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        集成化鋼管成型機的設(shè)計

        2016-12-07 08:04:30李奮杰曾海泉
        廈門理工學(xué)院學(xué)報 2016年5期
        關(guān)鍵詞:沖裁成型機集成化

        李奮杰,曾海泉

        (廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院,福建 廈門 361024)

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        集成化鋼管成型機的設(shè)計

        李奮杰,曾海泉

        (廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院,福建 廈門 361024)

        為設(shè)計一臺高集成化的鋼管成型機,用塑性有限元軟件Dynaform對鋼管在不同壁厚情況下的彎曲過程進行模擬,確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)對構(gòu)件成型的影響,為構(gòu)件、模具及機器設(shè)計提供依據(jù).利用Creo軟件進行模具建模,再通過Creo與CAD軟件進行裝配驗證各設(shè)計尺寸的配合.在鋼管成型機機械結(jié)構(gòu)上設(shè)計了料斗、導(dǎo)料組件、工作臺、機架、導(dǎo)流板,通過Creo與CAD軟件設(shè)計零部件結(jié)構(gòu)和裝配結(jié)構(gòu),設(shè)計的液壓傳動系統(tǒng),將自動上下料直至鋼管成型等工序集成在一臺機械上.經(jīng)樣機測試,該鋼管成型機可以滿足工作可靠、操作方便快捷、生產(chǎn)效率高的生產(chǎn)要求.

        鋼管成型機;彎管成型有限元分析;Dynaform軟件;模具設(shè)計;液壓傳動

        我國目前的制造業(yè)正處在從傳統(tǒng)制造到現(xiàn)代化制造的轉(zhuǎn)型階段,自動化、集成化已成為發(fā)展趨勢.鋼管大量使用在家具、金屬結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域,在車輛上的應(yīng)用也極為廣泛,如:汽車座椅骨架、油管、排氣管、吸氣管、空調(diào)氣管等.對鋼管成型技術(shù)進行改進,研制專門的鋼管成型機,是提高生產(chǎn)率,降低人工成本的最有效手段[1-5].國內(nèi)在高精尖精密技術(shù)的應(yīng)用上還未能廣泛快速地發(fā)展起來,集成化程度較低,市面上缺乏低成本多工序鋼管加工設(shè)備[6-8];而在國外,使用智能高效的PLC控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)及采用高精度的伺服系統(tǒng),保證了整臺管件構(gòu)件成型機在較為復(fù)雜及要求精密的工作環(huán)境下能夠運作,不僅減少了原材料的使用,同時還提高了模具的使用壽命、減少加工廢料及能耗,進而減少了生產(chǎn)成本[9-10].因此,設(shè)計一臺高集成化的鋼管加工設(shè)備,對于提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本并且操作安全具有重要作用.本文通過Dynaform軟件對彎管成型進行建模分析,確定管件壁厚,對模具進行設(shè)計,完成集成化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計,并完成整臺機械的設(shè)計.設(shè)計不僅通過集成化設(shè)計提高了效率與節(jié)約了成本,而且通過有限元分析預(yù)先發(fā)現(xiàn)成型過程的問題,增加設(shè)計可靠性.

        1 鋼管壁厚變化的有限元模擬分析

        根據(jù)實際生產(chǎn)中鋼質(zhì)材料的使用情況,針對Q235材料的鋼管進行有限元模型的建立與分析.

        1.1 有限元模型的建立

        用Dynaform軟件進行金屬管件彎曲成型的模擬,建立如圖1所示的有限元模型。軟件自動網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格單元大小為:1mm,管件材料設(shè)置為Q235,外徑設(shè)置為25mm,彎曲半徑設(shè)置為125mm,泊松比設(shè)置為0.33,彎曲角度設(shè)置為45°,壁厚分別設(shè)為0.5、1.0、1.5、2.0mm.

        1.2 有限元結(jié)果分析

        通過后處理器,生成4種壁厚情況下的管件彎曲,彎曲后管件外側(cè)變薄,內(nèi)側(cè)變厚,變化效果如圖2所示.從圖2(a)可以看到壁厚為0.5mm的管件彎曲內(nèi)側(cè)發(fā)生嚴(yán)重變形,其原因是壁厚較薄無法提供變形過程中所需要的材料堆積空間而導(dǎo)致失穩(wěn),從而引起多處的起皺,這個缺陷在生產(chǎn)過程中是不允許出現(xiàn)的,直接影響到了產(chǎn)品的質(zhì)量。而從圖2(b)、2(c)、2(d)中都未發(fā)現(xiàn)有此嚴(yán)重變形現(xiàn)象,成型的效果都較為良好.

        1.3 彎曲成型質(zhì)量分析

        分析這4種壁厚情況下成型過程的壁厚增加與減薄情況,在實際管件加工生產(chǎn)過程中,以壁厚增加或減薄率在15%以內(nèi)為質(zhì)量合格條件[11].通過圖2中4種壁厚分布圖繪制表1,由表1可知0.5mm壁厚的管件因為彎曲內(nèi)側(cè)起皺而引起壁厚劇變,而1~2mm壁厚的管件能夠滿足質(zhì)量合格條件.

        表1 4種壁厚變化情況

        2 鋼管成型機的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1 彎曲模的設(shè)計

        通過有限元分析結(jié)果可知,材料為Q235,外徑為25mm,壁厚在1~2mm的金屬管件在彎曲45°成型的時候,能夠滿足成型質(zhì)量要求.本彎曲模采用模具壓彎的工藝形式,確定凸凹模間隙即是確定凸凹模工作部分的直徑D0,如圖3(a),在彎曲模工作過程中進行校正彎曲,則D0小于管坯的直徑D(25mm).根據(jù)管坯的直徑D和管坯的彎曲高度h,如圖3(b),而D0便可按式(1)確定.

        D0=D-nt.

        (1)

        其中:t為管坯厚度;n為因數(shù),是根據(jù)管坯直徑D和彎曲的高度h而決定的系數(shù),因管坯的厚度t為1~2mm,高度h為172.5mm,選取n=0.1.根據(jù)式(1)可知:D0=25-0.1×1=24.9 mm.

        因彎曲模采用壓彎形式,根據(jù)上文對彎曲模各結(jié)構(gòu)尺寸的確定,運用Creo軟件中拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合、孔、圓角等特征進行三維建模,并在模擬裝配中將凹凸模閉合進行尺寸驗證,當(dāng)出現(xiàn)干涉時將無法達到閉合狀態(tài)。最后,彎曲凸模建模如圖4(a),彎曲凹模建模如圖4(b).

        2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

        在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,圍繞自動化與集成化的設(shè)計理念,基本方案如下:氣缸與斜坡式料斗結(jié)合,設(shè)計自動上料的機械系統(tǒng),不需要人員參與上料,保證工人的安全;設(shè)計集成化工作臺(用于模具的安裝),完成彎曲、沖缺等工序,節(jié)約人力成本,節(jié)約生產(chǎn)用地;設(shè)計工件收集裝置進一步提高生產(chǎn)效率,讓完成加工的工件隨著彎曲與沖缺模具回程而自動掉落,成本低,無需人為參與工件收集.

        鋼管成型機的整體結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示.其中,①為接油盤,用于放置液壓系統(tǒng)的油箱和電機,同時為液壓機構(gòu)提供接油,以免漏油污染工作環(huán)境;②為導(dǎo)流板,用于完成所有工序之后的彎管導(dǎo)流進入收料裝置,以便工人進行收集及搬運處理;③為工作臺,此結(jié)構(gòu)為完成校正、彎管、沖裁幾個工序的機構(gòu)平臺,包含各個結(jié)構(gòu)組件和模具結(jié)構(gòu);④為導(dǎo)料組件,是自動化上料的通道元件,以保證上料的通暢及實現(xiàn)自動化的目的;⑤為機架,整臺鋼管成型機的框架結(jié)構(gòu),具有承載各部分組件的功能作用;⑥為料斗,用于盛放管件原料的結(jié)構(gòu)組件,管件放置在一定的斜度的料斗中,利用管件自重與氣缸的配合便能實現(xiàn)自動上料;⑦為腳架,為工作人員上料提供便利的結(jié)構(gòu)組成.

        工作臺的結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示.其中,氣缸④縮回幫助鋼管上料,由氣缸③校正管件位置,再由氣缸⑤推動掉落至彎曲模中,油缸⑩與導(dǎo)軌⑧配合推動彎曲凸模⑨進行彎曲,接著由氣缸②與導(dǎo)軌⑥配合推動沖裁模至工作位置,同時油缸①推動沖裁凸模進行管件的兩邊沖裁工序,最后兩邊沖裁模回到初始位置,打開彎曲模,完成彎曲與沖裁工序的鋼管掉落至導(dǎo)流板.

        3 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計

        3.1 成型機的工作概況

        鋼管成型機,用于管件的彎曲、沖缺,首先自動上料裝置把料運往指定的工作位置,然后液壓缸推動彎曲動模進行彎曲工序,接著氣缸將沖裁模推往指定的工作位置進行沖裁工序,最后就是沖裁模與彎曲模的相繼復(fù)位,整個工作過程進行循環(huán),重復(fù)以上動作完成自動化的目的.通過將一次彎曲、二次沖缺的工序集成化設(shè)計在一臺機械上進行,以滿足減少工作機械、操作人員的要求,進而提高生產(chǎn)效率,節(jié)約生產(chǎn)用地與成本.

        3.2 液壓傳動系統(tǒng)原理圖

        液壓傳動系統(tǒng)原理圖如圖6所示.本成型機的液壓系統(tǒng)設(shè)計中,工作的液壓缸包括作用于彎曲模的主液壓缸10及兩個兩側(cè)進行沖裁的副液壓缸9、11,三個液壓缸按次序依次進行工作完成彎曲、沖缺的工序.

        單向定量液壓泵2提供系統(tǒng)的油源,過濾器1幫助過濾進入系統(tǒng)油源的雜質(zhì),單向閥3則是為了防止液壓油倒流入灌,溢流閥4用于控制和調(diào)節(jié)溢流壓力,防止液壓系統(tǒng)過載,蓄能器用于主液壓缸10到達指定位置后進行保壓,三位四通換向閥6、7、8用于液壓缸9、10、11進行往復(fù)有序工作,通過單向節(jié)流閥12與三位四通電磁閥來實現(xiàn)主液壓缸帶動彎曲模進行工作過程中的進退及運動速度轉(zhuǎn)換,而蓄能器5為液壓缸10提供沖壓工作的保壓.

        工作原理:系統(tǒng)啟動后,壓力繼電器2K動作,電磁鐵3YA通電,主液壓缸10活塞前進實施對工件的彎曲工序,彎曲模合模后回路壓力升高,壓力繼電器1K動作,使5YA、1YA得電,液壓缸9、11活塞前進進行管件兩側(cè)的沖裁工序,沖裁完畢后,啟動返回,電磁鐵1YA、3YA、5YA失電,2YA、6YA得電,液壓缸9、11活塞帶動沖裁動模退回至原位,回路中的壓力升高,壓力繼電器3K動作,使電磁鐵4YA得電,液壓缸10活塞帶動彎曲動模退回至原位,松開工件,完成整個工作.

        4 結(jié)語

        本文通過Dynaform軟件對彎管成型進行建模分析,完成一臺集成了模具成型和液壓傳動系統(tǒng)的整臺機械設(shè)計.在機械結(jié)構(gòu)方面,設(shè)計了放置電機和油箱的接油盤、實現(xiàn)自動上料的導(dǎo)料組件和料斗、實現(xiàn)自動下料的導(dǎo)流板、完成加工工序的工作臺、方便工作人員上料的腳架和承載以上結(jié)構(gòu)的機架.同時,結(jié)合由彎管有限元分析輔助設(shè)計的模具與集成所有加工工序的液壓傳動系統(tǒng)兩個部分,完成了本臺鋼管加工設(shè)備的設(shè)計.這臺高集成化的鋼管加工設(shè)備,基本解決了傳統(tǒng)管件加工企業(yè)在生產(chǎn)過程中存在的高危險、低效率、自動化集成化程度低和勞動力成本高等問題.

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        (責(zé)任編輯 李 寧 宋 靜)

        R&D of a Steel Tube Forming Machine

        LI Fenjie,ZENG Haiquan

        (SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China)

        Thisthesisconcernsthedesignofahighlyintegratedsteeltubeformingmachine.ThebendingprocessofsteeltubeswassimulatedwiththefiniteelementsoftwareDYNAFORMtoobtaintheformingdataofsteeltubewithdifferentthicknessesforthedesignofcomponents,dieandthemachine.AfterthediewerevirtuallyassembledandoperatedonCreoandCAD,thesizesofthedieweredetermined.Themachinewascomposedofhopper,guideparts,worktable,frameanddeflectorstructuredandassembledwithCREOandCAD.Theautomaticfeeding,dischargingandsteeltubeformingwasintegratedbythehydraulicsystem.Theresultshowsthatthemachinehastheadvantagesofreliableoperationandhighefficiencyinproduction.

        steeltubeformingmachine;finiteelementanalysisoftubebendingprocess;DYNAFORM;diedesign;hydraulicdrive

        2016-06-05

        2016-10-06

        廈門市重點研發(fā)創(chuàng)新及產(chǎn)學(xué)研合作項目(廈經(jīng)信技術(shù)[2015]225)

        李奮杰(1990-),男,碩士研究生,研究方向為機電液一體化.通訊作者:曾海泉(1963-),男,教授,博士,研究方向為機電液一體化.E-mail:hqzeng@xmut.edu.cn

        TG

        A

        1673-4432(2016)05-0036-05

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