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购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 第 1章 前言 材弯曲加工的种类和技术现状 弯曲 弯曲 第 1 章 前言 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。 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 1 1 滚弯工作原理图 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，又可以购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 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 1 2 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 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 3. 绕弯 图 1 3a 型模式冷推弯管示意图 图 1 3b 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。 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 （ a） （ b） 图 1 4 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 1 5 有芯弯管原理图 1. 压块 2. 芯棒 3. 夹持块 5. 管坯 无芯弯管工作原理如下图 1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，预先利用反购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 模弯曲 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 1 6 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 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， 600火力发电机组的主蒸汽管路的直径已达 663厚达 103料为12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购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 应力弯曲 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 1 7 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 维弯曲成形生产线，该生产线利用 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。 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。 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 光成形弯曲工艺 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图 1 8 钢管的热应力弯曲 如图 1 8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： 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； 弯曲效果好； 加整体加热浸水冷却的次数，可获得较大的弯曲变形量。 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： 而生产周期短，柔性大，特别适合小批量的大型零件生产； 形时无外力作用，购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 管工艺分析及常见的弯管缺陷 管工艺分析 因而不产生回弹变形和由此带来的问题； 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。 管工艺分析及常见的弯管 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 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 拉 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 压 的作用而缩短，从而使内侧管壁增厚，（见下图）。 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 见的弯管缺陷及解决措施 图 1 9 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 侧切向压应力的合力 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。 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 图 1 10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 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： 进行无芯弯管时可将压紧模设计成有反变槽的结构形式；在进行购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 文的主要设计内容 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。 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。 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。 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。 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。 文的主要设计内容 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 1. 对弯管工艺进行工艺分析，指出常见的五中弯管缺陷并提出相应的解决措施； 2. 新型蛇形管弯管机的方案设计，包括机械系统设计，液压系统设计和控制系统设计； 3. 分析管材弯曲变形区的应力应变状态，建立管材弯曲力矩的计算公式，对加紧模和管坯夹持部分进行受力分析，建立加紧机构所需加紧力的计算公式和校核公式，并计算新型弯管机的各个力能参数。 4. 管材弯曲变形区的应力应变状态，建立管材弯曲力矩的计算公式，对夹紧模和管坯受夹持部分进行受力分析，建立夹紧 机构所需夹紧力的计算公式和校核公式，并计算新型弯管机的各个力能参数。 第 2 章总体设计 言 第 2 章 总体设计 言 管道弯曲段的加工工艺及设备，一直是国内外管件技术开发的重点。目前主要采用热压、压焊、中频推制和中频弯管四种工艺。前三种工艺的共同特点是生产率高，设备投资大，需制作模具，成本较高，适用于大批量的订货 ;中频弯管的主要特点是带有直管段，夸曲半径 无级可调且不需模具，设备投资小，但生产率较低，适用于多规格小批量的订货。一般，对直径较小的中低压管件多 采用弯头，而对大口径厚壁管多采用中频弯管。 小半径弯管具有其它弯头工艺不可比拟的优越性。随着电站装机容量的不断增长，管道布置日趋魔大，对管道系统的质量、安全性等要求越来越高。如果采用R=(。的小半径弯管，可使电站管系布置结构紧凑，减少管系占用空间，节约运输、安装和材料费用，并能通过优化设计，提高管道系统的运行质量。 为了借鉴原有弯管机的结构技术，并在新型弯管机的研制方案中克服原有设备的缺陷，我们对该设备进行了仔细的研究，认为它主要存在以下问题： 1. 自动化程度低，工作效率低下 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 定新型弯管机研制方案 型弯管机工作原理和技术参数 用原有弯管机 加工管坯时，整个弯管过程都是通过工作人员手动操作，至少需要四人协同工作，操作中一旦有人操作不当，就会造成废品，且人工进料，人工旋转管坯加工角度费时费力，工作效率低。 2. 无加热系统，弯管弯曲精度低缺陷多 由于管材直径较小，冷弯时弯曲应力较大。随着弯曲半径的减小，金属的变形增大，现有弯管机的出力和强度难以保证 ;更主要的是，若仍采用常规的弯管工艺，则将使小半径弯管外弧侧的壁厚减薄率和横截面的椭圆度超差，内弧侧易产生波浪折皱，严重影响弯管质量。 3. 工作可靠性差，故障率高 原有弯管机完全采用传统的继电器进行电气控制，长期 而频繁切换的工作状态已经大大降低了控制系统的工作可靠性，在工作中会经常出现继电器接触不实、触点烧毁等事故，影响工厂的正常生产。 定新型弯管机研制方案 由于所研制的弯管机主要用于锅炉设备中管坯加工，且经常加工管坏直径为 15子弯曲半径小且变化范围大，虽然管子弯曲加工并非批量进行，但工作频率高，故需要弯曲的管子总量还是很大，故对弯管设备的自动化程度要求高。经过仔细分析和消化国内外在管材弯曲加工方面的新技术和新工艺，针对工厂原有弯管机存在的一系列问题，本着低投入高效益的原则，我们决定在原有弯 管机的基础上加以改进，研制一台数控蛇形管弯管机，它的自动化程度要有所提高，可以自动进料，自动加热，自动进行弯管弯曲加工，鉴于上述特点，我们确定了新型弯管机的研制方案。 型弯管机工作原理和技术参数 新型弯管机主要由机械系统、液压系统、中频加热系统和控制系统三大部分组成，其工作原理如图 2 1所示：弯管模 3 固定在主轴上并跟随主轴一起转动，管子通过夹紧模 2 固定在弯管模的夹槽上， 1 为移动式导购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 械系统设计 主传动机构 向压料滑槽，紧贴于管坯的弯曲外侧，当弯管模回转时，管子就被缠绕在弯管模的周向，从而得到所需的弯管半径。新型弯管机的主 要参数见表 2 1： 表 2 1 新型弯管机的主要参数 技术指标 数据 弯管直径 / 15 25 弯曲半径 /40300 弯管最大臂厚 / 最大弯曲角度 / 195 进给 /回程速度 /r/ 液压工作系统压力 /4机功率 /4 进给精度 / 1 弯管速度 /r/3 弯曲角度精度 / 1 弯管中心距地面高度 /050 械系统设计 新型弯管机的机械系统主要由主传动机构、夹紧机构、压料机构、管坯进给机构、弯 管模及床身等七部分组成。 传动机构 根据弯管的原理并经过分析、比较，我们确定了如图 2 2 所示的主传动方案。弯管机的驱动力矩有双活塞 液压缸来提供。 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 紧机构 图 2 2 主传动机构方案示意图 1. 主传动油缸 2. 链条 3. 链轮 由于所需的驱动力矩比较大且要达到弯曲精度，故采用承载能力高而冲击较小且传动精确的链条 链轮 主传动轴作为传动装置，弯管时，压力油进入主传动油缸左腔并推动油缸活塞带动链条移动，链条通过链轮带动主轴旋转，从而使弯管旋转，以达到缠绕弯管的目的。液压缸采用双作用等速等行程式液压缸，活塞两端杆径相等，活塞正反、向运动速度、行程和推力均相等。 紧机构 管材在弯曲模胎上缠绕弯曲时，驱动力是由弯管模型腔内壁和管坯外壁之间的摩擦力来提供。为了产生摩擦力，就必须由夹紧机构提供一个夹紧力来把管坯压紧在弯管模胎的型槽上。而且，这个夹紧力必须足够大并持续作用在管坯上才能保证弯管工作正常进行。下面我们提出以下几种夹紧机构设计方案： 图 2 3 用油缸直接夹紧 1. 用油缸直接夹紧 如图 2 3 所示，采用油缸直接夹紧，其优点是结构简单，易于实现；缺点是所需夹紧油缸的缸径很大。经初步估计，当液压系统的工作压力为 14，夹紧油缸的内径至少需要 140径越大，油缸的价格越高，这就增加了弯管机的制造成本。同时，因为夹紧块与弯管模的管槽轴线必须在同购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 一水平面上，而弯管模本身是高出床身上表面的，所以夹紧油缸必然暴露在机床表面，影响美观。 2. 通过连杆增力机构来实现夹紧 为了减少夹紧油缸的尺寸，使夹紧装置 结构紧凑，在夹紧油缸和夹紧模之间增加一套连杆增力机构。这样一来，夹紧油缸只需提供较小的推力就可以获得较大的夹紧力。下面是我们拟定的三种增力机构方案。 jF 图 2 4 曲柄滑块增力机构 1. 夹紧油缸 2. 夹紧模 3. 弯管模 方案（ 1）：如图 2 4 所示采用曲柄滑块机构来增力。这时，夹紧力和油缸所提供的推力之间的关系为 2 1） 式中 油缸所提供的推力（ N）； 夹紧机构所提供的夹紧力 （ N）； 1l 夹紧油缸活塞中心与曲柄滑块机构固定支点的距离（ m）； 2l 夹紧模管槽轴线与曲柄滑块机构固定支点的距离（ m）。 由式（ 2 1）可见，采用了曲柄滑块机构以后，油缸的推力得到了线性放大，放大倍数为 21/为了提高购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 放大倍数， 1l 应尽量大而 2l 应尽量小，这就使曲柄的刚度大为降低。通过计算，这种方案获得的放大系数最多为 ，增力效果不明显。而且，夹紧油缸也是布置在床身上面，影响外观。 图 2 5 斜楔增力机构 1. 夹紧油缸 2. 斜楔 3. 弯管模 4. 夹紧模 方案（ 2）：如图 2 5 所示，夹紧油缸提供的推力经斜楔 2 放大后，通过平行四杆机构来实现夹紧块的夹紧动作。这 时夹紧力和油缸推力之间的关系为： （ 2 2） 式中 斜楔的楔角（）。 由式（ 2 2）可见，夹紧力和斜楔角的余切值成正比关系， 值越小，则获得的夹紧力越大。采用这种方案，可获得较大的增力系数，夹紧机构的动作也很平稳。但为了保证斜楔的强度和刚度，楔角 不能小于 30 。因此，夹紧力的放大倍数约为 。另外，平行四连杆机构的采用在使夹紧机构平稳动作的同时，也增加了机构的复杂程度和加工制造的难度，从而提高了弯管机的研制成本。 方案（ 3）：采用如图 2 6 所示的四连杆机构升降夹紧机构。此时，夹紧力和油缸推力的关系为： 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 料机构 221 （ 2 3） 式中 两摇臂之间的夹角（）。 图 2 6 四连杆增力机构 1. 夹紧油缸 2. 夹紧模 3. 弯管模 由式（ 2 3）可见，夹紧力的放大系数为 2/)2/(当 角超过 140以后， 值稍微增大一点儿，夹紧力就急剧增大。 上述三种方案比较而言，方案 3的增力效果最显著。而且，这种机构结构紧凑，动作平稳可靠，制造工艺较简单。因为夹紧油缸布置在连杆下方，故整体造型比较美观。经过比较，我 们决定采用方案 3。 料机构 压料机构也可以采用油缸驱动连杆，进而带动压料模压紧管坯的结构形式。其连杆增力方式类似于夹紧机构，故压料机构的设计方案参考夹紧机构设计时的三种方案。同样，从增力效果、制造工艺、整体布局等方面考虑，我们仍选择图 2 6 所示的四连杆增力机构。 坯进给机构 设计要求：工作有效行程 1m，要求进给速度 s，运转平稳，低速不爬行，传动具有可逆性，进购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 坯进给机构 给精度为 1 图 2 7 管坯进给机构原理图 1. 丝杠螺 母 2. 丝杠 3. 联轴器 卡盘 如图 2 7所示，管坯自动进给是通过步进电机 4 带动丝杠 2 及丝杠螺母 1 转动，而丝杠螺母与液压卡盘 5焊接成一体，液压卡盘随着丝杠螺母的移动而直线运到。液压卡盘卡紧管坯时，管坯就由步进电机的控制而自动向前进给。 1. 螺旋传动机构的选择 根据进给速度及进给精度查得丝杠参数如下表所示： 表 2 2 丝杠主要参数 导程 8 钢球直径 163 ） 圈数 列数 1 公称直径 32 螺纹升角与承载能力（ N） 4 33 2000 6350 参考文献 【 4】 上册 94 表 14 由于滚珠丝杠传动中既有轴 向力，又有径向力，故采用以下轴承。 所选支承轴承型号： 滚动轴承 30204 297滚动轴承30204 297动轴承60004 301计l 1000mm l 1046买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 22 J kg 4. 进给机构总转动惯量得计算 滚动轴承 60004 276为丝杠的计算长度为 计得丝杠两端的支承距离 l 1146 2步进电机的选择 根据脉冲当量和最大静转矩初选电机 当传动比 i=1时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由公式 i= 360（ 2 式中 h 为滚珠丝杠导程、 p 为系统脉冲当量。 选电动机型号 为 130步矩角b= 故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。 3步距角的选择 由公式 0 1 . 5 8 0 . 0 33 6 0 1 3 6 0b 代 入 数 据 得 1） 机转子转动惯量查指导书表得 207.0 2） 丝杠的转动惯量由指导书234 1078.0 （ 2 得： 234 3）平移构件折算后的转动惯量管坯、液压卡盘和工作台质量总和， 0 222 )2 （） （ 2 由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计 4）总转动惯量计算 5步进电机输出转矩的选择 查指导书 步进电机启动转矩 最大静转电动机型号为130 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 a 2 0 0 3M N cmm a x 1 m a 0 . 6 8 8c m 5. 步进电机输出转矩的选择 6 加速度力矩 7空载摩擦力矩 8附 加摩擦力矩 矩： m a x M （ 2 6 加速度力矩 2m a x 10602 a （ 2 i n/ 0 03602m a xm a x 7空载摩擦力矩（取传动系统总效率 ） )4 4 0(2 0 50移动件 0 丝杠 8附加摩擦力矩 h(22200 （ 2 0为滚珠丝杠未预紧时的传动效率取 故电机空载启动力矩 m a x 1 0 . 1 3 2 9 . 3 1 m N m （步进电机最大静转矩） 故所选步进电机 130最大静转矩满足要求。 9. 轴向摩擦阻力 M 根据动摩擦力公式： 步进电机满足要求 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 1 2 m a x 2 m a q kj . 轴向摩擦阻力 F 折算到电机上的转矩 （ 2 10） 式中 F 摩擦阻力 (N)； 滑槽摩擦因数，这里取 （参考文献【 19】查得）； N 径向载荷 (N)，这里取 5006 米管坯、液压卡盘和工作台重量总和） 则带入数值得 : 205 0 N 故 1 8 所以运动部件正常工作时的总负载转矩 （ 2 故运动部件正常工作时需的最大静转距2m a x M 此时取 j 4 9 4 a x m a x 2 0 . 6 8 5 9 . 3 1 m N m （电机最大静转矩） 按步进电机最大静转矩选择要求 2m a a xm a x , MM a 所以， 选择步进电机 130 查指导书步进电机启动矩频特性曲线 当启动力矩 0 . 0 9 3 m时对应的允许启动频率000 ，而由表查得电机的启动频率 000 ，保证了电机快速启动时不丢步。 11运行矩频特性校核 快速进给运行矩频特性校核： 所选步进电机满足要求 电机快步启动不丢步 电机快速进给时不丢步 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 m a 0 0 0 0 . 4 3346 0 6 0 0 . 0 2 Z kj m32 1 1 0 11运行矩频特性校核 12滚珠丝杠副刚度验算 快进力矩 9 0 导书得，允许快进频率 8000z电机的最高快进频率 故电机快速进给时不丢步。 12滚珠丝杠副刚度验算 1） 滚珠丝杠副轴向变形 a ( )(4 （ 2 12） 参考文献【 17】 5 13） 式中 最大轴向载荷 (N)； 丝杠计算长度 ( l 丝杠两端支撑距离 ( 0d 滚珠丝杠副的公称直径 ( 滚珠直径 ( E 丝杠材料的弹性模量； 对于钢， E N/ 则带入数值得： 5251 4 6)520(1 0 0 01 1 4 6(1 0 0 0324 2） 滚珠与螺纹滚道间的接触变形 无预紧时： 22 )( （ 2 13） 参考文献【 17】 5 15） 式中 F 轴向载荷 (N)； 滚珠直径 ( Z 工作螺母的滚珠数目， 且有 ； Z 为 i ，一圈的滚珠数，购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 j 为圈数， k 为列数，外循环 ，其中0 则带入数值得： 322 101)0(510 0 3 3）支承滚珠丝杠的轴承轴向变形 因采用推力球轴承 作为丝杠支承，故由式（ 5 17） （ 2 14） 参考文献【 17】 5 17） 式中 F 轴承的轴向载荷（ N）； Z 轴承的滚动体数目； 轴承的滚动体直径（ 则带入数值得： 3322 c 21321 （ 2 15） 参考文献【 17】 5 21） 式中 滚珠丝杠副的传动精度（ 这里为1 3 无预紧时，支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形量，c 3。 则带入数值得： 故所选丝杠刚度满足要求。 13滚珠 丝杠副稳定性验算 c 所选丝杠刚度满足要求 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 13滚珠丝杠副稳定性验算 由滚珠丝杠的临界载荷计算公式 240 )(l （ 2 16） 参考文献【 17】 5 22） 式中 0d 滚珠丝杠的公称直径（ 滚珠直径（ m 滚珠丝杠的支承系数（ N/可查参考文献【 17】 5 5 得 m 2 105 则带 入数值得： 32 45 4 6 )532(102 sc （ 2 17） 参考文献【 17】 5 23） 式中 滚珠丝杠的临界载荷（ N）； F 滚珠丝杠承受的轴向压力（ N）； 滚珠丝杠的稳定安全系数，一般取45.2 则带入数值 得： 46220 由于滚珠丝杠转速 100r/要对其进行临界转速验算。 对于钢制丝杠由式（ 5 25） 2 12161012l dn c （ 2考文献【 17】 5 25） 为了不发生共振现象，应使丝杠的转速满足下式： 2 19） 462购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 0.8 参考文 献【 17】 5 26） 式中 n 丝杠的工作转速（ r/ l 丝杠的支承距离（ 1 系数，其值与丝杠支承方式有关，这里取 ； 1d 丝杠小径， 201 （ 其中 e 为圆弧偏心距， )2(7 0 7 1.0 （ ； 珠 直 径 ，0)Ld b ，这里 80 取 5 R 为滚道半径，（ ， ， 01414.0e 。 则带入数值得： 3 5 1 01 0 4 6 4 8 26 cn r/2700n r/3510=2808r/故所选丝杠满足要求。 根据所选伺服电机和滚珠丝杠副参考文献 【 18】 轴器 14 3016 3084 管机构 弯管过程中随着蛇形管重量 的增加，旋转力矩急剧上升，对旋转机构的要求也增高，因此取消管坯旋转机构，改用双弯管模旋转系统。如下图所示： 所选丝杠满足要求 轴 器14 3016 30 84 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 管机构 弯管过程由主传动机构链轮带动弯管轴旋转，从而带动弯管模执行弯管任务。当向左弯管时，电磁机构控制左弯管模旋转轴于旋转支架结合，主轴向左旋转，从而带动右弯管模绕左弯管模旋转中心旋转，进行弯管；向右弯管时之行动作于上文相反。 管机构主轴结构设计 （ 1）拟定轴上零件装的配方案 根据设计方案，现选下图为所示的装配方案 （ 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1）为了满足轴的竖向定位， -段右侧需制出一轴肩，故取 -段的直径为 60段取直径为 50度为 25使齿圈满足设计要求取段长为 22 -左侧需制出一轴肩，故取 -段直径为 55据结构固定需要现取段长度为 97取段取长度为 140径为 50段取直径为 40度为 80 2）初步选择轴承。、处轴径同取为 50轴承同时承受径向力和 轴向力的作用，故选圆锥滚子轴承 32210， dD t=5090处选择深沟球轴承 6208 dD B=4080183)确定轴上倒角的尺寸 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 参考表 15轴段倒角为 2 45。 （ 3）求轴上的载荷 首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。确定轴承的支点位置时，应从手册中查取 a 值。对于 32210 型圆锥滚子轴承，由手册查的 a=21于深沟球轴承 6208 型，取支点为中心。 从轴的结构图以及弯矩图中可以看到段截面为危险截面。现将计算出的段截面处的 的值列于下表。 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 123 0 0 0 , 1 6 0 0N H N F N121 8 0 0 , 3 0N V N F N 弯矩 M 243276 m m121 4 2 0 0 0 ,4000 m N m m总弯矩 2212222 4 3 2 7 6 1 4 2 0 0 0 2 8 1 7 4 02 4 3 2 7 6 4 0 0 0 2 4 5 2 0 0M N m m m 扭矩 T 3 960000T N m m（ 3）按弯矩合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度。根据式（ 15上表中的数据，以及轴双向旋转，扭转应力为脉动循环变应力，取 =的计算应力 22132 8 1 7 4 0 ( 0 . 7 9 6 0 0 0 0 )0 . 1 7 02 2 . 1 a前已选定轴的材料为 45 钢，调质处理，由表 15得 1 60M 。因此 1 ，故安全。 （ 4）精确校核该轴的疲劳强度 1) 判断危险截面 截面 A, , ,然键槽、轴肩及过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的，所以截面 A, , ,B 均无需校核。 从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面和处过购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 盈配合引起的应力集中最严重；从受载的情况来看，截面 面的应力集中的影响和截面的相近，但截面不受扭矩作用，同时轴径也较大，故不必作强度校核。截面 应力集中不大（过盈配合及键槽引起的应力集中均在两端），而且这里轴的直径最大，故截面 。 截面和显然 更不必校核。键槽的应力集中系数比过盈配合的小，因而该轴只需校核截面左右两侧即可。 2) 截面左侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面左侧的弯矩 截面上的扭矩 60000 N 面上的弯曲应力 截面上的扭转切应力 轴的材料为 45号钢，调质处理，由 轴常用材料性能表 查得 B=640 275 55面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数 及 按手册查取。因 ， ，经插值后可查得 ， 又由手册可得轴的材料的敏性系数为 ，购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 故有效应力集 中系数为 手册得尺寸系 数 ；扭转尺寸系数 。 轴按磨削加工，由手册得表面质量系数为 轴未经表面强化处理，即 ，则按手册得综合系数为 又由手册得材料特性系数 = 取 = = 取 =是，计算安全系数 公式 则得 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 故可知其安全。 3) 截面右侧 抗弯截面系数 中的公式 计算，抗扭截面系数 弯矩 扭矩 扭转切应力为 60000 N 盈配合处的 值 ，由手册用插入法求出，并取 = ，于是得 ，轴按磨削加工，由手册得表面质量系数为 故得综合系数为 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 压系统设计 所以轴在截面右侧的安全系数为 故 该轴在截面右侧的强度也是足够的。本题因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。至此，轴的设计计算即告结束（当然，如有更高的要求时，还可作进一步的研究）。 压系统设计 为使新型弯管机结构紧凑、工作平稳可靠、噪音小，我们决定采用全液压驱动方式。新型弯管机要求液压系统完成的主要动作有： （ 1） 驱动弯管模平稳回转，快速复位； （ 2） 驱动夹紧模夹紧管坯； （ 3） 驱动压料模压紧管坯； （ 4） 驱动旋转液压卡盘卡紧管坯； （ 5） 驱动进给液压卡盘卡紧管坯。 因此，新型弯管机的液压系统应有五个支路构成，每一支路
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