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任务书论文(设计)题目：全自动薄壁不锈钢管冷弯机设计（二）工作日期：2016年12月12日 2017年05月28日1.选题依据:该设计属机械设计类装备改造题目，内容涉及制图、材料变形分析、工艺过程分析、液压及PLC控制系统设计、工装（结构）设计等。可达到培养学生综合运用所学基础及专业知识解决生产实际问题能力的目的。目前国内外机械制造行业（尤其轻工制造行业）都大量使用各种薄壁不锈钢管冷弯装置，生产中供参考的实物很多，相关的参考资料可通过查阅图书资料、网上查询等方式获得，该题目设计量适中，学生在16周时间内可以完成。2.论文要求(设计参数):薄壁不锈钢管坯尺寸:直径（内径）6cm-10cm，长度30cm-50cm，厚度0.06cm- 0.1cm，重量为0.5kg-2kg，回转装置采用液压马达驱动，模盘可更换，可在平面内回转90度-180度，每个管坯冷弯时间10s；下料装置采用机械手自动下料，下料动作时间10s。3.个人工作重点:1、全自动薄壁不锈钢管冷弯机总体方案设计；2、全自动薄壁不锈钢管冷弯机回转装置设计；3、全自动薄壁不锈钢管冷弯机下料装置设计；4、全自动薄壁不锈钢管冷弯机机座设计；5、主要零件的受力分析、计算与较核；6、回转、下料装置控制系统设计。4.时间安排及应完成的工作:5.应阅读的基本文献:1、轻工机械（机械工业出版社）2、液压传动（机械工业出版社）3、电气控制技术（机械工业出版社）4、机械原理（机械工业出版社）5、机械设计（机械工业出版社）6、机械设计手册（机械工业出版社）7、机械工程师手册（机械工业出版社）8、金属材料成型（机械工业出版社）9、材料力学（机械工业出版社）10、机械工程材料（机械工业出版社）11、物料传输（机械工业出版社）12、工业机器人（机械工业出版社）13、相关文献（中外文期刊杂志、网络资料等）指导教师签字：XX教研室主任意见：同意签字：XX 2017年01月03日教学指导分委会意见：同意签字：XX 2017年01月03日 学院公章进度检查表第-1周工作进展情况落实选题，根据题目查找资料；在大量阅读、整理相关文献的基础上对资料进行系统分类；根据整理后的资料写开题报告。2017年01月05日指导教师意见查阅了相关文献资料，对总体设计内容有了一定的了解，编写了开题报告与文献综述。仍需完善国内外现状介绍，修改开题报告。指导教师(签字)：XX 2017年03月08日第 1周工作进展情况开题报告答辩并修改；提交开题报告；大体方案初稿。2017年03月09日指导教师意见开题报告基本完成，修改标点符号、文献引注。可以进行下一步工作。指导教师(签字)：XX 2017年03月08日第 3周工作进展情况确定各部件的方案，在协调可实现的基础上完成总体方案选择。2017年03月24日指导教师意见进一步完善设计总体方案，与同组同学协商讨论，对不同的液压传送方式以及液压马达夹紧方式进行分析比较，取长补短，借鉴国内外成熟技术，参考相关定位夹紧装置、机构的工作原理与特点，拓展思路，进行下一步工作。指导教师(签字)：XX 2017年03月27日第 5周工作进展情况与同学协商对方案进行最终调整，了解相关液压马达知识，详细下料装置设计。2017年04月10日指导教师意见参考现有薄壁不锈钢管冷弯机结构资料，拓展思路，掌握基本原理，了解功能，根据具体设计要求和工作节拍，完善全自动薄壁不锈钢管冷弯机总体方案与液压冷弯装置设计，开展初步相关计算和液压系统初步设计,尽快着手绘制方案图草图。指导教师(签字)：XX 2017年04月10日第 7周工作进展情况进行弯管、卸料机构的三维建模，完成与之相关的论文说明书部分。2017年04月22日指导教师意见对总体方案图进一步修改，完善弯管、卸料机构的三维图，尽快完成部件图设计，尽早着手说明书的编写、文献翻译。指导教师(签字)：XX 2017年04月24日第 9周工作进展情况主要零件的校核与计算；绘制总体与部分零件二维图；完善设计说明书。2017年05月05日指导教师意见参考教学参考书和相关设计手册完成主要零件的校核与计算，注意公式的正确选用、单位及安全系数等； 尽快绘制总设计图与部件图得三视图；论文说明书的编写注意格式与排版，尽快完善设计说明书。指导教师(签字)：XX 2017年05月08日第 11周工作进展情况完善设计说明书；修改完善总图与零件图；完成文献翻译。2017年05月15日指导教师意见说明书按照学校要求格式排版，修改完善总图与零件图后再核对一下。文献翻译注意专业词汇的准确度和语言的通顺。指导教师(签字)：XX 2017年05月18日第 13周工作进展情况调整说明书格式； 说明书查重修改； 准备毕业答辩资料。2017年05月21日指导教师意见对已完成CAD装配图和零件图再进行检查并与同组同学互查，注意细 节，避免制图错误。尽快完成论文查重。进一步完善设计说明书并注意书写格式，仔细检查，提前查重，注意书写文笔通顺，公式应用正确，单位符合国标。准备答辩提纲，进行预答辩准备工作。指导教师(签字)：XX 2017年05月24日过程管理评价表评价内容具体要求总分评分工作态度态度认真，刻苦努力，作风严谨32遵守纪律自觉遵守学校有关规定，主动联系指导教师,接受指导32开题报告内容详实，符合规范要求54任务完成按时、圆满完成各项工作任务43过程管理评分合计11 过程管 理评语 该同学平时认真对待毕业设计工作，工作态度端正，开展毕业设计过程中能下一定的功夫，较为努力，肯付出。平时能自觉遵守学校有关规定，主动自觉联系指导教师，按期虚心接受指导。通过认真查阅文献，在分析、总结的基础上，在规定时间内完成并提交开题报告，开题报告内容详实，符合规范要求。 按时、较好完成任务书下达的各项工作任务。通过16周的毕业设计工作，表明该学生具有一定的分析问题、解决生产实际能力，一定的综合运用知识能力、科研方法运用能力，较好的中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力。指导教师签字:XX日期:2017-05-24指导教师评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规108指导教师评分合计16 指导教 师评语 该同学设计题目来源于生产实际，选题有一定的研究价值和实践意义，设计内容有一定的开拓性、创新性；深度、难度适宜，工作量适中。在规定时间内完成了设计任务书要求的主要内容（全自动薄壁不锈钢管冷弯机总体方案设计、回转装置设计、全自动薄壁不锈钢管冷弯机下料装置设计、机座设计，主要零件的受力分析、计算与较核，回转、下料装置控制系统设计等）。通过完成该设计，锻炼了学生综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力。论文书写文题相符，分析、论证、计算、设计、实验等正确合理，结论正确；论文结构、撰写格式、图表等符合学校基本规范要求。同意参加答辩。指导教师签字:XX日期:2017-05-24评阅人评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107评阅人评分合计15 评阅人 评语 本设计针对全自动薄壁不锈钢管冷弯机装置中穿芯机构、弯管机构等为要点进行设计。选题符合机械设计制造及其自动化专业培养方案要求，有一定的研究价值和实践意义。本设计比较选取了相关方案，完成了相关机械机构设计，设计方案较为合理。本设计综合运用了本专业所学知识，工作量尚可。同时本设计文题相符，概念基本准确，有相关的分析、论证与计算，基本正确合理，图纸质量尚可，但有些部分表达不够规范，需修改。说明书格式基本正确，但结构、图表等规范性还需修改提高。以上反映出该生具有一定的独立工作能力，同时有一定的中文表达与外语应用能力，也有一定的综合运用知识能力、科研方法运用能力、计算机应用能力及文献资料检索能力。 同意该生参加毕业设计答辩。评阅人签字：XX评阅人工作单位：XX日期：2017-05-24答辩纪录 学生姓名：XX专业班级：XX 毕业论文(设计)题目： 全自动薄壁不锈钢管冷弯机设计（二）答辩时间：2017年05月25日 时 分 时 分答辩委员会(答 主任委员(组长)： XX辩小组)成员委员(组员)： XX答辩委员会(答辩小组)提出的问题和答辩情况问题1：液压马达和模盘连接方式？回 答： 通过花键连接，承载力比平键大。问题2：液压马达输出扭矩是多大？回 答： 输出扭矩为140N.m问题3：机械手如何张开合上？回 答： 液压向前伸出推开，向后缩回收紧。问题4：下料抓紧液压缸行程多大？回 答： 行程为50mm。问题5：支架为什么有斜块？回 答： 保持稳定，综合强度高。问题6：弯一个件需要多长时间？ 回 答： 一分钟左右。记录人： 时祖光2017年05月25日答辩委员会评价表评价内容具体要求总分评分自述总结思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,分析归纳合理109答辩过程能够正确回答所提出的问题,基本概念清楚,有理论根据108选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规108能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语应用能力、文献资料检索能力、计算机应用能力109答辩委员会评分合计38 答辩委员会评语 XX同学在毕业设计工作期间，工作努力，态度认真，能遵守各项纪律，表现良好。 能按时、全面、独立地完成与毕业设计有关的各环节工作，具有一定的综合分析问题和解决问题的能力。 论文立论正确，理论分析得当，解决问题方案实用，结论正确。 论文使用的概念正确，语言表达准确，结构严谨，条理清楚。 论文中使用的图表，设计中的图纸在书写和制作时，能够执行国家相关标准，规范化较好。 具有一定的独立查阅文献资料及外语应用能力，原始数据搜集得当，实验或计算结论准确。 答辩过程中，能够简明和正确地阐述论文的主要内容，思路清晰，论点基本正确；回答问题准确，有应变力；有较好的语言表达能力。答辩成绩： 38答辩委员会主任：XX2017年05月31日毕业论文(设计)成绩评定 项目分类成绩评定过程管理评分11指导教师评分16评阅人评分15答辩委员会评分38总分80成绩等级B成绩等级按“A、B、C、D、F”记载成绩审核人签章： XXXXX审核人签章： XX一、 选题依据 1、研究领域 机械设计制造 2、论文（设计）工作的理论意义和应用价值 全自动薄壁不锈钢管冷弯机是将薄壁不锈钢管冷弯成型达到目的加工弯度的加 工设备。解决了管道安装过程需要弯头进行连接的问题，大量节省了弯头加工、运输等环节的资源消耗，为管道铺设节约成本。上世纪 60 年代左右起就已经实现小直径管的人工手动弯曲，发展至今已多半自动化。尤其用于石油管道铺设现场的大直径冷弯管机在近代得到了飞速发展。但生产加工时仍需要工人进行完成上下料、穿芯等操作。然而人工穿芯具有相当的不确定性，容易导致弯处产生褶皱等缺陷更有甚者直接报废，因此生产效率底下，浪费大量人力物力，渐渐不能满足需求量突增的市场需要。于是在对此前冷弯机的工作情况进行分析的基础上，采用科学的方法、加入自动控制系统、减少操作环节形成了新一代全自动薄壁不锈钢管冷弯机。下面是全自动冷弯管机的一些主要应用场合。 （1）大批量弯管生产： 在装饰，供水等行业不锈钢薄壁管的需求量很大，全自动弯管机能满足高效率的生产作业需要。 （2）生产不同弯度弯管： 全自动弯管机的自动控制系统具有准确控制弯曲角度的能力，在允许角度内能方便快捷的生产不同需要的角度且精确度高。 （3）特定场合弯管： 某些弯管由于其应用场合的特殊性需要到现场才能知道实际弯管的角度，管材直径的大小等数据，冷弯机能实现既弯既用。 3、目前研究的概况和发展趋势 小口径管弯管方面自 60 年代起便多有各类机械进行弯管作业，在船舶、汽车、电力、供水等多方面都有应用。 发展至今弯管方式逐渐多元化，按加工形式的不同主要可分为推弯、拉弯、压弯、辊弯、绕弯，随着技术的进步一些新的弯管技术也随之出现。例如：热应力成形、中频感应成形、激光成形、零半径成形、无模弯管等;根据加工过程中对管件是否加热分为冷弯和热弯;根据加工事内部是否填料可分为有芯和无芯弯管。 弯管所采用的动力也由早期的人力弯管转变为其他可靠动力，例如液压弯管、气动弯管、电力驱动弯管等。解决了人力不能保证精确度的问题同时也将工人从脏乱的加工环境解放出来。 5而未来，弯管机将以全自动的形式出现，在计算机不断深入各行各业今天，我们的生产方式也随着不断变化，安全可靠的数控系统将代替工人完成相关作业，在节约成本、保护环境、提高生产效率方面发力。整个弯管机系统将在自动化、智能化方面长足进步。 二、论文（设计）研究的内容 1、重点解决的问题 （1）冷弯机回转装置； （2）冷弯机的自动控制系统； （3）冷弯机机座设计； （4）冷弯机下料装置。 2、拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路） 查阅资料，了解薄壁不锈钢弯管的应用场合，需要弯曲的形式、弯曲的方法以及国内外全自动不锈钢管冷弯机的研究现状与发展趋势。从以前冷弯机的不足之处入手，采取相应措施进行优化。对重要部件进行分析、校核保证冷弯机质量。为冷弯机加上自动控制系统实现冷弯机的全自动化。大纲如下： 1绪论 1.1 课题的背景 1.2 课题的研究内容 1.3 目前的研究概况和发展趋势 2总体方案设计 2.1 已有冷弯机设计方案研究 2.2 总 体 方 案 3控制系统设计 3.1 不同控制系统方案对比 3.2 选定方案 3.3 自动控制系统设计 3.4 程序框图 4. 其余机械结构设计 4.1 回转装置 4.2 下料装置 4.3 机座设计 4.4 主要零件受力分析及校核 5. 总结 3、本论文（设计）预期取得的成果 （1）全自动薄壁不锈钢管冷弯机总体方案 A0 图纸 2 张； （2）设计结果的二、三维零件图纸 5-7 张。 三、论文（设计）工作安排 1、拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）； 设计参数如下： （1）弯管长度：300-500mm； （2）弯管重量：0.5-2.0kg； （3）弯管角度：90180； （4）弯管时间：10s； （5）薄壁管壁厚：0.6-1.0mm； （6）薄壁管直径：60-100mm; 2、论文（设计）进度计划 第一周：根据题目查找材料； 第二周：阅读，整理相关文献并进行系统分类； 第三周：根据整理后的资料写开题报告初稿； 第四周：开题报告答辩并对开题报告进行修改； 第五周：收集冷弯机总体方案的相关资料； 第六周：对方案进行拆解，分类研究； 第七周：完成总体方案设计； 第八周：回转装置设计； 第九周：下料装置设计； 第十周：机座设计； 第十一周：收集控制系统资料； 第十二周：自动控制系统设计； 第十三周：主要零件受力分析及校核； 第十四周：画设计的相关二、三维图纸； 第十五周：撰写设计说明书； 第十六周：完善各项内容，准备答辩。 四、需要阅读的参考文献 1田浮想.管材弯曲加工新技术J.锻压机械，2002，3：32-33. 2贾美慧.管材塑性弯曲成形的有限元数值模拟分析J.沈阳大学学报，2013，25（3）：193-197. 3吴云文.AZ30 镁合金棺材玩去成形及变形机理研究D.上海：硕士学位论文， 2010：9-11. 4纪永飞.新型管材无模成形方法的研究与实现D.吉林：硕士学位论文，2007： 1-3. 5任胜乐.管材弯曲成形理论与技术研究进展J.哈尔滨理工大学学报，2011，16（6）：31-35. 6绍靖利.推制工艺对推制弯头几何形状的影响J.Machinist Metal Forming， 2007（06）：78-80. 7李大永，蒋劲茂，彭颖红，尹纪龙.辊弯成形过程仿真与参数优化J.系统仿真学报，2007（04）：893-896. 8-9杨金桥.基于 PLC 的上下料机械手D.浙江：硕士学位论文，2014：1-2. 10周遐余.薄壁管冷弯成型中芯棒的结构分析及设计J.工艺与工艺装备，2003, （5）：53-54. 11梁磊，周国定.不锈钢管在我国凝汽器上的应用前景J.中国电力， 1998，31（11） :37-41. 12沈蔚，刘文渊.不锈钢管混凝土研究及应用N.吉林建筑大学学报，2016-6（3）. 13张一露，陈贞玉. 薄壁不锈钢管在消防工程中的应用J.消防技术与产品信息， 2015，（3）：29-31. 14杨海翔，王文想.薄壁不锈钢管的选用与实践J.煤气与热力.2014，34（3）： 20-25. 15王蒙强，于英虎，朱宇.冷弯管制作技术总结J.山西建筑.2010 36(4)：145-146. 16Benjamin Gerin,Etienne Pessard. Beneficial effect of prestrain due to cold extrusion on the multiaxial fatigue strength of a 27MnCr5 steel J. International Journal of Fatigue .2016. 17 Anonymous. a cool process for cold soldering J. Mechanical engineering， 2015. 18 Ferdinand Bammer,Thomas Schumi. Laser assisted bending for efficient light-weight-productionJ. Tehniki vjesnik,2011. 19 Byeong-Choon Goo. Development and Characterization of C/C-SiC Brake DiscJ. Materials and Manufacturing Processes,2016,31(8):979-988. 附：文献综述文献综述 弯管机是加工弯管的重要加工设备，随着弯管应用场合的多样化和普遍化，弯管机的巨大作用也越来越明显。全自动薄壁弯管机一般由回转装置、上下料装置、穿芯装置、机座等四大部分组成。 1 回转装置类型（弯管方式） 弯管工艺很多，按加工形式的不同主要可分为推弯、拉弯、压弯、辊弯、绕弯1-4， 随着技术的进步一些新的弯管技术也随之出现。例如：热应力成形、中频感应成形、激光成形、零半径成形等;根据加工过程中对管件是否加热分为冷弯和热弯;根据加工事内部是否填料可分为有芯和无芯弯管5。 1.1 绕弯 绕弯目前大量应用于管道弯曲行业。绕弯是在压块的作用下，将芯棒放入被弯管中，使管材随弯曲模胎旋转从而弯管成型的弯管工艺。在实际加工过程中一般分为手动和机动两类：手动弯管只能加工简单的小管，耗费人力；机动弯管一般进行冷弯， 有加芯弯管和不加芯弯管之分。与人管弯管相比极大的提高了生产效率所以一般用于产品的批量生产中。 1.2 推弯 推弯多用于弯制弯头。按工艺特点分为芯棒式热推弯和模型式冷推弯两种6。热推弯需要对管材进行加热，在此基础上还需要具有一定推力的机械推动管材，两相配合之下使管材前段弯曲：模型式冷推弯则需要事先设计好模型，再同样用其它提供推力的机械施与压力以达到使管材弯曲成模型形状的目的。 1.3 压弯 压弯是利用凹、凸模的共同作用，使管材随凸模运动而弯曲直到与凹模接触形成弯管成品的弯管方式。是一种取之于日常生活的弯管方式，可以加工简单的弯管，精确度较低。 1.4 辊弯 利用三个工作表面与管材横断面形状吻合的驱动辊轮对管材滚动挤压，从而使管材弯曲成形的方法7.可以通过调整滚轮间距调整加工曲率。 1.5 拉弯 利用圆模旋转带动管材使管材弯曲的加工方法。加工时需要在芯棒、夹紧模、压紧模、防皱模的配合下使用。 62 上下料装置 一直以来给机器上下料大都依靠人工完成，直到机械手的出现才开始大规模取代人工上下料。相对于人工上下料而言，采用机械手上下料的优点如下： （1）快速、灵活、通用性强、重复定位精度高，可以长时间连续作业； （2）减轻劳动强度、降低成本、保证质量进而提高劳动生产力； （3）可以胜任人不能适应的恶劣环境下的工作。 （4）因此我们也利用机械手实现弯管机的自动上下料。 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成8。执行机构的结构主要由工作环境决定，根据工件的外形特征选用合适的夹持方案，具有专一性。驱动机构主要做传动工作，将控制系统与执行机构连接起来。通过自身的各种移动、旋转进行组合完成设定的预定轨迹。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式称为机械手的自由度，自由度是机械手设计的管件参数，自由度越多机械手的灵活性越大， 通用性越广，结构越复杂9。在实际情况中不通机械手需要完成的工作不尽相同，相应的驱动方式也不一样，主要分为三种：液压式、电动式、机械式。控制系统是一个闭环系统，是机械手最核心的部分，一般都是通过 PLC 编程实现控制。 3 穿 芯 穿芯部分有两个重点，其一是芯棒的组成及结构，其二是穿芯装置的结构。常见的芯棒结构有圆头式、勺式、轴销式、软轴式四种10，随着技术发展也出现了对称球式芯棒等更加有利的芯棒结构，更有甚者无芯弯管技术也已经出现。当然优缺各异， 选用不同方案时要根据实际情况综合考虑。而穿芯结构则更为宽泛，类似与曲柄摇杆机构等一类简单机构就可以胜任。 4 弯管机应用场合 4.1 燃气、消防工程 由于燃气、消防工程的高要求，普通钢管即使使用防腐蚀处理也需要频繁更换管件以保证工程的质量可靠，使资源大量浪费。而使用不锈钢管则有如下优势： （1）寿命长：不锈钢管其理论寿命正常情况下可达百年之久； （2）受压性强：在一定限度的超标准受压下仍能正常工作； （3）安装简便：配管轻量化、施工便利、对技术人员要求低、清洁施工； （4）寿命周期成本低：时间长，维护费用低； （5）美观：管道光洁明亮，符合现代人追求高品位生活的需要。 基于这些优点，不锈钢管大量被使用，使用大量弯管的同时就需要高效率弯管机进行弯管作业。 4.2 凝汽管 凝气器管材选择对凝气器及整个电厂的安全运行有着极重要的意义，对投资和运行维修费用的影响也不容忽视。铜合金管易结垢腐蚀甚至爆管。导致重大事故于经济损失。而不锈钢管代替铜合金管的“无铜系统”就不存在这个问题11。还有以下优势： （1）良好的机械性能； （2）良好的耐蚀性能； （3）高的经济性能； （4）不错的热传性能。 凝汽管的机构要求比较高，所以需要自动化的弯管设备以保证弯管精度，从而保证工程质量。 4.3 不锈钢管混凝土 不锈钢管混凝土是指在不锈钢管内填充混凝土的组合材料，不锈钢管混凝土具有混凝土良好的力学性能和不锈钢优越的耐久性能，并且造型美观、易于施工、绿色环保。因此逐渐被一些重要的实际工程所采用12。作为一种建筑结构，钢管的形状便是混凝土浇筑的模板，需求便呈现多样化，弯曲则是不可避免的。因为冷弯管还可以作用在建筑行业，并根据现场实际情况进行弯管，提高施工效率。 综上所述，不锈钢管冷弯机的应用场合广，市场需求突出。但是目前市场上还没有全自动的不锈钢管冷弯机来满足大量需要的不锈钢冷弯管生产，这是生产与需求的矛盾。为了解决这个问题我们需要注意以下问题： （1）提高对冷弯管机的重视程度，投入资源进行研究开发； （2） 提高冷弯机的制造工艺技术和装备水平； （3） 加强推广力度，淘汰旧产品，为新产品占据市场打好基础； （4） 做好售后服务，让需要产品的人没有后顾之忧； （5） 以绿色环保为中心，做好产品的节能减排。 在此基础上才能发展出高质量的适应需求的全自动不锈钢管冷弯机。 7全自动薄壁不锈钢管冷弯机（二）全自动薄壁不锈钢管冷弯机设计摘要薄壁不锈钢管被大量应用于现代工业，而随着工业发展的进步，对不锈钢管的质量要求越来越高，相应的对最易引起管材质量问题的弯处提出了更高的要求。本文设计的全自动弯管机主要作用就是解决管材弯曲质量不稳定的问题。该装置以液压系统为基础，同时辅以 PLC 控制技术，为弯管的可靠性提供支撑。整个装置中穿芯机构、弯管机构为设计要点。穿芯机构中芯珠的形状、珠之间的连接方式将极大的影响弯管质量，因此采用高强度材料制作芯珠，链条式的连接来解决管材弯制过程中芯棒随管材一同弯曲的问题。弯管机构采取绕弯的方式，在液压缸作用下被压紧，最后液压马达带动模盘转动进行弯管。为满足范围角度及管材直径的弯管需要，模盘、芯珠等零件可随管材不同而相应更换。使用该弯管机进行弯管能明显提高生产效率与弯管质量，与传统管材弯曲机械相比具有明显的优越性。 关键词：薄壁不锈钢管；回转装置；全自动；冷弯IIABSTRACTThin-walled stainless steel tube is widely used in modern industry, and with the progress of industrial development, the quality of stainless steel tube of the increasingly high demand, corresponding to the most easy cause of bend pipe quality problem put forward higher requirements. The main function of the automatic pipe bending machine designed in this paper is to solve the problem of unstable quality of pipe bending. The device is based on hydraulic system and is supplemented by PLC control technology to provide support for the reliability of the bend. The core penetrating mechanism and the bent pipe mechanism are the key points in the design of the whole device. Connection between coring mechanism in core bead shape, bead will affect the bending quality greatly, so the production of high strength material core beads, connecting chain type to solve the mandrel tubing bending process with pipe bending problems together. Take the way of bending pipe bending mechanism, is pressed under the action of the hydraulic cylinder, the hydraulic motor drives the mold disc rotating pipe.In order to meet the angle of the pipe and the diameter of pipe, the parts can be replaced by different pipes. The bending tube can obviously improve the production efficiency and the bending quality, which is obviously superior to the traditional pipe bending machine.Key words: thin wall stainless steel tube; rotary device；automatic; cold bending;目录摘要 . IABSTRACT . II1. 绪论 . 11.1 课题的背景11.2 本课题的研究内容11.3 目前研究的概况和发展趋势12.弯管机构 . 22.1 弯管方式对比22.2 弯管结构分析52.3 校核与计算53.卸料机构及机架 . 73.1 卸料机构方案对比73.2 卸料结构分析83.3 机架设计84. 液压及 PLC 控制系统 . 104.1 液压系统简介104.2 弯管液压系统组成104.3 液压元件的选择114.2 PLC 控制系统13总结 . 16致谢 . 17参考文献 . 18 III1. 绪论1.1 课题的背景全自动薄壁不锈钢管冷弯机是将薄壁不锈钢管冷弯成型达到目的加工弯度的加工设备。解决了管道安装过程需要弯头进行连接的问题，大量节省了弯头加工、运输等环节的资源消耗，为管道铺设节约成本。上世纪 60 年代左右起就已经实现小直径管的人工手动弯曲，发展至今已多半自动化。尤其用于石油管道铺设现场的大直径冷弯管机在近代得到了飞速发展。机械行业用管一般较为小型化、薄壁化，此前生产加工小型薄壁弯管时需要工人进行上下料、穿芯等操作。然而人工穿芯具有相当的不确定性，容易导致弯处产生褶皱等缺陷更有甚者直接报废，因此生产效率底下、浪费人力物力，渐渐不能满足需求量突增的市场需要，迫切需要更高级的弯管设备。于是在对此前冷弯机的工作情况进行分析的基础上，采用科学的方法、加入自动控制系统、减少操作环节形成了新一代全自动薄壁不锈钢管冷弯机。 1.2 本课题的研究内容本课题主要研究的是如何设计弯管、穿芯、卸料等机械结构，以及实现弯管机的全自动化，同时满足对弯管精度的要求。为满足不同市场需求，要求整机能实现一定直径和弯曲角度范围内管材的弯曲，因此类似于弯管模盘等结构需要能实现可更换，这要求弯管机的可操作性高，更换部件时便利性高。大致上由一个液压站作为全机的动力来源， 分别作用于弯管，卸料，穿、抽芯机构，使用 PLC 对弯管机进行自动化控制。 1.3 目前研究的概况和发展趋势小口径管弯管方面自 60 年代起便多有各类机械进行弯管作业，在船舶、汽车、电力、供水等多方面都有应用。发展至今弯管方式逐渐多元化，按加工形式的不同主要可分为推弯、拉弯、压弯、辊弯、绕弯1-4。随着技术的进步一些新的弯管技术也随之出现。例如：热应力成形、中频感应成形、激光成形、零半径成形、无模弯管等;根据加工过程中对管件是否加热分为冷弯和热弯;根据加工事内部是否填料可分为有芯和无芯弯管5。弯管所采用的动力也由早期的人力弯管转变为其他可靠动力，例如液压弯管、气动弯管、电力驱动弯管等。解决了人力不能保证精确度的问题同时也将工人从脏乱的加工环境解放出来。 而未来，弯管机将以全自动的形式出现，信息化的几天今天，我们的生产方式也随着不断变化，安全可靠的数控系统将代替工人完成相关作业，在节约成本、保护环境、提高生产效率方面发力。整个弯管机系统将在自动化、智能化方面 长足进步。 182.弯管机构2.1 弯管方式对比传统弯管工艺按加工形式不同主要分为推弯、拉弯、压弯、辊弯、绕弯几大类；随着技术进步当今也出现新的弯管技术，如：热应力成形、中频感应成形、激光成形、零半径成形、无模弯管等。 下面简单介绍一些常见的弯管方式。 2.1.1 绕弯绕弯目前大量应用于管道弯曲行业。绕弯是在压块的作用下，将芯棒放入被弯管中， 使管材随弯曲模胎旋转从而弯管成型的弯管工艺。在实际加工过程中一般分为手动和机动两类：手动弯管只能加工简单的小管，耗费人力；机动弯管一般进行冷弯，有加芯弯管和不加芯弯管之分。与人管弯管相比极大的提高了生产效率所以一般用于产品的批量生产中。 图 2.1 绕弯示意图 1-压块 2-芯棒 3-夹持块 4-模盘 5-管材 2.1.2 推 弯 推弯多用于弯制弯头。按工艺特点分为芯棒式热推弯和模型式冷推弯两种6。热推弯需要对管材进行加热，在此基础上还需要具有一定推力的机械推动管材，两相配合之下使管材前段弯曲。 图 2.2 芯棒式热推弯弯管原理 1-弯头 2-加热炉 3-加热点 4-扩张芯头 5-支撑架 6-芯棒 7-管材 8-推板 模型式冷推弯则需要事先设计好模型，再同样用其它提供推力的机械施与压力以达到使管材弯曲成模型形状的目的。 图 2.3 型模式冷推弯 1-压柱 2-导向套 3-管材 4-弯曲型模 2.1.3 压 弯 压弯是利用凹、凸模的共同作用，使管材随凸模运动而弯曲直到与凹模接触形成弯管成品的弯管方式。是一种取之于日常生活的弯管方式，可以加工简单的弯管，精确度较低。 图 2.4 V 形压弯原理 1-凸模 2-管材 3-摆动凹模 2.1.4 辊 弯 利用三个工作表面与管材横断面形状吻合的驱动辊轮对管材滚动挤压，从而使管 材弯曲成形的方法7。可以通过调整滚轮间距调整加工曲率。 图 2.5 三轮辊弯 1、2、3-辊轮 4-管材 2.1.5 拉 弯 利用圆模旋转带动管材使管材弯曲的加工方法。加工时需要在芯棒、夹紧模、压紧模、防皱模的配合下使用。 图 2.6 旋转拉弯 1-模盘 2-防皱模 3-管材 4-芯棒 5-夹紧模 6-压紧模 2.2 弯管结构分析图 2.7 弯管机构示意图 1-液压马达 2-旋转模盘 3-管材 4-压料液压缸 5 压紧液压缸 6-压紧旋转支架 该弯管方式使用旋转拉弯技术。管材由下料机构放入指定位置，压紧液压缸将管材压紧在圆形模盘上，同时压料液压缸将压料臂推至指定位置。液压马达旋转带动模盘、压紧旋转支架共同旋转，由于管材管头被压紧在模盘上，管尾被压料液压缸阻挡，管材将随模盘共同旋转从而达到弯曲的目的。 2.3 校核与计算2.3.1 液压马达轴校核受力图如下 图 2.8 主轴受力图 实际工作中液压马达受力复杂，校核是取主要受力进行计算，简化后旋转轴主要受扭矩及弯矩作用，如图 2.8 则最大弯扭截面为轴中心点。其中 扭 矩 T=1219N.m F=7170N 则 弯 矩 M=FL=28.68N.m 取 M=287N.m 轴直径 D=50mm 扭转脉动循环应力，取=0.5。 计算得 ca= = 2+()2=2870002+(0.51219000)2=0.150353.9 MPa（2.1）ca-1=60 MPa 所以安全。2.3.2 模盘、液压缸紧固螺栓校核 模盘上有 4 枚紧固螺栓受压料液压缸施加力而产生剪力， 由压紧液压缸可计算出 F=7170N 螺栓直径 D=25mm得 出 = 717032 =11.5Mpa （2.2） 44(2510)紧固螺栓材料为 Q235 碳素钢取 = 220Mpa，考虑抗疲劳、抗断裂、工作重要性、磨损等条件分别选取安全系数如下： S1=2；S2=3;S3=1.2；S4=1.2； 则 有 S= S1 S2 S3 S4=8.64 （2.3） 根据第三强度理论有 max= =110Mpa （2.4） 2时材料出现屈服，结合安全系数，得出 max=25.5Mpamax= 所以安全。 液压缸共用 8 枚螺栓连接，所受受剪力同样由液压缸推力产生，所以 F=7170N 选取标准液压缸有 D=28mm 所 以 = = 7170=1.5Mpa （2.5） 48(28103)2 所以安全。 2.2.4 键的校核 由于负载较大，普通平键不能承受，故选采用花键连接的液压马达进行弯管，其中键的参数如下： 尺 寸 ： 836407mm动连接校核公式(单位均为毫米)： P=2000P （2.6） 载荷分布不均系数，与齿数有关，一般取=0.7-0.8，此处取=0.7 z花键齿数： z=8 l齿工作长度，取 l=40mmh花键齿数工作高度，矩形花键，h= 倒角尺寸,其中 C=0.2mm 2-2C,D 为花键大径，d 为花键小径，C 为d =+dm花键的平均尺寸，矩形花键， m2带入数据有 P=20001578000=0.23Mpa0.78401.638查花键连接取许用应力 P=5MpPP 所以所选键的强度满足求。 3.卸料机构及机架3.1卸料机构方案对比3.1.1 曲柄滑块夹持机构曲柄滑块机构运动时实现卸料移动，末端连接夹持机构实现卸料夹持。优点：结构简单，操作方便；缺点：整体结构尺寸太大，不易与其它机构协调安置。3.1.2 液压缸夹持机构液压缸实现卸料来回运动，末端同样使用液压缸实现卸料夹持。优点：可以将液压缸与夹持端复合安放，节约空间，在使用液压站供能情况下该系统实现简单，性能可靠；缺点：需要两个液压缸，支撑板结构比较复杂，生产较为困难。3.1.3 机械手机械手是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，能够接受命令， 精确定位到三维或二维空间上的某点进行作业，各行业应用广泛。优点：位置精度高，通用性强，工艺性好， 缺点：造价高，结构复杂，维修不便。综上所述，选择方案二液压缸加持机构，可以很方便的与整个液压系统进行协调工作，造价低，不用额外增加复杂机构。3.2 卸料结构分析图 3.1 卸料机构简图 1-机架支撑板 2-卸料支撑板 3-卸料爪液压缸 4-卸料爪 5-顶出螺钉 6-管材 7-旋转模盘 8-液压马达 9-卸料液压缸 10 卸料滑槽 以两个液压缸为基础，一个抓取管材，另一个实现卸料移动。管材完成弯曲之后将 由与芯棒液压缸连接的顶出支架顶出，同时卸料爪在卸料液压缸的带动下进行抓取运动。卸料爪抓紧管材后卸料液压缸运动，带动卸料支撑板到达指定位置后卸料爪松开，与此 同时同时在顶出螺钉的作用下成型管材掉落到成品收集区。3.3 机架设计3.3.1 机架设计要求机架是整个弯管机的基础部分，承载其余所有结构，一般来说因为其余结构布局等一些列原因导致机架尺寸偏大，为了保证整机在工作时不会出现震动、变形等情况一般对机架设计有如下要求：1. 有足够刚度及刚度质量比；2. 优良的动态特性；3. 不易产生热变形；4. 安全性高，便于制造安装。3.3.2 工作面板弯管机工作面由钢板构成。壁厚由外壁当量尺寸 C 决定：2+C=3式中床身长、宽、高分别为 L=1.9mB=0.75mH=0.9m带入数据有 C=1.812查表可知床身厚度为 15mm3.3.2 机支撑结构（3.1）支撑立柱采用空心钢管，使用时焊接到工作面板相应位置即可。为保证立柱不歪斜移位，在底部、中部用薄钢板将各立柱连接起来，与平面接触处焊接斜钢板进行稳定支撑。该机架结构方式节约材料，方便安装。初步估算大致有整机工作面及其上各部件总重量为300-400kg，取400kg 进行校核，为保持平衡整个装置平衡及承重，采用 8 根空心方管支撑。截面如图 3.2 所示。图 3.2 立柱截面图40010得出 = = 74.561042=1.25Mpa（3.2）立柱采用 45 钢，查表许用应力为=160Mpa满足要求。4. 液压及 PLC 控制系统4.1 液压系统简介液压传动是以液体作为介质来进行能量传递的传动方式。他具有一些列明显的优点， 例如可以传递大功率、快速响应、无级调速、易实现自动化、易实现回转或直线运动等。 而自动化、回转或直线运动就是本设计中弯管机所需要的重要特性。4.2 弯管液压系统组成液压原理图如图 4.1 所示图 4.1 液压系统原理图 整套液压系统的执行元件主要由五个单向液压缸，一个双向液压缸，一个液压摆动马达构成，再辅以其它辅助元件，例如电磁换向阀、顺序阀等。压料缸用于保持管材旋转时管尾处于固定位置，并且末端的导向轮在管材弯曲前进的过程中能减少管材与压料机构的摩擦受力，减小管材损伤；压紧缸将管材压入弯曲模盘中，保证弯管时管材始终固定于弯管模槽内；卸料爪缸在卸料时抓取弯曲后的管材，待抓取动作完成后卸料缸运动将管材移出到指定位置，完成卸料；上料缸在管材落下过程中将管材推送如预定位置进行上料；芯棒缸为双向液压缸，其中一个方向驱动芯棒实现对棺材的穿芯、抽芯，另一个方向安装有顶出支架，在抽芯的同时将卡入模盘的管材顶出以实现卸料爪对弯曲管材的抓取行动；液压马达为单叶片摆动马达，能实现 180角内往复运动，为管材弯曲提供动力。为了整个弯管过程更加可靠，液压马达、压料缸、压紧缸、卸料爪缸都有液压锁， 在达到预定位置后液压缸将被锁紧，减少压力损失，使动作更加平稳可靠。为了实现弯曲不同管材的目的，在各处液压缸回路中都有采用单向节流回路。这样可以便捷的调整回路速度，满足不同管材弯曲所需。在弯管和穿芯两处要求较高的液压回路中做了特别处理。弯管液压马达采用二级回油调速回路，极大的增强了负载能力，并且工作速度平稳、冲击小。在开始弯管阶段为提高弯管质量，可以采用慢速弯管，这样可以极大的提高实际弯管与设定弯管的相似度。芯棒液压缸处采用节流、卸荷两种回路，该方式可以使芯棒在回退过程中拉平部分弯曲褶皱，提高弯管质量。动作顺序表如下：表 4.1弯管动作顺序表动作名称电动机电磁铁MYA14YA15YA16YA17电机启动+慢弯快弯+回退+4.3 液压元件的选择4.3.1 液压马达的选择 由于是范围弯管，以最大载荷为选择基准。弯管参数如下： 管材最大直径：D=100mm 弯管中性层曲率半径：=120mm 管材壁厚：1mm 管材材料：304 不锈钢 管材抗拉强度： 520Mpa； 管材条件屈服强度 ：0.2205Mpa 使不锈钢管弯曲成形，产生塑性变形取 =450Mpa 弯曲强度计算如下： 弯管力矩 M = W3 （4.1） 抗弯截变模量 w=332(14) （4.2） 式中 = （4.3） 带入数据有 W=2.5 1033 M=1219 N.m 取液压缸效率 = 0.8 实 = =1219=1523N.m （4.4） 0.8根据所需扭矩查机械设计手册（第五版）成大先编。以下简称手册表 21-5-108 选择液压缸规格如下： 型号：YMD700 摆 角 ：180 排量：700mL/r 额定压力：14Mpa 内泄露量：650mL/min 启动转矩：571 N.m 额定转矩：1578N.m 花键连接：836407mm 满足弯管最大转矩要求。 4.2.2 压紧液压缸选择 因为 M=FLL=0.17mM=1219N.m 则 有 F=7170N取 液 压 缸 效 率 = 0.8 实 = =8962.5N按经济适用原则选取轻型拉杆式液压缸查手册表21-6-87 选取液压缸规格如下： 型号：WYX0170L-LB50C25额定工作压力：7Mpa最高允许压力：10.5Mpa 允许最高工作速度：0.5m/s 使用温度：-10-80缸径：50mm活塞缸径：22mm 推力 13.71kN拉力：10.92kN 压料力与压紧力相同，选择同规格液压缸。同理合理选用其余液压缸。 4.2 PLC 控制系统4.2.1 控制系统简介控制系统采用可编程控制器 PLC。PLC 主要由中央处理器、处理器、输入输出接口电路、通信接口、电源等部分组成。是专门在工业环境下设计的控制装置， 具有功能强、可靠性高、程序设计简单、修改方便等优点。选取最常用的三菱公司FX2N-48MR 控制器，控制器的作用是控制液压系统的电磁阀得电失电。 4.2.2 控制系统顺序图顺序功能图是用来表达顺序控制过程的程序，简称功能图。是一种说明性语言，可以完整的描述控制系统的工作过程、功能和特性。特别对于复杂的控制系统而言系统内部关系复杂， 直接编程难度大，可读性差。 顺序功能图主要由步、有向 连线、转换、转换条件和动 图 4.2 顺序图作组成。弯管机的控制系统 顺序图如图 4.2 所示。 续图 4.2 顺序图 4.2.2 控制系统梯形图及代码梯形图是目前应用最为广泛的 PLC 编程语言。是以电气控制系统图为基础演化而来的。它将电气图中的接触器、继电器等变成简化符号，具有形象、直观和实用的特点。以弯管机构为