三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)

周長玖

（寧波精達(dá)成形裝備股份有限公司，浙江 寧波315033）

0 概述

數(shù)控彎管機(jī)可分為數(shù)控液壓彎管機(jī)和數(shù)控氣動彎管機(jī)。

數(shù)控液壓彎管機(jī)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(chǎn)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(shù)控液壓彎管機(jī)進(jìn)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(lǐng)域的要求，以及汽車、艦船、航空、航天等領(lǐng)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(shù)控液壓彎管機(jī)來夾管和彎管，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題，甚至出現(xiàn)較多的報(bào)廢。對于這類管件，應(yīng)選用數(shù)控氣動彎管機(jī)。

數(shù)控氣動彎管機(jī)，是由氣缸直接或間接提供夾緊力。由于空壓機(jī)提供的壓力在1MPa 以內(nèi), 選用合適的氣缸，產(chǎn)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(diào)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)對彎管的需求。

1 三維數(shù)控氣動彎管機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀[1～3]

三維數(shù)控氣動彎管機(jī)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(tǒng)制造成本較高，所以用三維數(shù)控液壓彎管機(jī)彎曲加工空調(diào)、冰箱等冷凝器用銅管不合理，應(yīng)選用三維數(shù)控氣動彎管機(jī)。

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(chǎn)的數(shù)控彎管機(jī)都具有很高的技術(shù)水平。

在國內(nèi)，有少數(shù)廠家在生產(chǎn)三維數(shù)控氣動彎管機(jī)，一般為單一機(jī)型。彎管機(jī)機(jī)型按主軸回轉(zhuǎn)方向一般分為左彎和右彎兩種。在三維數(shù)控液壓彎管機(jī)中，也有左右彎的機(jī)型。具備左右彎的機(jī)型其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不僅要求機(jī)頭可旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的伺服電機(jī)及減速機(jī)由于回轉(zhuǎn)半徑的原因，由縱向布置改為橫向布置，造成傳動機(jī)構(gòu)的較大變化；還要考慮旋轉(zhuǎn)180°前后進(jìn)出油管、限位控制開關(guān)等許多問題。具備左右彎的三維數(shù)控液壓彎管機(jī)，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，價格昂貴，一般是歐美知名彎管機(jī)生產(chǎn)，多在實(shí)力雄厚的國外企業(yè)使用。在國內(nèi)，少有企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)具備左右彎功能的三維數(shù)控液壓彎管機(jī)。

從理論上看，把油缸換成氣缸也可設(shè)計(jì)開發(fā)出三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)。但其中的問題是：①三維數(shù)控液壓彎管機(jī)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(jī)身、機(jī)頭、擺臂、主軸等體積都比較大，要布置下眾多機(jī)構(gòu)相對容易；而三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)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(jī)身、機(jī)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(jī)構(gòu)；②如果把機(jī)身、機(jī)頭等相關(guān)零件都變大，在機(jī)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(jī)頭能夠旋轉(zhuǎn)180°，再加上伺服電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)，氣動換向系統(tǒng)、電器及PLC 控制系統(tǒng)，整個機(jī)器的制造成本就會非常高，推向市場的難度就很大。

三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)的原理是； 將一個機(jī)頭的旋轉(zhuǎn)（結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜），改變?yōu)閮蓚€機(jī)頭（一左一右）的平移，就可解決在同一臺彎管機(jī)上既能進(jìn)行左彎又能進(jìn)行右彎的難題。其動作為：采用一左一右兩個機(jī)頭，用伺服電機(jī)驅(qū)動在滑塊上進(jìn)行移動；當(dāng)需左彎時，左機(jī)頭移動到某一指定位置，進(jìn)行左彎加工，左彎完成，左機(jī)頭要讓開；當(dāng)需右彎時，右機(jī)頭移動到某一指定位置，進(jìn)行右彎加工，右彎完成，右機(jī)頭也要讓開； 但又出現(xiàn)了新的問題：①需增加一個機(jī)頭；②左機(jī)頭、右機(jī)頭互相讓開需要很大空間，導(dǎo)軌也要很長；③固定導(dǎo)軌的機(jī)身也要加大，從而造成該種三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)體積大，成本高。

如果三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)具備以下條件：①在原理上既能進(jìn)行左彎又能進(jìn)行右彎； ②在結(jié)構(gòu)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(shù)控氣動左右彎管機(jī)，也是工程師們開發(fā)與設(shè)計(jì)三維數(shù)控氣動銅管左右彎管機(jī)的原因和動力所在。

2 三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)的組成、原理[4]

三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)用來生產(chǎn)三維空間彎數(shù)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(jī)油管等。

其主要組成部分有：①機(jī)架部分，是整個機(jī)器的基礎(chǔ)，是安裝和固定其他部分的平臺；②機(jī)頭部分，是C軸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)軌部分，裝在機(jī)身上，進(jìn)行導(dǎo)向的部件；⑥小車送料部分，是夾緊管件，進(jìn)行送料和轉(zhuǎn)料的部件；⑦尾座部分，是進(jìn)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(jī)放大器、接近開關(guān)、行程開關(guān)、電器箱及工控機(jī)等。

三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)的原理如圖1 所示，通常由彎曲旋轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)、小車送料機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、芯棒進(jìn)給機(jī)構(gòu)、左右彎轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)等五大機(jī)構(gòu)組成。整個系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成?？蓪?shí)現(xiàn)對管件的運(yùn)送、翻轉(zhuǎn)、彎曲的空間控制，完成具有復(fù)雜形狀的空間管件的彎曲加工。

圖1 左彎型三維數(shù)控氣動彎管機(jī)工作原理圖

彎曲旋轉(zhuǎn)裝置圍繞旋轉(zhuǎn)中心O 轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動角度θ，角速度ω 和轉(zhuǎn)動力矩M 是計(jì)算、設(shè)計(jì)、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(zhuǎn)主軸一起轉(zhuǎn)動，從而使管件彎曲到需要的角度；彎曲旋轉(zhuǎn)主軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)矩是通過C軸伺服電機(jī)及減速機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。

3 三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]

3.1 坐標(biāo)軸數(shù)量的確定

坐標(biāo)軸數(shù)量的確定是機(jī)械設(shè)計(jì)方案、電氣控制及編制程序的基礎(chǔ)，是能否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的前提，由下列幾個軸組成：①管件需沿機(jī)身長度方向送進(jìn)，定為Y 軸；②管件彎了一個彎后，一般需旋轉(zhuǎn)一個角度，定為B 軸；③管件需彎曲旋轉(zhuǎn)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(jìn)、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(jī)頭在上下方向的運(yùn)動定為Z 軸；⑥左右彎轉(zhuǎn)換時，靠模機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸，定為D 軸。本系統(tǒng)的運(yùn)動主要由這六個軸的運(yùn)動構(gòu)成。

3.2 左右彎管機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

（2）機(jī)頭。如圖2 所示，機(jī)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(jī)頭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，也為箱形結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 機(jī)頭三維造型圖

（3）擺臂。如圖3 所示。擺臂與主軸一起回轉(zhuǎn)，內(nèi)裝擺動氣缸，推動連在滑塊下的四連桿機(jī)構(gòu)向上向前運(yùn)動，使滑塊上的夾緊模夾緊管件。夾緊模到回轉(zhuǎn)中心的距離由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（4）主軸。如圖4所示，主軸為重要受力構(gòu)件，主要承受彎曲力矩作用。設(shè)計(jì)時需經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算或校核。主軸材料一般選用40Cr，并經(jīng)熱處理或化學(xué)處理，提高其強(qiáng)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(jī)構(gòu)，如圖5 所示。包含二軸三運(yùn)動：二軸指Y 軸和B 軸，三運(yùn)動指夾緊管件的夾筒前后運(yùn)動、送進(jìn)的Y 軸運(yùn)動和轉(zhuǎn)料的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖5 小車送料機(jī)構(gòu)（三維圖片）

4 三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)彎管設(shè)計(jì)計(jì)算[5，7]

4.1 管材彎曲力矩計(jì)算

管材彎曲力矩是確定數(shù)控氣動彎管機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，計(jì)算出彎曲力矩后才能確定彎管機(jī)所需驅(qū)動力矩、電機(jī)功率、傳動軸機(jī)構(gòu)及各部件結(jié)構(gòu)尺寸，以及夾緊力、夾緊缸大小等一系列參數(shù)。

彎曲力矩一般可按經(jīng)驗(yàn)公式

式中：K1——截面形狀系數(shù)，K1=1.275（D-2t）/（D-3t）；

Rx——相對彎曲半徑，Rx=ρ/D；

W——抗彎截面系數(shù)，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(qiáng)度系數(shù)；

D——管件外徑，mm；

d——管件內(nèi)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(jì)算K1、Rx、W 并代入式（1）得彎曲力矩M=56.7Nm。

4.2 彎管機(jī)驅(qū)動力矩的計(jì)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(jī)所需驅(qū)動力矩應(yīng)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(jìn)行，使用了靠模，靠模與管件外壁間有摩擦力，所以彎管機(jī)所需驅(qū)動力矩應(yīng)再加大。

彎管機(jī)驅(qū)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(guān)，目前尚不能準(zhǔn)確計(jì)算，在生產(chǎn)中通常進(jìn)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(jī)驅(qū)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(jì)算的驅(qū)動力矩足夠，彎銅管也沒問題。

4.3 選擇伺服電機(jī)及減速機(jī)

選用額定轉(zhuǎn)速2000r/min、功率1kW、額定轉(zhuǎn)矩4.77Nm 的伺服電機(jī)；選用減速比i=35 的減速機(jī)，可滿足計(jì)算要求。

5 三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)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?fù)Q向閥、速度控制閥、磁性開關(guān)、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?fù)Q向閥控制氣缸的進(jìn)氣和排氣，氣量大小用速度控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，氣缸行程由磁性開關(guān)通過PLC 發(fā)生聯(lián)系并進(jìn)行控制。

6 三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)電氣及控制系統(tǒng)簡述

三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由控制柜、操作臺、走線盒等部分組成，數(shù)控系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主板作為CNC 平臺，該系統(tǒng)由國內(nèi)某一數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)豐富的公司開發(fā)，其適用性、操作性、可維護(hù)性、功能再開發(fā)性均較好。

7 三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)左、右彎機(jī)型的轉(zhuǎn)換

一個需彎曲加工的管件選擇什么機(jī)型的彎管機(jī)是由該管件的形狀決定的，在較復(fù)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(zhuǎn)換問題。右彎機(jī)型的工作原理圖如圖6 所示。比較圖1 和圖6 可知，除機(jī)頭端結(jié)構(gòu)不同外，機(jī)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(shù)控氣動彎管機(jī)工作原理圖

設(shè)基本型為左彎機(jī)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(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定，實(shí)際彎曲的最大角度為180°（回彈除外，銅管回彈量極?。?。左彎管時，靠模座不動，仍在A 處，擺臂機(jī)構(gòu)隨彎曲旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)180°到B 處（也可旋轉(zhuǎn)規(guī)定范圍內(nèi)的任意角度θ 到C 處），松夾、送料，擺臂機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)回到原位（A 處），一彎工序完成[8]。

當(dāng)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(jī)頭由伺服電機(jī)驅(qū)動在Z 軸方向下移一段距離?？磕２考D(zhuǎn)180°到B 處，擺臂部件也旋轉(zhuǎn)180°到B 處，右彎的圓模為第二層，主夾模、輔夾模也設(shè)在第二層，機(jī)頭上升并沿X軸移動到預(yù)定位置，整個機(jī)型就變成了右彎機(jī)型，能進(jìn)行第二工序的右彎彎管。

8 總結(jié)

本三維數(shù)控氣動左右彎管機(jī)，利用靠模部件體積小、回轉(zhuǎn)半徑小，以及銅管彎曲成形后回彈小的特點(diǎn)，并巧妙利用擺臂可自然回?cái)[180°的特點(diǎn)，在采用一個機(jī)頭、一個擺臂、一個靠模部件的情況下，即可實(shí)現(xiàn)在同一臺機(jī)器上既能左彎又能右彎功能，而且結(jié)構(gòu)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(shù)控彎管機(jī)介紹[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，1994，29（5）.

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

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

[5]田 藝.STAR-03W 數(shù)控彎管機(jī)的設(shè)計(jì)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

[6]盧 熹，孫慶鴻，孫序泉，等.CK1416 型數(shù)控車床床身結(jié)構(gòu)動態(tài)分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2003，（6）.

[7]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第5 版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[8]全國鍛壓機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.JB/T5761.1-1999 數(shù)控彎管機(jī)技術(shù)條件[S].北京：機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所出版社，1999.