旋转机构组成，通过数字控制系统来控制执行机构的运动，因此本数控弯管机精度高、性能稳定。该机型的明显的优点就是能够实现三维空间内管材的弯曲加工成型。但是也存在不足： (1)该弯管机不能进行连续加工，只能当单个工件加工完成后，由操作人员取出加工完成的工件，再安装下一根管件，影响加工效率，未能实现自动化； (2)需要辅助设备的配合，因为设备不具备切断、校直的功能，所以在操作弯管机之前必须对管材预先进行校直等操作，再根据尺寸切断，未能实现集成化； (3)由于管材进给的轴向送线机构是由送线小车的夹头夹紧管材运作，在伺服电机的驱动下做轴向进给，所以弯曲加工件的最大长度受到了床身自身大小尺寸的限制。 1.2.2数控弯箍机 钢筋作为建筑的基础材料，长期以来在建筑中发挥着重要的作用。随着国内近年来拓展在房地产市场的发展及国家政策取向大力发展基础设施建设，各种类型的钢筋的供求量也逐渐增大，由于对钢筋进行弯曲加工的生产过程中效率要求较高，因此带动了钢筋弯曲加工设备的研究与开发。钢筋弯箍机是钢筋弯曲加工必需的设备，其加工手段是将钢筋进行不同角度的弯曲以满足不同的需求。自动数控弯箍机作为钢筋加工的先进设备，近年来多家企业已成功研制出各种不同型号的数控弯箍机。例如 TJK 建科机械厂生产的全自动数控弯箍机 WG 先锋系列；陕西勇拓机械科技有限公司研制的全自动数控弯箍机YT12D；青岛勇立达机械制造有限公司开发的通达-12A-1 数控钢筋弯箍机等。 这里以 WG 先锋-16A 型数控钢筋弯箍机为例来说明我国钢筋弯曲加工设备存在的一些共性问题。 图1.2.2WG 先锋-16A 型数控钢筋弯箍机 如图 1.2.2所示，该数控弯箍机由矫直模块，送线模块、弯曲模块，和剪切模块构成。可适用于单线和双线加工，单线钢筋直径 6-16mm，双线钢筋直径 6-12mm，自动送线装置可方便穿丝退丝，调直模块是由水平方向及垂直方向可调节的两套矫直轮组成，配套牵引机构，通过伺服电机带动，确保钢筋的矫直程度达到最好的精度，弯曲和剪切系统由进口伺服电机驱动，弯曲臂可高速旋转和伸缩，剪切机构高速完成剪切动作。 数控钢筋弯箍机 16A，取代了传统模式中的钢筋加工各环节分解进行方式，钢筋弯箍机 16A 能够自动快速地完成钢筋调直、定尺、弯箍、切断，避免了人工每个分解动作产生的认为误差，保证了钢筋加工成品的加工质量和精度，对提升建筑工程的整体质量有着积极的促进作用。 与数控弯管机相比较，数控弯箍机完成实现了连续加工，并且集成化程度高，加工效率高等工作要求。但是该数控弯箍机是限于平面二维弯曲加工，不能进行三维弯曲加工。同时由于其加工速度快，钢筋弯曲过程中存在回弹现象，所以加工精度低，WG先锋-16A 的长度精度是1 mm，角度精度是1。1.3 国内外数控弯丝机的研究现状1.3.1国外数控弯丝机的研究现状 在国外市场上以法国纽曼（NUMANLLIANCE）公司开发的 ROBOMAC 系列的大型数控弯丝机占有较大的市场份额。德国瓦菲奥斯（WAFIOS）公司也是一家全球性的专业线材及管材塑性加工的设备生产商，尤其是在金属冷加工的成型领域处于明显的领导地位，该公司生产的 BM, BUM, FUL, FSE, BMZ 系列数控卷簧机、折弯机在欧洲市场占有一定的市场份额。以 Robomac 206 E 为例，简要说明国外弯丝机的发展水平：该弯丝机具有强大的 CNC 数控系统，集成化程度高，该弯丝机主要包括：放线装置、调直装置、送线装置、剪切装置、线材折弯装置，同时折弯头能够绕线材轴线进行方向旋转，因此，可以进行线材的三维弯曲，而且该弯丝机可以加工处理不同半径的工件，使其柔性更高。送线装置是由伺服电机带动送线轮，可进行连续不间断弯曲加工。总之，就集成化、柔性化、自动化程度来比较，国外的弯丝机已经达到比较高的水平，在管线材弯曲加工行业中处在世界领先地位。 在理论方面，国外已出现专家学者针对管线材弯曲进行了深入的研究，发表了一些与弯管的成形机理相关的文献，包括日本的 MasakiYoshikawa 和 Akihiko Katoh等提出了一种管材在弯曲瞬间屈服于内部压力的失效的评价方法；A.C.Seibi 和A.M.AI-Shibibi 提出一种管材在弯曲和转动的同时管材中部高弯曲率处的强度计算有限元分析法。1.3.2国内数控弯丝机的研究现状 国内线材弯曲加工设备，普遍还是在以一定的专用设备的辅助下手动操作为主，与法国纽曼公司的弯丝机比较仍然存在很大的差距。不过国内已经有不少企业正在研发和生产数控弯丝机，如苏州恒佳精密机电有限公司生产的苏州恒佳型号的数控弯丝机，如图 1.3.2 所示。该弯丝机可以实现线材的三维弯曲，其机械结构和控制技术实质与数控弯管机相似。东莞三达弹簧机械有限公司研发的全自动线材折弯机 MAX - WB80 - 7A 如图 1.3.3 所示，该设备是由电脑控制的七轴同步全自动线材折弯机，它的设计主要是针对少量或中等批量的线材成形加工，其折角方法是利用电脑选择不同外径的辅助芯和控制折弯角头的旋转角度，再配合送线来达到折不同的弯角和不同半径的需求，因此不需使用特别的模具来成形，这样大大降低了开发新产品的时间和成本。 结合以上介绍不难看出：数控弯丝机在实现线材的三维弯曲加工时，首先进行平面折弯，然后线材绕其轴线转动一定角度后，再进行平面折弯，这种弯曲方式不可避免地存在之前所介绍的不足。图1.3.2苏州恒佳型号的数控弯丝机 图1.3.3全自动线材折弯机MAX 课题研究背景及意义 据有关部门统计，到本世纪初，我国金属线材制品产量据世界首位。但是由于国内数控机床起步晚，技术比较落后，就线材弯曲加工设备而言，国内外差距显著。国内现有的弯丝机还发展不成熟，存在诸多不足，以至于高性能的数控折弯机仍需从国外进口。尽管国外数控弯丝机自动化程度高，集成化程度高，效率高，加工精度高，但是其价格偏高，就法国纽曼生产的 Robomac 206TF 线材折弯机为例，定价为 180000 欧元。据悉，我国管线材加工行业中弯管机、线材弯曲设备占该行业近70%的消费群体，然而近年来80%的市场却被国外进口设备占据，从侧面看出，国内弯曲加工设备的发展空间很大。直到 2010 年 10 月，我国出台了加快培育和发展战略性新兴产业的决定文件，强调要大力发展以柔性化、数字化、系统集成技术为核心的高档数控加工设备。因此，为了满足社会主义现代化建设事业发展的要求，特别是船舶、汽车等行业对管线材弯曲件需求的飞速增长，为了提高我国线材弯曲加工的生产水平和自动化程度，缩小同世界先进水平的差距，有必要开发出一种适合我国国情的高性能的，体积小，操作简便的线材弯曲加工设备。 在这样的背景下，本文将通过分析比对弯管机与弯丝机的特点与不足，并借鉴国外的高性能数控弯丝机的设计，对弯丝机进行改进设计，以求设计一种自动化程度高、效率高，适合于快速精确地进行折弯针对形状的的数控弯丝机。 本论文主要研究内容包括：(1) 介绍弯曲加工技术的分类及其发展，并列举常用的弯曲加工设备的优、缺点做了具体的分析，结合国内外数控弯丝机的发展现状以便确定研究目的，阐述本论文研究的必要性以及主要的研究内容。(2) 在明确了数控弯丝机的功能要求之后，对比分析几种弯丝机的整体结构方案，去粗取精，最终确定数控弯丝机的送线校直结构设计方案。（3分析了线材在弯曲过程中出现的回弹现象，并对影响弯曲回弹的主要因素进行归纳与总结；结合现有的回弹补偿方法，提出了适用本文弯丝机的回弹补偿方法。引言随着金属线材的广泛应用，目前我国已成为世界上线材生产及消费的第一大国。然而我国的线材加工设备较发达国家还有着加工工序复杂繁多，集成化数字化程度低，连续加工能力差等缺陷。本文针对以上不足，以发达国家金属线材生产设备为参考依据，设计一款折弯U型针的折弯机（以下简称弯丝机），以下为本文的研究与设计。 2 数控折弯机整体结构设计与选择 2.1弯丝机功能介绍 在整体结构设计方案确定之前，首先要明确本次设计的数控弯丝机要实现功能。下面做简单介绍：(1) 对于直径为 4mm 的金属线材，弯丝机要能够实现平面角度的弯曲。(2) 能够对同一工件上不同的半径进行弯曲加工。(3) 集成化程度高，能够在该弯丝机上实现线材的校直、送线、以及剪切功能。(4) 实现连续不间断弯曲加工。2.2确定整体结构设计方案 2.2.1方案一 以苏州恒佳精密机电有限公司生产的苏州恒佳型号的数控弯丝机为例，能够实现线材的平面以及空间角度的弯曲，工作原理图如图： 图2.1方案一整体结构形式图 弯曲加工过程：线材的一端被夹持在夹料筒上，另一端从随动模和防皱模中间穿过，到达钳口和弯曲旋转装置中间位置。然后钳口在外力 Q1 作用下压紧线材使线材紧靠在弯曲旋转装置上，随动模同时在外力 Q2 的作用下紧靠线材，弯曲旋转装置在外力矩 M的作用下，以角速度绕 C 轴旋转角度，同时夹料管以 速度沿 Y 轴方向进给，完成了线材的平面弯曲工作。当弯曲完成后，弯曲选择装置回到初始位置。如果线材需要进行空间弯曲，夹料管以角速度绕 B轴旋转，继而带动线材绕轴线方向旋转，旋转装置旋转一定角度，最后再转回初始位置，这样就实现了线材的空间弯曲。从结构上来看，该类型弯丝机有送线机构、弯曲机构、旋转机构，能够实现二维和三维弯曲。但是不能进行进行连续弯曲加工，每次弯曲加工之前都要使用其他辅助设备对线材先进行校直、剪切。由于夹料管在线材的一端进行夹持，然而夹料管到钳口的距离是有限的，所以对于一些较长的线材，该类弯丝机就无法进行工作。 2.2.2方案二 文献：吴晓君，韩刚等旋转机头式弯丝机P中国专利：ZL201020223507.0，2010-06-11.提出了一种旋转机头式弯丝机，其整体结构形式如图 2.2 所示。 图2.2整体结构形式图 弯曲加工过程：首先引导线材进入校直模块，逐一穿过送料模块，旋转装置，剪切模块，到达弯曲模块处，弯曲模块和方案一中提到的弯曲机构是相似的，线材继续从随动模和防皱模中间穿过，并且抵达钳口和弯曲旋转装置中间位置；然后由弯曲模块弯曲一定角度，完成了线材的平面角度弯曲。随后剪切机构剪断线材，继续加工下个工件，因此该方案可实现线材不间断弯曲加工。如需要空间弯曲，旋转装置绕线材轴向旋转一定角度后，弯曲机构再进行弯曲动作，从而实现线材的空间角度弯曲。 该机构较方案一数控折弯机方案有两大不同：（1）该数控折弯机实现了线材连续不间断加工，而且线材不受机床长度限制。（2）该数控折弯机集成了校直与剪切模块，集成化程度高，装置简便易操作。2.2.3方案三 TJK 建科机械生产的 WG 先锋-16A 型数控钢筋弯箍机，其整体机构形式如图 2.3所示 图2.3方案三整体结构形式图 弯曲加工过程，首先引导线材进入校直机构，逐一穿过送线机构，剪切机构，到达弯曲机构处，线材从转盘上的中心轴和弯曲轴中穿过，弯曲轴绕中心轴旋转，从而使线材弯曲一定角度。弯曲完成后，剪切机构即将线材剪断，继续进行到下一个工件的加工。该弯箍机从结构上看，集成了校直、剪切、连续送线模块，跟前两个方案相比，该弯箍机的弯曲机构是由转盘上的中心轴和弯曲轴完成工件加工，弯曲加工时，中心轴不动，弯曲轴绕中心轴正、反方向旋转。该弯箍机的送线机构采用的是滚轮送线。不足之处就是该弯箍机只能进行平面角度弯曲。 经过这三种方案的对比，方案一有明显的功能缺陷，方案二功能齐全，方案三不能弯曲空间角度。同时，这三种方案都不能实现同一工件上多个半径的弯曲这一功能，基本都是一个弯曲半径对应一套弯曲模具。对于4mm的线材来说，方案三中的弯曲机构较合适，加工效率高，结构简单。而前两种方案设计是沿袭了数控弯管机的模型，之所以设计防皱模，随动模，是为了避免管件在弯曲过程中出现的截面变形，起皱，破裂等缺陷。线材相对管材来说，这方面的缺陷较小，所以先不考虑防皱模和随动模设计。 综上所述，根据本文研究的折弯U型针数控折弯机所需要具备的功能，选用方案三的剪切机构，滚轮送线机构以及横纵向校直机构。由于折弯线材的形状固定，所以可以简化方案三的弯曲机构，单向弯曲线材，同时可以取消旋转机构。最终确定折弯U型针数控折弯机整体结构设计方案，其整体结构形式如图所示 3弯丝机关键部位机械结构设计 在明确了本弯丝机将要具备的功能的前提下，确定了弯丝机的整体结构设计方案，该弯丝机集成了送线、校直、弯曲、剪切模块。接下来对各个模块进行结构设计，最后在将这些模块装配到一起，完成整体的机械结构设计。 总体机构选择与工作原理总体机构：弯丝机主要由校直系统，送丝系统，剪切系统，弯曲系统组成。该机构的工作原理：引导盘状线材通过导丝槽进入送丝系统，动力装置步进电机带动齿轮轴实现线材进给至校直系统。线材穿过横纵向校直模块实现横纵向校直，穿过剪切系统到达弯曲系统，由弯曲转盘完成工作后剪切系统将线材剪断，继续加工下一个工件。1 关键部位设计3.1弯曲系统 金属线材的弯曲加工是指利用金属材料的塑性对其进行弯曲加工，其实质为对金属板材、线材或管材等施加外力，使其弯曲到一定的形状和尺寸，发生永久性变形而获得所需工件的一种无切削的加工方法，比如板料的圆弧加工、圆管的角度弯曲等。一般所说的塑性弯曲加工，指的是冷塑性加工，就是在金属材料再结晶温度以下进行的加工，因此塑性弯曲加工也被称为冷弯成形加工。 根据成形原理，弯曲工艺一般分为两种：一种是利用工具和模具形状的成形，如拉弯、压弯、绕弯，一种是依靠工件和工具、模具之间的相对运动成形，如滚弯、推弯等。 （1）拉弯 拉弯是应用较广泛的一种型材弯曲工艺，拉弯成形是指：工件在弯曲过程中施加切向拉力以克服内侧的起皱以及改善截面内的应力分布，减少回弹。根据弯曲方式的不同，可分为转台式拉弯和张臂式拉弯两种方式。转台式拉弯如图 3.1.1(a)是台面连同模具一起旋转，在这个过程中工件受到了拉伸和弯曲的力。张臂式拉弯如图 3.1.1(b)，其基本原理为拉弯机的台面固定不动，两侧的支臂旋转带动从而实现了工件的拉弯成形。 图3.1.1(a)转台式拉弯 图3.1.1（b）张臂式拉弯 （2）压弯 压弯可分为两种：有底模压弯和无底模压弯，有底模压弯是利用压力机，利用模具或胎具对工件进行弯曲加工，需要根据工件的形状，尺寸，大小制定模具，使用比较广泛。如图 3.1.2所示，压弯一般是利用一个固定凹模跟一个运动凸模进行弯曲，压弯工艺多用于板材、型材、管材。 图3.1.2有底膜压弯 图3.1.3绕弯 （3）绕弯 绕弯是将坯料绕一定形状的模胎逐渐弯曲的一种加工方法。绕弯时坯料的一端被夹紧在绕弯模的夹头上，旋转压轮将其压靠在绕弯模上，工作过程中绕弯模旋转，夹头带着坯料一起转动，所以坯料可以被弯曲成需要的形状。(5) 推弯 推弯的工作方式一般是在压力机、液压机上进行弯曲加工，根据推弯工艺的特点，可分为型模式冷推弯和芯棒式热推弯两种方式。型模式冷推弯是在常温下将线材或者管坯压入带有一定弯曲角度的模具型腔中。芯棒式热推弯是在推力和牛角芯棒阻力的作用下，边加热边推进，使管坯产生周向扩张以及轴向弯曲变形。 （5）滚弯 滚弯是将板材或型材通过旋转的辊轴使其弯曲的方法。这种方法是根据三点成圆的原理，利用工作辊相对位置的变化和旋转运动使板材发生连续的塑性变形，以获得预期形状的工件，如图 2.1.5所示。与压弯绕弯相比，滚弯的弯曲半径比较大，制件的曲率相等，属圆筒形产品，例如锅炉、油罐、滚筒等圆弧行工件，都可采用滚弯的方法来加工。 除了以上传统的弯曲加工工艺，近些年来，为了满足人们对弯曲工件的不同规格以及不同形状的需求，几种新型弯曲成形技术已经取得了良好进展，如零半径弯曲加工、中频感应局部加热弯曲、热应力弯曲加工以及激光成形弯曲加工等最新技术。 （6）中频感应局部加热弯曲 图2.1.5滚弯 图2.1.6中频弯管 （7）热应力弯曲加工 热应力弯曲加工工艺是一种利用工件内部温度分布不均匀从而产生的热应力来驱动工件变形的成形方法，具有无外力、无模具、便于操作等优点。通常产生热应力的方法为先利用火焰或激光对工件进行局部的加热，然后再冷却，冷却方法有浸水冷却、喷水冷却和空冷。 （8）激光弯曲成型 激光弯曲成形是近几年来出现的一种板材柔性成形方法，是一种无模具、无外力的非接触式热态积累成形技术，它的成形原理是：用激光束对金属板材表面进行不均匀加热处理，根据材料热胀冷缩的特性，金属板材内部会产生非均匀分布的热应力，如果加热热应力值大于材料的屈服极限数值，板材就会发生弯曲变形。 由于本文研究折弯4mm钢丝线材，综上所述可选绕弯及推弯的方式，由于要加工成U型工件，绕弯的弯曲方式有着弯曲半径受中心轴半径约束的明显缺陷，所以本弯曲系统选择型模式冷推弯成型的方式。 弯曲系统作为弯主要模块，由一块弯曲盘组成（图2.1.8）。弯曲盘上有弯丝轴和中心轴，丝轴固定在弯曲盘上。线材由中心轴跟弯丝轴之间穿过，弯曲系统工作时，线材进给至弯曲盘，中心轴绕中心旋转，弯丝轴绕弯曲主轴旋转，实现折弯线材的目的。 （ 图2.1.8弯曲模块）3.2剪切系统3.2.1剪切系统的选择 能够实现剪切功能的设备以用多种，但就线材剪切来说，从工作原理来分，常用方法有两种，一种是高速旋转的刀片在线材径向移动运动，将夹持好的线材切断；第二种是偏心轮绕中心转动，将夹持好的线材剪断。第一种方案是“切断”，第二种方案是“剪断”。从结构上分析，第一种方案需要电机带动刀片高速旋转，其次还要控制刀片沿着线材径向方向运动，最后还需要线材能够沿其轴向运动，以便确定切割的位置。第二种方案需要电机带动偏心轴旋转，偏心轴把作用力传到动刀片上，动刀片与定刀片发生相对运动，将线材剪断，这种结构也需要线材能够沿其轴向运动，来确定剪切的位置。通过对比，第二种偏心轮切割方案比第一种方案结构简单，安全，整体体积小适合更加适合本文弯丝机。 通过以上对比分析，第一种方案一般需要电机通过带传动带动刀片旋转，势必会造成其整体结构尺寸过大，同时考虑到，所设计的剪切机构将要安装到弯丝机旋转模块上，这个方案不合适。方案二结构简单，整体尺寸小适合本数控弯丝机。 综上所述，本数控弯丝机的剪切机构采用偏心轮式结构剪切，原理图如图 3.6所示。该机构主要包括定刀和动刀，偏心轮，以及安装在动刀上的转动轴。线材从定刀和动刀的线槽穿过，当没有收到剪切命令时，偏心轮在在最低位置，只进行线材的轴线进给，不受剪切机构影响。当线材弯曲加工完成后需要将线材剪断时，偏心轮得到信号，从最低点旋转至最高点，从而迫使动刀绕转动轴转动，与定刀发生相对位移，将线材剪断，完成剪切后，偏心轮再旋转至最低点，而此时动刀已绕转动轴旋转一圈回到初始位置，等待下一个剪切命令。3.2.2剪切系统具体设计 根据偏心轮式剪切系统结构简图（3.2.2），此系统主要包括：定刀组，动刀组，转动轴，偏心轮，偏心轮轴。定刀和动刀中间都设有线槽，防止线材打滑。为了方便更换定刀与动刀，将定刀用螺钉固定到定刀支撑架上，动刀通过螺钉连接到动刀支撑架上。动刀架上安装了导线管，用于引导线材进入动刀线槽。偏心轮与偏心轮轴无相对位移连接，伺服电机连接减速箱驱动偏心轮轴旋转，从而使偏心轮带动动刀支撑架绕转动轴转动，动刀与定刀发生相对位移，从而完成了线材剪切。 图3.2.2 剪切系统结构简图3.3校直系统 3.3.1校直系统的设计 校直系统主要是固定线材在空间的位姿以便导入弯曲系统正常工作。校直系统分为两部分：水平校直模块和垂直校直模块。每个部分由一个校直轮组支架组成。校直轮组支架上有上下分布的五个校直轮孔，校直轮被螺栓固定在校直轮孔上。校直轮上设有V型槽，线材进给时同时轮轴转动时产生的静摩擦辅助线材进行横向与纵向的校直。面对校直4mm线材，本校直系统两大模块均不需要设置微调螺钉来调节校直轮间距。 横向校直模块与纵向校直模块采用的校直轮、校直轮孔尺寸大小、校直板大小相同，但对比横向校直模块，纵向校直模块采用的校直板底座为“丁”字型，输出一端的底座设置导线孔（如图3.3.1）。横向校直模块采用的校直板底座为“工”字型，用来稳固横向校直产生的轴向力引起的装置位移。 图3.3.1“丁”字型纵向校直模块3.4送线系统3.4.1送线系统结构方案选择 总结现有的弯管机、弯丝机的送线方式，大致可以分为两种，一种是小车送线，一种是轮组送线。 图3.4.1一种带有小车的送线装置的弯管机 送料小车结构一般多用于弯管机，如图 3.4.1所示，送料小车夹持管材，在机床滑轨上沿管材轴向移动，实现送料。也有一种旋转机头式数控弯丝机采用小车送料，其送料模块结构如图所示。该机构中，夹紧气缸伸缩，通过卡套和三爪夹头实现线材的夹紧和松开。电机带动滚珠丝杠旋转，从而带动小车沿滑轨运动，该送线小车不仅可以轴线进给，而且在两个气缸的作用下，小车可以在平板和立板上，上下左右方向移动。设计者的意图是，线材半径不同，线材弯曲模块的中心轴线和小车夹持机构中心线不共线，为了适应不同半径的线材，可以通过调整小车位置，使夹紧机构中心线与弯曲模块中心线重合，这样会避免由于不共线而造成的弯曲。其实这种具备三个方向移动的小车结构主要适用于加工大半径的管材弯管机，而本文将要设计的三维数控弯丝机，主要是用于加工半径 38mm的线材，如果也采用该方案，其实际意义不是很大，而且结构复杂，既需要电机传动，还需要两个气缸。 如图 3.4.2 所示，轮组送线的工作原理：线材从支撑轮和驱动轮之间穿过，支撑轮压紧线材，动力齿轮带动驱动轮转动，驱动轮同时带动支撑轮一起夹紧线材运动，其实质是利用线材和轮组之间的摩擦力运动的。 图3.4.2轮组送线工作原理图 通过比较两种送线方案，本文设计的数控弯丝机将采用轮组送线，该方案简单，能够连续进给，但也有其不足，就是在送线过程中，如果夹持不紧就会出现打滑，从而影响加工精度。给了避免这种不足，本次设计将采用四对送线滚轮，每个滚轮中开V型槽运送线材。2、 送线模块具体结构设计首先要设计送线模块传动方案，因为该送线机构有四对送线滚轮，其中每两对就需要一个动力齿轮传递动力，如果每个动力齿轮都是由一个伺服电机和减速器完成动力的输出，那么就需要两套动力源，这样不仅增大了成本，而且两套动力源难免出现运动不同步，这样就违背了设计四对轮组的目的实现精确进给，避免线材与滚轮之间打滑，所以为了避免这样的缺陷，送线机构只设计一个动力源。因此，理想的传动方案是一个动力源驱动两个动力齿轮，每个动力齿轮带动与其对应的两个驱动轮，每个驱动轮带动与其对应的支撑轮一起转动，完成线材的轴向进给。然而要实现一个动力源驱动两个齿轮，传动方案可以有两种： 方案一：一个主动齿轮通过与两个从动齿轮同时啮合，实现了线材的同步进给，但这样会使主动轮尺寸比较大，如果再加上伺服电机和减速器，会使线材径向尺寸更大。 方案二：一个主动齿轮带动一个从动轮，也可以同步运动，传动部分可以是链条传动或者带轮传动，但是这两种传动形式，自身存在缺点，而这些缺点与我们的设计意图相违背。例如带轮传动的缺点：(1) 具有弹性、打滑、传动效率低，不能保证准确的传动比；(2) 轮廓尺寸和轴上的压力较大；(3) 需要有张紧装置。链轮传动的缺点：(1) 运转时不能保持恒定的瞬时传动比；(2）传动不平稳；(3) 工作时有噪声。 对比两种方案，由于两组送线轮需要完成同步进给的工作，链轮传动平均速比较为准确，结构紧凑，传动效率高等优点，所以采用第二种方案保证传动比较符合本次设计的要求。将动力源连接在主动力轴上，主动力轴带动两组驱动轴、支撑轴工作，主动力轴上设链轮，由链条带动副动力轴，副动力轴带动其余两组驱动轴、支撑轴完成送线工作。 根据以上确定的传动方案，设计出对应的轮组支撑架。支撑架的前后面板上各设有四个支撑轮轴轴孔，四个驱动轮轴轴孔，以及两个动力齿轮轴轴孔，其结构示意图如图 3.4.3所示。 图3.4.3轮组支架结构示意图（1） 支撑轴结构 因为采用的支撑轴所受径向力较大，所以轴两端的轴承选用深沟球轴承（图3.4.4）。一端轴承内圈中间设有一个套筒，内圈一端紧靠轴肩，另一端由套筒压紧，而两轴承内圈中间也设有一个套筒，用于轴向定位。两轴承的外圈由轴承盖压紧。因为设计的靠近滚轮的轴承座需要连同支承轴一起移动，所以要将前后轴承盖和轴承座通过螺栓连接到一起。齿轮（图3.4.5）一端压紧在套筒上，另一端由压板紧固。深沟球轴承内圈一端靠紧轴肩，另一端由轴端盖压紧，而轴端盖通过螺钉连接到轴端。压板压紧滚轮，线材从滚轮传送至校直系统。（图3.4.6） 图3.4.4深沟球轴承示意图 图3.4.5齿轮示意图 图3.4.6 支撑轴零件图（2） 驱动轮结构 驱动轮由动力齿轮带动，所以比支撑轮多一个由轴肩固定的驱动齿轮，通过平键固定。靠近送料轮的一端轴承由轴承盖与套筒完成固定。另一端轴承由套筒与压板完成固定。为了完成两轴同步运动完成送丝工作，啮合驱动轴上的驱动齿轮与支撑轴上的滚轮。驱动轴与支撑轴结构相同，区别是驱动轴上由轴肩跟套筒固定的驱动齿轮又动力齿轮带动完成送丝；支撑轴上由轴肩及套筒固定的支撑齿轮与驱动齿轮啮合，带动支撑轴与驱动轴同步转动，防止送丝过程出现的打滑现象，影响工件进给。（3） 动力轴结构 动力齿轮由螺钉与轴肩连接，由平键与动力轴固定(如图3.4.4)。左端深沟球轴承内圈紧靠轴肩，轴承盖压紧轴承外圈；右端轴承内圈靠紧轴肩，轴承盖压紧轴承外圈。链轮的两端均由套筒固定，左侧套筒另一端抵住齿轮右端；链轮右端的套筒另一端抵住深沟球轴承，轴承另一端由压板固定。主从动力齿轮同时与两个驱动齿轮啮合带动驱动轴完成主传动工作。 图3.4.4动力轴零件图（4） 链轮传动结构 主从动动力轴由连在两根轴上的链轮带动链条传动，链条传动是由分别安装在彼此平行的主、从动动力轴的两个链轮（图3.4.5）和跨绕两链轮之间的闭合链条组成的（图3.4.6）。本文采用滚子链传动完成主从动动力齿轮的送线工作。 图3.4.5滚子链轮示意图 图3.4.6链轮传动结构示意图 由于送线系统工作时会在轴向产生较大的力，为防止系统工作时间过长而产生的轴与孔之间的松动，所以各轴公差的配合方式选用过盈配合。支撑轴上设置与驱动轴啮合的齿轮也起着提高运送工件齿轮稳定性的作用。为了增加整个系统稳定性与安全性，设置一块挡板由螺丝螺钉固定在送线轮与支架之间（图3.4.7），设置一块顶盖由螺栓连接固定轮组支架之上（图3.4.8） 图3.4.7轮组支架前设挡板 图3.4.8轮组支架上顶盖 用于完成工作的工件：4mm钢材尺寸较小，所以设置在送线轮中开V型槽（图3.4.8）里通过送线系统，上下送线轮之间不留空隙防止系统工作过程中出现打滑现象，严重影响工作行进。 图3.4.8校直轮间V型槽 3.数据计算及设备的选取3.1.1推弯式弯丝机弯曲轴旋转角度计算如图所示，推弯成形是弯曲轴压紧线材从 O 点绕中心轴转到 C 点，此时弯曲主轴转动角度并保持不动，送线模块夹紧线材沿轴向进给，这样就得到一个弯曲半径为 R 的弯曲件。在这个过程中线材始终保持与弯曲轴和中心轴相切，在线材推弯结束前，弯曲主轴始终伸出并保持角度。 S 是中心轴和弯曲轴的中心距，D 为线材直径。为弯曲轴半径，为中心轴半径，为弯曲半径。 由余弦定理可知：根据上式变换得：根据反函数的变换：得出弯曲轴旋转角度=3.1.2弯曲功率计算 弯丝机在弯曲线材时，弯曲模上的弯曲轴压紧线材绕中心轴旋转，所需要的弯曲力设为 F，弯曲力矩为 M，则有 根据线材的材料特性，可知线材发生塑性变形，外力一定要超过材料的屈服强度点，而线材的抗弯模量 根据上