制冷热交换器U型管自动成型机设计

1、摘要小U型管的弯制方法有很多,相应的设备也有很多,但大多数都是用手动或机 械弯管机加工生产出来的,而且多为冷弯。在实际中通常是根据生产对 U 管的质量 要求选择相应的弯管机进行加工。本课题旨在寻求一种新的弯管工艺,在保证弯管 质量的前提下尽可能提高弯管的速度。本着以上的目的,本课题研究设计了一款液压全自动 U 型管弯管机,所加工的 管材为硬铜管。它具有生产效率较高,制造成本低。整台机器共有以下几部分组成: 送料夹紧和送料机构、弯曲夹紧机构、弯曲机构和切断机构四大部分组成。除了切 断机构是由一台功率为0.37kw的小功率三相异步电动机带动之外, 其它的机构均采 用了液压传动。弯管方式采用辗压。在

2、弯管的过程中,定模保持不动,固定在旋转 平台上的动模进行靠模完成管子的加工。由于主要采用了液压传动的传动方式,和其它的液压设备相同,该液压全自动 弯管机在传动上大为简化,缩短了传动链,从而提高了动力的传动效率。本设备可 以一次完成两根管料的同时加工,所以加工效率较高。另外本设备还有一个很大的 特点:在生产过程中采用了芯轴机构来减弱管子弯曲截面的椭圆度和内壁管子内壁 的褶皱。同时由于芯轴机构中顶推弹簧的顶推作用,弯曲过程中管子外壁的开裂现 象得到了很好的解决。AbstractThere are many bending method of Small Utube, so the correspo

3、nding device is a lot. But most bending machine is manual or mechanical processing, and mostly is cold .In practice the select of bending machine is usually based on the quality of the production requirements on U tube. This topic seeks to find a new elbow technology, in ensuring the quality of pipe

4、 bends under the premise of improving the speed as much as possible.In the above purpose, the research design of a hydraulic automatic Utube bending machine, the processing of copper pipe as hard. It has higher production efficiency, low manufacturing cost. The whole machine is a total of the follow

5、ing components: Feeding clamping and feed mechanism, clamp body bending, bending bodies and cut off the bodies of four parts. In addition to cutting off body by a lowpower power 0.37kw three phase induction motor drive, the other agencies are using a hydraulic transmission. Rolling Elbow is adopted.

6、 In the bending process, scheduled to die remain intact, fixed on the rotating platform, the dynamic model for the tube to complete the processing by the module.Since the main use of the hydraulic drive transmission, and other similarhydraulic equipment, automatic bending machine of the hydraulic dr

7、ive on the greatly simplified, reducing the transmission chain, resulting in improved power transmission efficiency. The device at once, while two pipe materials processing, so the processing efficiency is higher. The device also has a lot of features: in the production process used to weaken the tu

8、be bending mandrel body section of the ellipticity of the inner wall of the tube wall folds. At the same time pushing the mandrel institutions push the spring effect, the outer wall of the tube bending process of cracking phenomenon has been well addressed.Keywords:Bender,Motor, Gear, Rack, Hydrauli

9、c cylinder目录目录 (11 管子弯曲方法的选择 (31.1 管料弯曲变形分析【1】 (31.2 常用弯管方法 (31.3 小弯曲半径管件的加工 (41.4 弯曲方法的拟定 (52 弯管机的总体设计拟定 (52.1 弯管机的总体机拟定及分析【2】 (52.2 弯管机总体机构的划分 (63 弯管机各机构的选择和设计 (63.1 靠模弯曲机构的设计【3】 (63.2 定模和夹块运动的设计 (73.3 弯管辅助机构芯轴的设计 (73.4 顶镦装置的设计 (73.5 切断机构的设计 (84 齿轮齿条的参数计算和选定 (84.1 齿轮的拟定 (84.2 齿条的参数计算和拟定 (85 液压缸的设计

10、 (95.1 液压缸主要参数的初步计算和拟定【4】 (95.2 液压缸的验算 (95.3 液压缸各部分结构形式的拟定 (106 大液压缸的选择 (137 切断电机的选择以及计算【5】 (138 芯轴工艺尺寸以及冷弯工艺参数的计算 (148.1 常用芯轴的工艺尺寸 (148.2 冷弯工艺参数的计算【3】 (159 旋转轴的校核 (1710 弯管机主机设计整体建模以及造型 (1811 设计小结 (1912 参考文献 (191 管子弯曲方法的选择1.1 管料弯曲变形分析【1】管料弯曲基本变形机理与板料弯曲加工是相同的,特殊之处在于管料断面是中空 的,被折弯的管料外侧与内侧壁厚变化相反。管料断面的形状

11、变化,内侧管面的褶 皱缺陷往往成为管料弯曲加工中的问题。加工过程中管料断面的形状变化如图1所示,与板料弯曲相似,管料弯曲时,弯 曲横断面上,外侧壁厚发生拉伸变形,内侧壁厚发生压缩变形。当弯曲达到一定程 度后,内侧管壁在压应力的作用下仍会失稳而发生皱折,外侧管壁在拉应力的作用 下会产生裂纹。另外,弯管外侧的管壁由于受切向拉伸而向内侧转移,导致管料弯 曲后整个断面形状呈椭圆形。 图 1.管料弯曲变形示意图1.2 常用弯管方法管材弯曲成型是直接靠特别的磨具来实现的,通常按模具的特征大致可以 分为四类:l冲模强制成型法,其代表就是用冲床来生产弯管件。l滚轮弯曲法,常见于电动三辊卷弯机,其特点是只能卷制

12、不同的弧形,目前 应用最广的是不锈钢装饰行业。l滚压法,常见于电动机平台式弯管机,目前液压弯管机械中的双弯机也是采 用这种成型方法。l缠绕式弯曲法,目前市场上所有的单头液压弯管机及数控弯管机采用的都是 这种成型法,其特点是产品变形小,基本上可以避免管材表面的划伤,进行 有芯弯曲时管材的椭圆度和减薄量都可以控制在最小范围内。l若按采用芯棒情况又可以分为两类,即有芯棒弯曲法和无芯棒弯曲法,液压 弯管机和数控弯管机都是按缠绕式弯曲进行设计的,并都可以进行有芯弯曲 和无芯弯曲。管料的压弯和绕弯示意图: 图 2.压弯法弯管示意图 图 3.管料绕弯示意图按管子成型方法的不同可以分为以分为:压(顶弯、滚弯、

13、回弯和挤弯, 回弯又分为辗压式和拉拔式。1.3 小弯曲半径管件的加工管料弯曲制品断面有一定椭圆度是难免的。但不同的加工方法(包括是否使用芯 棒对椭圆变化程度影响不同。用压缩弯曲或回转牵引弯曲法加工,当R/d=2.0时, 椭圆率约为5%(=(a-b/a各符号见图1管料弯曲的加工极限决定于破裂和折皱缺陷的产生。一般对于壁厚t和管径 d之 比较小的薄壁管料,折皱是制约加工极限的主要因素;而采用回转牵引弯曲时,由 于整个管料都收拉伸,容易发生破裂,其加工极限决定于是否达到破裂的拉伸极限。随着工业技术的发展,为了获得紧凑的结构,对减小管子的弯曲半径提出了新的 要求。相对弯曲半径 R/d0.08,符合/D

14、=0.080.3的情况0P max D/(2.3p-3PmaxZG230-450材料的许用应力p=b/n(取安全系数n=5p=108 MPa计算可得00.38mml缸筒底部厚度的验算1=PD0m/(4p径计算得1=0.625mm=5.0mm0.625mm,所以满足要求5.3 液压缸各部分结构形式的拟定常用的缸筒与端盖的联接方式有三种:l拉杆型液压缸 结构简单,制造和安装方便,缸筒是用内径经过研磨的无 缝钢管半成品,按行程要求的长度切割。端盖和活塞均为通用件。但这类缸受 行程长度、缸内径和额定工作压力的限制。当行程即拉杆长度过长时,安装时 容易偏歪,致使缸筒端部泄露。这类缸的一个很大的特点是缸的

15、外形尺寸比较 大。l焊接型液压缸 缸体有杆侧的端盖与缸筒之间为内外螺纹联接、内外卡环、 卡圈联接,后端盖与缸筒常采用焊接联接。这类缸暴露在外面的零件较少,外 表光洁,外形尺寸小,能承受一定的冲击负载和恶略的外界环境条件。但由于 前端盖螺纹强度和预紧时端盖对操作的限制,因此不能用于过大的缸内径和较 高的工作压力。缸内径常用于D200mm,额定压力Pn25MPa。l法兰型液压缸 缸体的两个端盖均用法兰螺钉(螺栓联接;缸底为焊 接, 而缸前盖用法兰联接的结构。 这类缸的外形尺寸较大, 适用于大中型液压缸, 缸内径通常大于100mm,额定工作压力Pn=2540MPa,能承受较大的冲击负荷和 恶劣的外界

16、环境条件,属于重型缸,多用于重型机械、冶金机械。本设计所研究的弯管机是轻负载型机械,而且由于弯曲夹紧机构、切断机构 以及动模的靠模运动的影响,该液压缸的外形适于采用小型的液压缸。初步选定 液压缸缸筒与端盖的联接方式为焊接型液压缸。由于该液压缸的外径和内径较 小,承受的工作压力小,缸筒与两端盖的联接方式都采用螺纹联接的方式。并且 易于拆卸维修。由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复运动, 因此它与缸筒间的配合应适当, 既不能过紧,也不能间隙过大。配合过紧,不仅使最低启动压力增大,降低机械效 率,而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面;间隙过大,会引起液压缸内部泄露, 降低容积效率,使液压缸达不到要求

17、的设计性能。活塞的结构形式根据密封装置来选定。常用的活塞结构形式有整体式活塞和组 合式活塞。整体活塞在圆周上开沟槽,安置密封圈,结构简单,但是加工比较困难,密封 圈安装时也容易拉伤和扭曲。组合式活塞结构多样,主要受密封形式决定。组合式 活塞大多数可以多次拆装,密封件使用寿命长。随着耐磨的导向环的大量使用,多 数密封圈与导向环大量使用,大大降低了活塞的加工成本。综合考虑活塞的选用条件,该小型液压缸可以采用整体式活塞。因为该液压缸 工作环境为低压、行程较短且液压缸的尺寸小。活塞与液压缸缸筒内径的配合采用 小间隙配合。l 活塞杆的杆体由两种:实心杆和空心杆。该液压缸的活塞杆直径较小所以应采用实心杆。

18、l 由于缸工作时轴线固定不动, 所以活塞杆的杆头联接形式采用小螺栓头形式。活塞杆的材料采用45钢,调质处理。l 活塞杆直径的拟定:活塞杆是液压缸传递力的重要零件,它承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等 多种作用力,必须有足够的强度和刚度。对于无速比要求的液压缸,其活塞杆直径 d 可以根据往复运动速比j (无杆侧和有杆侧的面积比来确定。d=D j j 1 - m (1本设计对液压缸无速比要求,可根据液压缸的推力和拉力确定,也可以根据公式: D d 51 3 1 ( = m D 缸筒内径 计算得 d=20/320/5mm,由于该活塞杆的直径较小所以为了加工制造的方便将d 圆整为d=10mm。l 活塞

19、杆的强度计算活塞杆的工作压力稳定,只受轴向推力,所以可以按公式2来对活塞杆进行简 单的强度验算:p d F s ps = -2 6 4 10 MPa (2n s p s s =(3 经计算得 p s =1360MPa活塞与活塞杆的联接方式有许多种形式,常用的由三种:卡环型、轴套型和螺 母型。卡环型拆装方便,在低速时使用广泛。本设计活塞与活塞杆联接方式采用卡 环型。由于该液压缸工作压力低,推力小活塞的密封以及缸筒与端盖的密封采用简单 的O 型密封即可满足要求。导向套安装在液压缸的有杆侧端盖内,用以对活塞杆进行导向,内装有密封装 置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈,以防止活塞杆在后退时把杂质

20、、灰 尘以及水分带到密封装置处,损坏密封装置。导向套的典型结构有轴套式和端盖式 两种。本设计采用轴套式导向套,材料采用磨差系数小耐磨的青铜。导向套主要尺寸的计算:导向套的主要尺寸是支撑长度,通常按活塞杆直径、导向套的型式、导向套材 料的承压能力、可能遇到的最大侧向负载等因素来考虑。通常可采用两端导向段, 每段宽度一般约为 d/3,两段中活塞杆导向套尺寸配置线间距离取 2d/3。由于该液 压缸的尺寸小,工作压力低,对导向的要求也比较低,所以导向套可以做成整体式 的,长度为L=d(活塞杆直径=10mm。6 大液压缸的选择本设计中驱动旋转轴旋转和切断电机横向移动的两个液压缸的工作力比较大, 为了设计

21、和计算的方便,将两个液压缸选为同一型号的液压缸,但是对两缸的活塞 杆行程要求不同,因此拟选取两个同型号不同行程的液压缸作为两个工作液压缸。本设计拟采用轻型拉杆式液压缸。轻型拉杆式液压缸,缸筒采用无缝钢管,根 据工作压力不同,选择不同壁厚的钢管,其内径加工精度高,重量轻,结构紧凑, 安装形式多样,且易于变换,尤其是具有良好的低速性能。压力范围从 5 . 2.3 MPa。5广泛应用在机床、轻工、纺织、塑料加工、农业机械等设备上。l压力的选定 由于本设备的负载较小,压力的选定应为中低压。初选液压 缸的额定工作压力为7MPa,在实际使用时,可以根据需要对液压缸的工作压力进行调节,但不宜大于7MPa。最

22、高工作压力为10.5 MPa。l允许最高工作速度为Vmax=300mm/sl最低工作速度为Vmin=8mm/sl最高使用温度为 80- 10l缸径为 D=32mml由于该液压缸是轻型所以活塞杆直径应取为D 杆=16mml推力大小为F=5.63KNl液压缸的安装方式均为轴向底座式l行程的选定 切断电机移动用行程为50mm的液压缸; 旋转轴驱动用行程为 120mm的液压缸。所以大液压缸的型号选定为:切断电机移动用B-LB-1-32-D-7-N-50-A旋转轴驱动用B-LB-1-32-D-7-N-120-A7 切断电机的选择以及计算【5】切断机构由一台小功率三相异步电动机带动锯片高速旋转,完成管件的

23、切割加 工。拟选用YS系列三相异步电动机(JB/T1009-200771系列,铁心数为2,额定 功率P=370W,n=1400r/min。电机的额定转矩为T=2.4N/m。安装型式为IMB3型。l电机负载的分析:本切断机构的作用是切断最大外径 d=16mm,壁厚为 =2.5mm 的铜管。根据工作状况知电机的负载式冲击性负载,而且是短时的无需调速。根据机械设计手册减(变速器电机与电器表16-1-7, 生产机械的负载特性n=f(T L 的分类应属于恒转矩反抗性负载。按照一般要 求电机电压选用380V。l 初选电机功率此电机的工作按一般旋转运动的机械来考虑。粗略估计负载的转矩大小为 T=2.0N/m

24、,取锯片转速n=1400r/min9550 TnP = (3切断类机械的负载功率按一般旋转类机械来设计考虑,按公式3计算可得该切 断机构的负载功率为P=0.293Kw及电机的额定功率 P 应满足 P0.293Kw,转速为 n=1400r/min,满足此条件的 小功率电动机由两种如下表所示: 电机型号机座代号 功率P/Kw 额定电压U/V 额定转速 n/(r/min 堵转电流 Ie/A Ys71 370 380 2800 0.96 Ys 71 370 380 14001.12 相比之下Ys 系列, n=1400r/min 的电动机的额定转矩略大于n=2800r/min 的电 机,而且n=1400

25、r/min 完全满足使用要求。故选用n=1400r/min,机座号为71,额定 功率P=370W 的电动机作为切断电机。8 芯轴工艺尺寸以及冷弯工艺参数的计算8.1常用芯轴的工艺尺寸芯轴的直径d=D n -(D +2S mm(4 式中 D 管子直径的下偏差绝对值,一般可取为D =0.01Dw mmDw 为管材的外径 Dn 为管子的内径 s =0.1s mm S 为管壁的厚度 图 10. 常用芯轴的位置和尺寸Dw=16mm ,D n =12mm, S=2mm经计算得D =0.16mm, s =0.2mm,d=11.44mm,圆整后取d=12mm芯轴的长度L L=(3 5d mm 当d 大时,系数

26、取小值,反之取大值。经计算得 L=3660mm,取L=45mm本设计采用涂油润滑的方式,弯管时必须涂油润滑或采用喷油芯轴。8.2冷弯工艺参数的计算【3】e l = D 180 pa (5中性层偏移量: Rrr e 2 = (6 本设计中R=20mm,a =180经计算得 l D =7.94mm ,e =2.53mm按经验数据做近似计算可知Dw=16mm 的铜管的弯头伸长量为 l D 5mm旋转力矩 xmym W T M M M M + + = (72 0M M M w + = (8用移动式滑槽时(9 (10 s x W R K K M s 2 ( 0 1 += (11 s W K M s 1

27、0 = (12截面形状为管状的型材的截面形状系数可以按公式13进计算S D S D K w w 32 275 . 1 1 - - (13 圆筒材料的抗弯截面系数按公式14进行计算D d D W 32 ( 4 4 - = p (14D(m管子的外径,D=16mmd(m管子的内径,d=12mm经计算得7 10 75 . 0 - = W ,取K 1=1.5,M=330NmM 0=132Nm,M W =396Nm取M ym =40Nm,M T =630.4Nml 夹紧力的计算1 1 l M P T= (15WD l 2 5 . 1 ( 1 = (16 经计算得 mm l 32 24 1 = ,取 mm

28、 l 30 1 = , KgfP 5 . 63 1 = l 压料力的计算wxm wym M M M M 5 . 1 15 . 0 1 . 0 =2 2 l M P w = (17 w D l 22 (18 经计算得 mm l 322 = , Kgf P3 . 85 2 = 图 11. 夹紧压料示意图9 旋转轴的校核旋转轴的外形尺寸如图12所示 图 12. 旋转轴外形图和受力图此旋转轴的材料采用45钢。硬度为230HBS,剪切疲劳极限=155MPa。轴的主要 作用是驱动旋转平台的转动,承受的力主要是扭转产生的扭矩。其受力图(扭矩图 如图13所示: 图 13. 轴的扭矩图分析之M=M 1=M 2= M T =630.4Nm,且直径大小为30mm 处得截面积最小,属于危险 截面,所以只需对d=30mm 处进行强度校核即可。d=30mm 处得扭转剪应力大小为: tW M= t 实心轴的抗扭截面系数为: 163D W T p = ,轴危险截面处的直径为D=30mm。 经计算得 MPa MPa Pa 155 9 . 118 10 9 . 118 6 =