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河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)
指導(dǎo)教師：孫有亮
設(shè)計(jì)題目：蛇形管彎管機(jī) 設(shè)計(jì)人：劉海洋
設(shè)計(jì)項(xiàng)目
計(jì)算與說(shuō)明
結(jié)果
第1章前言
1.1管材彎曲加工的種類(lèi)和技術(shù)現(xiàn)狀
1.1.1滾彎曲
1.1.2模彎曲
1.壓彎
2.推彎
3. 繞彎
1.1.3 無(wú)模彎曲
1.1.4 熱應(yīng)力彎曲
1.1.5激光成形彎曲工藝
1.2彎管工藝分析及常見(jiàn)的彎管缺陷
1.2.1彎管工藝分析
1.2.2常見(jiàn)的彎管缺陷及解決措施
1.3本文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
第1章 前言
1.1管材彎曲加工的種類(lèi)和技術(shù)現(xiàn)狀
管材彎曲加工的方法很多。按成形方法區(qū)分，主要有滾彎曲,模彎曲和無(wú)模彎曲三種。按彎曲時(shí)加熱與否，可分為冷彎曲和熱彎曲。按彎曲時(shí)有無(wú)填充物，又分為有芯彎管和無(wú)芯彎管。近年來(lái)，彎管彎曲成形技術(shù)取得了新進(jìn)展，相繼開(kāi)發(fā)出了零半徑鋼管彎曲加工，熱應(yīng)力彎曲和激光彎曲成形等最新技術(shù)。
1.1.1滾彎曲
滾彎時(shí)用三個(gè)驅(qū)動(dòng)輥輪對(duì)管材進(jìn)行彎曲加工的加工方法，其工作原理如下圖1-1所示。滾彎方法及滾彎?rùn)C(jī)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滾輪具有與彎曲管坯斷面形狀相吻合的工作表面。通過(guò)改變滾輪的間隔，就可作各種曲率半徑的彎曲，尤其對(duì)彎制環(huán)形或螺旋線形彎管件特別方便。不過(guò)，滾彎方法對(duì)彎曲半徑有一定的限制，僅適用于曲率半徑要求大的厚壁管件。
圖1－1 滾彎工作原理圖
1.1.2模彎曲
模彎曲是一種鋼管在彎曲模型中實(shí)現(xiàn)彎曲的成形過(guò)程，它包括壓彎，推彎和繞彎三種方式。
1. 壓彎
壓彎是最早用于管材彎曲加工的工藝方法。如下圖1-2所示，它是在液壓機(jī)上利用模具或胎具對(duì)管坯進(jìn)行彎曲加工。壓彎方法既可以彎制帶直段的管件，又可以彎制彎頭。由于壓彎具有生產(chǎn)效率高，模具調(diào)整簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，故在生產(chǎn)中一直被廣泛應(yīng)用。
圖1－2 壓彎原理示意圖
2. 推彎
推彎是在一般壓力機(jī)，液壓機(jī)或?qū)Ｓ猛浦茩C(jī)上進(jìn)行彎曲加工，主要用于彎制彎頭。推彎包括型模式冷推彎管和芯棒式熱推彎管。型模式冷推彎管是在普通液壓機(jī)或曲柄壓力機(jī)上，利用金屬的塑性，在常溫狀態(tài)在將管坯壓入帶有彎曲型腔的型模中，從而形成彎頭。型模式冷彎管裝置如下圖1-3a所示，芯棒式特推彎管是在專(zhuān)用推制機(jī)上，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(kuò)張和軸向彎曲變形，從而將較小直徑的管坯推制成較大直徑的彎頭,原理如下圖1-3b所示。
圖1－3a 型模式冷推彎管示意圖
圖1－3b 芯棒式熱推彎管
3. 繞彎
繞彎使最常用的彎管方法，包括碾壓式和拉拔式，其工作原理如下圖1-4所示，按彎管設(shè)備的不同，繞彎又可以分為手工彎管和彎管機(jī)彎管兩類(lèi)。
手工彎管是利用簡(jiǎn)單的彎管裝置對(duì)管坯進(jìn)行彎曲加工。它不需要專(zhuān)用的彎管設(shè)備，彎管裝置制造成本低，調(diào)節(jié)使用方便，但勞動(dòng)量大，生產(chǎn)率低，主要應(yīng)用于小批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。
（a） （b）
圖1－4 繞彎工作原理圖
（a） 輾壓式 （b） 拉拔式
彎管機(jī)彎管是在立式或臥式彎管機(jī)上進(jìn)行冷態(tài)彎曲加工，是用得最多的一種彎管方式。目前，彎管機(jī)彎管主要包括有芯彎管，無(wú)芯彎管和頂壓彎管三種工藝方法。
有芯彎管是在彎管機(jī)上利用芯棒使管材沿彎曲模胎繞彎的工藝方法，其工作原理如下圖1-5所示，彎曲模胎4固定在機(jī)床主軸上并隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，管坯5的一端由夾持塊3壓緊在彎曲模胎上。在管坯與彎曲模態(tài)的相切點(diǎn)附近，其彎曲模胎逐漸成形。管件的彎曲角度由擋塊控制，當(dāng)彎曲模胎轉(zhuǎn)到管件要求的角度時(shí)，則撞擊擋塊，使彎曲模胎停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖1－5 有芯彎管原理圖
1. 壓塊 2. 芯棒 3. 夾持塊 4.彎曲模胎 5. 管坯
無(wú)芯彎管工作原理如下圖1-6所示，它的結(jié)構(gòu)比有芯彎管簡(jiǎn)單，工作原理與有芯彎管相同，只是沒(méi)有芯棒支撐內(nèi)管壁，而是在管坯進(jìn)入彎曲變形前，預(yù)先利用反變形裝置（如反變形滾輪和反變形滑槽）給以管坯一定量的反向變形。在彎曲后，由于不同方向變形的相互抵消，使管坯截面基本保持圓形。無(wú)芯彎管與有芯彎管相比，既提高了生產(chǎn)率，又避免了芯棒的消耗，省卻了管內(nèi)的潤(rùn)滑。
圖1－6 無(wú)芯彎管原理圖
1. 彎曲模胎 2. 夾持塊 3. 滾輪 4. 導(dǎo)向輪 5. 管坯
1.1.3無(wú)模彎曲
隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，管道的規(guī)格和用材也在向大型化和高強(qiáng)度發(fā)展。目前，600MW的火力發(fā)電機(jī)組的主蒸汽管路的直徑已達(dá)663mm，壁厚達(dá)103mm，材料為12CrMoV高溫合金鋼。對(duì)于這種達(dá)口徑，厚壁及高強(qiáng)度鋼管的彎制加工，最適宜的方法就是無(wú)模彎曲。
無(wú)模彎曲使利用局部加熱代替彎曲模具和芯棒等工具進(jìn)行彎曲加工的方法。按加熱方式的不同，可分為中頻感應(yīng)彎管和火焰加熱彎管兩種。中頻彎管原理如下圖1-7所示，它是將中頻感應(yīng)圈套在管坯上，依靠中頻感應(yīng)電流將管坯加熱到所需的高溫，隨即對(duì)加熱部分進(jìn)行彎曲，并在彎曲后緊接著噴水冷卻，從而獲得所需的管件。火焰彎管的原理與中頻彎管相同，只不過(guò)是用火焰加熱圈代替了中頻感應(yīng)圈來(lái)加熱管坯。
圖1－7 中頻彎管原理圖
1. 管坯 2. 支撐滾輪 3. 感應(yīng)圈 4. 夾頭 5. 轉(zhuǎn)臂
無(wú)模彎曲不需要模具，彎管成形質(zhì)量好，彎管能力強(qiáng)，具有生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。由于無(wú)模彎曲的彎曲力臂自由回轉(zhuǎn)，彎曲半徑可隨彎曲力臂長(zhǎng)度的變化任意改變，故其適應(yīng)性比其他彎曲方法強(qiáng)。同時(shí)，由于加熱線圈與管材的形狀無(wú)關(guān)，故利用無(wú)模彎曲代替彎模成形，可以巧妙地解決異形鋼管的彎曲加工問(wèn)題。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都已開(kāi)發(fā)出原子能發(fā)電廠使用的不銹鋼管和橋梁建筑行業(yè)使用的大，中型光管的無(wú)模彎曲成形技術(shù)和全自動(dòng)CNC三維彎曲成形生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線利用CAD/CAM進(jìn)行配管設(shè)計(jì)及全線計(jì)算機(jī)控制，以擴(kuò)大彎管加工范圍，并使管坯供給，準(zhǔn)備，彎曲加工及配管組合后的焊接，切斷和檢測(cè)等工序全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。
1.1.4熱應(yīng)力彎曲
熱應(yīng)力彎曲是一種利用工件內(nèi)部溫度分布不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)工件變形的特殊的成形方法，具有無(wú)外力，無(wú)模具，便于現(xiàn)場(chǎng)操作等優(yōu)點(diǎn)。通常產(chǎn)生熱應(yīng)力的方法是對(duì)工件進(jìn)行局部加熱或冷卻。加熱方式包括火焰局部加熱和加熱爐內(nèi)整體加熱；冷卻方式剝奪空冷，噴水冷卻及浸水冷卻。
由于鋼管的形狀所致，采用火焰加熱和噴水冷卻的方案難以形成合適的溫度場(chǎng)，工藝過(guò)程不易控制。其效果如下圖1-8所示
圖1－8 鋼管的熱應(yīng)力彎曲
如圖1－8所示，管的熱應(yīng)力彎曲工藝是：先將管子整體加熱到某一高溫，然后一定速度水平進(jìn)入水中，直至管件完全冷卻。其彎曲變形特點(diǎn)是：
1.外弧的彎曲程度無(wú)明顯差別；
2.管件截面發(fā)生扁化，即管件沿彎曲半徑方向的截面尺寸大于垂直彎曲平面方向的截面尺寸；
3.管件彎曲程度和截面扁化成都隨加熱溫度的增高而增大；
4.長(zhǎng)度直徑比值較大的管件，其彎曲效果好；
5.提高工件的初始溫度，增加整體加熱――浸水冷卻的次數(shù)，可獲得較大的彎曲變形量。
1.1.5激光成形彎曲工藝
激光成形是一種利用激光束照射材料表面式形成的內(nèi)部非均勻熱應(yīng)立場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料成形的新技術(shù)。通過(guò)調(diào)整激光加工工藝參數(shù)和選擇合適的掃描詭計(jì)就能成形任意的彎曲件，異形件和其他復(fù)雜的三維曲面等零件。與常規(guī)成形相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：
1.激光成形為無(wú)模成形，因而生產(chǎn)周期短，柔性大，特別適合小批量的大型零件生產(chǎn)；
2.機(jī)關(guān)成形為非接觸式成形，變形時(shí)無(wú)外力作用，因而不產(chǎn)生回彈變形和由此帶來(lái)的問(wèn)題；
3.激光成形屬熱態(tài)變形，總的變形由多次掃描累積而成，故能夠成形在常溫下不易成形的難變形材料。
鋼管的激光成形方法比較復(fù)雜，根據(jù)所要彎曲的幾何形狀不同，采取的激光照射方法也大不相同。一般是先通過(guò)精確的有限元計(jì)算，然后確定照射方法和照射區(qū)域及工藝參數(shù)。通過(guò)選擇不同的照射區(qū)域就可以形成扁化多端的形狀。
激光彎曲成形加工成本較高，目前還未應(yīng)用于工程實(shí)際。但是，由于它的先進(jìn)性和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在不久的將來(lái)必將獲得廣泛的應(yīng)用。
1.2彎管工藝分析及常見(jiàn)的彎管
1.2.1彎管工藝分析
管材彎曲與板材彎曲相比，雖然從變形性質(zhì)等方面看非常相似，但由于管材空心橫斷面的形狀特點(diǎn)，彎曲加工時(shí)不僅容易引起斷面形狀發(fā)生變化，而且也會(huì)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(diǎn)，產(chǎn)品的缺陷形式和防止措施，彎曲用模具及設(shè)備等方面，兩者之間存在很大差別。
我們知道在純彎曲的情況下，外徑為D，壁厚為S的管子受外力距M的作用而彎曲時(shí)，彎曲變形區(qū)的外磁材料受到切向拉伸應(yīng)力作用而伸長(zhǎng)，從而使外測(cè)管壁減??；內(nèi)側(cè)材料則受到切向壓應(yīng)力的作用而縮短，從而使內(nèi)側(cè)管壁增厚，（見(jiàn)下圖）。
圖1－9 管材純彎曲時(shí)的受力情況
由于位于彎曲變形區(qū)最外測(cè)和最內(nèi)側(cè)的材料所受的切向應(yīng)力最大，故其管壁的厚度變化也最大，因此，外側(cè)管壁會(huì)過(guò)量減薄(見(jiàn)下圖a)。當(dāng)變形程度過(guò)大時(shí)，最外側(cè)管壁會(huì)產(chǎn)生裂紋（見(jiàn)下圖b）,最內(nèi)側(cè)管壁會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)而起皺（見(jiàn)下圖c）。同時(shí)，由于彎曲內(nèi)外側(cè)管壁上切向應(yīng)力在法向的合力（外側(cè)切向拉應(yīng)力的合力N1向下，內(nèi)側(cè)切向壓應(yīng)力的合力N2向上）的作用，使彎曲變形區(qū)的圓管橫截面在法向受壓而產(chǎn)生畸變，即法向直徑減小，橫向直徑增大，從而成為近似橢圓形（見(jiàn)下圖d）。變形程度越大，則畸變現(xiàn)象越嚴(yán)重。另外，由于拉應(yīng)力過(guò)渡到壓應(yīng)力的彈性階段的存在，卸載時(shí)外層纖維因彈性恢復(fù)而縮短，內(nèi)層纖維因彈性恢復(fù)而拉長(zhǎng)，結(jié)果使工件彎曲的曲率和角度發(fā)生顯著變化，與模具的形狀和設(shè)計(jì)要求的形狀不一致，造成彎曲回彈現(xiàn)象，降低了彎曲件的工藝精度。
圖1－10常見(jiàn)的彎管缺陷
（a） 圓弧外側(cè)壁過(guò)量減薄 （b） 圓弧外側(cè)彎裂
（c） 圓弧內(nèi)側(cè)起皺 （d） 斷面形狀畸變
1.2.2常見(jiàn)的彎管缺陷及解決措施
從上述工藝分析可知，常見(jiàn)的彎管缺陷主要有一下幾種形式：圓弧處變扁嚴(yán)重（橢圓形），圓弧外側(cè)管壁減薄量過(guò)大，圓弧外側(cè)彎裂，圓弧內(nèi)側(cè)起皺及彎曲回彈等。隨著彎管半徑的不同，前四種缺陷產(chǎn)生的方式及部位有所不同，而且不一定同時(shí)發(fā)生，而彎曲工件的彈性回彈卻是不可比避免的。
彎管缺陷的存在對(duì)彎制管件的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。管壁厚度變薄，必然降低管件承受內(nèi)壓的能力，影響其使用性能；彎曲管材斷面形狀的畸變，一方面可能引起橫斷面積減小，從而增大流體流動(dòng)的阻力，另一方面也影響管件在結(jié)構(gòu)中的功能效果；管件內(nèi)壁起皺不但會(huì)削弱管子強(qiáng)度，而且容易造成流動(dòng)介質(zhì)速度不均，產(chǎn)生渦流和彎曲部位積聚污垢，影響彎制管件的正常使用；回彈現(xiàn)象必然使管材的彎曲角度大于預(yù)定的角度，從而降低彎曲工藝精度。因此，應(yīng)在彎制之前采取對(duì)應(yīng)措施防止上述缺陷的產(chǎn)生，以獲得理想的管件，保證產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)和外觀質(zhì)量。
在通常情況下，對(duì)于前面提到的幾種常見(jiàn)缺陷，可以有針對(duì)性地采取下列措施：
1.對(duì)于圓弧外側(cè)變扁嚴(yán)重的管件，在進(jìn)行無(wú)芯彎管時(shí)可將壓緊模設(shè)計(jì)成有反變槽的結(jié)構(gòu)形式；在進(jìn)行有芯彎管時(shí)，應(yīng)選擇合適的芯棒，正確安裝，并在安裝模具時(shí)保證各部件的管槽軸線在同一水平面上。
2.小半徑彎管時(shí)圓弧外側(cè)減薄是彎曲的工藝特點(diǎn)決定的，是不可避免的。為了避免減薄量過(guò)大，常用的有效方法是使用側(cè)面帶有助推裝置或尾部帶有頂推裝置的彎管機(jī)，通過(guò)助推或頂推來(lái)抵消管子彎制時(shí)的部分阻力，改善管子橫剖面上的應(yīng)力分布狀態(tài)，使中性層外移，從而達(dá)到減少管子外側(cè)管壁減薄量的目的。
3.對(duì)于管子圓弧外側(cè)彎裂的情況，首先應(yīng)保證管材具有良好的熱處理狀態(tài)，然后檢查壓緊模的壓力是否過(guò)大，并調(diào)整使其壓力適當(dāng)，最后應(yīng)保證芯棒與管壁之間有良好的潤(rùn)滑，以減少?gòu)澒茏枇肮茏觾?nèi)壁與芯棒的摩擦力。
4.對(duì)于圓弧內(nèi)側(cè)起皺，應(yīng)根據(jù)起皺位置采取對(duì)應(yīng)措施。若是前切點(diǎn)起皺，應(yīng)向前調(diào)整芯棒位置，以達(dá)到彎管時(shí)對(duì)管子的合理支撐；若是后切點(diǎn)起皺，應(yīng)加裝防皺塊，使防皺塊安裝正確，并將壓模力調(diào)整至適當(dāng)；若圓弧內(nèi)側(cè)全是皺紋，則說(shuō)明所使用的芯棒直徑過(guò)小，使得芯棒與管壁之間的間隙過(guò)大，或者就是壓模力過(guò)小，應(yīng)更換芯棒，并調(diào)整壓模塊使壓模力適當(dāng)。
5.對(duì)于彎曲回彈現(xiàn)象，主要采用補(bǔ)償法和校正法來(lái)加以控制。補(bǔ)償法是通過(guò)綜合分析彎曲回彈的影響因素，根據(jù)彎曲時(shí)的各種條件和回彈趨勢(shì)，預(yù)先估算回彈量的大小，在設(shè)計(jì)制造模具時(shí)，修正凹凸模工作部件尺寸和幾何形狀，實(shí)現(xiàn)“過(guò)正”彎曲。校正法是在模具結(jié)構(gòu)上采取措施，使校正力集中在彎角處，改變應(yīng)力狀態(tài)，力圖消除彈性變形，克服回彈。如拉彎工藝，在彎曲的同時(shí)施加拉力，使整個(gè)斷面都處于拉應(yīng)力的作用下，卸載時(shí)彈性回復(fù)與變形方向一致，可明顯減小回彈量。
1.3本文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
1. 對(duì)彎管工藝進(jìn)行工藝分析，指出常見(jiàn)的五中彎管缺陷并提出相應(yīng)的解決措施；
2. 新型蛇形管彎管機(jī)的方案設(shè)計(jì)，包括機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
3. 分析管材彎曲變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，建立管材彎曲力矩的計(jì)算公式，對(duì)加緊模和管坯夾持部分進(jìn)行受力分析，建立加緊機(jī)構(gòu)所需加緊力的計(jì)算公式和校核公式，并計(jì)算新型彎管機(jī)的各個(gè)力能參數(shù)。
4. 管材彎曲變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，建立管材彎曲力矩的計(jì)算公式，對(duì)夾緊模和管坯受夾持部分進(jìn)行受力分析，建立夾緊機(jī)構(gòu)所需夾緊力的計(jì)算公式和校核公式，并計(jì)算新型彎管機(jī)的各個(gè)力能參數(shù)。
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