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.

[1]周長玖.三維數(shù)控氣動左右彎管機的開發(fā)設(shè)計[J].鍛壓設(shè)備與制造技術(shù)，2015，50(3)：34-37.

[2]張文建， 何政軍， 張金會.基于PLC的彎管機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機械，2013，34(1)：269-271.

[3]舒俊，馬俊，王緯國.基于LabVIEW數(shù)控彎管智能輔助平臺的研發(fā)[J].塑性工程學(xué)院，2015(1)：126-132.

[4]肖世文，焦大勇，侯李華，等.一種新型彎管機[J].機電工程技術(shù)，2012(12)：40-42.

[5]NGUYENDC，NGUYENDT，KIMYS.Improvingformabilityoftubebendingforacoppermaterial[J].JournalofMechanicalScienceandTechnology，2015，29(10)：4 205-4 211.

[6]徐小兵，官強，黃晶，等.一種氣動多規(guī)格半自動彎管機的設(shè)計[J].液壓與氣動， 2009(12)：36-38.

[7]秦懷宇，田討論.基于Cotrex-M4的彎管機控制器探究[J].電子測試， 2015(2)：109-111.

[8]周長玖.三維數(shù)控氣動左右彎管機的開發(fā)設(shè)計[J].鍛壓設(shè)備與制造技術(shù)， 2015，50(3)：34-37.

[9]SUS，HUY，WANGC.Thekeytechnologyresearchabout3DCNCbendingmachineandexperimentalverification[J].JournalofCoastalResearch，2015(73)：584-588.

[10]OKAFORBE，ISIOHIADO.Developmentofamotorizedpipebendingmachine[J].InternationalJournalofEngineeringandTechnology，2014，4(5):305-312.

[11]方軍，魯世強，王克魯，等.工藝參數(shù)對21-6-9高強不銹鋼管數(shù)控彎曲壁厚減薄影響的顯著性分析[J].中國機械工程，2015(9)：1 233-1 238.

(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