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        金屬板材并聯(lián)式彎曲機(jī)的設(shè)計(jì)

        2022-12-12 11:51:14高春田張文濤徐冶楊慶華盧錦山王青山
        中國(guó)設(shè)備工程 2022年23期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        高春田,張文濤,徐冶,楊慶華,盧錦山,王青山

        (撫順特殊鋼股份有限公司,遼寧 撫順 113001)

        1 前言

        21世紀(jì),我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技飛速發(fā)展,各個(gè)行業(yè)對(duì)彎曲加工品的需求已經(jīng)達(dá)到了新的高度,像航空裝備制造、生活?yuàn)蕵?lè)設(shè)施、道路交通、健身器材,橋梁建筑等行業(yè)中都有彎曲加工品的身影。在許多的彎曲加工品中,金屬板材制成的彎曲加工品需求最大、應(yīng)用最廣泛,但金屬板材原料在裝備器材上不能直接使用,需用特定的機(jī)械進(jìn)行彎曲。同時(shí),隨著三維自由彎曲成形理論的深入研究,多家外國(guó)企業(yè)已推出了具備商業(yè)化的三維彎曲加工設(shè)備,如德國(guó)諾伊企業(yè)已經(jīng)完成了三軸、五軸和六軸控制系統(tǒng)的研發(fā),并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的三維彎曲機(jī)型。

        與此同時(shí),我國(guó)彎曲機(jī)設(shè)備彎曲方式大部分卻還是采用單一的機(jī)械式或液壓式,這種設(shè)備具有工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、加工成本高、經(jīng)濟(jì)效益差等諸多缺點(diǎn)。但中高端彎曲機(jī)主要依賴(lài)于國(guó)外進(jìn)口,價(jià)格比較昂貴,受西方發(fā)達(dá)國(guó)家的壟斷,進(jìn)口供應(yīng)受到了極大的限制。因此,研發(fā)一款操作簡(jiǎn)單且高效的金屬鋼材彎曲機(jī)械來(lái)改變我國(guó)在彎曲機(jī)方面被國(guó)外制約的現(xiàn)狀,彌補(bǔ)我國(guó)在此方面的空缺迫在眉睫。

        2 彎曲機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)容

        通過(guò)對(duì)老式彎曲機(jī)及相關(guān)文獻(xiàn)的大量研究,本文在老式彎曲機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造創(chuàng)新,最終設(shè)計(jì)出一種全新的彎曲機(jī)設(shè)備。其工作方式是通過(guò)電源帶動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)矩通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給減速機(jī)構(gòu),在獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)速后使加工機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn),連桿帶動(dòng)齒輪齒條轉(zhuǎn)動(dòng),如圖1所示,最終2個(gè)凸輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)要加工的鋼材彎曲成一定的形狀。

        圖1 并聯(lián)式彎曲機(jī)三維裝備圖

        鋼材彎曲工作原理:本次設(shè)計(jì)的彎曲機(jī)是通過(guò)兩個(gè)凸輪共同作用對(duì)鋼材進(jìn)行彎曲。在兩凸輪中間放置所要彎曲的鋼材,主凸輪在工作機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí)從動(dòng)凸輪也跟著轉(zhuǎn)動(dòng),鋼材在兩凸輪作用下前進(jìn)并彎曲成預(yù)定的形狀,彎曲的形狀由特定的兩個(gè)凸輪輪廓決定。

        3 雙曲柄滑塊并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算

        雙曲柄滑塊Ⅰ型并聯(lián)機(jī)構(gòu)分為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),對(duì)于偏心滑塊機(jī)構(gòu)而言,對(duì)心滑塊機(jī)構(gòu)無(wú)急回運(yùn)動(dòng)特性,極位夾角為零。因此,本次設(shè)計(jì)采用的是對(duì)心雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu),可以同是彎曲兩件相同的鋼材,能在提升加工效率的同時(shí)獲得更好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

        已知FN=13.4kN,故滑塊C受到載荷FN=13.4kN,再取滑塊C為研究對(duì)象,受力分析下,列平衡方程,求出FR23:

        圖2 滑塊受力分析圖和受力矢量圖

        畫(huà)出各部件的受力分析圖如圖3所示,取曲柄LAB為研究對(duì)象,列平衡方程式,求出單個(gè)彎曲鋼材所需的轉(zhuǎn)矩M′:

        圖3 曲柄受力分析圖

        最后,求出雙曲柄滑塊總轉(zhuǎn)矩M和機(jī)構(gòu)η雙曲柄的效率:

        4 彎曲機(jī)凸輪的設(shè)計(jì)及計(jì)算

        凸輪的理論輪廓主要由工件運(yùn)動(dòng)情況、運(yùn)動(dòng)速度以及載荷性質(zhì)等多個(gè)因素決定。本文利用Solid works插件中的平面轉(zhuǎn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)生成凸輪外輪廓,該模塊提供了等速運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、擺線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)、余弦加速度、正弦加速度等加速度運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方程式。這些方程式可以滿(mǎn)足彎曲形狀的絕大多數(shù)要求。

        在設(shè)計(jì)凸輪外輪廓時(shí),先從理論輪廓來(lái)設(shè)計(jì)外輪廓,這是為了避免實(shí)際輪廓線(xiàn)變尖和干涉等干擾,在設(shè)計(jì)中要滿(mǎn)足實(shí)際輪廓線(xiàn)的最小半徑達(dá)到公式8的要求。

        式中,Rmin為理論廓線(xiàn)的最小半徑;r為滾子半徑。

        由于滾子半徑r=7.5(mm),在設(shè)計(jì)理論輪廓線(xiàn)時(shí),其最小曲率半徑應(yīng)大于10.5mm,最大壓力角也要滿(mǎn)足

        在彎曲模型中,r0=30mm,這個(gè)值比較小,所以αmax比較大,即很難滿(mǎn)足αmax≤[α]的要求在彎曲凸輪設(shè)計(jì)中,R′max和αmax是其2個(gè)約束條件,受其他的條件影響和制約。由于彎曲尺寸的限制,凸輪外輪廓上各個(gè)點(diǎn)的約束條件很難滿(mǎn)足預(yù)定的要求,這就使得設(shè)計(jì)凸輪的插件需要提供一個(gè)較為方便的參數(shù)和修改凸輪輪廓的算法和公式。

        在設(shè)計(jì)交互式凸輪時(shí),按運(yùn)動(dòng)要求來(lái)選用規(guī)則曲線(xiàn)合成的凸輪輪廓曲線(xiàn)。模塊可提供B-Spline曲線(xiàn),該曲線(xiàn)性質(zhì)優(yōu)良,采用B-Spline曲線(xiàn)反求法,再通過(guò)已知的柵點(diǎn)反求出B-Spline曲線(xiàn)的控制點(diǎn),最后擬合成封閉的凸輪外輪廓曲線(xiàn)。

        當(dāng)需要修改凸輪輪廓曲線(xiàn)時(shí),可以在插件的凸輪模塊中刪除或增加一些光標(biāo)點(diǎn),后再重新擬合出一條新的曲線(xiàn)即可。為了保證輪廓曲線(xiàn)的每個(gè)點(diǎn)都是光滑連接的條件下,保證幾何連接,可以在局部復(fù)制一些柵點(diǎn),再通過(guò)B-Spline曲線(xiàn)反求法求出新的點(diǎn)后進(jìn)行封閉連接形成新的輪廓曲線(xiàn)。最后,在設(shè)計(jì)凸輪輪廓時(shí),應(yīng)考慮加速度的連續(xù)性,使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和彎曲精度得到保障。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)了一種由電機(jī)提供動(dòng)力,克服了傳統(tǒng)彎曲裝置利用手動(dòng)制造的缺陷,節(jié)省了傳統(tǒng)方法的人力成本。同時(shí),通過(guò)添加并聯(lián)式機(jī)構(gòu)可以一次性生產(chǎn)出兩個(gè)構(gòu)件,生產(chǎn)效率進(jìn)一步得到了提高,凸輪結(jié)構(gòu)曲線(xiàn)也可以根據(jù)所需加工試樣的尺寸和形狀進(jìn)行設(shè)計(jì),制造出不同尺寸、形狀的彎曲零部件。對(duì)于解決我國(guó)裝備制造業(yè)面臨的困境、擺脫我國(guó)在彎曲機(jī)技術(shù)上被國(guó)外卡脖子的現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國(guó)目標(biāo)具有極大的意義。

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