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題目名稱：全自動(dòng)薄壁不銹鋼管冷彎?rùn)C(jī)
總
摘 要
薄壁不銹鋼管被大量應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)，而隨著工業(yè)發(fā)展的進(jìn)步，對(duì)不銹鋼管的質(zhì)量要求越來越高，相應(yīng)的對(duì)最易引起管材質(zhì)量問題的彎處提出了更高的要求。本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)彎管機(jī)主要作用就是解決管材彎曲質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。該裝置以液壓系統(tǒng)為基礎(chǔ)
，同時(shí)輔以 PLC 控制技術(shù)，為彎管的可靠性提供支撐。整個(gè)裝置中穿芯機(jī)構(gòu)、彎管機(jī)構(gòu)為設(shè)計(jì)要點(diǎn)。穿芯機(jī)構(gòu)中芯珠的形狀、珠之間的連接方式將極大的影響彎管質(zhì)量，因此采用高強(qiáng)度材料制作芯珠，鏈條式的連接來解決管材彎制過程中芯棒隨管材一同彎曲的問題。彎管機(jī)構(gòu)采取繞彎的方式，在液壓缸作用下被壓緊，最后液壓馬達(dá)帶動(dòng)模盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行彎管。為滿足范圍角度及管材直徑的彎管需要，模盤、芯珠等零件可隨管材不同而相應(yīng)更換。使用該彎管機(jī)進(jìn)行彎管能明顯提高生產(chǎn)效率與彎管質(zhì)量，與傳統(tǒng)管材彎曲機(jī)械相比具有明顯的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：薄壁不銹鋼管；回轉(zhuǎn)裝置；全自動(dòng)；冷彎
VI
ABSTRACT
Thin-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 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1. 緒論 1
1.1 課題的背景 1
1.2 本課題的研究?jī)?nèi)容 1
1.3 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 1
2. 彎管機(jī)構(gòu) 2
2.1 彎管方式對(duì)比 2
2.2 彎管結(jié)構(gòu)分析 5
2.3 校核與計(jì)算 5
3. 卸料機(jī)構(gòu)及機(jī)架 7
3.1 卸料機(jī)構(gòu)方案對(duì)比 7
3.2 卸料結(jié)構(gòu)分析 8
3.3 機(jī)架設(shè)計(jì) 8
4. 液壓及 PLC 控制系統(tǒng) 10
4.1 液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介 10
4.2 彎管液壓系統(tǒng)組成 10
4.3 液壓元件的選擇 11
4.2 PLC 控制系統(tǒng) 13
總結(jié) 16
致 謝 17
參考文獻(xiàn) 18
附錄 1： 外文譯文 19
III
1. 緒論
1.1 課題的背景
全自動(dòng)薄壁不銹鋼管冷彎?rùn)C(jī)是將薄壁不銹鋼管冷彎成型達(dá)到目的加工彎度的加工設(shè)備。解決了管道安裝過程需要彎頭進(jìn)行連接的問題，大量節(jié)省了彎頭加工、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的資源消耗，為管道鋪設(shè)節(jié)約成本。上世紀(jì) 60 年代左右起就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小直徑管的人工手動(dòng)彎曲，發(fā)展至今已多半自動(dòng)化。尤其用于石油管道鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的大直徑冷彎管機(jī)在近代得到了飛速發(fā)展。機(jī)械行業(yè)用管一般較為小型化、薄壁化，此前生產(chǎn)加工小型薄壁彎管時(shí)需要工人進(jìn)行上下料、穿芯等操作。然而人工穿芯具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性，容易導(dǎo)致彎處產(chǎn)生褶皺等缺陷更有甚者直接報(bào)廢，因此生產(chǎn)效率底下、浪費(fèi)人力物力，漸漸不能滿足需求量突增的市場(chǎng)需要，迫切需要更高級(jí)的彎管設(shè)備。于是在對(duì)此前冷彎?rùn)C(jī)的工作情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用科學(xué)的方法、加入自動(dòng)控制系統(tǒng)、減少操作環(huán)節(jié)形成了新一代全自動(dòng)薄壁不銹鋼管冷彎?rùn)C(jī)。
1.2 本課題的研究?jī)?nèi)容
本課題主要研究的是如何設(shè)計(jì)彎管、穿芯、卸料等機(jī)械結(jié)構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)彎管機(jī)的全自動(dòng)化，同時(shí)滿足對(duì)彎管精度的要求。為滿足不同市場(chǎng)需求，要求整機(jī)能實(shí)現(xiàn)一定直徑和彎曲角度范圍內(nèi)管材的彎曲，因此類似于彎管模盤等結(jié)構(gòu)需要能實(shí)現(xiàn)可更換，這要求彎管機(jī)的可操作性高，更換部件時(shí)便利性高。大致上由一個(gè)液壓站作為全機(jī)的動(dòng)力來源， 分別作用于彎管，卸料，穿、抽芯機(jī)構(gòu)，使用 PLC 對(duì)彎管機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制。
1.3 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
小口徑管彎管方面自 60 年代起便多有各類機(jī)械進(jìn)行彎管作業(yè)，在船舶、汽車、電力、供水等多方面都有應(yīng)用。發(fā)展至今彎管方式逐漸多元化，按加工形式的不同主要可分為推彎、拉彎、壓彎、輥彎、繞彎[1-4]。隨著技術(shù)的進(jìn)步一些新的彎管技術(shù)也隨之出現(xiàn)。例如：熱應(yīng)力成形、中頻感應(yīng)成形、激光成形、零半徑成形、無模彎管等;根據(jù)加工過程中對(duì)管件是否加熱分為冷彎和熱彎;根據(jù)加工事內(nèi)部是否填料可分為有芯和無芯彎管[5]。彎管所采用的動(dòng)力也由早期的人力彎管轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌煽縿?dòng)力，例如液壓彎管、氣動(dòng)彎管、電力驅(qū)動(dòng)彎管等。解決了人力不能保證精確度的問題同時(shí)也將工人從臟亂的加工環(huán)境解放出來。
而未來，彎管機(jī)將以全自動(dòng)的形式出現(xiàn)，信息化的幾天今天，我們的生產(chǎn)方式也隨著不斷變化，安全可靠的數(shù)控系統(tǒng)將代替工人完成相關(guān)作業(yè)，在節(jié)約成本、保護(hù)環(huán)境、提高生產(chǎn)效率方面發(fā)力。整個(gè)彎管機(jī)系統(tǒng)將在自動(dòng)化、智能化方面 長(zhǎng)足進(jìn)步。
23
2. 彎管機(jī)構(gòu)
2.1 彎管方式對(duì)比
傳統(tǒng)彎管工藝按加工形式不同主要分為推彎、拉彎、壓彎、輥彎、繞彎幾大類；隨著技術(shù)進(jìn)步當(dāng)今也出現(xiàn)新的彎管技術(shù)，如：熱應(yīng)力成形、中頻感應(yīng)成形、激光成形、零半徑成形、無模彎管等。
下面簡(jiǎn)單介紹一些常見的彎管方式。
2.1.1 繞彎
繞彎目前大量應(yīng)用于管道彎曲行業(yè)。繞彎是在壓塊的作用下，將芯棒放入被彎管中， 使管材隨彎曲模胎旋轉(zhuǎn)從而彎管成型的彎管工藝。在實(shí)際加工過程中一般分為手動(dòng)和機(jī)動(dòng)兩類：手動(dòng)彎管只能加工簡(jiǎn)單的小管，耗費(fèi)人力；機(jī)動(dòng)彎管一般進(jìn)行冷彎，有加芯彎管和不加芯彎管之分。與人管彎管相比極大的提高了生產(chǎn)效率所以一般用于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)中。
圖 2.1 繞彎示意圖
1-壓塊 2-芯棒 3-夾持塊 4-模盤 5-管材
2.1.2 推 彎
推彎多用于彎制彎頭。按工藝特點(diǎn)分為芯棒式熱推彎和模型式冷推彎兩種[6]。熱推彎需要對(duì)管材進(jìn)行加熱，在此基礎(chǔ)上還需要具有一定推力的機(jī)械推動(dòng)管材，兩相配合之下使管材前段彎曲。
圖 2.2 芯棒式熱推彎彎管原理
1-彎頭 2-加熱爐 3-加熱點(diǎn) 4-擴(kuò)張芯頭 5-支撐架 6-芯棒 7-管材 8-推板
模型式冷推彎則需要事先設(shè)計(jì)好模型，再同樣用其它提供推力的機(jī)械施與壓力以達(dá)到使管材彎曲成模型形狀的目的。
圖 2.3 型模式冷推彎
1-壓柱 2-導(dǎo)向套 3-管材 4-彎曲型模
2.1.3 壓 彎
壓彎是利用凹、凸模的共同作用，使管材隨凸模運(yùn)動(dòng)而彎曲直到與凹模接觸形成彎管成品的彎管方式。是一種取之于日常生活的彎管方式，可以加工簡(jiǎn)單的彎管，精確度較低。
圖 2.4 V 形壓彎原理
1-凸模 2-管材 3-擺動(dòng)凹模
2.1.4 輥 彎
利用三個(gè)工作表面與管材橫斷面形狀吻合的驅(qū)動(dòng)輥輪對(duì)管材滾動(dòng)擠壓，從而使管 材彎曲成形的方法[7]?？梢酝ㄟ^調(diào)整滾輪間距調(diào)整加工曲率。
圖 2.5 三輪輥彎 1、2、3-輥輪 4-管材
2.1.5 拉 彎
利用圓模旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)管材使管材彎曲的加工方法。加工時(shí)需要在芯棒、夾緊模、壓緊模、防皺模的配合下使用。
圖 2.6 旋轉(zhuǎn)拉彎
1-模盤 2-防皺模 3-管材 4-芯棒 5-夾緊模 6-壓緊模
2.2 彎管結(jié)構(gòu)分析
圖 2.7 彎管機(jī)構(gòu)示意圖
1-液壓馬達(dá) 2-旋轉(zhuǎn)模盤 3-管材 4-壓料液壓缸 5 壓緊液壓缸 6-壓緊旋轉(zhuǎn)支架
該彎管方式使用旋轉(zhuǎn)拉彎技術(shù)。管材由下料機(jī)構(gòu)放入指定位置，壓緊液壓缸將管材壓緊在圓形模盤上，同時(shí)壓料液壓缸將壓料臂推至指定位置。液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)模盤、壓緊旋轉(zhuǎn)支架共同旋轉(zhuǎn)，由于管材管頭被壓緊在模盤上，管尾被壓料液壓缸阻擋，管材將隨模盤共同旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到彎曲的目的。
2.3 校核與計(jì)算
2.3.1 液壓馬達(dá)軸校核受力圖如下
圖 2.8 主軸受力圖
實(shí)際工作中液壓馬達(dá)受力復(fù)雜，校核是取主要受力進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)化后旋轉(zhuǎn)軸主要受扭矩及彎矩作用，如圖 2.8 則最大彎扭截面為軸中心點(diǎn)。其中
扭 矩 T=1219N.m
F=7170N
則 彎 矩 M=FL=28.68N.m 取 M=287N.m 軸直徑 D=50mm
扭轉(zhuǎn)脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，取α=0.5。
計(jì)算得 σca=???? =
??
√??2+(????)2
=
??
√2870002+(0.5×1219000)2
=
0.1×503 53.9 MPa （2.1）
σca<[σ-1]=60 MPa 所以安全。
2.3.2 模盤、液壓缸緊固螺栓校核
模盤上有 4 枚緊固螺栓受壓料液壓缸施加力而產(chǎn)生剪力， 由壓緊液壓缸可計(jì)算出 F=7170N
螺栓直徑 D=25mm
??
得 出 τ = =
??
??
7170??
?3
2 =11.5Mpa （2.2）
4×4(25×10
??)
緊固螺栓材料為 Q235 碳素鋼取 ???? = 220Mpa，考慮抗疲勞、抗斷裂、工作重要性、磨損等條件分別選取安全系數(shù)如下：
S1=2； S2=3; S3=1.2； S4=1.2；
則 有 S= S1 ?S2 ?S3 ?S4=8.64 （2.3） 根據(jù)第三強(qiáng)度理論有
??max
= ????=110Mpa （2.4） 2
?? 時(shí)材料出現(xiàn)屈服，結(jié)合安全系數(shù)，得出 [τ ??max=25.5Mpa
max ]= ??
τ < [τ] 所以安全。
液壓缸共用 8 枚螺栓連接，所受受剪力同樣由液壓缸推力產(chǎn)生，所以
F=7170N 選取標(biāo)準(zhǔn)液壓缸有 D=28mm
所 以 τ = ?? = 7170?? =1.5Mpa （2.5）
4
?? 8×??(28×10?3??)2
τ < [τ] 所以安全。
2.2.4 鍵的校核
由于負(fù)載較大，普通平鍵不能承受，故選采用花鍵連接的液壓馬達(dá)進(jìn)行彎管，其中鍵的參數(shù)如下：
尺 寸 ： 8×36×40×7mm
動(dòng)連接校核公式(單位均為毫米)：
P=
2000??
≤[P] （2.6）
???????????
φ—載荷分布不均系數(shù)，與齒數(shù)有關(guān)，一般取φ=0.7-0.8，此處取φ=0.7
z—花鍵齒數(shù)： z=8
l—齒工作長(zhǎng)度，取 l=40mm
h—花鍵齒數(shù)工作高度，矩形花鍵，h= 倒角尺寸,其中 C=0.2mm
????? 2
-2C,D 為花鍵大徑，d 為花鍵小徑，C 為
d =
??+??
dm—花鍵的平均尺寸，矩形花鍵， m
2
帶入數(shù)據(jù)有
P=
2000×1578000
=0.23Mpa
0.7×8×40×1.6×38
查花鍵連接取許用應(yīng)力 [P]=5Mp P<[P] 所以所選鍵的強(qiáng)度滿足求。
3. 卸料機(jī)構(gòu)及機(jī)架
3.1 卸料機(jī)構(gòu)方案對(duì)比
3.1.1 曲柄滑塊夾持機(jī)構(gòu)
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)卸料移動(dòng)，末端連接夾持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卸料夾持。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；
缺點(diǎn)：整體結(jié)構(gòu)尺寸太大，不易與其它機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)安置。
3.1.2 液壓缸夾持機(jī)構(gòu)
液壓缸實(shí)現(xiàn)卸料來回運(yùn)動(dòng)，末端同樣使用液壓缸實(shí)現(xiàn)卸料夾持。
優(yōu)點(diǎn)：可以將液壓缸與夾持端復(fù)合安放，節(jié)約空間，在使用液壓站供能情況下該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，性能可靠；
缺點(diǎn)：需要兩個(gè)液壓缸，支撐板結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，生產(chǎn)較為困難。
3.1.3 機(jī)械手
機(jī)械手是機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，能夠接受命令， 精確定位到三維或二維空間上的某點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，各行業(yè)應(yīng)用廣泛。
優(yōu)點(diǎn)：位置精度高，通用性強(qiáng)，工藝性好， 缺點(diǎn)：造價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便。
綜上所述，選擇方案二液壓缸加持機(jī)構(gòu)，可以很方便的與整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，造價(jià)低，不用額外增加復(fù)雜機(jī)構(gòu)。
3.2 卸料結(jié)構(gòu)分析
圖 3.1 卸料機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1-機(jī)架支撐板 2-卸料支撐板 3-卸料爪液壓缸 4-卸料爪 5-頂出螺釘
6-管材 7-旋轉(zhuǎn)模盤 8-液壓馬達(dá) 9-卸料液壓缸 10 卸料滑槽
以兩個(gè)液壓缸為基礎(chǔ)，一個(gè)抓取管材，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)卸料移動(dòng)。管材完成彎曲之后將 由與芯棒液壓缸連接的頂出支架頂出，同時(shí)卸料爪在卸料液壓缸的帶動(dòng)下進(jìn)行抓取運(yùn)動(dòng)。卸料爪抓緊管材后卸料液壓缸運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)卸料支撐板到達(dá)指定位置后卸料爪松開，與此 同時(shí)同時(shí)在頂出螺釘?shù)淖饔孟鲁尚凸懿牡袈涞匠善肥占瘏^(qū)。
3.3 機(jī)架設(shè)計(jì)
3.3.1 機(jī)架設(shè)計(jì)要求
機(jī)架是整個(gè)彎管機(jī)的基礎(chǔ)部分，承載其余所有結(jié)構(gòu)，一般來說因?yàn)槠溆嘟Y(jié)構(gòu)布局等一些列原因?qū)е聶C(jī)架尺寸偏大，為了保證整機(jī)在工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)、變形等情況一般對(duì)機(jī)架設(shè)計(jì)有如下要求：
1. 有足夠剛度及剛度質(zhì)量比；
2. 優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性；
3. 不易產(chǎn)生熱變形；
4. 安全性高，便于制造安裝。
3.3.2 工作面板
彎管機(jī)工作面由鋼板構(gòu)成。壁厚由外壁當(dāng)量尺寸 C 決定：
2??+??+??
C=
3
式中床身長(zhǎng)、寬、高分 別為 L=1.9m B=0.75m H=0.9m
帶入數(shù)據(jù)有 C=1.812
查表可知床身厚度為 15mm
3.3.2 機(jī)支撐結(jié)構(gòu)
（3.1）
支撐立柱采用空心鋼管，使用時(shí)焊接到工作面板相應(yīng)位置即可。為保證立柱不歪斜移位，在底部、中部用薄鋼板將各立柱連接起來，與平面接觸處焊接斜鋼板進(jìn)行穩(wěn)定支撐。該機(jī)架結(jié)構(gòu)方式節(jié)約材料，方便安裝。
初步估算大致有整機(jī)工作面及其上各部件總重量為300-400kg，取400kg 進(jìn)行校核，為保持平衡整個(gè)裝置平衡及承重，采用 8 根空心方管支撐。截面如圖 3.2 所示。
圖 3.2 立柱截面圖
?? 400×10??
得出 σ = ?? = 7×4.56×10?4????2=1.25Mpa （3.2）
立柱采用 45 鋼，查表許用應(yīng)力為[σ]=160Mpa
σ<[σ] 滿足要求。
4. 液壓及 PLC 控制系統(tǒng)
4.1 液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介
液壓傳動(dòng)是以液體作為介質(zhì)來進(jìn)行能量傳遞的傳動(dòng)方式。他具有一些列明顯的優(yōu)點(diǎn)， 例如可以傳遞大功率、快速響應(yīng)、無級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、易實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)等。 而自動(dòng)化、回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)就是本設(shè)計(jì)中彎管機(jī)所需要的重要特性。
4.2 彎管液壓系統(tǒng)組成
液壓原理圖如圖 4.1 所示
圖 4.1 液壓系統(tǒng)原理圖
整套液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要由五個(gè)單向液壓缸，一個(gè)雙向液壓缸，一個(gè)液壓擺動(dòng)馬達(dá)構(gòu)成，再輔以其它輔助元件，例如電磁換向閥、順序閥等。壓料缸用于保持管材旋轉(zhuǎn)時(shí)管尾處于固定位置，并且末端的導(dǎo)向輪在管材彎曲前進(jìn)的過程中能減少管材與壓料機(jī)構(gòu)的摩擦受力，減小管材損傷；壓緊缸將管材壓入彎曲模盤中，保證彎管時(shí)管材始終固定于彎管模槽內(nèi)；卸料爪缸在卸料時(shí)抓取彎曲后的管材，待抓取動(dòng)作完成后卸料缸運(yùn)動(dòng)將管材移出到指定位置，完成卸料；上料缸在管材落下過程中將管材推送如預(yù)定位置進(jìn)行上料；芯棒缸為雙向液壓缸，其中一個(gè)方向驅(qū)動(dòng)芯棒實(shí)現(xiàn)對(duì)棺材的穿芯、抽芯，另一個(gè)方向安裝有頂出支架，在抽芯的同時(shí)將卡入模盤的管材頂出以實(shí)現(xiàn)卸料爪對(duì)彎曲管材的抓取行動(dòng)；液壓馬達(dá)為單葉片擺動(dòng)馬達(dá)，能實(shí)現(xiàn) 180°角內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為管材彎曲提供動(dòng)力。
為了整個(gè)彎管過程更加可靠，液壓馬達(dá)、壓料缸、壓緊缸、卸料爪缸都有液壓鎖， 在達(dá)到預(yù)定位置后液壓缸將被鎖緊，減少壓力損失，使動(dòng)作更加平穩(wěn)可靠。為了實(shí)現(xiàn)彎
曲不同管材的目的，在各處液壓缸回路中都有采用單向節(jié)流回路。這樣可以便捷的調(diào)整回路速度，滿足不同管材彎曲所需。
在彎管和穿芯兩處要求較高的液壓回路中做了特別處理。彎管液壓馬達(dá)采用二級(jí)回油調(diào)速回路，極大的增強(qiáng)了負(fù)載能力，并且工作速度平穩(wěn)、沖擊小。在開始彎管階段為提高彎管質(zhì)量，可以采用慢速彎管，這樣可以極大的提高實(shí)際彎管與設(shè)定彎管的相似度。芯棒液壓缸處采用節(jié)流、卸荷兩種回路，該方式可以使芯棒在回退過程中拉平部分彎曲褶皺，提高彎管質(zhì)量。
動(dòng)作順序表如下：
表 4.1 彎管動(dòng)作順序表
動(dòng)作名稱
電動(dòng)機(jī)
M
電磁鐵
YA14 YA15 YA16 YA17
電機(jī)啟動(dòng)
+
慢彎
+
+
+
快彎
+
+
+
回退
+
+
4.3 液壓元件的選擇
4.3.1 液壓馬達(dá)的選擇
由于是范圍彎管，以最大載荷為選擇基準(zhǔn)。彎管參數(shù)如下：
管材最大直徑：D=?100mm
彎管中性層曲率半徑：ρ=120mm 管材壁厚：1mm
管材材料：304 不銹鋼
管材抗拉強(qiáng)度： ????≥520Mpa； 管材條件屈服強(qiáng)度 ：σ0.2≥205Mpa
使不銹鋼管彎曲成形，產(chǎn)生塑性變形取 σ=450Mpa 彎曲強(qiáng)度計(jì)算如下：
彎管力矩
M = W[σ]3 ?? （4.1）
抗彎截變模量
√??
w= ????3
32(1???4)
（4.2）
式中
α =
?? （4.3）
??
帶入數(shù)據(jù)有
W=2.5 × 10?3??3
M=1219 N.m
取液壓缸效率η = 0.8 ??實(shí) =
?? =
??
1219=1523N.m （4.4）
0.8
根據(jù)所需扭矩查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第五版）成大先編。以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》表 21-
5-108 選擇液壓缸規(guī)格如下：
型號(hào)：YMD700 擺 角 ：180° 排量：700mL/r
額定壓力：14Mpa
內(nèi)泄露量：650mL/min
啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：571 N.m
額定轉(zhuǎn)矩：1578N.m
花鍵連接：8×36×40×7mm 滿足彎管最大轉(zhuǎn)矩要求。
4.2.2 壓緊液壓缸選擇
因?yàn)? M=FL L=0.17m M=1219N.m 則 有 F=7170N
??
取 液 壓 缸 效 率 η = 0.8 ?? 實(shí) = ?? =8962.5N
按經(jīng)濟(jì)適用原則選取輕型拉桿式液壓缸查《手冊(cè)》表21-6-87 選取液壓缸規(guī)格如下： 型號(hào)：WYX0170L-LB50C25
額定工作壓力：7Mpa
最高允許壓力：10.5Mpa 允許最高工作速度：0.5m/s 使用溫度：-10-80℃
缸徑：50mm
活塞缸徑：22mm 推力 13.71kN
拉力：10.92kN
壓料力與壓緊力相同，選擇同規(guī)格液壓缸。同理合理選用其余液壓缸。
4.2 PLC 控制系統(tǒng)
4.2.1 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
控制系統(tǒng)采用可編程控制器 PLC。PLC 主要由中央處理器、處理器、輸入輸出接口電路、通信接口、電源等部分組成。是專門在工業(yè)環(huán)境下設(shè)計(jì)的控制裝置， 具有功能強(qiáng)、可靠性高、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、修改方便等優(yōu)點(diǎn)。選取最常用的三菱公司FX2N-48MR 控制器，控制器的作用是控制液壓系統(tǒng)的電磁閥得電失電。
4.2.2 控制系統(tǒng)順序圖順序功能圖是用來表
達(dá)順序控制過程的程序，簡(jiǎn)
稱功能圖。是一種說明性語言，可以完整的描述控制系統(tǒng)的工作過程、功能和特性。特別對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)而言系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系復(fù)雜， 直接編程難度大，可讀性差。
順序功能圖主要由步、有向
連線、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和動(dòng) 圖 4.2 順序圖作組成。彎管機(jī)的控制系統(tǒng)
順序圖如圖 4.2 所示。
續(xù)圖 4.2 順序圖
4.2.2 控制系統(tǒng)梯形圖及代碼
梯形圖是目前應(yīng)用最為廣泛的 PLC 編程語言。是以電氣控制系統(tǒng)圖為基礎(chǔ)演化而來的。它將電氣圖中的接觸器、繼電器等變成簡(jiǎn)化符號(hào)，具有形象、直觀和實(shí)用的特點(diǎn)。以彎管機(jī)構(gòu)為例，I/O 分配及梯形圖分別如下：
表 4.2 I/O 地址分配表
X0 啟動(dòng)開關(guān)
Y0 泵啟動(dòng) M0
Y1 慢彎電磁閥 YA17
Y2 彎管前進(jìn)電磁閥 YA16
Y3 彎管后退電磁閥 YA15
代碼如下及梯形圖如下：
DL X0 OR Y0 ANI T2 OUT Y0 LD YO OUT T0
K30 LD T0 OUT T1
K70 LD T1 LD T1 OUT T2
K100
LD Y0 ANI T0 OUT Y1 LD T0 ANI T1 OUT Y2 LD T1 ANI Y2 OUT Y3 END
圖 4.2 彎管動(dòng)作 PLC 控制梯形圖
總結(jié)
本文對(duì)全自動(dòng)薄壁不銹鋼管的結(jié)構(gòu)，用途做了較為詳細(xì)的論述。在彎管機(jī)構(gòu)、卸料機(jī)構(gòu)、機(jī)架設(shè)計(jì)方面給出了詳細(xì)的方案。對(duì)于主要的零部件進(jìn)行受力校核以保證設(shè)計(jì)的可行性。整套機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)的方式進(jìn)行能量傳遞，PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制。主要得出以下結(jié)論：
1. 綜訴了彎管機(jī)的背景、發(fā)展現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)的目的及必要性等；
2. 簡(jiǎn)單介紹傳統(tǒng)彎管工藝，對(duì)比卸料機(jī)構(gòu)的組合方式及優(yōu)缺點(diǎn)最后分析得出彎管機(jī)構(gòu)、卸料機(jī)構(gòu)的詳細(xì)方案；
3. 結(jié)合實(shí)際情況得出機(jī)架的設(shè)計(jì)方案；
4. 主要零部件的校核；
5. 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，液壓元件的選取；
6. 控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì);
7. 具體的零件圖及裝配圖。
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性較高的工作，整個(gè)設(shè)計(jì)過程就是將之前學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行融合。在這個(gè)過程中查找了很多資料，也得到了很多幫助。首先要感謝吳蒙華老師的細(xì)心指導(dǎo)， 在每次答疑的過程中老師都會(huì)幫助我解決很多設(shè)計(jì)上的問題，并告訴我怎么查找資料， 怎么合理布局。在細(xì)節(jié)上老師會(huì)指出不足指出，引導(dǎo)我找出最佳的方式。其次要感謝一 起做畢設(shè)的同學(xué)們，特別在文獻(xiàn)翻譯方面給了我很大的幫助，為我指出了很多語序，專 業(yè)詞匯翻譯不當(dāng)?shù)膯栴}。在說明書寫作過過程中告訴我一些實(shí)用的技巧，提高書面的美 觀、整潔程度。
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附錄 1： 外文譯文
3.3 水壓法的技術(shù)要素
3.3.1 耐壓栓
一般情況下用金屬制的蓋子與鋼管焊接起來，或者在鋼管的端部插入螺釘、螺栓的方法，但是生產(chǎn)性方面存在一定的問題。
對(duì)于化學(xué)機(jī)械等的高壓容器制造公司，為了確認(rèn)鋼管的焊接品質(zhì)，用耐壓栓進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)。這個(gè)耐壓栓的原理是與外部連接防止鋼管徑向擴(kuò)張，并且利用爪子楔子的效果，防止內(nèi)徑擠壓或發(fā)生竄動(dòng)，借此來封閉內(nèi)部填充物，也容易應(yīng)對(duì)接下來的自動(dòng)化要求（圖 9）。
采用這個(gè)機(jī)構(gòu)可以有效地防止空氣的混入。使用透明的亞克力管，水填充時(shí)可以分辨出有無空氣殘留。這樣做的結(jié)果是把管子豎直放置時(shí)可以分辨出鋼管上部的耐壓栓附近有無空氣聚集。在聚集處的上部設(shè)計(jì)一個(gè)排氣孔，可以確保沒有空氣在管子內(nèi)部殘留（圖 10）。
3.3.2 水壓泵
彎曲加工中發(fā)生封條破損時(shí)，為了最大限度地減小水的飛濺，在高壓時(shí)流量減少且容易控制的水泵比較合適，本設(shè)備采用以柱塞作為動(dòng)力源壓縮空氣的水泵（圖11）。氣壓在 0.5Mpa 時(shí)最大水壓為 20Mpa（圖 12）。
3.3.3 壓力的控制
水壓法的加工中由于鋼管的彈性變形和塑性變形導(dǎo)致體積變大壓力減小，所以控制壓力一定是必要的。所以在鋼管入口處需要一個(gè)裝置可以檢出壓力且與設(shè)定壓力不同時(shí)，可以控制調(diào)整驅(qū)動(dòng)壓力，重新調(diào)整水壓。
（圖 13）。
出于作業(yè)安全，對(duì)于本裝置應(yīng)該做出如下控制： (1)鋼管內(nèi)部注水后沒有殘留。注水時(shí)如果出現(xiàn)水泵
入口有氣泡殘留應(yīng)立刻停止，并且水泵出口處感知 不到氣泡后在規(guī)定時(shí)間后停止注水。
（2） 避免迅急地加壓。為了防備封條密封不嚴(yán)，最大限度地減小水的飛濺，朝著目標(biāo)壓值階段性地升壓。
（3） 升壓時(shí)，鋼管內(nèi)無空氣殘留。因?yàn)橛锌諝庠诠軆?nèi)殘留時(shí)升壓時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，所以要停止并用時(shí)檢查。
（4） 升壓后，耐壓栓松弛，鋼管龜裂等發(fā)生時(shí)的對(duì)策。壓力急劇下降并伴隨送水量增加，水泵的脈沖數(shù)增加，檢查結(jié)果異常時(shí)停止作業(yè)。
3.4 水壓法測(cè)試機(jī)
為了確定以上的技術(shù)要素，利用單一發(fā)生機(jī)制作了試驗(yàn)機(jī)。（圖 14）
3.5 彎曲加工步驟
最初的水壓設(shè)定為鋼管材料屈服應(yīng)力的一半，本裝置的加工步驟如下所示：
（1） 在鋼管上安裝耐壓栓，注水直到無氣泡后確認(rèn)沒有水漏出；
（2） 把鋼管安裝到彎管機(jī)上并設(shè)定水壓后，開始彎管加工；
（3） 把鋼管取下，打開耐壓栓排水。
3.6 測(cè)試結(jié)果
用測(cè)試機(jī)彎曲了上述 YZF 系列比賽用鋼管后，結(jié)果是用以前的方法難以加工的鋼管，現(xiàn)在不會(huì)產(chǎn)出有褶皺、裂紋等不合格的產(chǎn)品，并且截面偏平率（=最小外徑/公稱外徑）比以前（93%）上升到了（96%），保證了產(chǎn)品的品質(zhì)（圖 15）而且彎曲加工的條件確定，試加工的鋼管數(shù)是平時(shí)的幾分之一就夠了，很容易完成測(cè)試。
4. 量產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)
4.1 量產(chǎn)設(shè)備的更新、改良項(xiàng)目
實(shí)現(xiàn)彎管機(jī)同時(shí)彎曲的改造，對(duì)于主要的新設(shè)備、改良項(xiàng)目進(jìn)行說明。
（1） 新建密封注水機(jī)
往鋼管上插入耐壓栓后，螺母經(jīng)流道自動(dòng)擰上、改造的水泵提前注水， 這時(shí)，若超出規(guī)定的扭矩、規(guī)定的擰緊力的話，警報(bào)鈴響停止工作。
（2） 新建高壓供水配管的自動(dòng)除水
泡機(jī)注水后，供給高壓水時(shí)應(yīng)保證沒有氣泡。本裝置啟動(dòng)時(shí)，安裝定期除水泡機(jī)。
（3） 耐壓栓的使用回?cái)?shù)記憶電路
一臺(tái)機(jī)器需要使用多個(gè)耐壓栓。這套裝置可以記憶每次生產(chǎn)的次數(shù)，管理消耗品（墊片等）的壽命，提高了設(shè)備的保全性。
（4） 耐壓栓構(gòu)造的改良
實(shí)施復(fù)數(shù)回的彎曲加工，需要在耐壓栓安裝后，鋼管的一端保持、前進(jìn)、扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作順利進(jìn)行。這里對(duì)另一側(cè)安裝在彎管機(jī)上的耐壓栓進(jìn)行改造，并且外部連接增強(qiáng)，更容易自動(dòng)化地安裝、搬運(yùn)鋼管的耐壓栓（圖 16）。
4.2 量產(chǎn)設(shè)備摘要
采用以上改良項(xiàng)目，為了提高安全性、減輕工作壓力、少人化、采用運(yùn)輸機(jī)器人來進(jìn)行搬運(yùn)，工人則把鋼管的焊接線作為彎曲內(nèi)側(cè)將鋼管安裝在加工工位上并按下啟動(dòng)開關(guān)。之后的一系列工程均自動(dòng)完成，彎曲加工完成后的以彈出的方式下料，檢查（圖 17、表 3、圖 18）。
4.3 量產(chǎn)的實(shí)例
用本設(shè)備加工新 YZ250F 用的排氣管。為了使彎曲部位的偏平率相同，彎曲角度隨壓力的變化而變化（表 4）。
5. 成果
（1） 新 YZF 比賽用摩托車排氣管生產(chǎn)目標(biāo)達(dá)成；
（2） 防止夾緊裝置產(chǎn)生滑動(dòng)且不用加工防滑槽。并且夾緊裝置的材料選用塑料材料， 減少夾緊裝置的磨損，表面品質(zhì)提高，因此去除了除磨損的工藝步驟，同時(shí)減少了毛坯管半精加工的步驟。當(dāng)使用精加工鋼管時(shí)，減少了成本，去除了搬運(yùn)時(shí)的表面磨損。
（3） 要求熟練操作的彎曲加工變得簡(jiǎn)單。因此，加工時(shí)間為原來的幾分之一，比以前的彎管機(jī)機(jī)械專用化，現(xiàn)在一臺(tái)機(jī)器可對(duì)應(yīng)多種鋼管，提高了替換率。
（4） 一般難以加工的鈦合金鋼管（由于鈦金屬的親和性易產(chǎn)生劃痕）也可以很好地彎曲加工，適合簡(jiǎn)單調(diào)整后就可以得到良品的高價(jià)鈦合金鋼管。
（5） 芯棒不用含氯的潤(rùn)滑油，減少清洗工藝。
（6） 可以多管同時(shí)生產(chǎn)，也可以一次生產(chǎn)一根。
6. 結(jié)語
本加工方法開發(fā)于 1999 年，設(shè)備生產(chǎn)使用于 2000 年 8 月。自開發(fā)初期就與商品開
發(fā)部門保持緊密聯(lián)系，短時(shí)間內(nèi)投放使用。2001 年 11 月起 2 代彎管機(jī)產(chǎn)出，開始生產(chǎn)鈦合金鋼管。關(guān)于本機(jī)的所有有關(guān)機(jī)構(gòu)和水壓法的注水方法、水壓的控制方法都已申請(qǐng)專利。今后，關(guān)于能否應(yīng)用在二重管加工、汽車的進(jìn)氣口、汽車排氣管上，還要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。