数控蛇形管弯管机弯孔设计

河北建筑工程学院毕业设计计算书指导教师：孙有亮 设计题目：蛇形管弯管机 设计人：刘海洋设计项目计算与说明结果第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1.1.2模弯曲1.压弯2.推弯3. 绕弯1.1.3 无模弯曲1.1.4 热应力弯曲1.1.5激光成形弯曲工艺1.2弯管工艺分析及常见的弯管缺陷1.2.1弯管工艺分析1.2.2常见的弯管缺陷及解决措施1.3本文的主要设计内容第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。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。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。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。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。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，从而使外测管壁减薄；内侧材料则受到切向压应力的作用而缩短，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，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