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板材液壓折彎機的設(shè)計分析與計算
摘 要
20世紀以來，液壓工程機械在全球多個領(lǐng)域占有著舉足輕重的地位，機械行業(yè)的快速發(fā)展促進了工程機械的進一步發(fā)展，對于生產(chǎn)生活帶來了極大的便利，為了進一步提高生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率，于是液壓板材折彎機便應(yīng)運而生。
板料折彎機是一種通用的金屬板料冷加工成型機，在冷態(tài)作用下利用各種不同的模具，既能將金屬板料折彎成多種多樣的幾何橫截面形狀的工件。本次設(shè)計的折彎機應(yīng)市場的需求，采用液壓傳動，以液壓缸驅(qū)動滑塊，滑塊的直線往返運動為基礎(chǔ)，利用扭軸式同步系統(tǒng)進行工作來避免滑塊往返行程過程中的相對工作臺傾斜的現(xiàn)象。機器前部設(shè)有托板，后面有后擋料機構(gòu)，可以很方便對板材進行折彎加工，該機器可以方便的解決實際生產(chǎn)中板材較長而導(dǎo)致折彎變形的現(xiàn)狀，使得折彎產(chǎn)品符合加工要求。該板材液壓折彎機具有高效率，機構(gòu)簡單，便于操作等優(yōu)點。
關(guān) 鍵 詞：折彎機，液壓，板料，液壓缸
DESIGN ANALYSIS AND CALCULATION OF PLATE HYDRAULIC BENDING MACHINE
ABSTRACT
Since the 20th century, hydraulic engineering machinery in various fields worldwide occupies a pivotal position, the rapid development of the machinery industry to promote the further development of construction machinery, for production and life has brought great convenience, in order to further improve production quality, productivity , then hydraulic plate bending machines have come into being.
Plate bending machine is a versatile metal sheet cold forming machine, under the effect of cold using a variety of different molds, both the sheet metal bent into a variety of geometric cross-sectional shape of the workpiece. The design of the demand should be market bender, hydraulic transmission, hydraulic cylinder driving the slider, the slider of the linear reciprocating movement based on the use torsion shaft synchronization system to work to avoid a round trip during the slide relative tilt the table phenomenon. Front of the machine with a pallet, behind the back gauge mechanism, it is easy for bending a sheet, the machine can easily solve the status of actual production resulting from the longer plate bending deformation, so that products meet the bend processing requirements. The hydraulic sheet bending machine with high efficiency, the organization is simple, easy operation advantages.
KEYWORDS: bending machine, hydraulic, sheet metal, bending cylinders
符號說明
P—公稱力；
L—工作臺長度；
S—滑塊行程；
H—最大開啟高度；
v—工作速度；
R—支撐力；
I—慣性矩；
W—抗彎截面模量；
M—彎矩；
Q—剪切力；
—工作狀態(tài)效率；
—材料的抗剪強度；
—材料的應(yīng)力；
n—安全系數(shù)；
k—擰緊系數(shù)；
A—缸的工作面積；
D—活塞桿直徑；
V—油箱容量；
q—流量；
Re—雷諾數(shù)；
—壓力損失；
Hi—發(fā)熱量；
v—排量；
Pi—功率；
目 錄
第1章 緒 論 1
§1.1 研究背景及意義 1
§1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
§1.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析 4
§1.4 本文研究內(nèi)容 5
第2章 折彎機設(shè)計原理和方案 6
§2.1 折彎機的設(shè)計原理 6
§2.2折彎機的設(shè)計方案 7
§2.3本章小結(jié) 9
第3章 折彎機零部件的設(shè)計計算 11
§3.1 工作臺的設(shè)計與校核 11
§3.2 滑塊的設(shè)計與校核 13
§3.3墻板的設(shè)計與校核 14
§3.4連接螺栓的強度校核 15
§3.5本章小結(jié) 15
第4章 折彎機液壓系統(tǒng)的設(shè)計 16
§4.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)要求 16
§4.1.1對于變壓式節(jié)流調(diào)速回路 16
§4.1 .2對于容積調(diào)速回路 17
§4.2運動特性及負載分析 18
§4.3液壓缸的設(shè)計 19
§4.4液壓系統(tǒng)圖的擬定 20
§4.5液壓元件的選擇 21
§4.5.1液壓泵和驅(qū)動電機的選擇 21
§4.5.2閥類元件及輔助元件 22
§4.5.3油管元件 23
§4.5.4油箱及過濾器元件 24
§4.6本章小結(jié) 25
第5章 液壓系統(tǒng)的性能分析 26
§5.1壓力損失和閥的調(diào)定壓力 26
§5.1.1壓力損失 26
§5.1.2壓力閥的調(diào)定值 27
§5.2油液的溫升計算 28
§5.3本章小結(jié) 29
結(jié) 論 30
參考文獻 31
致 謝 32
VIII
第1章 緒 論
§1.1 研究背景及意義
機械行業(yè)對社會生產(chǎn)生活的方方面面都有著極為巨大的影響，它為農(nóng)業(yè)，手工業(yè)提供著許多的便利，漸漸越來越多的機械成品，開始逐漸的進入到人們的視野中，其中折彎機技術(shù)也隨著科學(xué)技術(shù)的進步在進一步的發(fā)展，它的安全性能可靠，操作也是極為簡單的，同時有著可以快速提高生產(chǎn)效率的力量，是現(xiàn)當代研究中必須為之重視的行業(yè)。以我國目前的機械行業(yè)的發(fā)展的現(xiàn)狀來看，在諸多機械技術(shù)上與國外都有著不小的差距，在液壓板材折彎機上同樣有著很大的發(fā)展空間，尤其是在當下數(shù)字化的時代，數(shù)控折彎機技術(shù)，自動生產(chǎn)的柔性折彎機技術(shù)等都有著與國外很大的發(fā)展距離。
板材液壓折彎機是一種專門用來折彎金屬板材的器械，主要由液壓驅(qū)動，將金屬板材與成型模具之間，通過液壓力設(shè)備，依據(jù)模具形狀，加工出立體的折彎成型產(chǎn)品。由于金屬板材擁有不同的長度，寬度，厚度和材料以及所要折彎加工的角度不同，因此有多種不同的噸位大小的板材折彎機。折彎機成型圖如下：
圖1-1液壓板材折彎機成型圖
近幾年來，液壓傳動的迅速發(fā)展，為板材液壓液壓折彎機的發(fā)展展開了新的篇章，鋪平更新了道路。液壓技術(shù)在實現(xiàn)高壓、大功率、高效率、低噪聲以及液壓元件和液壓系統(tǒng)的控制上的集成化和組成的各部分的材料上的耐用度上有了很高很大的進展。同時在發(fā)展伺服控制，比例控制的完善上也有了更大的突破。折彎機結(jié)構(gòu)的日趨完善能夠有效地解決成產(chǎn)的高成本和長周期的問題，同時簡化了生產(chǎn)工藝，在當代的經(jīng)濟生產(chǎn)中有著莫大的效益，對新產(chǎn)品的開發(fā)也是同樣具有很大的意義。
從目前來看，折彎機向著數(shù)控化、智能化的方向前進，其性能也在不斷地完善，高效高速，使其的研究具有著更大的意義。
§1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
板料折彎機是作為一種較早使用的、也較為廣泛適用的折彎彎曲板材的機械，其整體上的液壓化早就完全實現(xiàn)和發(fā)展，在上個世紀八十年代就較快的進入到了數(shù)控化的進程中。板料折彎機使用極為簡單的模具就可以對金屬板材進行各種低成本的彎曲加工，從而獲得形狀復(fù)雜的金屬板材產(chǎn)品，因其機構(gòu)簡單，操作便易，且加工成本低同時還有這很高的機械加工效率，故而其有著廣泛的應(yīng)用。
（一）國內(nèi)折彎機研究現(xiàn)狀：
我國內(nèi)的液壓折彎機發(fā)展歷程起步較國外晚，一直以來都是跟國外的同行業(yè)的發(fā)展有著很大很長的距離，但自我國內(nèi)1986年第一臺數(shù)控折彎機研制成功以來，國內(nèi)折彎機行業(yè)到處都充滿了生機，對國內(nèi)數(shù)控折彎機器的行業(yè)發(fā)展有著相當大的促進作用，在這其中比較有代表性的幾個機械工廠分別是：黃石鍛壓機床廠和濟南鑄造鍛壓機械廠聯(lián)合研制的數(shù)控三點板材折彎機，在這之后各個機械廠分離直追，帶來了行業(yè)的發(fā)展小高潮。同時治得一提的是，在二十世紀九十年代初我國自主研發(fā)了FMS，它對于板材加工的小批量加工生產(chǎn)非常適用，經(jīng)過事實檢驗其優(yōu)越的性能，可以一度同追趕國外八十年代末期的水平相較橫。
圖1-2國內(nèi)液壓折彎機床
自從進入二十一世紀后，我國對折彎機的研究更有了進一步的發(fā)展，例如最近我國研制的某一系列的數(shù)控板料折彎機，該折彎機采用瑞士的先進的數(shù)控系統(tǒng)，它本身具有圖形顯示和計算機輔助編程的功能，當人為的輸入初始數(shù)據(jù)后，即可自動程序內(nèi)進行模擬計算，得出復(fù)核人要求的數(shù)據(jù)，極大的簡化了人的工作量，同時還可以進行一些相對的協(xié)助的輔助操作，例如死點位置的計算和校準，避免機器操作過程中不該出現(xiàn)的錯誤。
（二）國外折彎機研究現(xiàn)狀
國外折彎機發(fā)展起步較早，目前對于液壓缸的位置、速度、壓力還有流量的控制已有采用更高級別的電液比例控制技術(shù)來進行精準的控制。這種高精度的控制方式與傳統(tǒng)的機械控制的液壓傳動系統(tǒng)相比，還具有機械調(diào)整方便，更容易實現(xiàn)雙聯(lián)運動的特點，而且機械自身的結(jié)構(gòu)簡單，集成化的液壓系統(tǒng)也使得折彎機本身從零件的制造到整機的裝配到機器的調(diào)試應(yīng)用，后期的維修等一系列的工作量都大大的減少，真正實現(xiàn)了液壓的高效化，精準化。
在世界上比較出名的液壓元件國外公司現(xiàn)在已經(jīng)有將其控制閥塊直接安裝在液壓缸的頂上部，這樣可以盡最大可能的減少整體管路的布置，并且還提供全套的液壓折彎機的比例控制系統(tǒng)，這些液壓系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)的進步與發(fā)展，為液壓折彎機制造產(chǎn)提供了極大的便利，并且極大的提高了折彎精度。國外現(xiàn)在部分折彎機公司正在向著板材折彎角度的自動測量，板料厚度的自動測量及折彎回彈的方向上進行研究，并且有的已經(jīng)實現(xiàn)并應(yīng)用在折彎機上。現(xiàn)在國外很多的先進的折彎機上采用單模槽凹槽，并且在工作臺上安裝有下模的液壓快速夾緊裝置，不到便于更換下模，而且能夠保證上下模的軸線自動對中，并且不需要調(diào)整。至有的折彎機在機身的一側(cè)設(shè)置安裝有多種多樣的模具庫，可以根據(jù)需要進行自動選擇和換模的裝置，相較于傳統(tǒng)的液壓加緊換模更大程度上減輕了換模的勞動強度和減少了換模的時間，提高加工效率，簡化加工。
圖1-3國內(nèi)外液壓折彎機比較
在日本與意大利合作的某一新型折彎機上，實現(xiàn)了折彎機—機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)無人操作，用來加工生產(chǎn)形壯不復(fù)雜的小型折彎零件，這種柔性自動化的系統(tǒng)對于國內(nèi)的設(shè)計研究方向有著很大的啟示。CNC在國外折彎機已經(jīng)開始逐步向普遍應(yīng)用的方向上走進，例如在瑞典，某一公司的產(chǎn)品絕大多數(shù)以上均裝有該CNC，系統(tǒng)的伺服控制功能還有帶有偏心折彎功能；雙工作基準面可以有效補償在折彎過程中機身變形；多軸控制，所具有的多性能是折彎機實現(xiàn)有效控制，懸浮結(jié)構(gòu)和液壓模具夾緊裝置實現(xiàn)模具自動換模，并裝有板料的測厚裝置，用以檢查折彎厚度是否在折彎機的允許范圍?？梢宰詣优懦庸r板料超出設(shè)計的范圍，以免超載運動，造成不必要的損失。還有DNC控制的上傳動折彎機，能夠有效的解決金屬板料折彎的高質(zhì)量和高重復(fù)精度問題。
§1.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析
相較于世界折彎機的發(fā)展，國內(nèi)行業(yè)正在處于一個機遇與挑戰(zhàn)并存的關(guān)鍵時刻，為了進一步提高國內(nèi)折彎機行業(yè)水準，我們必須重視一下問題：
1）建立和完善一只屬于我們自己的強大的團隊，從機器的設(shè)計、研發(fā)、到最終的調(diào)試維護等方面擁有一個完整的隊伍來運行這個系統(tǒng)。
2）對于大型噸位極長板材規(guī)格的折彎機國內(nèi)的研究和機器種類都特別缺少，使得對一些零部件的加工難度大大提高，為了彌補這一空白必須加強對此方面的研究設(shè)計。
3）國外產(chǎn)品進入中國市場，使國內(nèi)企業(yè)壓力進一步擴大，給了我們更大的挑戰(zhàn)，但我們確實是更進一步的接近國外產(chǎn)品，也給了我們向他們學(xué)習(xí)的機會。抓住機遇不僅是為國內(nèi)發(fā)展留下空間，也是為世界折彎機行業(yè)的發(fā)展留下濃厚的一筆。
§1.4 本文研究內(nèi)容
本課題研究主要是根據(jù)鋼板材的折彎加工要求設(shè)計符合要求折彎機裝置，其中需要解決的難點有電動機的選擇，折彎力的計算，機架的受力分析，油缸的選取，液壓系統(tǒng)的設(shè)計。
第2章 折彎機設(shè)計原理和方案
§2.1 折彎機的設(shè)計原理
早期的折彎機都是手動折彎機，操作起來極為繁瑣，工作狀態(tài)差，并且效率低下，折彎精度難以保證。隨著折彎機機械技術(shù)的研究與開發(fā)和電子技術(shù)的進一步成熟，出現(xiàn)了多種樣式的多種類型的折彎機，比較常見的幾種折彎機加工形式有手動折彎機，液壓折彎機和數(shù)控折彎機。折彎機機床主要由工作臺、滑塊、油缸、上模、下模、機架、頂模塊和液壓系統(tǒng)等機構(gòu)組成。
圖2-1折彎機示意圖
折彎機是指在機械或者液壓力的作用下，滑塊做上下機械運動，機床的上模與下模之間距離的變化，強制工件按照需要的角度發(fā)生形變折制成不同的斷面的機械設(shè)備。折彎機的基本工作原理就是利用折彎機模具，即上模和下模，和利用液壓傳動驅(qū)動工作臺，結(jié)合上下模的形狀，對板材進行折彎成型加工。其沖壓過程成圖如下所示：
圖2-2折彎機結(jié)構(gòu)簡圖
其中折彎缸為原動件，該機構(gòu)自由度為F=3n-2PL=3×3-2×4=1
折彎機主要機構(gòu)全部集中在機架上，機架整體焊接具有良好的剛性，機身對變形的抵抗能力強；滑塊與油缸的活塞桿相互固連，通過一個剖面為圓形的導(dǎo)軌與機架連接，機架上有上模，做直線往復(fù)運動，主要是用來傳遞折彎力，是必不可少的一個主要部分。其中的工作循環(huán)共分為快速下降、慢速加壓折彎、快速退回三大步驟[3]。折彎過程就是要協(xié)調(diào)折彎缸與壓緊工件之間的運動，先是壓緊工件，保壓，同時折彎缸進行工作，釋壓同時撤回工件。
§2.2折彎機的設(shè)計方案
板材折彎加工過程是一個彎曲過程，可以分為：彈性彎曲階段，彈塑性彎曲階段和純塑性階段。在第一階段的情況下它的彎曲力矩較小，處于完全的彈性變形，可恢復(fù)；第二階段在第一階段的基礎(chǔ)上外應(yīng)力繼續(xù)增大，彈塑性變形同時存在，此時的塑性變形已改變材料基礎(chǔ)形狀；第三階段的應(yīng)力繼續(xù)增大，板材屬于純塑性變形，直至最終加工形態(tài)的確定。針對不同的折彎模式的選取，下面來比較不同的設(shè)計方案的:
方案（一）
利用沖壓機床加工，沖壓機床的沖壓頭利用模具加工折彎零件，具有高效率的特點，但對于板料折彎來說板料零件面積基本都很大，這就要求所需要的沖頭很大，不符合實際加工要求，即便加工面積小，實際來說板材的單位面積受力也是很大的，在加工過程中如果處理不當很容易出現(xiàn)加工板材斷裂的現(xiàn)象，這對實際加工來說是非常浪費人力物力財力的，也是間接的延長了工作強度和降低了工作效率。故此方案加工折彎零件是不可取的。
圖2-3沖壓成形示意圖
方案（二）
利用折彎機床進行加工，結(jié)合折彎機的基本工作原理，再利用折彎模具，對加工來說是簡單了數(shù)倍，是及為簡便的，加工過程板材受力如下：
圖2-4板材受力示意圖
同時折彎機加工又有以下幾種方式：
手動折彎機，顧名思義，將工件放置于工作臺上，操作折彎機升降機手柄，踏下腳踏開關(guān)，即可折彎加工出所需的產(chǎn)品，其具有鮮明的特點，就是結(jié)構(gòu)簡單，操作便易，對于小尺寸，加工精度要求不高的薄板，同時工作量不大的折彎產(chǎn)品來說是非常適用的。
液壓折彎機采用液壓傳動的方式，運用各種液壓元件組成的不同功能的控制回路，再由不同的基本回路來實現(xiàn)系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換。傳遞和控制。液壓傳動以流體為介質(zhì)，具有無極調(diào)速和平穩(wěn)傳動的特點，同時輸出力或者輸出力矩較大，便于操作，易于實現(xiàn)自動化，還擁有過載保護的功能，故而其在中性機械上運用較為廣泛。即通過液壓驅(qū)動來實現(xiàn)折彎工作，接通機器電源，啟動油泵（折彎前進行試車），調(diào)節(jié)行程，準備好之后踏下腳踏開關(guān)開始折彎，松開腳踏開關(guān)機器便停止工作。對于厚板材來說需要的折彎力是很大的，而液壓驅(qū)動正好提供了這個力。同時高的機械效率，高的加工質(zhì)量也可以保證。
近年來數(shù)控技術(shù)的突飛猛進，更是為數(shù)控折彎機的發(fā)展提供了便利，數(shù)控折彎機可以實現(xiàn)更高的加工精度，加工效率，還能進行一些板材厚度測量，這碗角度控制，自動補償?shù)难b置等特殊功用，同時前文提到的柔性生產(chǎn)單元也能極大的降低工人的勞動強度與時間。
比較上述，本文主要研究的金屬板材的折彎成型，要求具有較高的折彎精度和折彎效率，相比之下數(shù)控折彎機就顯得大材小用了，而手動折彎機則不能完全滿足加工需要，故而選擇液壓板材折彎機，其傳動平穩(wěn)，精度較高，機械強度高，剛性好。
折彎要求折彎加工的必要順序原則，即為：
由內(nèi)到外進行折彎；
由小到大進行折彎；
先折彎特殊形狀再折彎一般形狀；
前一道工序的折彎成型加工不能影響后一道工序的折彎加工。
折彎時必需要用到折彎模具，它是用來加工成型板料的工具，折彎模具有上模和下模之分。上模有整體式和分割式，下模又稱為V槽也分為整體式和分割式兩種。
圖2-5折彎機成型原理圖
可知折彎過程由上模下模配合完成，折彎的精度極大成分上取決于折彎上下模具的制造精度，因此對于模具的選擇應(yīng)根據(jù)實際加工需求來確定，應(yīng)用不同的折彎模具達到符合要求的成型產(chǎn)品。折彎過程先是壓緊缸的動作，推動壓緊塊的運動，直至壓緊工件，同時進行保壓，保壓過程中折彎缸對工件進行折彎工作，折完成后壓緊缸釋放，退出工件，此間的難點在于保證壓緊缸和折彎缸的力的協(xié)調(diào)，動作的協(xié)調(diào)。
§2.3本章小結(jié)
本章對折彎機的基本原理進行了闡述，同時又給出了對于折彎機器的多種設(shè)計方案沖壓機，對手動折彎機，數(shù)控折彎機和液壓折彎機的工作特點，工作能力，工作效果，并進行了比較分析，對折彎機的基本機構(gòu)圖和板料的受力進行了簡單的描述，闡述了折彎的基本過程，給出了適合本次任務(wù)的設(shè)計方式，即利用板材液壓折彎機進行產(chǎn)品加工。
第3章 折彎機零部件的設(shè)計計算
§3.1 工作臺的設(shè)計與校核
由第一章的介紹可知，選擇上動式的液壓折彎機，現(xiàn)在我們擬定它的工作參數(shù)：公稱力4000KN，喉口深度400mm，滑塊行程280mm，工作臺長寬4000mm400mm，立柱間距離4000mm，最大開啟高度600mm，快速下降速度為80mm/s，工作速度10mm/s，最大工作壓力25MPa，回程速度50mm/s[4]。
圖3-1工作臺簡圖
對于上圖中B=180mm，H=850mm，h=700mm，b/2=75mm
則工作臺的慣性力矩可計算得：
（3-1）
針對于本設(shè)計，載荷分布均勻，故有：
（3-2）
其中P表示參數(shù)公稱力，L表示參數(shù)工作臺長度。
抗彎截面模量：
（3-3）
（3-4）
支反力：
（3-5）
對于各彎矩則為：
（3-6）
（3-7）
（3-8）
A點的力為：
（3-9）
AC段剪力：
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