周長玖

（寧波精達成形裝備股份有限公司，浙江 寧波315033）

0 概述

數控彎管機可分為數控液壓彎管機和數控氣動彎管機。

數控液壓彎管機是由油缸直接或間接提供夾緊力。由于液圧泵可提供很高的壓力，選用合適的油缸，會產生很大的夾緊力，所以許多大截面的鋼管、矩形管、槽鋼等型材使用數控液壓彎管機進行彎曲加工，能夠滿足電力、石化、天然氣、集中供熱等輸送工程領域的要求，以及汽車、艦船、航空、航天等領域的需要。但是，對于所需夾緊力較小的銅管彎曲，如果使用數控液壓彎管機來夾管和彎管，就會出現嚴重的質量問題，甚至出現較多的報廢。對于這類管件，應選用數控氣動彎管機。

數控氣動彎管機，是由氣缸直接或間接提供夾緊力。由于空壓機提供的壓力在1MPa 以內, 選用合適的氣缸，產生所需的夾緊力，完成銅、鋁管等的彎曲加工，可滿足冰箱、空調的循環(huán)冷卻系統對彎管的需求。

1 三維數控氣動彎管機技術現狀[1～3]

三維數控氣動彎管機主要用來彎曲加工管徑較小的銅管。由于銅管彎曲所需夾緊力小，如果用油缸提供的液壓力夾緊會夾傷甚至夾壞銅管，加之液壓系統制造成本較高，所以用三維數控液壓彎管機彎曲加工空調、冰箱等冷凝器用銅管不合理，應選用三維數控氣動彎管機。

在外資企業(yè)中，意大利博利馬（BLMGROUP）公司、英國ADDISON 公司、美國伊頓公司、日本大洋株式會社、瑞典HERBER 公司等生產的數控彎管機都具有很高的技術水平。

在國內，有少數廠家在生產三維數控氣動彎管機，一般為單一機型。彎管機機型按主軸回轉方向一般分為左彎和右彎兩種。在三維數控液壓彎管機中，也有左右彎的機型。具備左右彎的機型其結構非常復雜，不僅要求機頭可旋轉180°，而且在主軸兩端還要分別裝上左右彎用圓模、夾模和靠模；在擺臂的兩個滑塊下面要布置下夾緊油缸，在靠模的兩個滑塊下面也要布置下夾緊油缸； 帶動主軸旋轉的伺服電機及減速機由于回轉半徑的原因，由縱向布置改為橫向布置，造成傳動機構的較大變化；還要考慮旋轉180°前后進出油管、限位控制開關等許多問題。具備左右彎的三維數控液壓彎管機，結構極其復雜，價格昂貴，一般是歐美知名彎管機生產，多在實力雄厚的國外企業(yè)使用。在國內，少有企業(yè)開發(fā)生產具備左右彎功能的三維數控液壓彎管機。

從理論上看，把油缸換成氣缸也可設計開發(fā)出三維數控氣動左右彎管機。但其中的問題是：①三維數控液壓彎管機所需的彎曲力矩、主夾（夾模）夾緊力、輔夾（靠模）夾緊力都比較大，機身、機頭、擺臂、主軸等體積都比較大，要布置下眾多機構相對容易；而三維數控氣動左右彎管機所需彎曲力矩、主夾（夾模）夾緊力、輔夾（靠模）夾緊力都比較小，機身、機頭、擺臂、主軸等體積都比較小，可用空間也較小，布置不下太多機構；②如果把機身、機頭等相關零件都變大，在機頭上布置下兩個滑塊及兩個滑塊下面的夾緊氣缸，在擺臂的兩個滑塊下面要布置下夾緊氣缸，還要讓整個機頭能夠旋轉180°，再加上伺服電機及驅動系統，氣動換向系統、電器及PLC 控制系統，整個機器的制造成本就會非常高，推向市場的難度就很大。

三維數控氣動左右彎管機的原理是； 將一個機頭的旋轉（結構非常復雜），改變?yōu)閮蓚€機頭（一左一右）的平移，就可解決在同一臺彎管機上既能進行左彎又能進行右彎的難題。其動作為：采用一左一右兩個機頭，用伺服電機驅動在滑塊上進行移動；當需左彎時，左機頭移動到某一指定位置，進行左彎加工，左彎完成，左機頭要讓開；當需右彎時，右機頭移動到某一指定位置，進行右彎加工，右彎完成，右機頭也要讓開； 但又出現了新的問題：①需增加一個機頭；②左機頭、右機頭互相讓開需要很大空間，導軌也要很長；③固定導軌的機身也要加大，從而造成該種三維數控氣動左右彎管機體積大，成本高。

如果三維數控氣動左右彎管機具備以下條件：①在原理上既能進行左彎又能進行右彎； ②在結構上相對比較簡單；③在制造成本上相對比較低，將是一種比較理想的三維數控氣動左右彎管機，也是工程師們開發(fā)與設計三維數控氣動銅管左右彎管機的原因和動力所在。

2 三維數控氣動左右彎管機的組成、原理[4]

三維數控氣動左右彎管機用來生產三維空間彎數多、外形尺寸要求高、相對彎曲半徑較大的空心管件。如汽車排氣管、發(fā)動機油管等。

其主要組成部分有：①機架部分，是整個機器的基礎，是安裝和固定其他部分的平臺；②機頭部分，是C軸旋轉及上下、左右平移的部件；③擺臂部分，是固定主夾及提供主夾緊力并隨主軸旋轉的部件；④靠模部分，是固定輔夾及提供輔夾緊力的部件；⑤導軌部分，裝在機身上，進行導向的部件；⑥小車送料部分，是夾緊管件，進行送料和轉料的部件；⑦尾座部分，是進行抽芯的部件；⑧氣路控制部分，包括氣缸、氣動換向閥等氣路元件；⑨模具部分，包括圓模、夾模、靠模、夾頭、芯棒等；⑩電氣及PLC 控制部分，包括繼電器、伺服電機放大器、接近開關、行程開關、電器箱及工控機等。

三維數控氣動左右彎管機的原理如圖1 所示，通常由彎曲旋轉軸機構、小車送料機構、調整機構、芯棒進給機構、左右彎轉換機構等五大機構組成。整個系統由機械系統、氣路系統、潤滑系統和電氣控制系統組成?？蓪崿F對管件的運送、翻轉、彎曲的空間控制，完成具有復雜形狀的空間管件的彎曲加工。

圖1 左彎型三維數控氣動彎管機工作原理圖

彎曲旋轉裝置圍繞旋轉中心O 轉動，其轉動角度θ，角速度ω 和轉動力矩M 是計算、設計、控制的主要對象；擺臂上的夾模將管件壓緊在圓模上，圓模隨彎曲旋轉主軸一起轉動，從而使管件彎曲到需要的角度；彎曲旋轉主軸的轉速、轉角以及轉矩是通過C軸伺服電機及減速機系統來實現的。

3 三維數控氣動左右彎管機結構設計[5]

3.1 坐標軸數量的確定

坐標軸數量的確定是機械設計方案、電氣控制及編制程序的基礎，是能否達到預定目標的前提，由下列幾個軸組成：①管件需沿機身長度方向送進，定為Y 軸；②管件彎了一個彎后，一般需旋轉一個角度，定為B 軸；③管件需彎曲旋轉的軸，定為C軸；④彎曲前，需要把管件通過夾模壓在圓模上，夾模前進、后退的水平方向定為X 軸；⑤管件彎曲半徑或方向不同時，需要從一層模換到二層模；機頭在上下方向的運動定為Z 軸；⑥左右彎轉換時，靠模機構的旋轉軸，定為D 軸。本系統的運動主要由這六個軸的運動構成。

3.2 左右彎管機結構設計

（1）機架設計。在彎管機的各個部件中，機架是極其重要的大件，是整臺機床的基礎，是安裝和固定其他部分的平臺。機架的布局形式和結構尺寸，影響其自身的強度、剛度及整臺機器運行的穩(wěn)定性。合理的結構、優(yōu)化尺寸的機架不僅可節(jié)約原材料、減輕重量，降低機加工成本，而且可增強機器耐磨性、裝配維修方便性以及成臺機器的觀賞性。如果機架結構設計不合理或剛度不足，會引起機架的各種變形和振動，嚴重影響整機性能。本機架采用焊接箱形結構，經消除應力處理[6]。

（2）機頭。如圖2 所示，機頭是最重要的執(zhí)行零件，承受彎曲力矩、夾緊力、抽芯力等的作用，其上安裝靠模部件，連接擺臂部件。機頭結構較復雜，也為箱形結構，如圖2 所示。

圖2 機頭三維造型圖

（3）擺臂。如圖3 所示。擺臂與主軸一起回轉，內裝擺動氣缸，推動連在滑塊下的四連桿機構向上向前運動，使滑塊上的夾緊模夾緊管件。夾緊模到回轉中心的距離由調節(jié)機構進行調節(jié)。

（4）主軸。如圖4所示，主軸為重要受力構件，主要承受彎曲力矩作用。設計時需經強度計算或校核。主軸材料一般選用40Cr，并經熱處理或化學處理，提高其強度和耐磨性。

圖3 擺臂（三維圖片）

圖4 主軸（三維圖片）

（5）小車送料機構，如圖5 所示。包含二軸三運動：二軸指Y 軸和B 軸，三運動指夾緊管件的夾筒前后運動、送進的Y 軸運動和轉料的旋轉運動。

圖5 小車送料機構（三維圖片）

4 三維數控氣動左右彎管機彎管設計計算[5，7]

4.1 管材彎曲力矩計算

管材彎曲力矩是確定數控氣動彎管機機械結構的基礎，計算出彎曲力矩后才能確定彎管機所需驅動力矩、電機功率、傳動軸機構及各部件結構尺寸，以及夾緊力、夾緊缸大小等一系列參數。

彎曲力矩一般可按經驗公式

式中：K1——截面形狀系數，K1=1.275（D-2t）/（D-3t）；

Rx——相對彎曲半徑，Rx=ρ/D；

W——抗彎截面系數，mm3。對于圓形管W=3.14（D4-d4）/32D；

σs——材料屈服極限，MPa；

K0——材料相對強度系數；

D——管件外徑，mm；

d——管件內徑；mm；

t——管件壁厚，mm；

ρ——彎曲半徑，mm。

若按20鋼管考慮，D=12.7，t=0.8，ρ=25.4，K0=11.6，σs=240MPa，分別計算K1、Rx、W 并代入式（1）得彎曲力矩M=56.7Nm。

4.2 彎管機驅動力矩的計算

為防止彎曲件斷面形狀畸變，采用芯棒支撐管件彎曲變形。由于芯棒與管壁間有摩擦阻力，所以彎管機所需驅動力矩應加大。同時，為防止管件在水平方向發(fā)生偏擺，影響彎曲加工正常進行，使用了靠模，靠模與管件外壁間有摩擦力，所以彎管機所需驅動力矩應再加大。

彎管機驅動力矩

Mt=M+Mxm+Mym

式中：M——管材彎曲力矩；

Mxm——芯棒摩擦力矩；

Mym——靠模摩擦力矩。

芯棒與管壁間的摩擦力以及靠模與管件外壁間的摩擦力受到管件表面狀態(tài)、芯棒的形狀及位置，靠模的表面狀態(tài)，是否采用潤滑及壓料力的大小均有關，目前尚不能準確計算，在生產中通常進行估算。若壓料摩擦力矩Mym=0.12，芯棒摩擦力矩Mxm=1.6，則彎管機驅動力矩Mt=2.72M=154.2Nm。由于銅管的σs小于鋼管的σs，所以按彎鋼管計算的驅動力矩足夠，彎銅管也沒問題。

4.3 選擇伺服電機及減速機

選用額定轉速2000r/min、功率1kW、額定轉矩4.77Nm 的伺服電機；選用減速比i=35 的減速機，可滿足計算要求。

5 三維數控氣動左右彎管機氣路控制

氣路控制部分由氣缸、儲氣筒、氣路三連件、氣動電控換向閥、速度控制閥、磁性開關、接頭等氣路元件組成；氣缸包括擺臂夾緊氣缸、靠模夾緊氣缸、小車夾緊氣缸、尾座抽芯氣缸；用氣動電控換向閥控制氣缸的進氣和排氣，氣量大小用速度控制閥進行調節(jié)，氣缸行程由磁性開關通過PLC 發(fā)生聯系并進行控制。

6 三維數控氣動左右彎管機電氣及控制系統簡述

三維數控氣動左右彎管機的電氣控制系統由控制柜、操作臺、走線盒等部分組成，數控系統采用工業(yè)控制計算機主板作為CNC 平臺，該系統由國內某一數控系統經驗豐富的公司開發(fā)，其適用性、操作性、可維護性、功能再開發(fā)性均較好。

7 三維數控氣動左右彎管機左、右彎機型的轉換

一個需彎曲加工的管件選擇什么機型的彎管機是由該管件的形狀決定的，在較復雜的多彎管件如同一管件既有左彎又有右彎的情況下，就涉及到左、右彎的轉換問題。右彎機型的工作原理圖如圖6 所示。比較圖1 和圖6 可知，除機頭端結構不同外，機身上的送料小車部分、抽芯部分等均相同。

圖6 右彎型三維數控氣動彎管機工作原理圖

設基本型為左彎機型，左彎的圓模為第一層，靠?；瑝K支承在A 處，擺臂及夾模滑塊支承也在A處，左彎時，按國家標準有關規(guī)定，實際彎曲的最大角度為180°（回彈除外，銅管回彈量極?。Ｗ髲澒軙r，靠模座不動，仍在A 處，擺臂機構隨彎曲旋轉軸，旋轉180°到B 處（也可旋轉規(guī)定范圍內的任意角度θ 到C 處），松夾、送料，擺臂機構旋轉回到原位（A 處），一彎工序完成[8]。

當需右彎時，主夾、輔夾全部松開，后退到位，小車將料前送一段距離，整個機頭由伺服電機驅動在Z 軸方向下移一段距離。靠模部件旋轉180°到B 處，擺臂部件也旋轉180°到B 處，右彎的圓模為第二層，主夾模、輔夾模也設在第二層，機頭上升并沿X軸移動到預定位置，整個機型就變成了右彎機型，能進行第二工序的右彎彎管。

8 總結

本三維數控氣動左右彎管機，利用靠模部件體積小、回轉半徑小，以及銅管彎曲成形后回彈小的特點，并巧妙利用擺臂可自然回擺180°的特點，在采用一個機頭、一個擺臂、一個靠模部件的情況下，即可實現在同一臺機器上既能左彎又能右彎功能，而且結構簡單，加工、裝配、維修和操作都比較方便，制造成本也比較低，具有廣闊的市場前景和社會效益。

[1]姚保富，王連碩.DB 系列CNC 數控彎管機介紹[J].鍛壓裝備與制造技術，1994，29（5）.

[2]巫祖德，李舜華，劉志禎，等.SW-114 數控彎管機[J].鍛壓裝備與制造技術，1980，15（2）.

[3]夏萼輝.W28K-76 型數控彎管機[J].鍛壓裝備與制造技術，1996，31（6）.

[4]唐長平.數控彎管機的研究與開發(fā)[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2002.

[5]田 藝.STAR-03W 數控彎管機的設計研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2008.

[6]盧 熹，孫慶鴻，孫序泉，等.CK1416 型數控車床床身結構動態(tài)分析[J].制造技術與機床，2003，（6）.

[7]聞邦椿.機械設計手冊（第5 版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[8]全國鍛壓機械標準化技術委員會.JB/T5761.1-1999 數控彎管機技術條件[S].北京：機械工業(yè)部標準化研究所出版社，1999.