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參考文獻
1 董剛 李建功 潘鳳章主編.機械設(shè)計（第三版）北京：機械工業(yè)出版社1998
2 成大先主編.械設(shè)計圖冊 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 1997
3 蔡春源主編.機電液設(shè)計手冊 北京：機械工業(yè)出版社 1997
4 徐灝主編.新編機械設(shè)計師手冊 北京：機械工業(yè)出版社 1995
5 朱喜林 張代治主編.機電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 北京：科學(xué)出版社 2004
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8 孫桓 陳作模主編.機械原理（第六版）北京：高等教育出版社 2001
9 王愛玲主編.現(xiàn)代數(shù)控機床 北京：國防工業(yè)出版社 2003
10 趙如福主編.金屬機械加工人員手冊（第三版）上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 1990
11 齊麟 張亞雄 黎上威 董學(xué)朱 胡松春編著 蝸桿傳動設(shè)計（上、下冊）北京：機械工業(yè)出版社 1987
12 齒輪手冊編委會編著 齒輪手冊（上、下冊） 北京：機械工業(yè)出版社 1990
13 《現(xiàn)代機械傳動手冊》編委會編著 現(xiàn)代機械傳動手冊 北京：機械工業(yè)出版社 1995
14 郭愛蓮主編.新編機械工程技術(shù)手冊 經(jīng)濟日報出版社 1991
15 楊公源主編.機電控制技術(shù)及應(yīng)用 北京：電子工業(yè)出版社 2005
16 袁任光編著.可編程序控制器選用手冊 北京：機械工業(yè)出版社 2002
17 饒振綱 王勇衛(wèi)編著.滾珠絲杠副及自鎖裝置 北京:國防工業(yè)出版社 1990
18 陸玉 何在洲 佟延偉主編.機械設(shè)計課程設(shè)計（第三版）北京：機械工業(yè)出版社 1999
19 數(shù)字化手冊系列（軟件版）編寫委員會編著.機械設(shè)計手冊（軟件版）R2.0北京：機械工業(yè)出版社 1999
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河 北 建 筑 工 程 學(xué) 院
本科畢業(yè)設(shè)計
題
目
蛇形管彎管機設(shè)計
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級 機083
姓 名 劉海洋
學(xué) 號 31
指 導(dǎo) 教 師 孫有亮
河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
課題
名稱
蛇形管彎管機設(shè)計
系 別： 機械工程系
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級： 機083班
學(xué)生姓名： 劉海洋
學(xué) 號： 2008307331
指導(dǎo)教師： 孫有亮
開題時間： 2012年4月2日
課題來源
導(dǎo)師課題
課題類別
工程設(shè)計
一、論文資料的準(zhǔn)備
1.資料準(zhǔn)備
1)去張家口東鍋爐廠參觀實習(xí)，了解彎管機的各部件、結(jié)構(gòu)組成及工作原理，對設(shè)計內(nèi)容有了初步了解。
2）在中國知網(wǎng)搜索相關(guān)論文，加深對彎管機各個機構(gòu)的了解，并熟悉設(shè)計過程。并了解常用的彎曲加工方法和彎管設(shè)備，認(rèn)識了國內(nèi)外數(shù)控彎管機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢以及數(shù)控系統(tǒng)的伺服運動控制模塊、電液伺服控制模塊及其機械、電氣、液壓系統(tǒng)等。
3）在百度搜索彎管機視頻，了解彎管機的現(xiàn)狀、流行趨勢及加工要求。并加深對彎管機工作過程的了解，熟悉加工對工件結(jié)構(gòu)的要求。
4）到圖書館借閱機械設(shè)計相關(guān)資料，了解設(shè)計中需要注意的問題。查詢數(shù)控資料，了解電氣控制相關(guān)資料，并熟悉數(shù)控機床的電器控制元件。查詢液壓資料，了解彎管機對液壓系統(tǒng)的要求，熟悉液壓系統(tǒng)工作過程。
2.管材彎曲加工的種類和技術(shù)現(xiàn)狀
管材彎曲加工的方法很多。按成形方法區(qū)分，主要有滾彎曲,模彎曲和無模彎曲三種。按彎曲時加熱與否，可分為冷彎曲和熱彎曲。按彎曲時有無填充物，又分為有芯彎管和無芯彎管。近年來，彎管彎曲成形技術(shù)取得了新進展，相繼開發(fā)出了零半徑鋼管彎曲加工，熱應(yīng)力彎曲和激光彎曲成形等最新技術(shù)。
滾彎時用三個驅(qū)動輥輪對管材進行彎曲加工的加工方法。滾彎方法及滾彎機工作原理與板材滾彎基本相同，區(qū)別僅在于管材滾彎所用的滾輪具有與彎曲管坯斷面形狀相吻合的工作表面。通過改變滾輪的間隔，就可作各種曲率半徑的彎曲，尤其對彎制環(huán)形或螺旋線形彎管件特別方便。不過，滾彎方法對彎曲半徑有一定的限制，僅適用于曲率半徑要求大的厚壁管件。
模彎曲是一種鋼管在彎曲模型中實現(xiàn)彎曲的成形過程，它包括壓彎，推彎和繞彎三種方式。壓彎是最早用于管材彎曲加工的工藝方法。它是在液壓機上利用模具或胎具對
管坯進行彎曲加工。壓彎方法既可以彎制帶直段的管件，又可以彎制彎頭。由于壓彎具有生產(chǎn)效率高，模具調(diào)整簡單等突出有點，故在生產(chǎn)中一直被廣泛應(yīng)用。推彎是在一般壓力機，液壓機或?qū)Ｓ猛浦茩C上進行彎曲加工，主要用于彎制彎頭。推彎包括型模式冷推彎管和芯棒式熱推彎管。型模式冷推彎管是在普通液壓機或曲柄壓力機上，利用金屬的塑性，在常溫狀態(tài)在將管坯壓入帶有彎曲型腔的型模中，從而形成彎頭。芯棒式特推彎管是在專用推制機上，在推力和牛角芯棒阻力的作用下，邊加熱邊推制，使管坯產(chǎn)生周向擴張和軸向彎曲變形，從而將較小直徑的管坯推制成較大直徑的彎頭。繞彎使最常用的彎管方法，包括碾壓式和拉拔式。按彎管設(shè)備的不同，繞彎又可以分為手工彎管和彎管機彎管兩類。
手工彎管是利用簡單的彎管裝置對管坯進行彎曲加工。它不需要專用的彎管設(shè)備，彎管裝置制造成本低，調(diào)節(jié)使用方便，但勞動量大，生產(chǎn)率低。
彎管機彎管是在立式或臥式彎管機上進行冷態(tài)彎曲加工，是用得最多的一種彎管方式。目前，彎管機彎管主要包括有芯彎管，無芯彎管和頂壓彎管三種工藝方法。隨著經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，管道的規(guī)格和用材也在向大型化和高強度發(fā)展。目前，600MW的火力發(fā)電機組的主蒸汽管路的直徑已達663mm，壁厚達103mm，材料為12CrMoV高溫合金鋼。對于這種達口徑，厚壁及高強度鋼管的彎制加工，最適宜的方法就是無模彎曲。
無模彎曲使利用局部加熱代替彎曲模具和芯棒等工具進行彎曲加工的方法。按加熱方式的不同，可分為中頻感應(yīng)彎管和火焰加熱彎管兩種。中頻彎管原理如下圖1-7所示，它是將中頻感應(yīng)圈套在管坯上，依靠中頻感應(yīng)電流將管坯加熱到所需的高溫，隨即對加熱部分進行彎曲，并在彎曲后緊接著噴水冷卻，從而獲得所需的管件。火焰彎管的原理與中頻彎管相同，只不過是用火焰加熱圈代替了中頻感應(yīng)圈來加熱管坯。
無模彎曲不需要模具，彎管成形質(zhì)量好，彎管能力強，具有生產(chǎn)效率高，勞動強度低等優(yōu)點。由于無模彎曲的彎曲力臂自由回轉(zhuǎn)，彎曲半徑可隨彎曲力臂長度的變化任意改變，故其適應(yīng)性比其他彎曲方法強。同時，由于加熱線圈與管材的形狀無關(guān)，故利用無模彎曲代替彎模成形，可以巧妙地解決異形鋼管的彎曲加工問題。近年來，國內(nèi)外都已開發(fā)出原子能發(fā)電廠使用的不銹鋼管和橋梁建筑行業(yè)使用的大，中型光管的無模彎曲成形技術(shù)和全自動CNC三維彎曲成形生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線利用CAD/CAM進行配管設(shè)計及全線計算機控制，以擴大彎管加工范圍，并使管坯供給，準(zhǔn)備，彎曲加工及配管組合后的焊接，切斷和檢測等工序全部實現(xiàn)了自動化。
熱應(yīng)力彎曲是一種利用工件內(nèi)部溫度分布不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力來驅(qū)動工件變形的
特殊的成形方法，具有無外力，無模具，便于現(xiàn)場操作等優(yōu)點。通常產(chǎn)生熱應(yīng)力的方法是對工件進行局部加熱或冷卻。加熱方式包括火焰局部加熱和加熱爐內(nèi)整體加熱；冷卻方式剝奪空冷，噴水冷卻及浸水冷卻。
由于鋼管的形狀所致，采用火焰加熱和噴水冷卻的方案難以形成合適的溫度場，工藝過程不易控制。
激光成形是一種利用激光束照射材料表面式形成的內(nèi)部非均勻熱應(yīng)立場來實現(xiàn)材料成形的新技術(shù)。通過調(diào)整激光加工工藝參數(shù)和選擇合適的掃描詭計就能成形任意的彎曲
件，異形件和其他復(fù)雜的三維曲面等零件。與常規(guī)成形相比，其具有顯著的優(yōu)點是：
1)生產(chǎn)周期短，柔性大，特別適合小批量的大型零件生產(chǎn)；
2)激光成形為非接觸式成形，變形時無外力作用，因而不產(chǎn)生回彈變形和由此帶來題；
3)激光成形屬熱態(tài)變形，總的變形由多次掃描累積而成，故能夠成形在常溫下不易成
形的難變形材料。
二、本課題的目的（重點及創(chuàng)新點）
畢業(yè)設(shè)計是工科大學(xué)生完成學(xué)業(yè)中最重要的實踐環(huán)節(jié)，是將在大學(xué)學(xué)到的理論知識系統(tǒng)化、條理化、實用化最關(guān)鍵的一環(huán)。通過本畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和基本技能，提高分析與解決實際問題的能力；較復(fù)雜工程計算的工作能力；計算機繪圖與手工繪畫相結(jié)合的工程圖繪制能力。掌握一般機械機構(gòu)的設(shè)計思路、方法和步驟，掌握常用工程材料的性能和選配能力。盡快完成學(xué)生到工程技術(shù)人員的過渡。
通過對彎管機數(shù)控改造的總體設(shè)計以及機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計，對數(shù)控彎管機的工作原理、傳動機構(gòu)等進行掌握、理解。使其滿足工作職能要求，完成對彎管機數(shù)控改造的各部分設(shè)計。即能將管坯準(zhǔn)確進給到所要加工的位置，并且使管坯彎曲相應(yīng)的角度。并在此前提下滿足操作簡便、安全、外觀、經(jīng)濟上的要求，做到和生產(chǎn)實際相結(jié)合。
重點：本課題分三個部分：蛇形彎管機的總體設(shè)計、機械系統(tǒng)設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計加熱系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計 。
對總體設(shè)計需對蛇形彎管機的工作原理、各機構(gòu)之間關(guān)系、各零、部件組成及關(guān)系進行掌握。由于彎曲半徑較小，需要增加加熱系統(tǒng)及相關(guān)控制元件。
創(chuàng)新點：新型彎管機主要由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其自動化程度要有所提高，可以自動進料，自動加熱，自動進行彎管彎曲加工。
三、主要內(nèi)容、研究方法、研究思路
主要內(nèi)容：
1. 對彎管工藝進行工藝分析，指出常見的彎管缺陷并提出相應(yīng)的解決措施；
2. 新型數(shù)控彎管機的方案設(shè)計，包括機械系統(tǒng)設(shè)計，液壓系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計；
3. 分析管材彎曲變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，建立管材彎曲力矩的計算公式，對加緊模和管坯夾持部分進行受力分析，建立加緊機構(gòu)所需加緊力的計算公式和校核公式，并計算新型彎管機的各個力能參數(shù)。
具體參數(shù)如下：
1)設(shè)計要求：在現(xiàn)有60mm普通平面彎管機的基礎(chǔ)上，改裝成數(shù)控空間彎管機。
2)技術(shù)要求：彎管直徑為DN15~ DN25mm，角度誤差為±1o，進給精度為±1mm。
3)工作要求：彎管生產(chǎn)率為60個/小時。
研究方法與思路：
1.根據(jù)工作要求及設(shè)計要求確定其工作原理，選擇機構(gòu)和傳動方式。
2.初步確定主機、主要元件或構(gòu)件的基本參數(shù)和技術(shù)性能，如功率、承載、速度、行程或調(diào)節(jié)幅度、外形尺寸等。在運動分析的基礎(chǔ)上進行動力分析，確定各機構(gòu)各部分傳遞的功率、轉(zhuǎn)矩和力的大小，根據(jù)這些數(shù)據(jù)和使用要求進行強度、剛度、發(fā)熱效率等方面的計算或校核，使設(shè)計出的數(shù)控空間角度彎管機在給定的年限內(nèi)工作。
3.通常提出幾種不同方案，從技術(shù)和設(shè)計兩個方面比較論證，選擇最理想的，即在考慮滿足職能要求的同時，要注意取得較好的經(jīng)濟效果，能滿足給定的生產(chǎn)效率。
四、總體安排和進度（包括階段性工作內(nèi)容及完成日期）
3.28~4.4 完成畢業(yè)實習(xí)報告、開題報告
4.5~4.11完成外文翻譯
4.12~4.18 設(shè)計任務(wù)分析與總體方案的確定。
4.19~6.6 實施設(shè)計、計算、繪圖、實驗。
6.7~6.20 進行計算機仿真樣機和優(yōu)化設(shè)計，并編寫設(shè)計說明書。
6.21~6.26 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯及成績評定。
五、主要參考文獻
【1】董剛,李建功,潘鳳章主編.機械設(shè)計（第三版）.北京：機械工業(yè)出版社,1998
【2】成大先主編.械設(shè)計圖冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1997
【3】蔡春源主編.機電液設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社,1997
【4】徐灝主編.新編機械設(shè)計師手冊.北京：機械工業(yè)出版社,1995
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【13】袁任光編著.可編程序控制器選用手冊.北京：機械工業(yè)出版社,2002
【14】饒振綱,王勇衛(wèi)編著.滾珠絲杠副及自鎖裝置.北京:國防工業(yè)出版社,1990
【15】陸玉,何在洲,佟延偉主編.機械設(shè)計課程設(shè)計（第三版）.北京：機械工業(yè)出版社 1999
指導(dǎo)教師意見：
指導(dǎo)教師簽名： 日期：
教研室意見：
教研室主任簽名： 日期：
系意見：
系領(lǐng)導(dǎo)簽名： 日期：
系蓋章
課題來源：導(dǎo)師課題、社會實踐、自選、其他
課題類別：工程設(shè)計、施工技術(shù)、新品開發(fā)、軟件開發(fā)、科學(xué)實驗、畢業(yè)論文。
畢業(yè)設(shè)計（論文）完成進度計劃表
序號
起止日期
計劃完成內(nèi)容
實際完成情況
檢查人簽名檢查日期
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
指導(dǎo)教師批準(zhǔn)，并簽名： 年 月 日
河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯
系別： 機械工程系
專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
班級： 機083
姓名： 馬宏亮
學(xué)號： 2008307329
外文出處： Control Engineering Practice
10(2002) 697-711
附 件：1、外文原文；2、外文資料翻譯譯文。
指導(dǎo)教師評語：
簽字：
年 月 日
河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計計算書
指導(dǎo)教師：孫有亮
設(shè)計題目：蛇形管彎管機 設(shè)計人：劉海洋
設(shè)計項目
計算與說明
結(jié)果
第1章前言
1.1管材彎曲加工的種類和技術(shù)現(xiàn)狀
1.1.1滾彎曲
1.1.2模彎曲
1.壓彎
2.推彎
3. 繞彎
1.1.3 無模彎曲
1.1.4 熱應(yīng)力彎曲
1.1.5激光成形彎曲工藝
1.2彎管工藝分析及常見的彎管缺陷
1.2.1彎管工藝分析
1.2.2常見的彎管缺陷及解決措施
1.3本文的主要設(shè)計內(nèi)容
第1章 前言
1.1管材彎曲加工的種類和技術(shù)現(xiàn)狀
管材彎曲加工的方法很多。按成形方法區(qū)分，主要有滾彎曲,模彎曲和無模彎曲三種。按彎曲時加熱與否，可分為冷彎曲和熱彎曲。按彎曲時有無填充物，又分為有芯彎管和無芯彎管。近年來，彎管彎曲成形技術(shù)取得了新進展，相繼開發(fā)出了零半徑鋼管彎曲加工，熱應(yīng)力彎曲和激光彎曲成形等最新技術(shù)。
1.1.1滾彎曲
滾彎時用三個驅(qū)動輥輪對管材進行彎曲加工的加工方法，其工作原理如下圖1-1所示。滾彎方法及滾彎機工作原理與板材滾彎基本相同，區(qū)別僅在于管材滾彎所用的滾輪具有與彎曲管坯斷面形狀相吻合的工作表面。通過改變滾輪的間隔，就可作各種曲率半徑的彎曲，尤其對彎制環(huán)形或螺旋線形彎管件特別方便。不過，滾彎方法對彎曲半徑有一定的限制，僅適用于曲率半徑要求大的厚壁管件。
圖1－1 滾彎工作原理圖
1.1.2模彎曲
模彎曲是一種鋼管在彎曲模型中實現(xiàn)彎曲的成形過程，它包括壓彎，推彎和繞彎三種方式。
1. 壓彎
壓彎是最早用于管材彎曲加工的工藝方法。如下圖1-2所示，它是在液壓機上利用模具或胎具對管坯進行彎曲加工。壓彎方法既可以彎制帶直段的管件，又可以彎制彎頭。由于壓彎具有生產(chǎn)效率高，模具調(diào)整簡單等突出優(yōu)點，故在生產(chǎn)中一直被廣泛應(yīng)用。
圖1－2 壓彎原理示意圖
2. 推彎
推彎是在一般壓力機，液壓機或?qū)Ｓ猛浦茩C上進行彎曲加工，主要用于彎制彎頭。推彎包括型模式冷推彎管和芯棒式熱推彎管。型模式冷推彎管是在普通液壓機或曲柄壓力機上，利用金屬的塑性，在常溫狀態(tài)在將管坯壓入帶有彎曲型腔的型模中，從而形成彎頭。型模式冷彎管裝置如下圖1-3a所示，芯棒式特推彎管是在專用推制機上，在推力和牛角芯棒阻力的作用下，邊加熱邊推制，使管坯產(chǎn)生周向擴張和軸向彎曲變形，從而將較小直徑的管坯推制成較大直徑的彎頭,原理如下圖1-3b所示。
圖1－3a 型模式冷推彎管示意圖
圖1－3b 芯棒式熱推彎管
3. 繞彎
繞彎使最常用的彎管方法，包括碾壓式和拉拔式，其工作原理如下圖1-4所示，按彎管設(shè)備的不同，繞彎又可以分為手工彎管和彎管機彎管兩類。
手工彎管是利用簡單的彎管裝置對管坯進行彎曲加工。它不需要專用的彎管設(shè)備，彎管裝置制造成本低，調(diào)節(jié)使用方便，但勞動量大，生產(chǎn)率低，主要應(yīng)用于小批量生產(chǎn)的場合。
（a） （b）
圖1－4 繞彎工作原理圖
（a） 輾壓式 （b） 拉拔式
彎管機彎管是在立式或臥式彎管機上進行冷態(tài)彎曲加工，是用得最多的一種彎管方式。目前，彎管機彎管主要包括有芯彎管，無芯彎管和頂壓彎管三種工藝方法。
有芯彎管是在彎管機上利用芯棒使管材沿彎曲模胎繞彎的工藝方法，其工作原理如下圖1-5所示，彎曲模胎4固定在機床主軸上并隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，管坯5的一端由夾持塊3壓緊在彎曲模胎上。在管坯與彎曲模態(tài)的相切點附近，其彎曲模胎逐漸成形。管件的彎曲角度由擋塊控制，當(dāng)彎曲模胎轉(zhuǎn)到管件要求的角度時，則撞擊擋塊，使彎曲模胎停止轉(zhuǎn)動。
圖1－5 有芯彎管原理圖
1. 壓塊 2. 芯棒 3. 夾持塊 4.彎曲模胎 5. 管坯
無芯彎管工作原理如下圖1-6所示，它的結(jié)構(gòu)比有芯彎管簡單，工作原理與有芯彎管相同，只是沒有芯棒支撐內(nèi)管壁，而是在管坯進入彎曲變形前，預(yù)先利用反變形裝置（如反變形滾輪和反變形滑槽）給以管坯一定量的反向變形。在彎曲后，由于不同方向變形的相互抵消，使管坯截面基本保持圓形。無芯彎管與有芯彎管相比，既提高了生產(chǎn)率，又避免了芯棒的消耗，省卻了管內(nèi)的潤滑。
圖1－6 無芯彎管原理圖
1. 彎曲模胎 2. 夾持塊 3. 滾輪 4. 導(dǎo)向輪 5. 管坯
1.1.3無模彎曲
隨著經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，管道的規(guī)格和用材也在向大型化和高強度發(fā)展。目前，600MW的火力發(fā)電機組的主蒸汽管路的直徑已達663mm，壁厚達103mm，材料為12CrMoV高溫合金鋼。對于這種達口徑，厚壁及高強度鋼管的彎制加工，最適宜的方法就是無模彎曲。
無模彎曲使利用局部加熱代替彎曲模具和芯棒等工具進行彎曲加工的方法。按加熱方式的不同，可分為中頻感應(yīng)彎管和火焰加熱彎管兩種。中頻彎管原理如下圖1-7所示，它是將中頻感應(yīng)圈套在管坯上，依靠中頻感應(yīng)電流將管坯加熱到所需的高溫，隨即對加熱部分進行彎曲，并在彎曲后緊接著噴水冷卻，從而獲得所需的管件?；鹧鎻澒艿脑砼c中頻彎管相同，只不過是用火焰加熱圈代替了中頻感應(yīng)圈來加熱管坯。
圖1－7 中頻彎管原理圖
1. 管坯 2. 支撐滾輪 3. 感應(yīng)圈 4. 夾頭 5. 轉(zhuǎn)臂
無模彎曲不需要模具，彎管成形質(zhì)量好，彎管能力強，具有生產(chǎn)效率高，勞動強度低等優(yōu)點。由于無模彎曲的彎曲力臂自由回轉(zhuǎn)，彎曲半徑可隨彎曲力臂長度的變化任意改變，故其適應(yīng)性比其他彎曲方法強。同時，由于加熱線圈與管材的形狀無關(guān)，故利用無模彎曲代替彎模成形，可以巧妙地解決異形鋼管的彎曲加工問題。
近年來，國內(nèi)外都已開發(fā)出原子能發(fā)電廠使用的不銹鋼管和橋梁建筑行業(yè)使用的大，中型光管的無模彎曲成形技術(shù)和全自動CNC三維彎曲成形生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線利用CAD/CAM進行配管設(shè)計及全線計算機控制，以擴大彎管加工范圍，并使管坯供給，準(zhǔn)備，彎曲加工及配管組合后的焊接，切斷和檢測等工序全部實現(xiàn)了自動化。
1.1.4熱應(yīng)力彎曲
熱應(yīng)力彎曲是一種利用工件內(nèi)部溫度分布不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力來驅(qū)動工件變形的特殊的成形方法，具有無外力，無模具，便于現(xiàn)場操作等優(yōu)點。通常產(chǎn)生熱應(yīng)力的方法是對工件進行局部加熱或冷卻。加熱方式包括火焰局部加熱和加熱爐內(nèi)整體加熱；冷卻方式剝奪空冷，噴水冷卻及浸水冷卻。
由于鋼管的形狀所致，采用火焰加熱和噴水冷卻的方案難以形成合適的溫度場，工藝過程不易控制。其效果如下圖1-8所示
圖1－8 鋼管的熱應(yīng)力彎曲
如圖1－8所示，管的熱應(yīng)力彎曲工藝是：先將管子整體加熱到某一高溫，然后一定速度水平進入水中，直至管件完全冷卻。其彎曲變形特點是：
1.外弧的彎曲程度無明顯差別；
2.管件截面發(fā)生扁化，即管件沿彎曲半徑方向的截面尺寸大于垂直彎曲平面方向的截面尺寸；
3.管件彎曲程度和截面扁化成都隨加熱溫度的增高而增大；
4.長度直徑比值較大的管件，其彎曲效果好；
5.提高工件的初始溫度，增加整體加熱――浸水冷卻的次數(shù)，可獲得較大的彎曲變形量。
1.1.5激光成形彎曲工藝
激光成形是一種利用激光束照射材料表面式形成的內(nèi)部非均勻熱應(yīng)立場來實現(xiàn)材料成形的新技術(shù)。通過調(diào)整激光加工工藝參數(shù)和選擇合適的掃描詭計就能成形任意的彎曲件，異形件和其他復(fù)雜的三維曲面等零件。與常規(guī)成形相比，其顯著優(yōu)點是：
1.激光成形為無模成形，因而生產(chǎn)周期短，柔性大，特別適合小批量的大型零件生產(chǎn)；
2.機關(guān)成形為非接觸式成形，變形時無外力作用，因而不產(chǎn)生回彈變形和由此帶來的問題；
3.激光成形屬熱態(tài)變形，總的變形由多次掃描累積而成，故能夠成形在常溫下不易成形的難變形材料。
鋼管的激光成形方法比較復(fù)雜，根據(jù)所要彎曲的幾何形狀不同，采取的激光照射方法也大不相同。一般是先通過精確的有限元計算，然后確定照射方法和照射區(qū)域及工藝參數(shù)。通過選擇不同的照射區(qū)域就可以形成扁化多端的形狀。
激光彎曲成形加工成本較高，目前還未應(yīng)用于工程實際。但是，由于它的先進性和獨特優(yōu)勢，在不久的將來必將獲得廣泛的應(yīng)用。
1.2彎管工藝分析及常見的彎管
1.2.1彎管工藝分析
管材彎曲與板材彎曲相比，雖然從變形性質(zhì)等方面看非常相似，但由于管材空心橫斷面的形狀特點，彎曲加工時不僅容易引起斷面形狀發(fā)生變化，而且也會使壁厚發(fā)生變化。因此，在彎曲加工方法，需要解決的工藝難點，產(chǎn)品的缺陷形式和防止措施，彎曲用模具及設(shè)備等方面，兩者之間存在很大差別。
我們知道在純彎曲的情況下，外徑為D，壁厚為S的管子受外力距M的作用而彎曲時，彎曲變形區(qū)的外磁材料受到切向拉伸應(yīng)力作用而伸長，從而使外測管壁減??；內(nèi)側(cè)材料則受到切向壓應(yīng)力的作用而縮短，從而使內(nèi)側(cè)管壁增厚，（見下圖）。
圖1－9 管材純彎曲時的受力情況
由于位于彎曲變形區(qū)最外測和最內(nèi)側(cè)的材料所受的切向應(yīng)力最大，故其管壁的厚度變化也最大，因此，外側(cè)管壁會過量減薄(見下圖a)。當(dāng)變形程度過大時，最外側(cè)管壁會產(chǎn)生裂紋（見下圖b）,最內(nèi)側(cè)管壁會出現(xiàn)失穩(wěn)而起皺（見下圖c）。同時，由于彎曲內(nèi)外側(cè)管壁上切向應(yīng)力在法向的合力（外側(cè)切向拉應(yīng)力的合力N1向下，內(nèi)側(cè)切向壓應(yīng)力的合力N2向上）的作用，使彎曲變形區(qū)的圓管橫截面在法向受壓而產(chǎn)生畸變，即法向直徑減小，橫向直徑增大，從而成為近似橢圓形（見下圖d）。變形程度越大，則畸變現(xiàn)象越嚴(yán)重。另外，由于拉應(yīng)力過渡到壓應(yīng)力的彈性階段的存在，卸載時外層纖維因彈性恢復(fù)而縮短，內(nèi)層纖維因彈性恢復(fù)而拉長，結(jié)果使工件彎曲的曲率和角度發(fā)生顯著變化，與模具的形狀和設(shè)計要求的形狀不一致，造成彎曲回彈現(xiàn)象，降低了彎曲件的工藝精度。
圖1－10常見的彎管缺陷
（a） 圓弧外側(cè)壁過量減薄 （b） 圓弧外側(cè)彎裂
（c） 圓弧內(nèi)側(cè)起皺 （d） 斷面形狀畸變
1.2.2常見的彎管缺陷及解決措施
從上述工藝分析可知，常見的彎管缺陷主要有一下幾種形式：圓弧處變扁嚴(yán)重（橢圓形），圓弧外側(cè)管壁減薄量過大，圓弧外側(cè)彎裂，圓弧內(nèi)側(cè)起皺及彎曲回彈等。隨著彎管半徑的不同，前四種缺陷產(chǎn)生的方式及部位有所不同，而且不一定同時發(fā)生，而彎曲工件的彈性回彈卻是不可比避免的。
彎管缺陷的存在對彎制管件的質(zhì)量會產(chǎn)生很大的負面影響。管壁厚度變薄，必然降低管件承受內(nèi)壓的能力，影響其使用性能；彎曲管材斷面形狀的畸變，一方面可能引起橫斷面積減小，從而增大流體流動的阻力，另一方面也影響管件在結(jié)構(gòu)中的功能效果；管件內(nèi)壁起皺不但會削弱管子強度，而且容易造成流動介質(zhì)速度不均，產(chǎn)生渦流和彎曲部位積聚污垢，影響彎制管件的正常使用；回彈現(xiàn)象必然使管材的彎曲角度大于預(yù)定的角度，從而降低彎曲工藝精度。因此，應(yīng)在彎制之前采取對應(yīng)措施防止上述缺陷的產(chǎn)生，以獲得理想的管件，保證產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)和外觀質(zhì)量。
在通常情況下，對于前面提到的幾種常見缺陷，可以有針對性地采取下列措施：
1.對于圓弧外側(cè)變扁嚴(yán)重的管件，在進行無芯彎管時可將壓緊模設(shè)計成有反變槽的結(jié)構(gòu)形式；在進行有芯彎管時，應(yīng)選擇合適的芯棒，正確安裝，并在安裝模具時保證各部件的管槽軸線在同一水平面上。
2.小半徑彎管時圓弧外側(cè)減薄是彎曲的工藝特點決定的，是不可避免的。為了避免減薄量過大，常用的有效方法是使用側(cè)面帶有助推裝置或尾部帶有頂推裝置的彎管機，通過助推或頂推來抵消管子彎制時的部分阻力，改善管子橫剖面上的應(yīng)力分布狀態(tài)，使中性層外移，從而達到減少管子外側(cè)管壁減薄量的目的。
3.對于管子圓弧外側(cè)彎裂的情況，首先應(yīng)保證管材具有良好的熱處理狀態(tài)，然后檢查壓緊模的壓力是否過大，并調(diào)整使其壓力適當(dāng)，最后應(yīng)保證芯棒與管壁之間有良好的潤滑，以減少彎管阻力及管子內(nèi)壁與芯棒的摩擦力。
4.對于圓弧內(nèi)側(cè)起皺，應(yīng)根據(jù)起皺位置采取對應(yīng)措施。若是前切點起皺，應(yīng)向前調(diào)整芯棒位置，以達到彎管時對管子的合理支撐；若是后切點起皺，應(yīng)加裝防皺塊，使防皺塊安裝正確，并將壓模力調(diào)整至適當(dāng)；若圓弧內(nèi)側(cè)全是皺紋，則說明所使用的芯棒直徑過小，使得芯棒與管壁之間的間隙過大，或者就是壓模力過小，應(yīng)更換芯棒，并調(diào)整壓模塊使壓模力適當(dāng)。
5.對于彎曲回彈現(xiàn)象，主要采用補償法和校正法來加以控制。補償法是通過綜合分析彎曲回彈的影響因素，根據(jù)彎曲時的各種條件和回彈趨勢，預(yù)先估算回彈量的大小，在設(shè)計制造模具時，修正凹凸模工作部件尺寸和幾何形狀，實現(xiàn)“過正”彎曲。校正法是在模具結(jié)構(gòu)上采取措施，使校正力集中在彎角處，改變應(yīng)力狀態(tài)，力圖消除彈性變形，克服回彈。如拉彎工藝，在彎曲的同時施加拉力，使整個斷面都處于拉應(yīng)力的作用下，卸載時彈性回復(fù)與變形方向一致，可明顯減小回彈量。
1.3本文的主要設(shè)計內(nèi)容
1. 對彎管工藝進行工藝分析，指出常見的五中彎管缺陷并提出相應(yīng)的解決措施；
2. 新型蛇形管彎管機的方案設(shè)計，包括機械系統(tǒng)設(shè)計，液壓系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計；
3. 分析管材彎曲變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，建立管材彎曲力矩的計算公式，對加緊模和管坯夾持部分進行受力分析，建立加緊機構(gòu)所需加緊力的計算公式和校核公式，并計算新型彎管機的各個力能參數(shù)。
4. 管材彎曲變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，建立管材彎曲力矩的計算公式，對夾緊模和管坯受夾持部分進行受力分析，建立夾緊機構(gòu)所需夾緊力的計算公式和校核公式，并計算新型彎管機的各個力能參數(shù)。
第2章總體設(shè)計
2.1 引言
2.2 確定新型彎管機研制方案
2.3新型彎管機工作原理和技術(shù)參數(shù)
2.4 機械系統(tǒng)設(shè)計
2.4.1.
主傳動機構(gòu)
2.4.2
夾緊機構(gòu)
2.4.3
壓料機構(gòu)
2.4.4 管坯進給機構(gòu)
1.螺旋傳動機構(gòu)的選擇
2.步進電機的選擇
3.步距角的選擇
4. 進給機構(gòu)總轉(zhuǎn)動慣量得計算
5. 步進電機輸出轉(zhuǎn)矩的選擇
6．加速度力矩
7．空載摩擦力矩
8．附加摩擦力矩
9. 軸向摩擦阻力F折算到電機上的轉(zhuǎn)矩
10.啟動矩頻特性校核
11．運行矩頻特性校核
12．滾珠絲杠副剛度驗算
13．滾珠絲杠副穩(wěn)定性驗算
14.滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速驗算
15.聯(lián)軸器的選擇
2.4.4 彎管機構(gòu)
2.5 液壓系統(tǒng)設(shè)計
2.5.1
換向回路
2.5.2
調(diào)壓回路
2.5.3
調(diào)速回路
2.5.4
卸荷回路
2.5.5
鎖緊回路
2.6中頻加熱系統(tǒng)設(shè)計
2.7控制系統(tǒng)設(shè)計
第3章 計算新型彎管機力能參數(shù)
3.1分析管材彎曲力矩
3.2分析
管材彎曲變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)
3.2.1應(yīng)變中性層和應(yīng)力中性層
3.2.2 彎曲變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)
3.2.3 彎曲變形區(qū)的應(yīng)變和應(yīng)力分布
3.3 建立管材彎曲力矩計算公式
3.4 計算管材彎曲力矩
3.5計算
新型彎管機驅(qū)動力矩
3.6 夾緊力的計算和校核
3.6.1 夾緊力計算公式和校核公式的建立
1.夾緊力的計算公式
2. 夾緊力的校核公式
3.6.2 夾緊力的計算及校核
第2章 總體設(shè)計
2.1引言
管道彎曲段的加工工藝及設(shè)備，一直是國內(nèi)外管件技術(shù)開發(fā)的重點。目前主要采用熱壓、壓焊、中頻推制和中頻彎管四種工藝。前三種工藝的共同特點是生產(chǎn)率高，設(shè)備投資大，需制作模具，成本較高，適用于大批量的訂貨;中頻彎管的主要特點是帶有直管段，夸曲半徑
無級可調(diào)且不需模具，設(shè)備投資小，但生產(chǎn)率較低，適用于多規(guī)格小批量的訂貨。一般，對直徑較小的中低壓管件多采用彎頭，而對大口徑厚壁管多采用中頻彎管。
小半徑彎管具有其它彎頭工藝不可比擬的優(yōu)越性。隨著電站裝機容量的不斷增長，管道布置日趨魔大，對管道系統(tǒng)的質(zhì)量、安全性等要求越來越高。如果采用R=(1.5~3.0)D。的小半徑彎管，可使電站管系布置結(jié)構(gòu)緊湊，減少管系占用空間，節(jié)約運輸、安裝和材料費用，并能通過優(yōu)化設(shè)計，提高管道系統(tǒng)的運行質(zhì)量。
為了借鑒原有彎管機的結(jié)構(gòu)技術(shù)，并在新型彎管機的研制方案中克服原有設(shè)備的缺陷，我們對該設(shè)備進行了仔細的研究，認(rèn)為它主要存在以下問題：
1. 自動化程度低，工作效率低下
用原有彎管機加工管坯時，整個彎管過程都是通過工作人員手動操作，至少需要四人協(xié)同工作，操作中一旦有人操作不當(dāng)，就會造成廢品，且人工進料，人工旋轉(zhuǎn)管坯加工角度費時費力，工作效率低。
2. 無加熱系統(tǒng)，彎管彎曲精度低缺陷多
由于管材直徑較小，冷彎時彎曲應(yīng)力較大。隨著彎曲半徑的減小，金屬的變形增大，現(xiàn)有彎管機的出力和強度難以保證;更主要的是，若仍采用常規(guī)的彎管工藝，則將使小半徑彎管外弧側(cè)的壁厚減薄率和橫截面的橢圓度超差，內(nèi)弧側(cè)易產(chǎn)生波浪折皺，嚴(yán)重影響彎管質(zhì)量。
3. 工作可靠性差，故障率高
原有彎管機完全采用傳統(tǒng)的繼電器進行電氣控制，長期而頻繁切換的工作狀態(tài)已經(jīng)大大降低了控制系統(tǒng)的工作可靠性，在工作中會經(jīng)常出現(xiàn)繼電器接觸不實、觸點燒毀等事故，影響工廠的正常生產(chǎn)。
2.2確定新型彎管機研制方案
由于所研制的彎管機主要用于鍋爐設(shè)備中管坯加工，且經(jīng)常加工管壞直徑為15-25 mm，管子彎曲半徑小且變化范圍大，雖然管子彎曲加工并非批量進行，但工作頻率高，故需要彎曲的管子總量還是很大，故對彎管設(shè)備的自動化程度要求高。經(jīng)過仔細分析和消化國內(nèi)外在管材彎曲加工方面的新技術(shù)和新工藝，針對工廠原有彎管機存在的一系列問題，本著低投入高效益的原則，我們決定在原有彎管機的基礎(chǔ)上加以改進，研制一臺數(shù)控蛇形管彎管機，它的自動化程度要有所提高，可以自動進料，自動加熱，自動進行彎管彎曲加工，鑒于上述特點，我們確定了新型彎管機的研制方案。
2.3 新型彎管機工作原理和技術(shù)參數(shù)
新型彎管機主要由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、中頻加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成，其工作原理如圖2－1所示：彎管模3固定在主軸上并跟隨主軸一起轉(zhuǎn)動，管子通過夾緊模2固定在彎管模的夾槽上，1為移動式導(dǎo)向壓料滑槽，緊貼于管坯的彎曲外側(cè)，當(dāng)彎管?；剞D(zhuǎn)時，管子就被纏繞在彎管模的周向，從而得到所需的彎管半徑。新型彎管機的主要參數(shù)見表2－1：
表2－1 新型彎管機的主要參數(shù)
技術(shù)指標(biāo)
數(shù)據(jù)
彎管直徑/mm
φ15~φ25
彎曲半徑/mm
R40~300
彎管最大臂厚/mm
5
最大彎曲角度/°
195
進給/回程速度/r/min
3
液壓工作系統(tǒng)壓力/Mpa
14MPa
電機功率/KW
14
進給精度/mm
±1
彎管速度/r/min
1~3
彎曲角度精度/°
±1
彎管中心距地面高度/mm
1050
2.4 機械系統(tǒng)設(shè)計
新型彎管機的機械系統(tǒng)主要由主傳動機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、壓料機構(gòu)、管坯進給機構(gòu)、彎管模及床身等七部分組成。
2.4.1 主傳動機構(gòu)
根據(jù)彎管的原理并經(jīng)過分析、比較，我們確定了如圖2－2所示的主傳動方案。彎管機的驅(qū)動力矩有雙活塞
液壓缸來提供。
圖2－2 主傳動機構(gòu)方案示意圖
1. 主傳動油缸 2. 鏈條 3. 鏈輪 4.傳感器 5.彎管模
6.主傳動軸
由于所需的驅(qū)動力矩比較大且要達到彎曲精度，故采用承載能力高而沖擊較小且傳動精確的鏈條——鏈輪——主傳動軸作為傳動裝置，彎管時，壓力油進入主傳動油缸左腔并推動油缸活塞帶動鏈條移動，鏈條通過鏈輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)，從而使彎管旋轉(zhuǎn)，以達到纏繞彎管的目的。液壓缸采用雙作用等速等行程式液壓缸，活塞兩端桿徑相等，活塞正反、向運動速度、行程和推力均相等。
2.4.2 夾緊機構(gòu)
管材在彎曲模胎上纏繞彎曲時，驅(qū)動力是由彎管模型腔內(nèi)壁和管坯外壁之間的摩擦力來提供。為了產(chǎn)生摩擦力，就必須由夾緊機構(gòu)提供一個夾緊力來把管坯壓緊在彎管模胎的型槽上。而且，這個夾緊力必須足夠大并持續(xù)作用在管坯上才能保證彎管工作正常進行。下面我們提出以下幾種夾緊機構(gòu)設(shè)計方案：
圖2－3 用油缸直接夾緊
1.夾緊油缸 2.夾緊模 3.彎管模
1. 用油缸直接夾緊 如圖2－3所示，采用油缸直接夾緊，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)；缺點是所需夾緊油缸的缸徑很大。經(jīng)初步估計，當(dāng)液壓系統(tǒng)的工作壓力為14Mpa時，夾緊油缸的內(nèi)徑至少需要140mm。缸徑越大，油缸的價格越高，這就增加了彎管機的制造成本。同時，因為夾緊塊與彎管模的管槽軸線必須在同一水平面上，而彎管模本身是高出床身上表面的，所以夾緊油缸必然暴露在機床表面，影響美觀。
2. 通過連桿增力機構(gòu)來實現(xiàn)夾緊 為了減少夾緊油缸的尺寸，使夾緊裝置結(jié)構(gòu)緊湊，在夾緊油缸和夾緊模之間增加一套連桿增力機構(gòu)。這樣一來，夾緊油缸只需提供較小的推力就可以獲得較大的夾緊力。下面是我們擬定的三種增力機構(gòu)方案。
圖2－4 曲柄滑塊增力機構(gòu)
1. 夾緊油缸 2. 夾緊模 3. 彎管模
方案（1）：如圖2－4所示采用曲柄滑塊機構(gòu)來增力。這時，夾緊力和油缸所提供的推力之間的關(guān)系為
（2－1）
式中 ——油缸所提供的推力（N）；
——夾緊機構(gòu)所提供的夾緊力 （N）；
——夾緊油缸活塞中心與曲柄滑塊機構(gòu)固定支點的距離（m）；
——夾緊模管槽軸線與曲柄滑塊機構(gòu)固定支點的距離（m）。
由式（2－1）可見，采用了曲柄滑塊機構(gòu)以后，油缸的推力得到了線性放大，放大倍數(shù)為。為了提高放大倍數(shù)，應(yīng)盡量大而應(yīng)盡量小，這就使曲柄的剛度大為降低。通過計算，這種方案獲得的放大系數(shù)最多為1.4倍，增力效果不明顯。而且，夾緊油缸也是布置在床身上面，影響外觀。
圖2－5 斜楔增力機構(gòu)
1. 夾緊油缸 2. 斜楔 3. 彎管模 4. 夾緊模
方案（2）：如圖2－5所示，夾緊油缸提供的推力經(jīng)斜楔2放大后，通過平行四桿機構(gòu)來實現(xiàn)夾緊塊的夾緊動作。這時夾緊力和油缸推力之間的關(guān)系為：
（2－2）
式中 ——斜楔的楔角（°）。
由式（2－2）可見，夾緊力和斜楔角的余切值成正比關(guān)系，值越小，則獲得的夾緊力越大。采用這種方案，可獲得較大的增力系數(shù)，夾緊機構(gòu)的動作也很平穩(wěn)。但為了保證斜楔的強度和剛度，楔角不能小于30°。因此，夾緊力的放大倍數(shù)約為1.7倍。另外，平行四連桿機構(gòu)的采用在使夾緊機構(gòu)平穩(wěn)動作的同時，也增加了機構(gòu)的復(fù)雜程度和加工制造的難度，從而提高了彎管機的研制成本。
方案（3）：采用如圖2－6所示的四連桿機構(gòu)升降夾緊機構(gòu)。此時，夾緊力和油缸推力的關(guān)系為：
（2－3）
式中 ——兩搖臂之間的夾角（°）。
圖2－6 四連桿增力機構(gòu)
1. 夾緊油缸 2. 夾緊模 3. 彎管模
由式（2－3）可見，夾緊力的放大系數(shù)為。當(dāng)角超過140°以后，值稍微增大一點兒，夾緊力就急劇增大。
上述三種方案比較而言，方案3的增力效果最顯著。而且，這種機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，動作平穩(wěn)可靠，制造工藝較簡單。因為夾緊油缸布置在連桿下方，故整體造型比較美觀。經(jīng)過比較，我們決定采用方案3。
2.4.3 壓料機構(gòu)
壓料機構(gòu)也可以采用油缸驅(qū)動連桿，進而帶動壓料模壓緊管坯的結(jié)構(gòu)形式。其連桿增力方式類似于夾緊機構(gòu)，故壓料機構(gòu)的設(shè)計方案參考夾緊機構(gòu)設(shè)計時的三種方案。同樣，從增力效果、制造工藝、整體布局等方面考慮，我們?nèi)赃x擇圖2－6所示的四連桿增力機構(gòu)。
2.4.4 管坯進給機構(gòu)
設(shè)計要求：工作有效行程1m，要求進給速度0.3～0.4m/s，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，低速不爬行，傳動具有可逆性，進給精度為±1mm。
圖2－7 管坯進給機構(gòu)原理圖
1. 絲杠螺母 2. 絲杠 3. 聯(lián)軸器 4.步進電機
5.液壓卡盤
如圖2－7所示，管坯自動進給是通過步進電機4帶動絲杠2及絲杠螺母1轉(zhuǎn)動，而絲杠螺母與液壓卡盤5焊接成一體，液壓卡盤隨著絲杠螺母的移動而直線運到。液壓卡盤卡緊管坯時，管坯就由步進電機的控制而自動向前進給。
1. 螺旋傳動機構(gòu)的選擇
根據(jù)進給速度及進給精度查得絲杠參數(shù)如下表所示：
表2－2 絲杠主要參數(shù)
導(dǎo)程Ph（mm）
8
鋼球直徑Dw（mm）
4.763（）
圈數(shù)×列數(shù)
2.5×1
公稱直徑d0（mm）
32
螺紋升角與承載能力（N）
ψ
4°33′
Ca
22000
Coa
56350
參考文獻【4】上冊P4－94表4.3－14
由于滾珠絲杠傳動中既有軸向力，又有徑向力，故采用以下軸承。
所選支承軸承型號：
滾動軸承30204 GB/T297-93
滾動軸承60004 GB/T276-93
因為絲杠的計算長度為1000mm，可得絲杠兩端的支承距離＝1146mm。
2．步進電機的選擇
根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機
當(dāng)傳動比i=1時，可用聯(lián)軸器直接將電機與絲杠連接，這種結(jié)構(gòu)有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。由公式
i= （2-4）
式中 θb為步進電機步距角
為滾珠絲杠導(dǎo)程、為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。
選電動機型號為130BF001，其步矩角=
故可用聯(lián)軸器將電機與絲杠直接連接。
3．步距角的選擇
由公式
4.進給機構(gòu)總轉(zhuǎn)動慣量得計算
1） 機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量查《指導(dǎo)書》表得
2） 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量由《指導(dǎo)書》 （2-5）
得：
3）平移構(gòu)件折算后的轉(zhuǎn)動慣量
6米管坯、液壓卡盤和工作臺質(zhì)量總和，
（2-6）
由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量小故可忽略不計
4）總轉(zhuǎn)動慣量計算
5．步進電機輸出轉(zhuǎn)矩的選擇
查《指導(dǎo)書》 步進電機啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系有 ：
（2-7）
6．加速度力矩
（2-8）
7．空載摩擦力矩（取傳動系統(tǒng)總效率）
8．附加摩擦力矩
（2-9）
為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率取
故電機空載啟動力矩
（步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩=9.31）
故所選步進電機130BF001的最大靜轉(zhuǎn)矩滿足要求。
9. 軸向摩擦阻力F折算到電機上的轉(zhuǎn)矩
根據(jù)動摩擦力公式：
（2－10）
式中 ——摩擦阻力 (N)；
——滑槽摩擦因數(shù)，這里?。▍⒖嘉墨I【19】查得）；
——徑向載荷 (N)，這里取N（6米管坯、液壓卡盤和工作臺重量總和）
則帶入數(shù)值得:
N
故
所以運動部件正常工作時的總負載轉(zhuǎn)矩
（2-11）
故運動部件正常工作時需的最大靜轉(zhuǎn)距
此時取0.5代入式中得：
（電機最大靜轉(zhuǎn)矩）
按步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩選擇要求
所以， 選擇步進電機130BF001滿足要求。
10.啟動矩頻特性校核
查《指導(dǎo)書》步進電機啟動矩頻特性曲線
當(dāng)啟動力矩時對應(yīng)的允許啟動頻率，而由表查得電機的啟動頻率
，保證了電機快速啟動時不丟步。
11．運行矩頻特性校核
快速進給運行矩頻特性校核：
快進力矩
查《指導(dǎo)書》得，允許快進頻率
電機的最高快進頻率
故電機快速進給時不丟步。
12．滾珠絲杠副剛度驗算
1） 滾珠絲杠副軸向變形
（2－12）
參考文獻【17】P97式（5－13）
式中 ——最大軸向載荷 (N)；
——絲杠計算長度 (mm)；
——絲杠兩端支撐距離 (mm)；
——滾珠絲杠副的公稱直徑 (mm)；
——滾珠直徑 (mm)；
——絲杠材料的彈性模量；
對于鋼，N/mm2。
則帶入數(shù)值得：
mm.
2） 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形
無預(yù)緊時： （2－13）
參考文獻【17】P98式（5－15）
式中 ——軸向載荷 (N)；
——滾珠直徑 (mm)；
——工作螺母的滾珠數(shù)目，
且有；為，一圈的滾珠數(shù)，為圈數(shù)，為列數(shù)，外循環(huán)，其中為絲杠副的公稱直徑（mm）。
則帶入數(shù)值得：
mm.
3）支承滾珠絲杠的軸承軸向變形
因采用推力球軸承作為絲杠支承，故由式（5－17）
（2－14）
參考文獻【17】P99式（5－17）
式中 ——軸承的軸向載荷（N）；
——軸承的滾動體數(shù)目；
——軸承的滾動體直徑（mm）。
則帶入數(shù)值得：
mm.
（2－15）
參考文獻【17】P101式（5－21）
式中 ——滾珠絲杠副的傳動精度（mm），這里為1mm；
——無預(yù)緊時，支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形量，。
則帶入數(shù)值得：
故所選絲杠剛度滿足要求。
13．滾珠絲杠副穩(wěn)定性驗算
由滾珠絲杠的臨界載荷計算公式
（2－16）
參考文獻【17】P102式（5－22）
式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑（mm）；
——滾珠直徑（mm）；
——滾珠絲杠的支承系數(shù)（N/mm2）；可查參考文獻【17】P102表5－5得＝2×105
則帶入數(shù)值得：
N
（2－17）
參考文獻【17】P102式（5－23）
式中 ——滾珠絲杠的臨界載荷（N）；
——滾珠絲杠承受的軸向壓力（N）；
——滾珠絲杠的穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取。
則帶入數(shù)值得：>>
故所選絲杠有足夠的穩(wěn)定性。
14.滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速驗算
由于滾珠絲杠轉(zhuǎn)速＞100r/min，故要對其進行臨界轉(zhuǎn)速驗算。
對于鋼制絲杠由式（5－25）
（2-18）參考文獻【17】P106式（5－25）
為了不發(fā)生共振現(xiàn)象，應(yīng)使絲杠的轉(zhuǎn)速滿足下式：
（2－19）
參考文獻【17】P106式（5－26）
式中 ——絲杠的工作轉(zhuǎn)速（r/min）；
——絲杠的支承距離（mm）；
——系數(shù)，其值與絲杠支承方式有關(guān)，這里??；
——絲杠小徑，（mm），其中為圓弧偏心距，（mm）；為滾珠直徑，，這里mm，故取mm， 為滾道半徑，（mm），這里取，。
則帶入數(shù)值得：
r/min.
r/min<=0.8×3510=2808r/min.
故所選絲杠滿足要求。
15.聯(lián)軸器的選擇
根據(jù)所選伺服電機和滾珠絲杠副參考文獻【18】P141選擇聯(lián)軸器的型號如下：
TL3聯(lián)軸器GB4323－84
2.4.4 彎管機構(gòu)
彎管過程中隨著蛇形管重量的增加，旋轉(zhuǎn)力矩急劇上升，對旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的要求也增高，因此取消管坯旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，改用雙彎管模旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。如下圖所示：
彎管過程由主傳動機構(gòu)鏈輪帶動彎管軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動彎管模執(zhí)行彎管任務(wù)。當(dāng)向左彎管時，電磁機構(gòu)控制左彎管模旋轉(zhuǎn)軸于旋轉(zhuǎn)支架結(jié)合，主軸向左旋轉(zhuǎn)，從而帶動右彎管模繞左彎管模旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，進行彎管；向右彎管時之行動作于上文相反。
2.4.4.1彎管機構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）擬定軸上零件裝的配方案
根據(jù)設(shè)計方案，現(xiàn)選下圖為所示的裝配方案
（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
1）為了滿足軸的豎向定位，Ⅰ-Ⅱ段右側(cè)需制出一軸肩，故?、?Ⅲ段的直徑為60mm；Ⅰ段取直徑為50mm,長度為25mm；為使齒圈滿足設(shè)計要求?、蚨伍L為22mm；Ⅱ-Ⅲ左側(cè)需制出一軸肩，故?、?Ⅳ段直徑為55mm；根據(jù)結(jié)構(gòu)固定需要現(xiàn)取Ⅲ段長度為97mm；現(xiàn)?、舳稳￠L度為140mm，直徑為50mm；Ⅴ段取直徑為40mm，長度為80mm。
2）初步選擇軸承。Ⅰ、Ⅳ處軸徑同取為50mm，因軸承同時承受徑向力和軸向力的作用，故選圓錐滾子軸承32210，d×D×t=50mm×90mm×24.75mm; Ⅴ處選擇深溝球軸承6208 d×D×B=40mm×80mm×18mm;
3)確定軸上倒角的尺寸
參考表15-2，取軸段倒角為2×45°。
（3）求軸上的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計算簡圖。確定軸承的支點位置時，應(yīng)從手冊中查取a值。對于32210型圓錐滾子軸承，由手冊查的a=21mm。對于深溝球軸承6208型，取支點為中心。
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖中可以看到Ⅴ段截面為危險截面?，F(xiàn)將計算出的Ⅴ段截面處的、及M的值列于下表。
載荷
水平面H
垂直面V
支反力
彎矩M
總彎矩
扭矩T
（3）按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度。根據(jù)式（15-5）及上表中的數(shù)據(jù)，以及軸雙向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.7，軸的計算應(yīng)力
前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得。因此，故安全。
（4）精確校核該軸的疲勞強度
1) 判斷危險截面
截面A,Ⅱ,Ⅲ,B只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起的應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強度較為寬裕地確定的，所以截面A,Ⅱ,Ⅲ,B均無需校核。
從應(yīng)力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面Ⅳ和Ⅴ處過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重；從受載的情況來看，截面C上Mca1最大。截面Ⅴ的應(yīng)力集中的影響和截面Ⅳ的相近，但截面Ⅴ不受扭矩作用，同時軸徑也較大，故不必作強度校核。截面C上雖然Mca1最大，但應(yīng)力集中不大（過盈配合及鍵槽引起的應(yīng)力集中均在兩端），而且這里軸的直徑最大，故截面C也不必校核。
截面Ⅵ和Ⅶ顯然更不必校核。鍵槽的應(yīng)力集中系數(shù)比過盈配合的小，因而該軸只需校核截面Ⅳ左右兩側(cè)即可。2) 截面Ⅳ左側(cè)
抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)
截面Ⅳ左側(cè)的彎矩M為
截面Ⅳ上的扭矩T3為 T3=960000 N·mm
截面上的彎曲應(yīng)力
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，由軸常用材料性能表查得σB=640MPa，σ-1＝275MPa，τ-1=155MPa
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)ασ及ατ按手冊查取。因，，經(jīng)插值后可查得 ，
又由手冊可得軸的材料的敏性系數(shù)為 ，
故有效應(yīng)力集中系數(shù)為 ?。?.82
由手冊得尺寸系數(shù)；扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)。
軸按磨削加工，由手冊得表面質(zhì)量系數(shù)為
軸未經(jīng)表面強化處理，即，則按手冊得綜合系數(shù)為
又由手冊得材料特性系數(shù) ψσ=0.1~0.2, 取ψσ=0.1
ψτ=0.05~0.1, 取ψτ=0.05
于是，計算安全系數(shù)Sca值，按公式則得
故可知其安全。
3) 截面Ⅳ右側(cè)
抗彎截面系數(shù)W按表中的公式計算，
抗扭截面系數(shù)WT為
彎矩M及彎曲應(yīng)力為
扭矩T3及扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為 T3=960000 N·mm
過盈配合處的kσ/εσ值，由手冊用插入法求出，并取kτ/ετ=0.8kσ/εσ，于是得
，
軸按磨削加工，由手冊得表面質(zhì)量系數(shù)為
故得綜合系數(shù)為
所以軸在截面Ⅳ右側(cè)的安全系數(shù)為
故該軸在截面Ⅳ右側(cè)的強度也是足夠的。本題因無大的瞬時過載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。至此，軸的設(shè)計計算即告結(jié)束（當(dāng)然，如有更高的要求時，還可作進一步的研究）。
2.5 液壓系統(tǒng)設(shè)計
為使新型彎管機結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)可靠、噪音小，我們決定采用全液壓驅(qū)動方式。新型彎管機要求液壓系統(tǒng)完成的主要動作有：
（1） 驅(qū)動彎管模平穩(wěn)回轉(zhuǎn)，快速復(fù)位；
（2） 驅(qū)動夾緊模夾緊管坯；
（3） 驅(qū)動壓料模壓緊管坯；
（4） 驅(qū)動旋轉(zhuǎn)液壓卡盤卡緊管坯；
（5） 驅(qū)動進給液壓卡盤卡緊管坯。
因此，新型彎管機的液壓系統(tǒng)應(yīng)有五個支路構(gòu)成，每一支路驅(qū)動一個液壓缸動作。為了使彎管機機構(gòu)動作準(zhǔn)確、工作可靠、效率高，此液壓系統(tǒng)應(yīng)有以下幾個回路組成：
2.5.1 換向回路
由于新型彎管機各運動部件的運動部件的運動速度較低，質(zhì)量較小，換向精度要求也不太高，故采用三位四通電磁閥來使液壓缸換向。
2.5.2 調(diào)壓回路
新型彎管機彎曲不同規(guī)格的管坯時所需的驅(qū)動力矩不同，對應(yīng)的液壓系統(tǒng)工作壓力也就不同。如果僅按彎曲最大規(guī)格的管子來調(diào)整系統(tǒng)工作壓力，則在彎曲小管子時勢必造成能源浪費。因此，決定采用三級調(diào)壓回路。如圖2-9所示，將遠程調(diào)壓閥3和4通過三位四通電磁換向閥2與電磁溢流閥1的外控口相連，使系統(tǒng)有三種壓力調(diào)定值：當(dāng)電磁換向閥2處于中位時，系統(tǒng)壓力由電磁溢流閥1調(diào)定，為14Mpa；當(dāng)電磁換向閥2處于左位時，系統(tǒng)壓力由遠程調(diào)壓閥3調(diào)定，為8Mpa；當(dāng)電磁換向閥2處于右位時，系統(tǒng)壓力由遠程調(diào)壓閥4調(diào)定，為5Mpa。
2.5.3調(diào)速回路
為了提高新型彎管機的工作效率，希望它既能以較低的速度平穩(wěn)彎管，又能快速復(fù)位?？紤]到液壓系統(tǒng)功率不大但負載變化較大，運動平穩(wěn)性要求也較高，決定采用雙定量泵組合供油的容積調(diào)速回路來調(diào)節(jié)主驅(qū)動油
缸的速度，如圖2-10所示。另外，為了提高新型彎管機的彎曲加工精度，決定增設(shè)回油節(jié)流調(diào)速回路來調(diào)節(jié)彎管動作接近終了時彎管模在達到預(yù)定彎曲角度時能夠準(zhǔn)確停止。
2.5.4 卸荷回路
調(diào)壓回路中采用的電磁溢流閥1是一個由先導(dǎo)式溢流閥和電磁換向閥組合而成的復(fù)合閥。當(dāng)電磁換向閥處于左位時，液壓系統(tǒng)就處于卸荷狀態(tài)。為使油路結(jié)構(gòu)簡單，不再另外采用卸荷回路。
2.5.5 鎖緊回路
為使新型彎管機的夾緊、壓料、支撐等動作可靠，對應(yīng)
圖2－9 調(diào)壓回路
1. 電磁溢流閥 2. 電磁換向閥 3，4. 遠程調(diào)壓閥
圖2－10 調(diào)速回路
液壓缸的活塞應(yīng)能準(zhǔn)確的停止在要求的位置上。雖然換向回路中的三位司酮電磁換向閥處于中位時可將油路切斷而使活塞停止在某個位置，但是由于滑閥式換向閥密封性能差，泄露較多，故不能活塞長期懸空不動，而要緩慢下滑。為了使活塞準(zhǔn)確的鎖緊在停止位置上，決定采用鎖緊回路：在液壓缸的進、回油路上都分別串接一個液控單向閥，將由缸兩腔的油液封閉，如圖2-10所示。由于液控單向閥的密封性能好，即使有什麼外力作用活塞也不至于移動，從而保證鎖緊精度
÷
圖2－11 鎖緊回路
2.6中頻加熱系統(tǒng)設(shè)計
對于小半徑彎管，受拉側(cè)破裂和受壓側(cè)的塑性失穩(wěn)是其主要的破壞形式，當(dāng)受拉側(cè)的最大拉力達到了材料的斷裂強