DWG4D液压弯管机设计说明书精.docx
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DWG4D液压弯管机设计说明书精
湖南科技大学本科生毕业设计（论文）
第一章液压传动技术的概述
1.1液压传动的基本原理和特征
1.1.1.基本原理：
液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件（液压缸或马达）把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。
其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。
在液压传动中，液压油缸就是一个最简单而又比较完整的液压传动系统，分析它的工作过程，可以清楚的了解液压传动的基本原理。
1.1.2.液压传动的特征：
（1）液压工作介质是在受调节和控制下工作，故可作“传动”之用，亦可作“控制”之用，二者很难截然分开。
（2）液压技术中，与外负载（推理F或转矩T）相对应的液体参数是压力P；与运动速度（或转速n）相对应的液体参量是流量q。
压力p和流量q液压系统中两个最基本的参数，压力的高低取决于负载大小，流量大小取决于速度高低和执行元件的主要尺寸（液压缸径或马达排量）。
（3）如果忽略各种损失，液压传动的力（或转矩）与速度（或转速）彼此无关，既可实现与负载无关的任何运动规律，也可借助各种控制机构实现与负载有关的各种运动规律。
（4）液压传动是以液体的压力能来传递动力的传递并且符合能量守恒定律，压力p与流量q的乘积等于功率P。
（5）液压传动时省力，不省功。
1.2液压传动发展的概况
液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。
迄今，大致经历了启蒙期、发展期、成型期和成熟期四个时期。
尽管当今液压技术面临着来自电气传动及控制技术的新竞争和绿色环保的新挑战，但是由于其独特的技术-1-
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优势，使其在国民经济发展中，将仍然发挥无可替代的重大作用。
如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。
1795年英国约瑟夫·布拉曼（JosephBraman,1749-1814），在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。
1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。
第一次世界大战（1914-1918）后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。
液压元件大约在19世纪末20世纪初的20年间才开始进入正规的工业生产阶段。
1925年维克斯（F·Vikers）发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。
20世纪初康斯坦丁·尼斯克（G·Constantimsco）对能量波动传递所进行的理论及实际研究；1910年对液力传动（液力联轴节、液力变矩器等）方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。
第二次世界大战（1941-1945）期间，在美国机床中有30%应用了液压传动。
应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20多年。
在1955年前后，日本迅速发展液压传动，1956年成立了“液压工业会”。
近20~30年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。
我国的液压工业开始于20世纪50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备。
60年代获得较大的发展，以参透到国民经济各个领域。
在机床、工程机械、农业机械、制造业、冶金、汽车、航空航天、船舶、运输以及军工等都有流体传动和控制技术。
当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、低能耗、长寿命、高度集成化等方向发展。
同时，新元件的应用、系统计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，也取得显著地成果，将推动液压传动技术更先进的方向发展。
目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电液数字控制阀等。
我国的机械制造工业认真消化和推广引进国外先进的液压技术的同时，也在大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压产品，采用逐步淘汰的措施。
由此可见，随着科学技术的迅速发展，液压技术将获得进一步的发展，在各种机械设备上的应用将更加广泛。
1.3液压传动在各领域的应用
汽车工业━━自卸式汽车、高空作业车、消防车等
工程机械━━挖掘机、装载机、推土机等
机床工业━━铣床、刨床、磨床、压力机、组合机床、加工中心等
农业机械━━联合收割机的控制系统等
轻工机械━━注塑机、造纸机、校直机、打包机等
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起重机械━━起重机、吊车、叉车、液压千斤顶等
冶金工业━━电炉控制系统、轧钢机控制系统等
矿山机械━━开采机、提升机、液压支架等
建筑机械━━打桩机、平地机、混凝土输送车、搅拌车等
航空工业━━飞机起落架等
船舶港口机械━━起货机、舵机等
铸造机械━━压铸机、加料机等
筑路机械━━压路机、铺料机等
液压传动在其他方面应用也很广泛，像工业机器人，自动生产线设备等等，在此不再赘述。
1.4液压弯管机的发展状况
我国的弯管机加工工艺从青铜器时代开始萌芽的，并逐渐形成和发展。
从殷商到春秋时期已经有了相当发达的青铜冶铸业出现了各种青铜工具，如：
青铜刀、青铜锉、青铜锯等等。
同时有出土文物与甲骨文记录表明，这个时期生产的青铜工具和生活工具，在制造过程中都要经过切削加工或研磨。
我国的冶铸技术比西欧早一千多年。
表明金属切削加工进入了一个新的阶段。
有记录表明早在三千多年前的商代已经有了旋转的琢玉工具，这也就是金属切削机床的前身。
70年代在河北满城一号汉墓出土的五铢钱，其外圆上有经过车削的痕迹，刀花均匀，切削振动，波纹清晰，椭圆度很小。
有可能将五铢钱穿在方轴上，然后装在木质的车床上，用手拿着工具进行切削。
美国自20世纪60年代就开始使用垂直液压（即立式）弯管机，可以弯制152.4~762mm（6~30英寸）各种壁厚的钢管。
70年代后，冷弯管机的性能进一步完善，同时，弯管内胎研制成功，与冷弯机配套使用，能够弯制薄壁高强度大口径的输油输气管道钢管，最大弯管直径达到1524mm（60英寸）。
原苏联研制冷弯管机基本也是从20世纪60年代开始的，功能与美国机器相仿，但由于其主机液压系统采用卧式机构，平面占用空间较大，运输及现场摆布存在较大困难。
目前，世界上有美国、加拿大和德国等发达国家近10家冷弯机生产厂，所产机型基本结构均为垂直液压式，内胎形式有气动式和液压式两种。
气动式结构内胎优点在于行走速度快、弯管预制效率高，但需要另行配置空气压缩机，系统工作平稳性差，难以控制。
液压式内胎借助于整机液压站，结构紧凑，且液压传动平稳可靠，能够保证管道在预判过程中不发生椭圆变形。
如今我国弯管机的设计特点具有以下显著的特点：
1.
2.
摇臂，其作用是保证弯管弯曲半径符合要求，其夹紧座是限制钢管在弯曲过程中反弹。
矫直辊一是防止在弯曲过程垂直方向变形，与浮动防椭圆夹具配合使用保证-3-
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弯曲后的钢管椭圆度符合要求。
3.
4.
5.
6.导向辊装置一有两组导向辊和机架及夹紧传动系统组成，导向辊开合由液压驱动来完成，其功能是与摇臂共同完成钢管水平方向的弯曲。
推送装置（由小车、床上、传动轴、牵引链等组成）推动钢管前进，在摇臂和导向辊作用下钢管产生弯曲。
驱动装置他是推送装置的动力源泵站分高压和低压的两部分，为导向辊开合、摇臂夹紧座、油缸、推送装置
小车卡盘开合、矫直辊开合提供动力。
随着科学技术的不断发展，弯管机的型式日趋多样化，弯管性能也在大幅度地提高。
微型计算机、单片机、可编程控制器、先进的交流伺服系统以及新型液压元器件和液压技术的应用，使弯管机的功能更趋完美。
液压弯管机是制品成型生产中应用较广泛的设备之一。
自其问世以来，在实际生产中得到广泛的应用。
目前，液压弯管机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，国内外液压弯管机的发展不仅体现在控制系统上，也主要突出在高效化、高速化、低能耗；机电一体化，以充分合理利用机械和电子的先进技术促进整个液压系统的完善；自动化、智能化，实现对系统的自诊断和调整，具有故障预处理功能；液压元件集成化、标准化，以有效防止泄露和污染等四个方面。
液压弯管机在液压系统的油路结构设计方面，国内外趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件，使其结构更加紧凑，更加微型。
我国目前的液压玩管机主要有数控式的、电动的、手动等形式，以适用于不同场合。
我国现在，由于西部的开发，因此在石油、天然气的输送上，采用的都是比较粗的钢管，故需要研制大口径的液压弯管机。
1.5液压系统的组成及分类
1.5.1.液压系统的组成
（1）、动力元件。
将机械能转换成流体压力能的装置，如液压泵。
（2）、执行元件。
将流体的压力能转换成机械能输出的装置，如液压缸、摆动缸、液压马达。
（3）、控制元件。
对系统中流体的压力、流量及流动方向进行控制和调节的装置，以及进行信号转换、逻辑运算和放大等功能的信号控制元件，如溢流阀、流量控制阀和换向阀。
（4）、辅助元件。
保证系统正常工作所需的装置，如油箱、管路、滤油器、管接头蓄能器等。
（5）、工作介质。
用它进行能量和信号的传递，液压系统是以液压油作为工作介质，-4-
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如矿物油等。
1.5.2.液压系统的分类
1.液压缸
车辆用油缸、单作用油缸、液压机油缸、摆动油缸、单作用多级油缸（套筒油缸）还有双作用多级油缸以及弹簧复位油缸等多种。
2.液压马达
液压马达，有齿轮马达、叶片马达、柱塞马达等，就是说几乎定量油泵在理论上均可作为马达作用。
3.低速大扭矩液压马达
（1）内啮合摆线马达。
（2）内曲线液压马达，分轴转和壳转两种型式。
（3）双料盘轴向柱塞马达。
（4）径向柱塞式液压马达。
（5）球塞式低速大扭矩液压马达。
（6）静力平衡低速大扭矩低液压马达。
1.6液压传动的优缺点
1.6.1.液压传动的优点
1）传动平稳在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。
油液有
吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上，例如磨床几乎全都采用了液压传动。
2）质量轻体积小液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。
例如我国生产的1m3挖掘机在采用液压传动后，比采用机械传动时的质量减轻了1t。
3）承载能力大液压传动易于获得很大的力和转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等。
4）容易实现无级调速在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且凋速范围很大，可达2000：
1，很容易获得极低的速度。
5）易于实现过载保护液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过-5-
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载，避免发生事故。
6）液压元件能够自动润滑由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。
7）容易实现复杂的动作采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如仿形车床的液压仿形刀架、数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件。
8）简化机构采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。
9）便于实现自动化液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。
目前，液压传动在组合机床和自动线上应用得很普遍。
10）便于实现“三化”液压元件易于实现系列比、标准化和通用化．也易于设计和组织专业性大批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本。
1.6.2.液压传动的缺点
1）液压元件制造精度要求高由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用维护比较严格。
2）实现定比传动困难液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间不可避免的要有泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。
因此不宜应用在在传动比要求严格的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的传动系统。
3）油液受温度的影响由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下工作。
4）不适宜远距离输送动力由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输送动力。
5）油液中混入空气易影响工作性能油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受到影响。
6）油液容易污染油液污染后，会影响系统工作的可靠性。
7）
发生故障不易检查和排除
1.7液压系统的图形符号
如下图所示，采用了液压系统用的液压图形符号绘制成的工作原理图。
使用了这些图形符号，可使液压系统图简单明了，更加直观，容易理解。
有些液压元件的职能如果无法用这些符号表达时，可以采用它的结构示意图。
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1—油箱；2—滤油器；3—液压泵；4—溢流阀；5—节流阀；6—三位四通手动换向阀；7—液压缸
图1.1液压系统
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1.8电动弯管机
1.8.1电动弯管机的工作原理
多数弯管机的基本工作原理是：
通过确定合理的支点和受力点并施加一定的弯矩或弯曲力，使管材发生塑性变形，从而实现管材的弯曲成形。
本次设计的DWG-4D型电动液压弯管机主要的工作部位由上下花板、锟轴、弯模和液压缸组成，对管材弯曲的方式是推弯。
通过上下花板孔，将各个部件连接起来，形成确定合理支点和受力点。
当液压缸活塞杆带动弯模伸出时，弯模与管材在接触，产生向前的力，而管材受到被上下花板固定的锟轴反作用力，形成力矩。
随着弯模力矩的增大，当达到管材屈服强度极限时，管材产生塑性变形而弯曲。
2.2主要技术参数
曲率半径：
4D
弯管直径范围：
21.3~108mm
管材的壁厚：
2.75~4.5mm
弯曲角度：
90°~180°
最大推力：
300kN
使用电压：
三相交流380V
适用温度：
—20~50°
C
图2.1电动液压弯管机实物图
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第二章管材弯曲
2.1管材的力学性能分析
一般的管材通常为碳素结构钢，该材料受力变形的特点如图所示。
（纵坐标为作用于材料上的力，横坐标为变形量）
当力F小于Fe的时候，材料处于弹性变化阶段，受力移除后材料回复原状；当力F介于Fe和Fs之间的时候，材料处于屈服阶段，受力移除后不能恢复原状；当力F达到Fb的时候，材料达到强度极限，再增加力F，材料本身结构遭到破坏，产生断裂或强度不够产生危险。
D314为管材的横截面积公式，用力F比上W为管材的许用应力，变W32形量比上材料原长度l0为应变量，因此可得相应的许用应力—应变量图（如图
所示）。
此图表现了从加载开始到破坏为止，应力与应变量的对应关系。
由此可见，要是管材弯曲，所受力必须在s与b之间。
若小于e仅仅只是弹性变化，达不到弯曲的目的；若在e与s之间，虽有材料产生塑性变形，但只是材料强度降低，没有破坏材料，正是弯曲管材的所需；若应力大于b时，材料被破坏，成为废品，此时的b成为抗拉强度极限。
管材材料的抗拉极限可从材料手册上查到。
图2.2管材力学性能分析图
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2.2管材弯曲过程的分析
2.2.1胚料受外力矩M弯曲
管材开始是弹性弯曲，胚料的曲率发生变化，其后是变形区内外层首先进行塑性状态，并逐渐向材料中心扩展进行自由弯曲。
期间，管材的外层在切向拉应力的作用下产生拉伸变形，而内层在切向压应力的作用下产生压缩变形。
最后是模具和胚料互相接触并冲击管材的校正弯弯曲，达到所需精度或角度。
而这三个阶段的弯曲力各不相同。
在弹性弯曲阶段的弯曲力相对较小；在自由弯曲阶段的弯曲力比随行程的变化而变化；校正弯曲阶段的弯曲力随行程急剧增加。
如下图：
1—弹性弯曲阶段；2—自由弯曲阶段；3—校正弯曲阶段
图2.3应变阶段
2.2.2管材弯曲过程
（1）、弹性弯曲阶段：
当弯曲力矩不大时，在胚料变形区的内外二表面引起的应力小于材料的屈服强度s，其应力分布如图所示
（2）、弹—塑性弯曲阶段：
当弯曲力矩继续增大时，胚料的曲率半径随着变小，胚料变形区的内外表面，先由弹性变形状态到塑性变形状态，以后塑性变形由内外表面向中心逐步扩展，如图所示。
（3）、纯塑性弯曲阶段：
当弯曲力矩增大时，胚料变形区的材料完全处于塑性变形状态，如图所示。
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图2.4弯曲变形及内切向应力分布图
2.3工件工艺分析
此工作件采用的是直径为108mm，壁厚为4.5mm的无缝钢管作为弯管件，材料为10号钢，其工件如图所示。
弯管件要求不能有裂纹，不能有过大的外凸。
不能有趋纹。
图2.5弯管示意图
2.4管材弯曲的计算及弯管能力的校核
2.4.1弯曲最小半径的确定
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在管材弯曲工艺中，采用不同的弯曲方式来加工管材，其最小弯曲半径也各不相同。
各种方式弯曲管材的最小半径如下表所示：
表2.1管材弯曲时的最小半径r（单位：
mm）
弯曲方式
最小弯曲半径压弯（3~5）D绕弯（2~2.5）D
注：
D为管材外径
本台电动弯管机采用推弯，依据上表可知，最小弯曲半径r为（2.5~3）D，取最大值r=3D。
滚弯6D推弯（2.5~3）D
2.4.2管材中性层曲率半径（）
管材中性层曲率半径根据公式算出，是切应力为零的那一层半径，这对弯曲管材有很大的影响和意义。
其计算公式如下：
rxD
本次设计的DWG-4D型液压弯管机，其自定型号的曲率半径为4D,所以有=4D=108x4=432（mm）
2.4.3管材弯曲力矩的计算
管材的弯曲是一个复杂的工艺过程，很难计算出他需要的弯曲力，采用计算其弯曲力矩。
因而管材弯曲力矩的大小是确定弯管机力能参数的基础，它是根据力学理论分析和推到得到的估算公式。
故弯曲力矩M为:
8br2t4str3
M3
其中
b为抗拉强度
r为管材内径
t为管材壁厚
s为屈服应强度
为中性层的弯曲半径
而根据10号钢的力学性能可知
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抗拉强度b（MPa）:
335
屈服强度s（MPa）:
205
伸长率δ5（%）：
≥31
断面收缩率ψ（%）：
≥55
硬度：
未热处理，≤137HBs
所以取b（MPa）335s（MPa）205
即
83354.599242054.5993
M74918Nm34322.5弯曲管材断面形状的畸变及其防止
在管材弯曲时，不可避免的产生断面形状的畸变。
在中性层外侧因受切向拉应力使其厚度变薄；在中性层内侧因受切向压应力使其厚度变厚，甚至产生受压失稳，使其断面形状完全破坏。
在弯曲实心板材时，径向作用力影响不明显。
而在管材的弯曲中，这种作用力能引起断面形状的明显变形，使圆管在弯曲后变成了椭圆形状，方管成了腹板内凹的断面形状。
这种变形是有害的，实际生产中应尽量减小。
管材形状的畸变可能引起断面的减小，增大流体流动的阻力。
管材壁厚变薄后，降低了管件承受内压的能力。
若其过度的变化，影响管材在结构中的性能效果。
因此，在弯曲管材时，常常采用各种各样的防护措施防止断面形状的畸变。
防止断面畸变的有效方法如下：
1、在弯曲变形区用芯棒支撑断面，防止有害的变形。
2、在弯曲胚内填充颗粒状的介质，流体介质，弹性介质或熔点低的金属等，也可以代替芯棒的作用，起到防止断面形状畸变的作用。
3、阻止腹板在径向压应力作用下产生塌陷的方法，如应用局部加热的无模弯曲方法。
4、把与管材接触的模具表面，按管材的断面形状，做成与之相吻合的沟槽，减小接触面上的压力，阻碍断面的歪扭，是行之有效的方法。
为了获得正确的弯管断面形状，在生产中也时常在弯曲后采用校行工艺方法。
常用的校形工艺有：
在弯管内通以高压液体的液压校形；用钢球压入管内，并使之通过的钢球校形法等。
在本设计中，为防止管材在弯曲的过程中产生断面畸变，采用芯棒的方法，即在弯-13-
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管之前，给管材中插入软的芯棒。
2.6管材弯曲成形的极限
管材弯曲时，变形区里的应力状态和变性特点与板材弯曲变形相同。
但是，由于管材的薄壁结构的断面形状能够引起许多新的问题，如断面形状的畸变、失稳等。
所以管材成形极限也成了一个极为复杂的问题。
管材弯曲成形的极限，包含以下几个方面：
中性层外侧拉伸变形区内最大伸长变形不能超越材料塑性的极限值；
中性层内侧压缩变形区内的受切向压应力作用的薄壁结构部分不致失稳起皱的成形极限；
断面形状畸变的弯曲成形极限；
如果管材有承受内压的强度要求时的变薄极限值。
在制定管材弯曲成形工艺、确定工艺参数时，这四种成形极限的条件都要得到保证。
2.7管材弯曲工艺的关键
1.适当的施加弯曲力或弯曲力矩的方法，确保不致因外载施加不当而引起断面形状的畸变或局部塌瘪。
2.以适当的方法或采取必要的措施防止弯曲变形区内胚料断面形状的畸变。
3.应尽可能用简单的模具和弯曲设备。
4.保证一定的生产率。
2.8管材弯曲的回弹量
管材弯曲时，塑性变形与弹性变形同时存在，当外载荷移除后，弹性变形恢复，因而使工件尺寸与模具尺寸不一致，这种现象称为回弹现象，回弹的大小用回弹量表示。
其影响的因素有很多。
2.8.1主要影响回弹的因素
（1）、材料的力学性能；
（2）、相对弯曲半径rt；
（3）、弯曲角度；
（4）、弯曲方式和模具结构；
（5）、弯曲力矩；
（6）、摩擦的影响；
（7）、管材壁厚的影响。
2.8.2减小回弹量的措施
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（1）、在接近纯弯曲的条件下，可以根据回弹值的计算或经验数据，对弯曲模工作部分的形状作必要的修正。
（2）、利用弯曲胚料不同部位回弹方向不同的规律，适当调整各种影响因素，如模具的圆角半径、间隙、校正力矩、压力等，使相反方向的回弹互相抵消。
（3）、把弯曲凸模做成局部突起的形状，或减小圆角半径部分的模具间隙，使凸模力集中的作用在引起回弹的弯曲变形区，改变其应力状态。
2.9管材弯曲精度的要求及角度的检验
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第三章电动弯管机机械结构的设计
电动弯管机的机械结构在弯曲管材中起着重要的作用，它是整个弯曲机构的核心部件，强度是否足够，关系使用者的人身安全及生产效率。
电动弯管机的机械结构有很多种，是根据采取弯管方式而各异。
我国的弯管机发展已有几十年的历史，基本上能与国际接轨，而弯管机的机械结构的设计日趋成熟，形状与国外并无大异。
本设计中的弯管机的机械结构参照现有的样式设计，只在部分结构不同。
3.1电动弯管机机构原理图
电动弯管机的机构原理是利用上、下花板确定合理的间距将两根锟轴固定，把管材放入弯模与锟轴之间。
当液压缸伸出带动弯模也向前伸出，使管材被牢牢的卡在中间，弯模继续伸出，在弯模与管材接触产生力，即弯曲力矩；而两根锟轴与管材接触点产生反作用力，即支点。
当力不断地增大到管材塑性变形的极限时，管材开始变形弯曲，随弯模形成一定的角
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