制冷热交换器U型管自动成型机毕业设计夹紧机构设计 弯管机主机部分设计.docx

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制冷热交换器U型管自动成型机毕业设计夹紧机构设计弯管机主机部分设计

毕业设计说明书

题目名称：

制冷热交换器U型管自动成型机设计——夹紧机构设计、弯管机主机部分设计

院系名称：

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

20**年03月

摘要

小U型管的弯制方法有很多，相应的设备也有很多，但大多数都是用手动或机械弯管机加工生产出来的，而且多为冷弯。

在实际中通常是根据生产对U管的质量要求选择相应的弯管机进行加工。

本课题旨在寻求一种新的弯管工艺，在保证弯管质量的前提下尽可能提高弯管的速度。

本着以上的目的，本课题研究设计了一款液压全自动U型管弯管机，所加工的管材为硬铜管。

它具有生产效率较高，制造成本低。

整台机器共有以下几部分组成：

送料夹紧和送料机构、弯曲夹紧机构、弯曲机构和切断机构四大部分组成。

除了切断机构是由一台功率为0.37kw的小功率三相异步电动机带动之外，其它的机构均采用了液压传动。

弯管方式采用辗压。

在弯管的过程中，定模保持不动，固定在旋转平台上的动模进行靠模完成管子的加工。

由于主要采用了液压传动的传动方式，和其它的液压设备相同，该液压全自动弯管机在传动上大为简化，缩短了传动链，从而提高了动力的传动效率。

本设备可以一次完成两根管料的同时加工，所以加工效率较高。

另外本设备还有一个很大的特点：

在生产过程中采用了芯轴机构来减弱管子弯曲截面的椭圆度和内壁管子内壁的褶皱。

同时由于芯轴机构中顶推弹簧的顶推作用，弯曲过程中管子外壁的开裂现象得到了很好的解决。

Abstract

TherearemanybendingmethodofSmallU-tube,sothecorrespondingdeviceisalot.Butmostbendingmachineismanualormechanicalprocessing,andmostlyiscold.Inpractice;theselectofbendingmachineisusuallybasedonthequalityoftheproductionrequirementsonUtube.Thistopicseekstofindanewelbowtechnology,inensuringthequalityofpipebendsunderthepremiseofimprovingthespeedasmuchaspossible.

Intheabovepurpose,theresearchdesignofahydraulicautomaticU-tubebendingmachine,theprocessingofcopperpipeashard.Ithashigherproductionefficiency,lowmanufacturingcost.Thewholemachineisatotalofthefollowingcomponents:

Feedingclampingandfeedmechanism,clampbodybending,bendingbodiesandcutoffthebodiesoffourparts.Inadditiontocuttingoffbodybyalow-powerpower0.37kwthreephaseinductionmotordrive,theotheragenciesareusingahydraulictransmission.RollingElbowisadopted.Inthebendingprocess,scheduledtodieremainintact,fixedontherotatingplatform,thedynamicmodelforthetubetocompletetheprocessingbythemodule.

Sincethemainuseofthehydraulicdrivetransmission,andothersimilarhydraulicequipment,automaticbendingmachineofthehydraulicdriveonthegreatlysimplified,reducingthetransmissionchain,resultinginimprovedpowertransmissionefficiency.Thedeviceatonce,whiletwopipematerialsprocessing,sotheprocessingefficiencyishigher.Thedevicealsohasalotoffeatures:

intheproductionprocessusedtoweakenthetubebendingmandrelbodysectionoftheellipticityoftheinnerwallofthetubewallfolds.Atthesametimepushingthemandrelinstitutionspushthespringeffect,theouterwallofthetubebendingprocessofcrackingphenomenonhasbeenwelladdressed.

Keywords:

Bender,Motor,Gear,Rack,Hydrauliccylinder

1管子弯曲方法的选择

1.1管料弯曲变形分析【1】

管料弯曲基本变形机理与板料弯曲加工是相同的，特殊之处在于管料断面是中空的，被折弯的管料外侧与内侧壁厚变化相反。

管料断面的形状变化，内侧管面的褶皱缺陷往往成为管料弯曲加工中的问题。

加工过程中管料断面的形状变化如图1所示，与板料弯曲相似，管料弯曲时，弯曲横断面上，外侧壁厚发生拉伸变形，内侧壁厚发生压缩变形。

当弯曲达到一定程度后，内侧管壁在压应力的作用下仍会失稳而发生皱折，外侧管壁在拉应力的作用下会产生裂纹。

另外，弯管外侧的管壁由于受切向拉伸而向内侧转移，导致管料弯曲后整个断面形状呈椭圆形。

图1.管料弯曲变形示意图

1.2常用弯管方法

管材弯曲成型是直接靠特别的磨具来实现的，通常按模具的特征大致可以分为四类：

●冲模强制成型法，其代表就是用冲床来生产弯管件。

●滚轮弯曲法，常见于电动三辊卷弯机，其特点是只能卷制不同的弧形，目前应用最广的是不锈钢装饰行业。

●滚压法，常见于电动机平台式弯管机，目前液压弯管机械中的双弯机也是采用这种成型方法。

●缠绕式弯曲法，目前市场上所有的单头液压弯管机及数控弯管机采用的都是这种成型法，其特点是产品变形小，基本上可以避免管材表面的划伤，进行有芯弯曲时管材的椭圆度和减薄量都可以控制在最小范围内。

●若按采用芯棒情况又可以分为两类，即有芯棒弯曲法和无芯棒弯曲法，液压弯管机和数控弯管机都是按缠绕式弯曲进行设计的，并都可以进行有芯弯曲和无芯弯曲。

管料的压弯和绕弯示意图：

图2.压弯法弯管示意图图3.管料绕弯示意图

按管子成型方法的不同可以分为以分为：

压（顶）弯、滚弯、回弯和挤弯，回弯又分为辗压式和拉拔式。

1.3小弯曲半径管件的加工

管料弯曲制品断面有一定椭圆度是难免的。

但不同的加工方法（包括是否使用芯棒）对椭圆变化程度影响不同。

用压缩弯曲或回转牵引弯曲法加工，当R/d=2.0时，椭圆率η约为5%（η=（a-b）/a各符号见图1）

管料弯曲的加工极限决定于破裂和折皱缺陷的产生。

一般对于壁厚t和管径d之比较小的薄壁管料，折皱是制约加工极限的主要因素；而采用回转牵引弯曲时，由于整个管料都收拉伸，容易发生破裂，其加工极限决定于是否达到破裂的拉伸极限。

随着工业技术的发展，为了获得紧凑的结构，对减小管子的弯曲半径提出了新的要求。

相对弯曲半径R/d<1.5的管件称为小弯曲半径管件。

这类管件的弯制目前可以采用以下加工方法，但第二和第三种已不属于弯曲变形。

带有轴向顶镦装置的机械冷弯如图4所示：

图5.切向应力叠加

图4.轴向顶镦机械冷弯示意图

如图4所示，为了改善小弯曲半径弯头的质量，采用顶镦装置，即在管子末端施加了轴向推力。

在轴向推力的作用下，可以使管子外侧拉伸区的切向拉伸应力由+σ1减小大+σ3，使弯曲中性线外移（图5中由R2移到R1）.这样，弯头截面的畸变和外侧壁厚减薄都得到改善。

但内侧压缩区的压缩应力-σ1增大至-σ3，这样将增加内壁产生皱折的可能性，为此在内侧加防皱板。

轴向推力的大小根据具体要求而定。

通常以中性线外移至等于平均弯曲半径的原则来确定。

1.4弯曲方法的拟定

由于本设备所加工的是制冷热交换器用的薄壁小径铜管U型弯头，所以初步拟定采用辗压式的加工方法。

管子弯曲过程弯曲意图如图6所示：

图6.管子弯曲过程示意图

2弯管机的总体设计拟定

2.1弯管机的总体机拟定及分析【2】

弯管机的总体构思如图7所示

图7弯管机的总体工作示意图

2.2弯管机总体机构的划分

弯管机的总体结构可以分为送料夹紧、送料、弯曲夹紧、靠模弯曲和切断机构五个部分。

弯曲夹紧、弯曲靠模以及动模的运动考虑采用液压缸液压传动来实现，传动链简短而且机构简单易于实现。

切断机构采用小电机驱动锯片旋转来实现。

3弯管机各机构的选择和设计

3.1靠模弯曲机构的设计【3】

动模固定在旋转平台上，而定模固定在主机机体上，靠模过程靠动模和定模的相对运动来实现，定模在靠模过程中保持不动，动模绕着定模和导槽旋转中心所在的轴线旋转。

旋转平台的运动由一个液压缸驱动。

管子内壁受到挤应力的作用，外壁受拉应力的作用，从而弯曲形成U型管。

旋转平台旋转运动的实现：

由一个大液压缸推动齿条滑动，齿条与直齿圆柱齿轮相啮合把转矩传递到齿轮安装轴上，轴和旋转平台间通过键连接，从而带动旋转平台实现转动，动模固定在旋转平台上随旋转平台一块转动。

如图8所示：

图8.弯管机工作原理示意图

3.2定模和夹块运动的设计

定模和夹块在各自轴线方向上的运动均由一个小行程液压缸驱动，当送料机构把管料送到夹块所在位置处时，处于远距离的夹料液压缸推动弯曲夹紧机构的夹块向前移动完成弯曲夹紧这一动作。

弯曲夹紧动作完成后，动模液压缸推动动模沿轴向移动完成合模动作。

并保持合模状态，直到U管弯制成功再复位。

3.3弯管辅助机构——芯轴的设计

由于该管材为小内径薄壁铜管，在弯曲过程中容易出现管子内壁褶皱的状况，所以拟采用芯轴对管子的弯曲褶皱进行矫正。

常用的芯轴的结构形式有圆头式、尖头式、勺式、单向关节式、万向关节式和软轴式。

本设计拟采用圆头式，因为它结构简单，制造方便。

其结构形式如下所示：

图9.圆头式芯轴

3.4顶镦装置的设计

由于管子在弯曲过程中经常出现外壁拉裂的情况所以考虑采用一个顶镦装置给管子施加轴向的一个推力，来改善管子拉裂状况。

此顶镦装置主要由两个受压的弹簧作用，送料时管料被送到顶镦装置的左挡板处，放在两挡板中间的两个弹簧受压，产生反方向的推力作用于管子的轴线上，从而起到减弱管子弯曲过程中外壁的拉应力，减弱管子的拉裂。

3.5切断机构的设计

由于所切除的是外经小而且壁厚很薄的小铜管，可以考虑的切割方式有以下两种：

●由机械传动用锯条切割，特点是切割机构所占空间较大，且机械传动复杂。

●由一台小功率电动机直接带动合金工具钢锯片高速旋转进行切割。

特点是传动简单，管子切割截面处得变形小。

综合考虑采用方案2。

由于机构相互位置关系的影响，切断机构还必须有轴向方向的移动。

轴向的移动采用一个液压缸驱动。

4齿轮齿条的参数计算和选定

4.1齿轮的拟定

旋转轴的运动由齿条和齿轮啮合，齿轮转动带动轴运动完成。

由于该弯管机属于轻负载机械，旋转平台的转动速度约为N平台=10r/min，所以直齿圆柱齿轮齿轮即可满足设计要求。

初选齿轮的参数如下：

模数

m=2,z=30，分度圆压力角α=20°

齿距：

P=πm=3.14×2=6.28mm

齿顶高：

ha=m=2mm

齿根高：

hf=1.25m=2.5mm齿高：

h=2.25m=4.5mm

齿顶圆直径：

da=m（z+2）=64mm

分度圆直径：

d=mz=60mm

齿根圆直径：

df=m（z-2.5）=55mm

分度圆周长：

c=πd=188.4mm

4.2齿条的参数计算和拟定

模数m=2，压力角α=20°

齿顶高：

ha=m=2mm

齿根高：

hf=1.25m=2.5mm齿条长度L≥C/2=99.2mm

初选L=120mm

5液压缸的设计

5.1液压缸主要参数的初步计算和拟定【4】

由于本弯管机的弯曲部分的弯曲夹紧力和动模的压料力都比较小，为了设计和计算的方便，初步拟定弯曲夹紧部分的夹紧液压缸和压料液压缸采用同种型号。

初定小液压缸的工作力大小为F=500N。

●此液压缸的压力按低压来设计。

初定压力为P=3.0MPa,液压缸的额定工作压力大小为Pn=3.0MPa。

●最高允许工作压力为Pmax≤1.5Pn=1.5×3.0=4.5MPa

●初步选定液压缸内径为D=20mm

●初步拟定液压缸的外径d=30mm

●活塞杆的直径初定为d杆=10mm

●初定液压缸的行程L=50mm

由以上各数据可以计算得到液压缸向前推进时推力大小为：

F=P（A1-A2）×10^6

A1=π×（d／2）^2A2=π×（D／2）^2

经计算得推力F=706.86N

5.2液压缸的验算

由于该液压缸尺寸较小，为了加工制造的方便，缸筒材料采用ZG230-450，缸筒与两端盖间采用内螺纹联接。

●缸筒壁厚的验算

前面初定液压缸的外径d=30mm,内径D=20mm,壁厚δ=5.0mm

缸筒壁厚δ=δ0+C1+C2（C1、C2分别为缸筒外径公差余量和腐蚀余量）

δ/D=0.25＞0.08，符合δ/D=0.08~0.3的情况

δ0≥PmaxD/（2.3σp-3Pmax）

ZG230-450材料的许用应力σp=σb/n（取安全系数n=5）

σp=108MPa

计算可得δ0≥0.38mm

●缸筒底部厚度的验算

δ1=PD0βm/（4σp）

径计算得δ1=0.625mm

δ=5.0mm＞0.625mm，所以满足要求

5.3液压缸各部分结构形式的拟定

5.3.1缸筒与端盖联接方式的确定

常用的缸筒与端盖的联接方式有三种：

●拉杆型液压缸结构简单，制造和安装方便，缸筒是用内径经过研磨的无缝钢管半成品，按行程要求的长度切割。

端盖和活塞均为通用件。

但这类缸受行程长度、缸内径和额定工作压力的限制。

当行程即拉杆长度过长时，安装时容易偏歪，致使缸筒端部泄露。

这类缸的一个很大的特点是缸的外形尺寸比较大。

●焊接型液压缸缸体有杆侧的端盖与缸筒之间为内外螺纹联接、内外卡环、卡圈联接，后端盖与缸筒常采用焊接联接。

这类缸暴露在外面的零件较少，外表光洁，外形尺寸小，能承受一定的冲击负载和恶略的外界环境条件。

但由于前端盖螺纹强度和预紧时端盖对操作的限制，因此不能用于过大的缸内径和较高的工作压力。

缸内径常用于D≤200mm,额定压力Pn≤25MPa。

●法兰型液压缸缸体的两个端盖均用法兰螺钉（螺栓）联接；缸底为焊接，而缸前盖用法兰联接的结构。

这类缸的外形尺寸较大，适用于大中型液压缸，缸内径通常大于100mm，额定工作压力Pn=25~40MPa，能承受较大的冲击负荷和恶劣的外界环境条件，属于重型缸，多用于重型机械、冶金机械。

本设计所研究的弯管机是轻负载型机械，而且由于弯曲夹紧机构、切断机构以及动模的靠模运动的影响，该液压缸的外形适于采用小型的液压缸。

初步选定液压缸缸筒与端盖的联接方式为焊接型液压缸。

由于该液压缸的外径和内径较小，承受的工作压力小，缸筒与两端盖的联接方式都采用螺纹联接的方式。

并且易于拆卸维修。

5.3.2活塞结构形式的选取

由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复运动，因此它与缸筒间的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。

配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。

活塞的结构形式根据密封装置来选定。

常用的活塞结构形式有整体式活塞和组合式活塞。

整体活塞在圆周上开沟槽，安置密封圈，结构简单，但是加工比较困难，密封圈安装时也容易拉伤和扭曲。

组合式活塞结构多样，主要受密封形式决定。

组合式活塞大多数可以多次拆装，密封件使用寿命长。

随着耐磨的导向环的大量使用，多数密封圈与导向环大量使用，大大降低了活塞的加工成本。

综合考虑活塞的选用条件，该小型液压缸可以采用整体式活塞。

因为该液压缸工作环境为低压、行程较短且液压缸的尺寸小。

活塞与液压缸缸筒内径的配合采用小间隙配合。

5.3.3活塞杆的结构拟定以及直径的计算

●活塞杆的杆体由两种：

实心杆和空心杆。

该液压缸的活塞杆直径较小所以应采用实心杆。

●由于缸工作时轴线固定不动，所以活塞杆的杆头联接形式采用小螺栓头形式。

活塞杆的材料采用45钢，调质处理。

●活塞杆直径的拟定：

活塞杆是液压缸传递力的重要零件，它承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等多种作用力，必须有足够的强度和刚度。

对于无速比要求的液压缸，其活塞杆直径d可以根据往复运动速比

（无杆侧和有杆侧的面积比）来确定。

d=D

m

（1）

本设计对液压缸无速比要求，可根据液压缸的推力和拉力确定，也可以根据公式：

mD——缸筒内径

计算得d=20/3~20/5mm，由于该活塞杆的直径较小所以为了加工制造的方便将d圆整为d=10mm。

●活塞杆的强度计算

活塞杆的工作压力稳定，只受轴向推力，所以可以按公式2来对活塞杆进行简单的强度验算：

MPa

（2）

（3）

经计算得

=1360MPa

=6.37MPa，

＜

所以满足设计要求

5.3.4活塞与活塞杆的联接以及活塞的密封

活塞与活塞杆的联接方式有许多种形式，常用的由三种：

卡环型、轴套型和螺母型。

卡环型拆装方便，在低速时使用广泛。

本设计活塞与活塞杆联接方式采用卡环型。

由于该液压缸工作压力低，推力小活塞的密封以及缸筒与端盖的密封采用简单的O型密封即可满足要求。

5.3.5导向套的选择

导向套安装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。

外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘以及水分带到密封装置处，损坏密封装置。

导向套的典型结构有轴套式和端盖式两种。

本设计采用轴套式导向套，材料采用磨差系数小耐磨的青铜。

导向套主要尺寸的计算：

导向套的主要尺寸是支撑长度，通常按活塞杆直径、导向套的型式、导向套材料的承压能力、可能遇到的最大侧向负载等因素来考虑。

通常可采用两端导向段，每段宽度一般约为d/3，两段中活塞杆导向套尺寸配置线间距离取2d/3。

由于该液压缸的尺寸小，工作压力低，对导向的要求也比较低，所以导向套可以做成整体式的，长度为L=d（活塞杆直径）=10mm。

6大液压缸的选择

本设计中驱动旋转轴旋转和切断电机横向移动的两个液压缸的工作力比较大，为了设计和计算的方便，将两个液压缸选为同一型号的液压缸，但是对两缸的活塞杆行程要求不同，因此拟选取两个同型号不同行程的液压缸作为两个工作液压缸。

本设计拟采用轻型拉杆式液压缸。

轻型拉杆式液压缸，缸筒采用无缝钢管，根据工作压力不同，选择不同壁厚的钢管，其内径加工精度高，重量轻，结构紧凑，安装形式多样，且易于变换，尤其是具有良好的低速性能。

压力范围从

MPa。

广泛应用在机床、轻工、纺织、塑料加工、农业机械等设备上。

●压力的选定由于本设备的负载较小，压力的选定应为中低压。

初选液压缸的额定工作压力为7MPa，在实际使用时，可以根据需要对液压缸的工作压力进行调节，但不宜大于7MPa。

最高工作压力为10.5MPa。

●允许最高工作速度为Vmax=300mm/s

●最低工作速度为Vmin=8mm/s

●最高使用温度为

℃

●缸径为D=32mm

●由于该液压缸是轻型所以活塞杆直径应取为D杆=16mm

●推力大小为F=5.63KN

●液压缸的安装方式均为轴向底座式

●行程的选定切断电机移动用行程为50mm的液压缸；旋转轴驱动用行程为120mm的液压缸。

所以大液压缸的型号选定为：

切断电机移动用B-LB-1-32-D-7-N-50-A

旋转轴驱动用B-LB-1-32-D-7-N-120-A

7切断电机的选择以及计算【5】

切断机构由一台小功率三相异步电动机带动锯片高速旋转，完成管件的切割加工。

拟选用YS系列三相异步电动机（JB/T1009--2007）71系列，铁心数为2，额定功率P=370W，n=1400r/min。

电机的额定转矩为T=2.4N/m。

安装型式为IMB3型。

●电机负载的分析：

本切断机构的作用是切断最大外径d=16mm,壁厚为δ=2.5mm的铜管。

根据工作状况知电机的负载式冲击性负载，而且是短时的无需调速。

根据《机械设计手册——减（变）速器•电机与电器》表16-1-7，生产机械的负载特性n=f（TL）的分类应属于恒转矩反抗性负载。

按照一般要求电机电压选用380V。

●初选电机功率

此电机的工作按一般旋转运动的机械来考虑。

粗略估计负载的转矩大小为T=2.0N/m,取锯片转速n=1400r/min

（3）

切断类机械的负载功率按一般旋转类机械来设计考虑，按公式3计算可得该切断机构的负载功率为

P=0.293Kw

及电机的额定功率P应满足P≥0.293Kw，转速为n=1400r/min,满足此条件的小功率电动机由两种如下表所示：

电机型号

机座代号

功率P/Kw

额定电压U/V

额定转速n/（r/min）

堵转电流Ie/A

Ys

71

370

380

2800

0.96

Ys

71

370

380

1400

1.12

相比之下Ys系列，n=1400r/min的电动机的额定转矩略大于n=2800r/min的电机，而且n=1400r/min完全满足使用要求。

故选用n=1400r/min,机座号为71，额定功率P=370W的电动机作为切断电机。

8芯轴工艺尺寸以及冷弯工艺参数的计算

8.1常用芯轴的工艺尺寸

8.1.1芯轴的直径

芯轴的直径d=Dn-（δD+2δS）mm（4）

式中δD——管子直径的下偏差绝对值，一般可取为

δD=0.01DwmmDw为管材的外径Dn为管子的内径

δs=0.1smmS为管壁的厚度

图10.常用芯轴的位置和尺寸

Dw=16mm，Dn=12mm,S=2mm

经计算得

δD=0.16mm,δs=0.2mm,d=11.44mm，圆整后取d=12mm

8.1.2芯轴的长度L

L=（3~5）dmm当d大时，系数取小值，反之取大值。

经计算得L=36~60mm,取L=45mm

本设计采用涂油润滑的方式，弯管时必须涂油润滑或采用