一种小型电控液压弯管机的设计*

□ 牛玉艳 □ 郭文静 □ 张 总 □ 林小军 □ 王 亮

兰州工业学院 机电工程学院 兰州 730050

1 设计背景

弯管机是一种根据需求弯制不同直径、不同角度管件的机械设备。目前市面上常用的小型电控液压弯管机,能够弯制外径为10～42 mm,最大壁厚为4 mm的不锈钢管或钢管。随着大规格快速锻造液压机的研制生产,需要能够弯制外径大于42 mm,最大达到48 mm的管件的小型电控液压弯管机。针对这一需求,笔者设计了一种小型电控液压弯管机,能够弯制最大外径为48 mm的管件,操作维修简单方便。

2 工作原理

小型电控液压弯管机的工作原理如图1所示。弯制管件前,操作人员根据管件公称直径,选择相应的模具,套入模具轴。然后将需要弯制的管件放入模具内,按下管件弯制启动按钮,驱动电动机通电,带动液压泵运行,推动液压缸活塞杆运动。活塞杆和夹头组件固联在一起,夹头组件随活塞杆一起运动,进行管件的弯制。夹头组件中的两个夹块上有角度标记,当弯曲到需要的角度时,按下后退按钮,活塞杆返回原位,完成管件的弯制。

3 机械结构

快速锻造液压机液压系统所需弯制的管件为20号钢管,外径为10～48 mm,厚度为2～4 mm,基于此进行小型电控液压弯管机的机械结构设计。这一小型电控液压弯管机的机械结构包括夹头组件、模具、模具轴、导轨、箱体、辅助部分,三维总装图如图2所示。

3.1 夹头组件

夹头组件是小型电控液压弯管机弯制管件的关键部件。由于所需弯制管件的截面为圆形,因此采用两个V形块,方便对管件定位和固定。为了满足外径为10～48 mm不同管件的定位和固定,将V形块前后两面设计为两种不同规格。为了保证夹紧过程中管件外表面不被夹伤,在两个V形块的型腔中设计倒角。两个V形块通过固定销对称安装于上下连接板之间,上下连接板通过侧连接板焊接为整体。上下连接板上设计一系列对称孔,使两个V形块之间的安装距离通过销轴不同的安装位置进行调节,实现弯曲半径的调节。夹头组件如图3所示。

3.2 模具

模具是整个小型电控液压弯管机设计的核心。为保证管件弯制的质量,根据一模一管的原则,结合快速锻造液压机液压系统安装时所需弯制管件的外径、壁厚及弯曲半径进行模具的设计。因为所需弯制管件的外径为10～48 mm,壁厚为2～4 mm,弯曲半径为30～144 mm,所以相对弯曲半径不小于3,相对壁厚不小于0.05,对此采用机械冷态弯制管件中的无芯弯制管件方法即可。管件弯制后的半径和形状取决于模具的弯曲半径,根据机械工程手册,考虑管件的回弹因数,模具弯曲半径R′为:

(1)

(2)

式中:R为管件弯曲半径;σs为管件屈服极限;E为管件弹性模量;RX为相对弯曲半径;K1为管件截面形状因数;K0为管件相对强化因数。

快速锻造液压机液压系统所需弯制管件中,外径最大为48 mm,弯曲半径为144 mm,管件屈服极限为245 MPa,截面形状因数为1.275,相对强化因数为10,由此得m约为1.88。

管件弹性模量为205 GPa,各数值代入式(1),可得外径为48 mm的管件所对应的模具弯曲半径约为142 mm。

一般将计算得到的模具弯曲半径圆整后作为模具设计参数使用,对模具弯曲半径圆整为145 mm。外径为48 mm的管件对应的模具三维模型如图4所示。

利用上述计算原理,对不同外径管件对应的模具弯曲半径进行计算,结果见表1。

表1 模具弯曲半径计算结果

3.3 箱体

箱体的主要功能是支撑和包容小型电控液压弯管机中的各种零件。箱体通常是矩形截面的六面体,要求结构紧凑,布局合理,满足产品设计人机学。将箱体设计为长方体,由钢板焊接而成,结构简单,生产周期短。箱体整体结构分为上下两部分,中间用隔板分开。上部用于放置各类模具和安装电气元件,下部用于安装电机和液压系统。上部从中间隔开,一侧用于安装电气元件,另一侧用于放置模具。为了方便放置和拿取模具,上部从左右两侧开口,下部开口向后。箱体尺寸如图5所示,三维模型如图6所示。

4 液压系统

根据小型电控液压弯管机的工作原理,弯制管件的动作比较单一,只需要液压缸活塞杆伸出或者缩回,所以选择单个定量泵的供油方式。从结构、体积、维护等方面综合考虑,选用齿轮泵作为油源。液压系统原理如图7所示。在图7所示位置,所有电磁铁均处于断电状态。液压系统工作时,电磁铁1YA得电,三位四通电磁换向阀左位接入回路,液压油从三位四通电磁换向阀流入液压缸无杆腔,推动活塞杆弯制管件。当按下后退按钮时,电磁铁2YA得电,三位四通电磁换向阀右位接入回路,液压缸返回。触发行程开关后,电磁铁2YA失电,液压泵停止运行。行程开关为弯制管件时的极限位置保护开关。所选三位四通电磁换向阀的中位机能为M型,齿轮泵输出的液压油经单向阀和三位四通电磁换向阀卸荷,液压缸两腔封闭,活塞杆不运动。齿轮泵的出口处设计一个直通单向阀,作用是防止液压油返回油泵,对油泵造成损坏。

5 结束语

针对大规格快速锻造液压机研制生产需要能够弯制外径较大液压管件的现状,设计了一种小型电控液压弯管机,介绍了其机械结构和液压系统。目前,这一小型电控液压弯管机已经投入使用,现场实践证明,能够弯制外径较大的液压管件,传动平稳可靠,结构紧凑,噪声小,操作简单方便,可以大幅降低工人的劳动强度,价格低廉,具有大范围推广价值。