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摘要 Abstract 第一章 概述 1.1 管材彎曲加工的種類及技術現(xiàn)狀 1.2 模彎曲 1.3 彎管機彎管要求和工藝分析 1.4 常用的先進彎管設備 1.4.1 機械傳動式彎管機 1.4.2 多功能彎管機 1.4.3 數(shù)控彎管機 1.4.4 中頻感應彎管機 1.5 國內(nèi)外電動彎管機發(fā)展概況 1.6 論文背景及內(nèi)容 第二章 電動銅管彎管機基本原理及組成 2.1 電動銅管彎管機工作原理 2.2 電動銅管彎管機加工的特點 2.3 電動銅管彎管機的組成 2.3.1 機械部分 2.4電動銅管彎管機參數(shù)及特點 2.5 小結 第三章 電動銅管彎管機機械結構設計 3.1 機械設計思想 3.2 機械結構整體構思 3.3 機械結構具體設計 3.3.1 模具設計 3.3.2 彎曲模的設計 3.3.3 夾緊口的計算 3.3.4 隨動模的設計 3.3.5 管材彎曲力矩的計算 3.3.6 所需彎管機驅動力矩的計算 3.3.7 電動銅管彎管機總體裝配圖 3.4 小結 第四章 電動銅管彎管機傳動機構的設計 4.1行星齒輪減速機構設計 4.1.1已知條件 4.2選取齒輪的傳動類型和傳動簡圖 4.3行星輪傳動比以及配齒計算 4.4選輸入端定齒輪精度等級、材料 4.5按齒面接觸強度設計 4.4 小結 第五章 軸的設計 5.1 計算作用在軸上的力 5.2 計算支力和彎矩 5.3 截面校核 5.4 小結 第六章 軸承的選擇 第七章 增力機構的設計 第八章 減速機構箱體的設計 第九章 底座的設計 總結 參考文獻 致謝 摘要 Abstract 第一章 概述 1.1 管材彎曲加工的種類及技術現(xiàn)狀 管材的彎曲加工，在金屬結構、農(nóng)牧機械、工程機械、動力機械以及鍋爐、石油化工、輕工、管道工程、航空航天等工業(yè)部門，占有十分重要的地位。用管材制造的彎曲管件，無論是平面彎曲件，還是空間彎曲件，除大量應用于氣體、液體的輸送管路外，在金屬結構中的應用也十分廣泛。采用管材彎曲加工管件，除了常用鋼、銅、鋁管外，也在使用各種合金及其他金屬管件作為管坯。 管材彎曲加工與板材彎曲加工相比，雖然從變形性質等方面看非常相似，但由于管材空心橫斷面的形狀特點，彎曲加工時不僅易引起橫斷面形狀發(fā)生變化，而且也會使壁厚發(fā)生變化。因此，在彎曲加工方法、需要解決的工藝難點、產(chǎn)品的缺陷形式和防止措施、彎曲用模具（或工具）及設備等方面，兩者之間存在很大差別。 對管材進行彎曲加工，必須在充分考慮管材的橫斷面形狀特點和影響彎曲加工的各種因素的基礎上，注重解決一下工藝問題： 根據(jù)管件的材料種類、精度要求及相對彎曲半徑、相對厚度，選用合適的彎曲加工方法；采用適當?shù)氖┘油饬蛲饬氐姆椒安扇”匾墓に嚧胧?，使管件的斷面形狀畸變和壁厚變化量盡可能??；采用的彎曲模具及設備盡可能簡單、通用，操作盡可能方便、安全；應保證一定的生產(chǎn)率，加工成本盡可能低。 管材彎曲方法頗多。按彎曲方式可分為繞彎、推彎、壓彎和滾彎；按彎曲時加熱與否可分為冷彎和熱彎；按彎曲時有無填充物可分為有芯（填料）彎管和無芯（填料）彎管。有時為滿足管件的特定形狀要求，或為減輕彎曲加工工藝難度，也采用其他的特殊彎管方法，如折皺彎管方法等。 一般來說，對于生產(chǎn)批量不大且具有一定長度的彎管件，在無專用彎管設備的情況下，可利用簡單的彎管裝置進行手工繞彎；而當生產(chǎn)批量較大時，應在專用彎管設備上繞彎。對于生產(chǎn)中最為常見的彎管頭，一般均用模具壓彎或推彎。為了提高棺材的可塑性，以便獲得較大的變形程度，通常應采用加熱彎曲，例如熱壓彎頭、芯棒式熱推彎頭以及中頻感應電熱彎管和火焰加熱彎管等。為了減少彎管截面的畸變，往往需在管內(nèi)充填填料或芯棒后進行彎曲。對于曲率半徑要求大的厚壁管件，尤其是要求彎制成環(huán)形或螺旋線形的管件，在生產(chǎn)中采用滾彎成形特別方便。 現(xiàn)將生產(chǎn)中常用的彎管方法歸納如下： 繞彎，是在立式或臥式彎管機上進行彎曲加工。根據(jù)其工藝特點，又可分為有芯彎管、無芯彎管和頂壓彎管三種。管材的冷作彎曲加工，大都是采用繞彎方式。另外，在生產(chǎn)中也常利用彎管裝置進行手工彎管，它也屬于繞彎方式。由于這類彎管裝置制造成本低，調節(jié)使用也方便，故適用于沒有專用彎管設備的小批量生產(chǎn)中。 推彎，是在一般壓力機、液壓機或專用推制機上進行彎曲加工，主要用于彎制彎頭。根據(jù)推彎工藝特點，又可分為型模式冷推彎管和芯棒式熱推彎管兩種。型模式冷推彎管是在常溫下將管坯壓入帶有彎曲空腔的型模中，從而形成管彎頭。芯棒式熱推彎管是在推力和牛角芯棒阻力的作用下，邊加熱邊推制，使管坯產(chǎn)生周向擴展和軸向彎曲變形，從而將較小直徑的管坯推制成較大直徑的彎頭。 壓彎，是最早用于管材彎曲加工的工藝方法，它是在液壓機上利用模具或胎具對管坯進行彎曲加工，壓彎方法既可彎制帶直段的管件，又可彎制彎頭。目前，壓彎主要用于壓制彎頭，它在彎頭生產(chǎn)中已獲得廣泛應用。 滾彎，是用三個驅動輥輪對管材進行彎曲加工，其滾彎方法及滾彎機工作原理與板材滾彎基本相同，區(qū)別僅在于管材滾彎所用的輥輪具有與彎曲管坯斷面形狀相吻合的工作表面，通過改變輥輪的間隔，就可作任意曲率半徑的彎曲。滾彎方法對彎曲半徑有一定限制，僅適用于曲率半徑要求大的厚壁管件，尤其對彎制環(huán)形或螺旋線形彎管件特別方便。 3.2 設計要求 （1）銅管Ф22，壁厚1.5mm和，Ф16，壁厚1.2mm； （2）手電鉆功率700~800W，轉速800轉左右/min； （3）銅管彎成90?，大約時間在8~10秒； （4）銅管不能起皺。 根據(jù)設計要求，計算銅管彎成90?（1/4周），大約時間在8~10秒時的轉速。1/4周8~10秒，1周為： 4×(8~10）=（32~40）秒/每周 x轉/分=x轉/60秒=1轉/(32~40）秒 x = 60/(32~40) = (1.875~1.5)轉/分 即， 輸入轉速：n1=800 r/min 輸出轉速：n2=1.875~1.5 r/min 減速比：i=n1/n2=800/1.875~1.5=(426~533)/1 3.3 電動銅管彎管機機械結構具體設計 3.3.1模具設計 模具是彎管過程中的核心結構，好的模具能彎出高質量的管件，大大降低廢品的產(chǎn)生，彎管模具主要包括彎曲模、夾緊口、隨動模。 3.3.2彎曲模 當所彎管件規(guī)格(管件外徑D、壁厚s、彎曲半徑R、屈服極限σs四項簡稱四要素)確定以后，設計彎曲模時，一般要考慮管材的回彈因素，以確定模具的彎曲半徑R'： R'=R1+2mσsRxE 式中:R一一管件彎曲半徑(回彈后彎曲半徑); σs一一管件屈服極限，N/mm2; E一一管件彈性模數(shù)，N/mm2 ; Rx一一相對彎曲半徑，Rx=R/D ; m=K1十K0/2Rx, K1為管材截面形狀系數(shù)，K0為鋼材的相對強化系數(shù)。 所得R'直徑圓整后，可作為設計參數(shù)使用。 通常，為簡便起見，當Rx=2~10時.還可按下列經(jīng)驗公式確定: 彎曲合金鋼管時R'=0.94R; 彎曲碳鋼管時R’=(0.96~0.98)R。 當Rx≤1.5時，可不考慮回彈因素。 根據(jù)設計要求管件彎曲半徑R=60mm，所以彎曲模的半徑為58mm。 設計的彎曲模結構如圖1： 圖1 彎曲模結構 3.3.3夾緊口設計 管坯一段固定在彎管機底部缺口處 3.3.4隨動模的設計 隨動模壓緊力大小一般由經(jīng)驗決定，該力過小，易引起管件內(nèi)壁起皺，反之，該力過大，則管件外壁減薄明顯，均影響彎管質量，一般經(jīng)試彎管件后，必須將其調至適當狀態(tài)。隨動模如圖2： 圖2 隨動模 隨動模的長度L'不易過大，通常情況下，L'可按下列經(jīng)驗公式計算: L'=2πR360α+1.6D 式中：α——所彎管的最大彎曲角度 由設計要求，R=60mm，α=120°，大管D=22mm，小管D=16mm分別算得， L’=2π×60×120/360 + 1.6×22≈160mm (大管) L’=2π×60×120/360 + 1.6×16≈150mm (小管) 所以，隨動摩長度分別為160mm和150mm。 3.3.5管材彎曲力矩的計算 管材彎曲力矩的計算是決定彎管機最重要的力能參數(shù)。只有計算出管材的彎曲力矩后，才能確定彎管機所需的驅動力矩、主傳動軸機構各部件結構尺寸、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包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性的復雜問題，彎曲時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)，同時也與彎曲方法、使用的模具結構等因素有很大的關系，因此要從理論上精確計算出管材的彎曲力矩是非常難的。大多是利用經(jīng)驗公式進行計算。 圖3管材彎曲狀態(tài) 由于彎管機所彎管件是完全對稱且材質均勻的空心管件，同時管材彎曲基本上屬于純彎曲。假設彎曲(如圖3)后變形區(qū)仍為平剖面，卸載前后應力中性層在斷面中的位置不變，并通過斷面重心，如圖管材厚度方向上的壓應力和圓周方向的變形均忽略不計。可以采用經(jīng)驗公式計算管材彎曲力矩。 按照下面經(jīng)驗公式，可確定管材的彎曲力矩。 M=W σs W——抗彎截面系數(shù)(mm3)，對圓形管 W= π/32×223×(224-194)/224 = 33434.72/32×(1-（19/22)4)=1044.835×（1-0.5563）=463.593 mm3 σ許= 120MPa，青銅QSn4-3，（12~25）mm，σb≥370MPa, 所以取σs = 185MPa 需要扭矩M =σs×W = 185 N/mm2×463.593 mm3 = 85764.705Nmm =85.765 Nm（銅管Ф16×1.2的為18.75 Nm） 所需力F=185N/mm2×（222-192）×3.14/4=17862.675N （銅管Ф16×1.2的為10316.784N） 所以，M=M1+M2=85.765+18.75=104.515Nm； F=17862.675+10316.784=28179.5N。 3.3.6 所需彎管機驅動力矩的計算 為防止彎曲件斷面形狀的畸變，新型彎管機采用尖頭式芯棒來支撐管材彎曲變形區(qū)的斷面。但是，由于彎管過程中芯棒與管壁之間的摩擦阻力極大，故芯棒的使用在提高彎制管件質量的同時，也使彎管機所需的驅動力矩大幅度增加。另外，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行，我們使用了滑槽式壓料裝置(隨動模)，該滑槽與管坯之間也存在摩擦阻力。因此，新型彎管機的驅動力矩要克服管子彎曲變形的阻抗力矩，即 MT = M + MYM MT——彎管機的驅動力矩(Nm)； M——管材彎曲力矩(Nm)； MYM——隨動模摩擦力矩（Nm）。 因為芯棒與管壁接觸處的摩擦力受到諸如管材的表面狀態(tài)、芯棒的形狀及位置及壓料力的大小等多重因素的影響，目前還不可能準確地用計算公式表示出來，在生產(chǎn)中只能進行估算。當采用移動式滑槽（隨動模）時，壓料摩擦力矩MYM=0.12M；當相對壁厚Sx=t/D = 0.068，相對彎曲半徑Rx= 2.73時，芯軸摩擦力矩MXM=1.6M。將它們代入上式，得 MT=M+0.12M =1.12M 將前面的管材彎曲力矩M=372Nm代入上式，得 MT=2.72M=1.12×104.515=117.04Nm 第四章 電動銅管彎管機傳動機構的設計 4.1行星齒輪減速機構設計 4.1.1已知條件 使用功率700-800W，轉速800r/min左右的便攜式手電鉆，根據(jù)之前計算，經(jīng)減速器輸出取2r/min。 4.2選取齒輪的傳動類型和傳動簡圖 由于手電鉆轉速高，輸入800r/min，經(jīng)過減速器后輸出2r/min進行彎管，轉速比400:1，而且減速機構要小，Ф120×35的體積內(nèi)，所以使用行星齒輪減速機構進行減速。傳動簡圖如下圖4所示： 圖4 行星齒輪傳動機構簡圖 4.3行星輪傳動比以及配齒計算 齒輪1、雙聯(lián)齒輪2-2’、齒輪3和系桿H組成行星齒輪系，有公式： i1H=1-i13H i13H=（-1）2z2z3z1z2’ i1H=ω1ωH=1400 所以取齒輪1齒數(shù)為z1=20,齒輪2齒數(shù)z2=21,齒輪2’齒數(shù)z2’=20，齒輪3齒數(shù)z3=19。 4.4選定輸入端齒輪精度等級、材料 行星齒輪減速器，速度不高，故選用7級精度(GB10095-88) 材料選擇 由《機械設計（第八版）》表10-1選擇小齒輪材料為 (調質)，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS。 4.5按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行試算，即 d≥ 2.32 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 1） 試選載荷系數(shù) Kt=1.3。 2） 計算齒輪傳遞的轉矩 T1=9550×0.8/800=9550Nmm 3) 由表10-7可查得取齒寬系數(shù)= 0.4 。 4）由表10-6可查得材料的彈性影響系數(shù) Z= 189.8 MPa 。 5) 齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 = 590 MPa；大齒輪的接觸疲勞強度極限 = 500 MPa 。 6) 接觸疲勞壽命系數(shù) K= 1.05 , K= 1.18 。 7）計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%，安全系數(shù) S= 1.1，則接觸疲勞許用應力為： []= = = 563.13 MPa []= = = 490.91 MPa 8）計算 (a) 試算小齒輪分度圓直徑d，代入[]中較小的值。 d≥ 2.32 ?(1.3×9550/0.4)×（1.05+1）/1×（189/490.91）2 =49.18 mm (b) 計算圓周速度v。 v = = 3.14×49.18×800/60/1000=2.06 m/s (c) 計算齒寬 b。 b = ?? d = 0.4 49.18 = 19.67 mm (d) 計算齒寬與齒高之比 。 模數(shù) m= = 49.18/19 = 2.59mm 齒高 h = 2.25 m = 2.252.59 = 5.83 mm 齒高比 =19.67/5.83 = 3.37 (e) 計算載荷系數(shù)。 K = K K K K 根據(jù)v =2.06m/s ，7級精度,查得動載荷系數(shù) K= 1.05 ；直齒齒輪的齒間載荷分配系數(shù) K= K= 1 ；由表10-2可查得使用系數(shù)K= 1 ；由表10-4用插值法可以查得7級精度、小齒輪由相對支承非對稱布置時，K = 1.056 ；由 = 3.37 ， K = 1.056 查得 K= 1.045 。將各數(shù)值代入上式，載荷系數(shù)為： K = 1 1.05 1 1.056 = 1.1088 (f) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，校正公式如下： d = d 代入數(shù)值可得： d =49.18 = 46.63 mm (g) 計算模數(shù) m m = = 46.63/19= 2.45 mm 4.6按照齒根彎曲強度設計 彎曲強度的設計公式為： m ≥ 1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 (a) 由圖10-20c可查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 = 400 MPa ,大齒輪的彎曲疲勞強度=310 MPa ； (b) 由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù) K= 0.90 , K= 0.95 ； (c) 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S = 1.4，則彎曲疲勞許用應力為： [] = = = 257.14 MPa [] = = = 210.36 MPa (d) 計算載荷系數(shù) K K = K K K K= 1 × 1.05 × 1 × 1.045 = 1.097 (e) 查取齒形系數(shù)以及應力校正系數(shù) 由表10-5查得： 齒形系數(shù) Y = 2.80 Y = 2.41 應力校正系數(shù) Y = 1.55 Y = 1.666 (f) 計算大、小齒輪的 并加以比較 = = O.O1688 = = 0.01909 大齒輪的數(shù)值較大。 13