集成化鋼管成型機(jī)的設(shè)計(jì)

李?yuàn)^杰，曾海泉

(廈門理工學(xué)院機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)

李?yuàn)^杰，曾海泉

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

為設(shè)計(jì)一臺(tái)高集成化的鋼管成型機(jī)，用塑性有限元軟件Dynaform對(duì)鋼管在不同壁厚情況下的彎曲過程進(jìn)行模擬，確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)構(gòu)件成型的影響，為構(gòu)件、模具及機(jī)器設(shè)計(jì)提供依據(jù).利用Creo軟件進(jìn)行模具建模，再通過Creo與CAD軟件進(jìn)行裝配驗(yàn)證各設(shè)計(jì)尺寸的配合.在鋼管成型機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了料斗、導(dǎo)料組件、工作臺(tái)、機(jī)架、導(dǎo)流板，通過Creo與CAD軟件設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu)和裝配結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，將自動(dòng)上下料直至鋼管成型等工序集成在一臺(tái)機(jī)械上.經(jīng)樣機(jī)測(cè)試，該鋼管成型機(jī)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(jī)；彎管成型有限元分析；Dynaform軟件；模具設(shè)計(jì)；液壓傳動(dòng)

我國(guó)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(dòng)化、集成化已成為發(fā)展趨勢(shì).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(duì)鋼管成型技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，研制專門的鋼管成型機(jī)，是提高生產(chǎn)率，降低人工成本的最有效手段[1-5].國(guó)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(guó)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(tái)管件構(gòu)件成型機(jī)在較為復(fù)雜及要求精密的工作環(huán)境下能夠運(yùn)作，不僅減少了原材料的使用，同時(shí)還提高了模具的使用壽命、減少加工廢料及能耗，進(jìn)而減少了生產(chǎn)成本[9-10].因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)高集成化的鋼管加工設(shè)備，對(duì)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(duì)彎管成型進(jìn)行建模分析，確定管件壁厚，對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成集成化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并完成整臺(tái)機(jī)械的設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)不僅通過集成化設(shè)計(jì)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(jì)可靠性.

1 鋼管壁厚變化的有限元模擬分析

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中鋼質(zhì)材料的使用情況，針對(duì)Q235材料的鋼管進(jìn)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(jìn)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(dòng)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(wú)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(gè)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(shí)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?yàn)閺澢鷥?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(jī)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 彎曲模的設(shè)計(jì)

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(shí)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(jìn)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(duì)彎曲模各結(jié)構(gòu)尺寸的確定，運(yùn)用Creo軟件中拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合、孔、圓角等特征進(jìn)行三維建模，并在模擬裝配中將凹凸模閉合進(jìn)行尺寸驗(yàn)證，當(dāng)出現(xiàn)干涉時(shí)將無(wú)法達(dá)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，圍繞自動(dòng)化與集成化的設(shè)計(jì)理念，基本方案如下：氣缸與斜坡式料斗結(jié)合，設(shè)計(jì)自動(dòng)上料的機(jī)械系統(tǒng)，不需要人員參與上料，保證工人的安全；設(shè)計(jì)集成化工作臺(tái)(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(jì)工件收集裝置進(jìn)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(dòng)掉落，成本低，無(wú)需人為參與工件收集.

鋼管成型機(jī)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(jī)，同時(shí)為液壓機(jī)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(jìn)入收料裝置，以便工人進(jìn)行收集及搬運(yùn)處理；③為工作臺(tái)，此結(jié)構(gòu)為完成校正、彎管、沖裁幾個(gè)工序的機(jī)構(gòu)平臺(tái)，包含各個(gè)結(jié)構(gòu)組件和模具結(jié)構(gòu)；④為導(dǎo)料組件，是自動(dòng)化上料的通道元件，以保證上料的通暢及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的目的；⑤為機(jī)架，整臺(tái)鋼管成型機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(tái)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(dòng)掉落至彎曲模中，油缸⑩與導(dǎo)軌⑧配合推動(dòng)彎曲凸模⑨進(jìn)行彎曲，接著由氣缸②與導(dǎo)軌⑥配合推動(dòng)沖裁模至工作位置，同時(shí)油缸①推動(dòng)沖裁凸模進(jìn)行管件的兩邊沖裁工序，最后兩邊沖裁?；氐匠跏嘉恢茫蜷_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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 成型機(jī)的工作概況

鋼管成型機(jī)，用于管件的彎曲、沖缺，首先自動(dòng)上料裝置把料運(yùn)往指定的工作位置，然后液壓缸推動(dòng)彎曲動(dòng)模進(jìn)行彎曲工序，接著氣缸將沖裁模推往指定的工作位置進(jìn)行沖裁工序，最后就是沖裁模與彎曲模的相繼復(fù)位，整個(gè)工作過程進(jìn)行循環(huán)，重復(fù)以上動(dòng)作完成自動(dòng)化的目的.通過將一次彎曲、二次沖缺的工序集成化設(shè)計(jì)在一臺(tái)機(jī)械上進(jìn)行，以滿足減少工作機(jī)械、操作人員的要求，進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)原理圖

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖6所示.本成型機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工作的液壓缸包括作用于彎曲模的主液壓缸10及兩個(gè)兩側(cè)進(jìn)行沖裁的副液壓缸9、11，三個(gè)液壓缸按次序依次進(jìn)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(jìn)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(dá)指定位置后進(jìn)行保壓，三位四通換向閥6、7、8用于液壓缸9、10、11進(jìn)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(shí)現(xiàn)主液壓缸帶動(dòng)彎曲模進(jìn)行工作過程中的進(jìn)退及運(yùn)動(dòng)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(dòng)后，壓力繼電器2K動(dòng)作，電磁鐵3YA通電，主液壓缸10活塞前進(jìn)實(shí)施對(duì)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(dòng)作，使5YA、1YA得電，液壓缸9、11活塞前進(jìn)進(jìn)行管件兩側(cè)的沖裁工序，沖裁完畢后，啟動(dòng)返回，電磁鐵1YA、3YA、5YA失電，2YA、6YA得電，液壓缸9、11活塞帶動(dòng)沖裁動(dòng)模退回至原位，回路中的壓力升高，壓力繼電器3K動(dòng)作，使電磁鐵4YA得電，液壓缸10活塞帶動(dòng)彎曲動(dòng)模退回至原位，松開工件，完成整個(gè)工作.

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過Dynaform軟件對(duì)彎管成型進(jìn)行建模分析，完成一臺(tái)集成了模具成型和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的整臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì).在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)了放置電機(jī)和油箱的接油盤、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料的導(dǎo)料組件和料斗、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下料的導(dǎo)流板、完成加工工序的工作臺(tái)、方便工作人員上料的腳架和承載以上結(jié)構(gòu)的機(jī)架.同時(shí)，結(jié)合由彎管有限元分析輔助設(shè)計(jì)的模具與集成所有加工工序的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)兩個(gè)部分，完成了本臺(tái)鋼管加工設(shè)備的設(shè)計(jì).這臺(tái)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(xiǎn)、低效率、自動(dòng)化集成化程度低和勞動(dòng)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(diǎn)研發(fā)創(chuàng)新及產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(廈經(jīng)信技術(shù)[2015]225)

李?yuàn)^杰(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化.通訊作者：曾海泉(1963-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化.E-mail：hqzeng@xmut.edu.cn

TG

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1673-4432(2016)05-0036-05