數(shù)控蛇形管彎管機(jī)設(shè)計(jì)【含CAD高清圖紙和說明書】
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河北建筑工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算書指導(dǎo)教師:孫有亮 設(shè)計(jì)題目:蛇形管彎管機(jī) 設(shè)計(jì)人:劉海洋設(shè)計(jì)項(xiàng)目計(jì)算與說明結(jié)果第2章總體設(shè)計(jì)2.1 引言2.2 確定新型彎管機(jī)研制方案2.3新型彎管機(jī)工作原理和技術(shù)參數(shù)2.4 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.4.1. 主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2.4.2夾緊機(jī)構(gòu)2.4.3壓料機(jī)構(gòu)2.4.4 管坯進(jìn)給機(jī)構(gòu)1.螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇2.步進(jìn)電機(jī)的選擇3.步距角的選擇4. 進(jìn)給機(jī)構(gòu)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量得計(jì)算5. 步進(jìn)電機(jī)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(jī)上的轉(zhuǎn)矩10.啟動(dòng)矩頻特性校核11運(yùn)行矩頻特性校核12滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算13滾珠絲杠副穩(wěn)定性驗(yàn)算14.滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算15.聯(lián)軸器的選擇2.4.4 彎管機(jī)構(gòu)2.5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)2.7控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第3章 計(jì)算新型彎管機(jī)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(jì)算公式3.4 計(jì)算管材彎曲力矩3.5計(jì)算新型彎管機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩3.6 夾緊力的計(jì)算和校核3.6.1 夾緊力計(jì)算公式和校核公式的建立1.夾緊力的計(jì)算公式2. 夾緊力的校核公式3.6.2 夾緊力的計(jì)算及校核第2章 總體設(shè)計(jì)2.1引言管道彎曲段的加工工藝及設(shè)備,一直是國(guó)內(nèi)外管件技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)。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(diǎn)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(diǎn)是帶有直管段,夸曲半徑無級(jí)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(duì)直徑較小的中低壓管件多采用彎頭,而對(duì)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(jī)容量的不斷增長(zhǎng),管道布置日趨魔大,對(duì)管道系統(tǒng)的質(zhì)量、安全性等要求越來越高。如果采用R=(1.53.0)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(yùn)輸、安裝和材料費(fèi)用,并能通過優(yōu)化設(shè)計(jì),提高管道系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。為了借鑒原有彎管機(jī)的結(jié)構(gòu)技術(shù),并在新型彎管機(jī)的研制方案中克服原有設(shè)備的缺陷,我們對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了仔細(xì)的研究,認(rèn)為它主要存在以下問題:1. 自動(dòng)化程度低,工作效率低下 用原有彎管機(jī)加工管坯時(shí),整個(gè)彎管過程都是通過工作人員手動(dòng)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(huì)造成廢品,且人工進(jìn)料,人工旋轉(zhuǎn)管坯加工角度費(fèi)時(shí)費(fèi)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(shí)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(jī)的出力和強(qiáng)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(jī)完全采用傳統(tǒng)的繼電器進(jìn)行電氣控制,長(zhǎng)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(huì)經(jīng)常出現(xiàn)繼電器接觸不實(shí)、觸點(diǎn)燒毀等事故,影響工廠的正常生產(chǎn)。2.2確定新型彎管機(jī)研制方案由于所研制的彎管機(jī)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(jìn)行,但工作頻率高,故需要彎曲的管子總量還是很大,故對(duì)彎管設(shè)備的自動(dòng)化程度要求高。經(jīng)過仔細(xì)分析和消化國(guó)內(nèi)外在管材彎曲加工方面的新技術(shù)和新工藝,針對(duì)工廠原有彎管機(jī)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(jī)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),研制一臺(tái)數(shù)控蛇形管彎管機(jī),它的自動(dòng)化程度要有所提高,可以自動(dòng)進(jìn)料,自動(dòng)加熱,自動(dòng)進(jìn)行彎管彎曲加工,鑒于上述特點(diǎn),我們確定了新型彎管機(jī)的研制方案。2.3 新型彎管機(jī)工作原理和技術(shù)參數(shù)新型彎管機(jī)主要由機(jī)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21所示:彎管模3固定在主軸上并跟隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),管子通過夾緊模2固定在彎管模的夾槽上,1為移動(dòng)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(shí),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(jī)的主要參數(shù)見表21:表21 新型彎管機(jī)的主要參數(shù)技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)彎管直徑/mm1525彎曲半徑/mmR40300彎管最大臂厚/mm5最大彎曲角度/195進(jìn)給/回程速度/r/min3液壓工作系統(tǒng)壓力/Mpa14MPa電機(jī)功率/KW14進(jìn)給精度/mm1彎管速度/r/min13彎曲角度精度/1彎管中心距地面高度/mm10502.4 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)新型彎管機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)主要由主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、壓料機(jī)構(gòu)、管坯進(jìn)給機(jī)構(gòu)、彎管模及床身等七部分組成。2.4.1 主傳動(dòng)機(jī)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22所示的主傳動(dòng)方案。彎管機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩有雙活塞液壓缸來提供。圖22 主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案示意圖1. 主傳動(dòng)油缸 2. 鏈條 3. 鏈輪 4.傳感器 5.彎管模6.主傳動(dòng)軸由于所需的驅(qū)動(dòng)力矩比較大且要達(dá)到彎曲精度,故采用承載能力高而沖擊較小且傳動(dòng)精確的鏈條鏈輪主傳動(dòng)軸作為傳動(dòng)裝置,彎管時(shí),壓力油進(jìn)入主傳動(dòng)油缸左腔并推動(dòng)油缸活塞帶動(dòng)鏈條移動(dòng),鏈條通過鏈輪帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn),從而使彎管旋轉(zhuǎn),以達(dá)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(yùn)動(dòng)速度、行程和推力均相等。2.4.2 夾緊機(jī)構(gòu)管材在彎曲模胎上纏繞彎曲時(shí),驅(qū)動(dòng)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(jī)構(gòu)提供一個(gè)夾緊力來把管坯壓緊在彎管模胎的型槽上。而且,這個(gè)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(jìn)行。下面我們提出以下幾種夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案:圖23 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23所示,采用油缸直接夾緊,其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn);缺點(diǎn)是所需夾緊油缸的缸徑很大。經(jīng)初步估計(jì),當(dāng)液壓系統(tǒng)的工作壓力為14Mpa時(shí),夾緊油缸的內(nèi)徑至少需要140mm。缸徑越大,油缸的價(jià)格越高,這就增加了彎管機(jī)的制造成本。同時(shí),因?yàn)閵A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?shī)A緊油缸必然暴露在機(jī)床表面,影響美觀。 2. 通過連桿增力機(jī)構(gòu)來實(shí)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(jī)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(jī)構(gòu)方案。圖24 曲柄滑塊增力機(jī)構(gòu)1. 夾緊油缸 2. 夾緊模 3. 彎管模方案(1):如圖24所示采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來增力。這時(shí),夾緊力和油缸所提供的推力之間的關(guān)系為 (21)式中 油缸所提供的推力(N);夾緊機(jī)構(gòu)所提供的夾緊力 (N);夾緊油缸活塞中心與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)固定支點(diǎn)的距離(m);夾緊模管槽軸線與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)固定支點(diǎn)的距離(m)。由式(21)可見,采用了曲柄滑塊機(jī)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(jì)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25 斜楔增力機(jī)構(gòu)1. 夾緊油缸 2. 斜楔 3. 彎管模 4. 夾緊模方案(2):如圖25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(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)夾緊塊的夾緊動(dòng)作。這時(shí)夾緊力和油缸推力之間的關(guān)系為: (22)式中 斜楔的楔角()。由式(22)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(jī)構(gòu)的動(dòng)作也很平穩(wěn)。但為了保證斜楔的強(qiáng)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(jī)構(gòu)的采用在使夾緊機(jī)構(gòu)平穩(wěn)動(dòng)作的同時(shí),也增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度和加工制造的難度,從而提高了彎管機(jī)的研制成本。方案(3):采用如圖26所示的四連桿機(jī)構(gòu)升降夾緊機(jī)構(gòu)。此時(shí),夾緊力和油缸推力的關(guān)系為: (23)式中 兩搖臂之間的夾角()。 圖26 四連桿增力機(jī)構(gòu)1. 夾緊油缸 2. 夾緊模 3. 彎管模由式(23)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(diǎn)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊,動(dòng)作平穩(wěn)可靠,制造工藝較簡(jiǎn)單。因?yàn)閵A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(jī)構(gòu)壓料機(jī)構(gòu)也可以采用油缸驅(qū)動(dòng)連桿,進(jìn)而帶動(dòng)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(jī)構(gòu),故壓料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案參考夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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26所示的四連桿增力機(jī)構(gòu)。2.4.4 管坯進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求:工作有效行程1m,要求進(jìn)給速度0.30.4m/s,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),低速不爬行,傳動(dòng)具有可逆性,進(jìn)給精度為1mm。圖27 管坯進(jìn)給機(jī)構(gòu)原理圖1. 絲杠螺母 2. 絲杠 3. 聯(lián)軸器 4.步進(jìn)電機(jī) 5.液壓卡盤如圖27所示,管坯自動(dòng)進(jìn)給是通過步進(jìn)電機(jī)4帶動(dòng)絲杠2及絲杠螺母1轉(zhuǎn)動(dòng),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(dòng)而直線運(yùn)到。液壓卡盤卡緊管坯時(shí),管坯就由步進(jìn)電機(jī)的控制而自動(dòng)向前進(jìn)給。1. 螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇根據(jù)進(jìn)給速度及進(jìn)給精度查得絲杠參數(shù)如下表所示: 表22 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)2.51公稱直徑d0(mm)32螺紋升角與承載能力(N)433Ca22000Coa56350參考文獻(xiàn)【4】上冊(cè)P494表4.314由于滾珠絲杠傳動(dòng)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(hào):滾動(dòng)軸承30204 GB/T297-93 滾動(dòng)軸承60004 GB/T276-93因?yàn)榻z杠的計(jì)算長(zhǎng)度為1000mm,可得絲杠兩端的支承距離1146mm。2步進(jìn)電機(jī)的選擇根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)當(dāng)傳動(dòng)比i=1時(shí),可用聯(lián)軸器直接將電機(jī)與絲杠連接,這種結(jié)構(gòu)有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),提高精度。由公式i= (2-4) 式中 b為步進(jìn)電機(jī)步距角為滾珠絲杠導(dǎo)程、為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130BF001,其步矩角=故可用聯(lián)軸器將電機(jī)與絲杠直接連接。3步距角的選擇 由公式4.進(jìn)給機(jī)構(gòu)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量得計(jì)算1) 機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量查指導(dǎo)書表得2) 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由指導(dǎo)書 (2-5) 得: 3)平移構(gòu)件折算后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量6米管坯、液壓卡盤和工作臺(tái)質(zhì)量總和, (2-6)由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小故可忽略不計(jì)4)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算5步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的選擇查指導(dǎo)書 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)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(dòng)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(shí)的傳動(dòng)效率取故電機(jī)空載啟動(dòng)力矩(步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩=9.31)故所選步進(jìn)電機(jī)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(jī)上的轉(zhuǎn)矩根據(jù)動(dòng)摩擦力公式: (210)式中 摩擦阻力 (N); 滑槽摩擦因數(shù),這里?。▍⒖嘉墨I(xiàn)【19】查得); 徑向載荷 (N),這里取N(6米管坯、液壓卡盤和工作臺(tái)重量總和)則帶入數(shù)值得: N 故所以運(yùn)動(dòng)部件正常工作時(shí)的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 (2-11)故運(yùn)動(dòng)部件正常工作時(shí)需的最大靜轉(zhuǎn)距 此時(shí)取0.5代入式中得: (電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩) 按步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩選擇要求所以, 選擇步進(jìn)電機(jī)130BF001滿足要求。10.啟動(dòng)矩頻特性校核 查指導(dǎo)書步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)矩頻特性曲線當(dāng)啟動(dòng)力矩時(shí)對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率,而由表查得電機(jī)的啟動(dòng)頻率,保證了電機(jī)快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。11運(yùn)行矩頻特性校核快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核:快進(jìn)力矩查指導(dǎo)書得,允許快進(jìn)頻率電機(jī)的最高快進(jìn)頻率 故電機(jī)快速進(jìn)給時(shí)不丟步。12滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算1) 滾珠絲杠副軸向變形 (212)參考文獻(xiàn)【17】P97式(513)式中 最大軸向載荷 (N); 絲杠計(jì)算長(zhǎng)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(duì)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(shí): (213)參考文獻(xiàn)【17】P98式(515)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(517) (214)參考文獻(xiàn)【17】P99式(517)式中 軸承的軸向載荷(N);軸承的滾動(dòng)體數(shù)目;軸承的滾動(dòng)體直徑(mm)。則帶入數(shù)值得:mm. (215)參考文獻(xiàn)【17】P101式(521)式中 滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度(mm),這里為1mm;無預(yù)緊時(shí),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(yàn)算由滾珠絲杠的臨界載荷計(jì)算公式 (216)參考文獻(xiàn)【17】P102式(522)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(xiàn)【17】P102表55得2105則帶入數(shù)值得:N (217)參考文獻(xiàn)【17】P102式(523)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(yàn)算由于滾珠絲杠轉(zhuǎn)速100r/min,故要對(duì)其進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算。對(duì)于鋼制絲杠由式(525) (2-18)參考文獻(xiàn)【17】P106式(525)為了不發(fā)生共振現(xiàn)象,應(yīng)使絲杠的轉(zhuǎn)速滿足下式: (219)參考文獻(xiàn)【17】P106式(526)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=0.83510=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(jī)和滾珠絲杠副參考文獻(xiàn)【18】P141選擇聯(lián)軸器的型號(hào)如下:TL3聯(lián)軸器GB432384 2.4.4 彎管機(jī)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(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的要求也增高,因此取消管坯旋轉(zhuǎn)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)鏈輪帶動(dòng)彎管軸旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)彎管模執(zhí)行彎管任務(wù)。當(dāng)向左彎管時(shí),電磁機(jī)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(dòng)右彎管模繞左彎管模旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn),進(jìn)行彎管;向右彎管時(shí)之行動(dòng)作于上文相反。2.4.4.1彎管機(jī)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)擬定軸上零件裝的配方案 根據(jù)設(shè)計(jì)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(zhǎng)度1)為了滿足軸的豎向定位,-段右側(cè)需制出一軸肩,故取-段的直徑為60mm;段取直徑為50mm,長(zhǎng)度為25mm;為使齒圈滿足設(shè)計(jì)要求取段長(zhǎng)為22mm;-左側(cè)需制出一軸肩,故取-段直徑為55mm;根據(jù)結(jié)構(gòu)固定需要現(xiàn)取段長(zhǎng)度為97mm;現(xiàn)取段取長(zhǎng)度為140mm,直徑為50mm;段取直徑為40mm,長(zhǎng)度為80mm。2)初步選擇軸承。、處軸徑同取為50mm,因軸承同時(shí)承受徑向力和軸向力的作用,故選圓錐滾子軸承32210,dDt=50mm90mm24.75mm; 處選擇深溝球軸承6208 dDB=40mm80mm18mm;3)確定軸上倒角的尺寸參考表15-2,取軸段倒角為245。(3)求軸上的載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。確定軸承的支點(diǎn)位置時(shí),應(yīng)從手冊(cè)中查取a值。對(duì)于32210型圓錐滾子軸承,由手冊(cè)查的a=21mm。對(duì)于深溝球軸承6208型,取支點(diǎn)為中心。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖中可以看到段截面為危險(xiǎn)截面?,F(xiàn)將計(jì)算出的段截面處的、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(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí),通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)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(dòng)循環(huán)變應(yīng)力,取=0.7,軸的計(jì)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(qiáng)度1) 判斷危險(xiǎn)截面截面A,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(qiáng)度,但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕地確定的,所以截面A,B均無需校核。從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來看,截面和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。截面的應(yīng)力集中的影響和截面的相近,但截面不受扭矩作用,同時(shí)軸徑也較大,故不必作強(qiáng)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。截面和顯然更不必校核。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左右兩側(cè)即可。2) 截面左側(cè)抗彎截面系數(shù)抗扭截面系數(shù)截面左側(cè)的彎矩M為截面上的扭矩T3為T3=960000 Nmm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(hào)鋼,調(diào)質(zhì)處理,由軸常用材料性能表查得B=640MPa,-1275MPa,-1=155MPa截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及按手冊(cè)查取。因,經(jīng)插值后可查得,又由手冊(cè)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1.82由手冊(cè)得尺寸系數(shù);扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)。軸按磨削加工,由手冊(cè)得表面質(zhì)量系數(shù)為軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理,即,則按手冊(cè)得綜合系數(shù)為又由手冊(cè)得材料特性系數(shù)=0.10.2, 取=0.1=0.050.1, 取=0.05于是,計(jì)算安全系數(shù)Sca值,按公式則得故可知其安全。3) 截面右側(cè)抗彎截面系數(shù)W按表中的公式計(jì)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 Nmm過盈配合處的k/值,由手冊(cè)用插入法求出,并取k/=0.8k/,于是得,軸按磨削加工,由手冊(cè)得表面質(zhì)量系數(shù)為故得綜合系數(shù)為所以軸在截面右側(cè)的安全系數(shù)為故該軸在截面右側(cè)的強(qiáng)度也是足夠的。本題因無大的瞬時(shí)過載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱性,故可略去靜強(qiáng)度校核。至此,軸的設(shè)計(jì)計(jì)算即告結(jié)束(當(dāng)然,如有更高的要求時(shí),還可作進(jìn)一步的研究)。2.5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)為使新型彎管機(jī)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(dòng)方式。新型彎管機(jī)要求液壓系統(tǒng)完成的主要?jiǎng)幼饔校海?) 驅(qū)動(dòng)彎管模平穩(wěn)回轉(zhuǎn),快速?gòu)?fù)位;(2) 驅(qū)動(dòng)夾緊模夾緊管坯;(3) 驅(qū)動(dòng)壓料模壓緊管坯;(4) 驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)液壓卡盤卡緊管坯;(5) 驅(qū)動(dòng)進(jìn)給液壓卡盤卡緊管坯。因此,新型彎管機(jī)的液壓系統(tǒng)應(yīng)有五個(gè)支路構(gòu)成,每一支路驅(qū)動(dòng)一個(gè)液壓缸動(dòng)作。為了使彎管機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)作準(zhǔn)確、工作可靠、效率高,此液壓系統(tǒng)應(yīng)有以下幾個(gè)回路組成:2.5.1 換向回路 由于新型彎管機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)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(jī)彎曲不同規(guī)格的管坯時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩不同,對(duì)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(shí)勢(shì)必造成能源浪費(fèi)。因此,決定采用三級(jí)調(diào)壓回路。如圖2-9所示,將遠(yuǎn)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(shí),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(shí),系統(tǒng)壓力由遠(yuǎn)程調(diào)壓閥3調(diào)定,為8Mpa;當(dāng)電磁換向閥2處于右位時(shí),系統(tǒng)壓力由遠(yuǎn)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(jī)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?gòu)?fù)位。考慮到液壓系統(tǒng)功率不大但負(fù)載變化較大,運(yùn)動(dòng)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(dòng)油缸的速度,如圖2-10所示。另外,為了提高新型彎管機(jī)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(dòng)作接近終了時(shí)彎管模在達(dá)到預(yù)定彎曲角度時(shí)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(gè)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(shí),液壓系統(tǒng)就處于卸荷狀態(tài)。為使油路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)的夾緊、壓料、支撐等動(dòng)作可靠,對(duì)應(yīng)圖29 調(diào)壓回路1. 電磁溢流閥 2. 電磁換向閥 3,4. 遠(yuǎn)程調(diào)壓閥圖210 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(shí)可將油路切斷而使活塞停止在某個(gè)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(zhǎng)期懸空不動(dòng),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(jìn)、回油路上都分別串接一個(gè)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(dòng),從而保證鎖緊精度圖211 鎖緊回路2.6中頻加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)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(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度極限時(shí),就會(huì)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象,而受壓側(cè)的壓縮應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)就會(huì)使管壁內(nèi)側(cè)失穩(wěn)(類似壓桿失穩(wěn))而出現(xiàn)波浪折皺,嚴(yán)重影響彎管的質(zhì)量,同時(shí)因?yàn)樾“霃綇澒軙r(shí)變形大,管壁厚度減薄率和增厚率也是影響彎管質(zhì)量的重要因素。根據(jù)有關(guān)資料,在壓縮彎管工藝中,變形區(qū)被加熱到900度以上的高溫下進(jìn)行變形,可以認(rèn)為此時(shí)材料的應(yīng)力硬化模數(shù)D二0,因而在整個(gè)橫截面上的應(yīng)力的絕對(duì)值都是氏(材料在某一溫度下的屈服極限),理論一上說達(dá)不到破壞極限可,因此熱變形時(shí)受拉側(cè)的破裂受到很大程度的控制。此外,中頻加熱彎管時(shí),彎曲變形在加熱變形阻抗小的局部區(qū)域發(fā)生,加熱的寬度愈小,變形寬度愈窄,也就愈不易發(fā)生塑性失穩(wěn)而導(dǎo)致壓曲和折皺。反之,雖能增加彎管時(shí)的柔性,降低推力,但易使受壓側(cè)失穩(wěn),不僅產(chǎn)生波浪折皺,且使橫截而的橢圓度增加,難以保證合格的彎管制品。根據(jù)塑性屈服的理論,當(dāng)變形區(qū)加熱寬度不超過2t時(shí),不會(huì)發(fā)生內(nèi)側(cè)管壁的塑性失穩(wěn),同時(shí),及時(shí)冷卻己變形區(qū),增加變形橫截面的剛度,可以很好的防止橢圓度的增加,實(shí)際證明,只要合理的設(shè)計(jì)線圈,配備合適的加熱冷卻條件,控制彎管時(shí)速度的均勻一致,即可保證加熱區(qū)的溫度和寬度,從而避免受壓失穩(wěn)和橢圓度超差。圖17 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)臂實(shí)驗(yàn)表明,平面假設(shè)在一直到破壞的大變形條件下仍可近似的運(yùn)用,而且當(dāng)彎曲時(shí)甚至是在大變形下,橫剖面的形狀畸變也可略去,感應(yīng)加熱小半徑彎管是一種塑性大變形彎曲,在 800-1000 的彎管溫度下,可以近似看作純塑性彎曲。1、彎管時(shí)溫度彎管時(shí),高頻感應(yīng)加熱所達(dá)到的溫度必須能滿足被彎的管子在熱塑性變形范圍所需的溫度.加熱溫度取決于被彎管子的材料與壁厚,其關(guān)系見表1。(1)加熱時(shí)間的影響因?yàn)門=B/v(B是單位時(shí)間內(nèi)推管移動(dòng)的距離,m,即線圈的寬度;二是彎管推進(jìn)速度,m/s),所以當(dāng)中頻線圈寬度一定時(shí),v越快,管子在線圈中停留的時(shí)間就越短。因此,調(diào)整管子在中頻線圈中停留的時(shí)間,也可滿足彎管工藝對(duì)溫度的要求。(2)磁阻損失的影響線圈與管子的間隙,一般認(rèn)為越小越好,這樣可減少空氣磁阻,加熱效率亦高。但由于管材的幾何尺寸或外焊道都有制造公差,為保證加工過程不損壞昂貴的高頻線圈,常用表2給出的間隙范圍。表2 中頻感應(yīng)加熱線圈與管子間隙值2、小半徑彎管過程中的塑性失穩(wěn)現(xiàn)象彎曲變形是在感應(yīng)加熱段變形阻抗小的局部區(qū)域發(fā)生的。因此,加熱帶寬度越小,其變形區(qū)域越窄,就不易產(chǎn)生塑性失穩(wěn)而導(dǎo)致壓曲和波浪折皺;加熱帶寬度越大,可增加彎管時(shí)的柔性,降低推力,但此時(shí)易使受壓側(cè)發(fā)生塑性失穩(wěn),導(dǎo)致產(chǎn)生波浪折皺,.且增加橫截面的橢圓度,嚴(yán)重影響彎管質(zhì)量。根據(jù)塑性曲屈理論,可以計(jì)算出加熱帶寬度小于兩倍壁厚時(shí),不會(huì)出現(xiàn)受壓側(cè)的塑性失穩(wěn)現(xiàn)象。在實(shí)際彎管生產(chǎn)中,只要合理設(shè)計(jì)感應(yīng)圈,配備合適的加熱和冷卻條件,控制彎管推進(jìn)速度,即可保證加熱區(qū)的溫度和寬度。根據(jù)以上選取中頻加熱線圈長(zhǎng)度為50mm。管子隨加熱的移動(dòng),由熱敏系統(tǒng)控制。2.7控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 新型彎管機(jī)的工作特點(diǎn)是加工時(shí)間短,加工頻度高。因此,其電氣控制系統(tǒng)必然出現(xiàn)頻繁切換的工作狀態(tài)。如果采用原來的完全由繼電接觸器組成的電氣系統(tǒng),在切換過程中容易出現(xiàn)繼電器接觸不實(shí)、出點(diǎn)粘連甚至燒毀等事故,影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行??删幊炭刂破鳎≒rogrammable Logic Controller簡(jiǎn)稱PLC)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型工業(yè)控制裝置。它既有計(jì)算機(jī)的可編程、可存儲(chǔ)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn),又具有大眾化的與繼電接觸控制相類似的梯形圖編程語(yǔ)言,還具有適合于惡劣場(chǎng)合的強(qiáng)可靠性及適應(yīng)能力。另外,還具有編程方便、維修方便、可靠性高于繼電器控制裝置、體積小、成本可與繼電器裝置競(jìng)爭(zhēng)、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)控制裝置。為了提高新型彎管機(jī)的工作效率和可靠性,決定采用可編程控制器來對(duì)它的彎管加工過程加以控制。為了保證彎管機(jī)的正常工作,本系統(tǒng)除了控制鋼管的加工過程,還應(yīng)設(shè)有必要的斷路、過載保護(hù)項(xiàng)目。為了確保操作人員和設(shè)備的安全,應(yīng)使控制系統(tǒng)的程序帶有自診斷功能。當(dāng)加工過程中出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)并停止加工,防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。而且,必須在排除故障后系統(tǒng)才能重新啟動(dòng)。另外,系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)有急停按鈕,一旦出現(xiàn)緊急事故,可以通過按下急停按鈕來停止系統(tǒng)的進(jìn)一步工作,從而提高系統(tǒng)的安全系數(shù),確保工作人員的人身安全,避免設(shè)備的硬性損害。第3章 計(jì)算新型彎管機(jī)力能參數(shù)在新型彎管機(jī)的研制過程中,所有涉及到理論計(jì)算的問題(包括彎管機(jī)各力能參數(shù)的計(jì)算、各機(jī)構(gòu)中用到的主要零件的尺寸確定及強(qiáng)度校核等)都是個(gè)人按照分工獨(dú)立完成的,其中力能參數(shù)(包括彎管機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩、夾緊機(jī)構(gòu)的加緊力和壓料機(jī)構(gòu)的壓料力)的確定是完成其他一切設(shè)計(jì)工作的前提條件。3.1 分析管材彎曲力矩管材彎曲力矩的計(jì)算是決定彎管機(jī)力能參數(shù)的基礎(chǔ)。只有計(jì)算出管材的彎曲力矩后,才能確定彎管機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力矩、液壓系統(tǒng)工作壓力、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各部件的結(jié)構(gòu)尺寸、夾緊力大小以及彎管模半徑等一系列參數(shù)。由于管材彎曲成形過程是一個(gè)包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性的復(fù)雜問題,彎曲時(shí)的力矩不僅取決于管材的材料性能、斷面形狀與尺寸以及彎曲半徑等基本參數(shù),同時(shí)也與彎曲方法、使用的模具結(jié)構(gòu)等因素有很大的關(guān)系,因此要從理論上精確計(jì)算出管材的彎曲力矩是非常困難的。目前已有的計(jì)算彎曲力矩的公式都是對(duì)于板材而言,而管材的彎曲力矩一直沒有一個(gè)確定的計(jì)算公式,大多是利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。我們通過對(duì)管材純彎曲過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析,根據(jù)塑性理論建立了管材均勻彎曲時(shí)所需彎矩的計(jì)算公式。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 如圖3-1a所示,管材在外力矩作用下純彎曲時(shí),彎曲變形區(qū)的外側(cè)材料受到切向拉伸而伸長(zhǎng),內(nèi)側(cè)材料受到切向壓縮而縮短。由于切向應(yīng)力和應(yīng)變沿管材斷面的分布是連續(xù)的,故當(dāng)彎曲過程結(jié)束,由拉伸區(qū)過渡到壓縮區(qū),在其交界處一定存在著一層纖維,它的長(zhǎng)度等于管坯的原始長(zhǎng)度,即該層纖維的應(yīng)變 =0,此纖維層稱為應(yīng)變中性層,它在斷面中的位置用曲率半徑表示。切向應(yīng)力有彎曲外側(cè)的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)側(cè)的壓應(yīng)力時(shí),斷面也內(nèi)一定存在著一層切向應(yīng)力為零的纖維層,稱為應(yīng)力中性層,他在斷面中的位置用曲率半徑表示。管坯在彈圖3-1 管材彎曲時(shí)的受力及其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)(a)受力狀態(tài) (b)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)性彎曲階段,應(yīng)力沿?cái)嗝娉示€性分布,應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系遵循虎克定律,故應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層相互重合并通過斷面重心。隨著彎曲過程的進(jìn)行,當(dāng)彎曲變形程度超過材料的屈服極限后,變形性質(zhì)由彈性變?yōu)樗苄?,故在彎曲過程中應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層不僅不相互重合,也不通過斷面重心,而是隨著曲率的增大逐漸向曲率中心方向移動(dòng),并且應(yīng)力中性層的移動(dòng)量大于應(yīng)變中性層的移動(dòng)量。不過,當(dāng)彎曲變形程度較小時(shí),中性層的移動(dòng)量很小。魏建華分析和計(jì)算,在以后的推導(dǎo)中將其忽劣不計(jì),而認(rèn)為在彎曲過程中應(yīng)力中性層和應(yīng)變中性層相互重合并通過斷面重心,彎曲后斷面重心層的曲率半徑用表示。3.2.2 彎曲變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài) 圖3-1b所示為管材彎曲變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài),其中A點(diǎn)表示彎曲外區(qū)(拉伸區(qū))的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),B點(diǎn)表示彎曲內(nèi)區(qū)(壓縮區(qū))的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。當(dāng)彎曲變形程度較小時(shí),僅在管材切向產(chǎn)生較大的應(yīng)力,而管壁厚度方向和圓周方向產(chǎn)生的應(yīng)力、都很小。隨圖32 平剖面假設(shè)及切向應(yīng)力分布(a)平剖面假設(shè) (b)切向應(yīng)變分布彎曲變形程度的增大,塑性變形區(qū)有斷面的外緣和內(nèi)緣逐漸向中間擴(kuò)展,立體的應(yīng)力狀態(tài)才逐漸顯著起來。由于管坯為薄壁管,在整個(gè)彎曲過程中管壁各層纖維之間的壓應(yīng)力都很微小,為簡(jiǎn)化計(jì)算,可以將它忽略。若在彎曲變形區(qū)用芯棒支持?jǐn)嗝?,則管坯在圓周方向的變形在理論計(jì)算中也可以忽略不計(jì),A點(diǎn)和B點(diǎn)均可視為平面應(yīng)變狀態(tài)。圖33 彎曲變形區(qū)的切向應(yīng)力分布(a) 彈性狀態(tài) (b)塑性硬化狀態(tài) 3.2.3 彎曲變形區(qū)的應(yīng)變和應(yīng)力分布 假定在均勻彎曲過程中管材內(nèi)部纖維之間沒有相對(duì)錯(cuò)動(dòng),則可認(rèn)為變形區(qū)內(nèi)主應(yīng)力和主應(yīng)變所取的方向就是管材彎曲外型的切向、厚度方向和圓周方向。由于管材彎曲時(shí)主要是依靠中性層內(nèi)、外纖維的縮短與深長(zhǎng),故切向應(yīng)變即為絕對(duì)值最大的主應(yīng)變。假定彎曲后變形區(qū)的橫剖面仍保持為平剖面(見圖3-2a),則當(dāng)中性層曲率半徑為 ,彎曲角度為時(shí),距中性層y處的切向應(yīng)變?yōu)?(3-1)因此,變形區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的切向應(yīng)變與該點(diǎn)至中性層的距離成正比,在管坯內(nèi)、外表面達(dá)到最大值,如圖3-2b所示。圖3-3所示為管材彎曲變形區(qū)的應(yīng)力分布。彎曲時(shí),隨外力矩值的增大,棺材內(nèi)部的切向應(yīng)力也不斷增大。當(dāng)切向應(yīng)力小于屈服極限時(shí),管材處于彈性彎曲階段,切向應(yīng)力的分布是線性的(圖3-3a)。隨著外力矩增大,管坯內(nèi)外表面的材料開始發(fā)生彈塑性變形。當(dāng)外力矩增大到使管坯內(nèi)部各處的切應(yīng)力均大于屈服極限時(shí),管材發(fā)生純塑性變形。由于管材是在冷態(tài)下進(jìn)行彎曲加工,必然產(chǎn)生加工硬化,使得屈服極限沿管壁厚度的方向發(fā)生變化。塑性硬化狀態(tài)下切向應(yīng)力得分布如圖3-3b所示。3.3 建立管材彎曲力矩計(jì)算公式本文分析基于以下假設(shè):1. 彎曲過程是純彎曲,彎曲后變形區(qū)仍為平剖面;2. 卸載前后應(yīng)力中性層在斷面中的位置不變,并通過斷面重心;3. 管材彎曲外型的切向、厚度方向及圓周方向即為變形區(qū)內(nèi)主應(yīng)力和主應(yīng)變所取的方向,即, , , , , ;4. 管材厚度方向的壓應(yīng)力和圓周方向的變形均忽略不計(jì)。如圖3-4所示,根據(jù)力矩平衡原理,管材外加彎矩M的大小應(yīng)等于其切向應(yīng)力1產(chǎn)生的彎矩之和,故彎曲力矩M為 (3-2)圖34 管材彎曲時(shí)的受力圖塑性變形的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為 (3-3)式中 應(yīng)變強(qiáng)度,且 (3-4)應(yīng)力強(qiáng)度,且 (3-5)將代入式(3-3)、(3-5),得 (3-6) (3-7)將代入式(3-6),得 (3-8)由式(3-7)和式(3-8),有 (3-9)圖35 線性近似應(yīng)力曲線為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)計(jì)算,將應(yīng)力強(qiáng)度和應(yīng)變強(qiáng)度之間的關(guān)系用線性近似應(yīng)力曲線表示,如圖3-5所示。該直線與縱坐標(biāo)軸交點(diǎn)的截距是簡(jiǎn)化成直線過程中的補(bǔ)差屈服點(diǎn),并非材料的實(shí)際屈服應(yīng)力,故用表示,其值大于實(shí)際屈服點(diǎn),接近于假象極限屈服應(yīng)力。該直線的斜率即應(yīng)變剛模量,它象征著金屬在壓力加工過程中的冷做硬化程度。應(yīng)變剛模量越大,說明冷作硬化現(xiàn)象越嚴(yán)重。得直線方程可表達(dá)為 (3-10)顯然 (3-11)對(duì)該平面應(yīng)力狀態(tài),體積不變條件為。故應(yīng)變強(qiáng)度為 (3-12)由式(3-11)、(3-12)可得 (3-13)將上式帶入式(3-9),得出 (3-14)由3.1.1中對(duì)彎曲變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變分布的分析知,距中性層為的纖維層,其切向應(yīng)變?yōu)?(3-15)又 (3-16)由式(3-14)、(3-15)菏(3-16),可求得 (3-17)將式(3-16)和(3-17)帶入式(3-2),得 故彎曲力矩為 (3-18)式中 補(bǔ)差屈服應(yīng)力(MPa); 管材壁厚(mm); 管材內(nèi)徑(mm); 應(yīng)變剛模量 (MPa); 管材中性層彎曲半徑(mm)3.4 計(jì)算管材彎曲力矩根據(jù)設(shè)計(jì)要求,新研制的彎管機(jī)彎管最大規(guī)格為63.56mm,管坯材料為20號(hào)鋼,最小彎曲半徑為兩倍的管徑。按規(guī)格為604mm 的管子來確定彎管機(jī)的最大彎曲力矩,具體參數(shù)為:=4mm,=26mm, =120mm, =300MPa, =623MPa。將這些參數(shù)帶入公式(3-18),得彎曲力矩為M=5275Nm。按照經(jīng)驗(yàn)公式,管材彎曲力矩由下式確定 (3-19)式中 截面形狀稀疏,且 (3-20)相對(duì)彎曲半徑(mm),且 (3-21)抗彎截面模量(mm3),對(duì)圓形管 (3-22)材料相對(duì)強(qiáng)化系數(shù);材料的屈服極限(MPa);管材外徑(mm);管材壁厚(mm);管材內(nèi)徑(mm);彎曲半徑(mm)將具體參數(shù)=60mm, =4mm, =52mm, =120mm, =11.6和=240 MPa代入式(3-20)、(3-21)、(3-22)和(3-19)得彎曲力矩=6279 Nm。比較用公式(3-18)和(3-19)計(jì)算所得的結(jié)果可以看出,用我們導(dǎo)出的公式計(jì)算所得的管材彎曲力矩比用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得的結(jié)果降低16.3%。在此,取彎曲力矩=5275 Nm 。3.5 計(jì)算新型彎管機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩 為了防止管子在水平面內(nèi)發(fā)生偏擺而影響繞彎工作的正常進(jìn)行,我們使了如圖(2-7)所示的壓料機(jī)構(gòu),夾緊模、彎管模與管坯之間存在著很大的摩擦阻力。另外,為了實(shí)現(xiàn)彎管過程中管坯的自動(dòng)進(jìn)給,以及空間角度的自動(dòng)彎曲,我們加入了液力卡盤、渦輪蝸桿與螺旋絲杠裝置并引入了伺服電機(jī)以保證精度,卡盤與管坯之間也存在著摩擦阻力,不過由于使用了全液壓系統(tǒng),因此,該彎管機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩除了要克服管子彎曲變形的阻抗力矩外,還要克服壓料摩擦力矩,即 (323)式中 彎管機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩(Nm); 管材彎曲力矩(Nm); 壓料摩擦力矩(Nm);因?yàn)閴毫夏>邇?nèi)的摩擦力受到諸如管
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