CN105149389B - 一种弯管、弯管加工设备及加工方法以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯管的加工方法，包括如下的步骤：(1)上料并定位工件；(2)夹紧工件；(3)工件一次弯曲：启动弯管机，主推机构和辅推机构同时助推工件，辅推件进给S₁，工件弯曲M₁度，然后辅推件松开并后退S₁；(4)工件N次弯曲：重复步骤(3)，辅推件进给S_N，工件弯曲M_N度，然后辅推件松开并后退S_N，其中，N≥2；(5)下料。本发明提供一种弯管的加工方法，本发明加工弯管时通过分段进行弯管，即单一角度分多次弯曲，且辅推通过伺服电机控制，保证与弯管轴同步，加工范围广，能生产W＜0.8的弯管，且加工得到的弯管精度高。

Description

一种弯管、弯管加工设备及加工方法以及控制方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种弯管以及弯管的加工方法。

背景技术

在进行液体、气体等介质的管道输送中，弯管是不可或缺的连接件，以改变管道的走向，方便输送。很多场所都对弯管有着极大的需求，且对弯管的要求各异，一些对安装空间有特殊要求，比如对空间尺寸要求越小越好，从而要求弯管安装更加紧凑，且需求更大。

小R弯管弯曲处半径R与工件外径ФD之比值为W＝R/ФD，现有技术生产的小R弯管基本其W≥0.8，几乎无法生产W＜0.8的弯管，更多因数是受设备、模具及产品材料等的限制，加工设备和工艺上一直没有得到突破，从而还很难提供完全符合要求的产品。下面以管材弯曲的应力及应变状态分析如下：

a、中性层，如图1所示，管件在弯曲时，外侧材料受到切向拉伸变长，内侧材料受到切向压缩而缩短，由于切向应力和应变是沿材料剖面连续分布，当弯管结束后，外侧拉伸区和内侧压缩区域之间的交界处有一层长度不变组织层，称为中性层；

b、弯曲变形区的应力和应变分布：变形区的主要应力和应变是在弯管外形的切向、厚度方向和圆周方向，由于管材弯曲时主要是依靠中性层内、外组织纤维的缩短与伸长，故切向应变即为最大的主要应变，假定弯曲后变形区的横剖面仍保持为平剖面，如图2所示，则当中性层曲率半径ρ,弯曲角度为a时，距中性层y处的切向应变为

因此，变形区内各点的切和应变与该点到中性层的距离y成正比，在管内、外表面达到最大值，如图3所示；图4所示为管材弯曲变形区的应力分布，弯曲的初期，管内切向应力小于屈服极限，管材处于弹性弯曲阶段，切向应力的分布是线性的，附着弯管力矩M的加大，管件外表面的材料开始发生弹塑性变形，当M增大到管件的切应力大于屈服极限时，管材生生纯塑性变形，由于管件是在冷态下进行弯曲，必须产生加工硬化，塑性硬化状态切应力如图4所示。

因此，弯管过程中常出现两种加工缺陷，一是拉伸侧的肉厚变薄，拉断出现裂纹，另一种是压缩侧的肉厚增加起皱。假设塑性材料的最大延伸率Q，为了保证弯管质量要求材料拉伸一侧的最大应变εmax＝R/ρ<Q。如中国专利号为200710040527.7的专利公开了一种小R弯管的加工方法及其装置，该加工方法存在如下的不足：(1)该加工方法直接一次加工到位进行弯曲，假设加工的管件尺寸为R12.5碳钢管产品R：D＝0.658，完全超过材料的最大拉伸率，一次性加工到位必然导致外侧破裂和内侧的起皱，因此，该加工方法存在局限性，无法加工R/ρ＞Q的弯管，从而无法满足市场需求；(2)靠模通过气缸控制进给，无法与弯管在弯曲过程中随着角度等进行同步，从而无法控制靠模的进给速度和位移，来保证加工精度和加工范围。

现有技术中，对R弯管的加工还采用铸造或者压铸方法来实现，该加工工艺复杂，生产效率低下，能源消耗大成本高，成品率低。如某A公司的汽车空调管路上使用的小R弯管产品，由于现有加工工艺的局限，无法生产符合要求的产品，只能通过高成本的方式去满足需求，如通过进口的方式，大大增加了成本。如某B公司现在对小R铝管的生产是采用压铸的工艺方法，其成本如下：一个熔化炉45KW，配两台18KW的压铸机，熔化24小时不停机，一天消耗的电能为(45+18＊2)＊80％＊24＝1555KWH/两台，平均一台设备每天要消耗777.5度电，成本极高，同时工人的劳动强度过大，且锻造工艺带了环境污染，严重影响到工人的身心健康。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种弯管的加工方法，本发明加工弯管时通过分段进行弯管，即单一角度分多次弯曲，且辅推通过伺服电机控制，保证与弯管轴同步，加工范围广，能生产W＜0.8的弯管，且加工得到的弯管精度高。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种弯管的加工方法，包括如下的步骤：

(1)上料并定位工件：将工件放入到工件置放腔中，工件的一端管腔内插入芯棒，另一端伸置在弯管模具的型腔中，其中插入芯棒的一端通过主推机构的夹紧件进行定位；

(2)夹紧工件：工件的一端通过主推机构的夹紧件进行夹紧，另一端通过夹模与弯管模具的配合进行夹紧，工件中间部位的外侧通过辅推件进行靠紧，内侧通过起皱模和圆模进行靠紧；

(3)工件一次弯曲：启动弯管机，主推机构和辅推机构同时助推工件，辅推件进给S₁，工件弯曲M₁度，然后辅推件松开并后退S₁；

(4)工件N次弯曲：重复步骤(3)，辅推件进给S_N，工件弯曲M_N度，然后辅推件松开并后退S_N，其中，N≥2；

(5)下料：待弯曲角度到位后，主推机构带动芯棒反向后退，对工件进行下料。

进一步的，在上述步骤(1)之前还包括润滑工件。

进一步的，在润滑工件前，还包括设定弯管的弯曲角度为M度，其中M＝M₁₊…+M_N。

进一步的，其中R为弯曲半径，M为弯曲角度，n为拉伸系数。

一种进行弯管加工的控制方法，数控系统根据接收的运动指令参数计算弯管机的主推机构和辅推机构的运动轨迹，并控制主推机构和辅推机构根据所述运动轨迹运动，所述运动指令参数为所述弯管的初始位置数据、目标位置数据、弯管机的运动速度、加速度以及等待时间。

进一步的，所述位置数据包括主推距离数据、辅推距离数据、弯管弯转角度和弯管旋转角度。

进一步的，所述数控系统根据运动指令中的初始位置数据和目标位置数据，计算运动轨迹中的下一位置数据，其中下一位置数据中的主推距离数据Y的值为：

其中M为弯管的目标弯转角度，ΔM为弯管的弯转补偿值，N为弯管弯转次数，R为弯管的弯曲半径，n₁为主推的拉伸系数；

辅推距离数据V的值为：

其中M为弯管的目标弯转角度，ΔM为弯管的弯转补偿值，N为弯管弯转次数，R为弯管的弯曲半径，n₂为辅推的拉伸系数。

一种弯管的加工设备，包括夹持工件并进行弯曲的弯管机构、顶推工件的主推机构以及辅推工件的辅推机构，所述辅推机构包括与工件紧靠的辅推件、支撑辅推件的辅推件支撑座和驱动辅推件送料的第二驱动装置，所述第二驱动装置包括驱动辅推件相对移动的伺服电机和连接伺服电机和辅推件支撑座的连接组件。

进一步的，所述连接组件包括与伺服电机相连的齿轮和与辅推件支撑座相连且与齿轮相啮合的齿条；第二驱动装置还包括与伺服电机相连的减速机，所述的减速机一端与伺服电机的输出端相连，另一端与齿轮相连。

一种弯管，弯曲处半径为R，弯管外径ФD，其中定义为W，0.6≤W≤0.8。

进一步的，其壁厚减薄率为Wt≤12.5％。

本发明取得如下的有益效果：

(1)本发明加工弯管时采用分段弯管，单一角度分多次弯次，让材料组织有充分的时间变形流动，且每次弯曲一定角度后，辅推件松开并回退，使得管件不受圆弧槽的限制，可以让弯管内侧面受到的压应力得于释放，从而防止起皱；(2)辅推件通过伺服电机控制进行辅推，在弯曲过程中与弯管轴速度匹配，有效防止弯管的外侧面变薄或者破裂。通过该加工方法加工的弯管加工范围广，能生产W＜0.8的弯管，且加工得到的弯管精度高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明弯管的加工设备实施例的爆炸示意图；

图2为本发明弯管的加工设备实施例的结构示意图；

图3为本发明辅推机构的主视图；

图4为本发明辅推机构的结构示意图；

图5为本发明送料夹紧件的结构示意图；

图6为发明弯管的的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

如图1-2所示，作为本发明的实施例，一种弯管的加工设备，包括夹持工件并进行弯曲的弯管机构100、顶推工件的主推机构200以及辅推工件的辅推机构300，在本实施例中，如图3和4所示，辅推机构300包括与工件紧靠的辅推件301、支撑辅推件301的辅推件支撑座306和驱动辅推件301送料的第二驱动装置，所述第二驱动装置包括驱动辅推件301相对移动的伺服电机302和连接伺服电机302和辅推件支撑座306的连接组件以及与伺服电机302相连的减速机305；本实施例的连接组件包括齿轮303和与辅推件支撑座306相连且与齿轮303相啮合的齿条304，其中减速机305一端与伺服电机302的输出端相连，另一端与齿轮303相连，伺服电机的转动通过齿轮303和齿条304的作用，转换成驱动辅推件301的直线运动，保证辅推件301沿工件进给方向运动。

本实施例的弯管机构100包括呈R状的圆模101和用于夹紧工件的夹模102，其中圆模101的侧部上设置有至少一个与工件的外径相符的半圆弧形限位凹槽，在本实施例中，设有三个限位凹槽，且为不同规格尺寸，用于加工各种规格尺寸的工件。同理，夹模102的工作面上设置有与工件的外径相符的半圆弧形限位凹槽，用于工件的安装。

本实施例的主推机构200包括送料夹紧件201、与送料夹紧件201相连的第一送料驱动件202和芯棒203，由第一送料驱动件20驱动送料夹紧件201夹紧芯棒203一起向前运动顶推工件，本实施例的送料夹紧件201如图5所示，送料夹紧件201为三爪，夹紧时，即三爪的三个面分别与工件接触并夹紧工件，夹紧稳定性好。

本实施例对弯管进行弯曲时，通过如下的加工方法进行加工，包括如下的步骤：

(1)先设定弯管的弯曲角度为M度，其中M＝M₁₊…+M_N；

(2)包括润滑工件；

(3)上料并定位工件：将工件放入到工件置放腔中，工件的一端管腔内插入芯棒，另一端伸置在弯管模具的型腔中，其中插入芯棒的一端通过主推机构200的送料夹紧件201进行定位；

(4)夹紧工件：工件的一端通过主推机构200的送料夹紧件201进行夹紧，另一端通过夹模102与弯管模具的配合进行夹紧，工件中间部位的外侧通过辅推件301进行靠紧，内侧通过起皱模307进行靠紧，这里的弯管模具优指圆模101；

(5)工件一次弯曲：启动弯管机，主推机构200和辅推机构300同时助推工件，辅推件301进给S₁，工件弯曲M₁度，对应弯曲半径R₁，然后辅推件301松开并后退S₁；

(6)工件N次弯曲：重复步骤(5)，辅推件进给S_N，工件弯曲M_N度，对应弯曲半径R_N，然后辅推件301松开并后退S_N，其中，N≥2；

(7)下料：待弯曲角度到位后，主推机构200带动芯棒反向后退，对工件进行下料。

在本实施例中，其中R为弯曲半径，M为弯曲角度，n为拉伸系数。

本发明弯管加工的控制方法，数控系统根据接收的运动指令参数计算弯管机的主推机构和辅推机构的运动轨迹，并控制主推机构和辅推机构根据所述运动轨迹运动，所述运动指令参数为所述弯管的初始位置数据、目标位置数据、弯管机的运动速度、加速度以及等待时间。其中所述位置数据包括主推距离数据、辅推距离数据、弯管弯转角度和弯管旋转角度。

所述数控系统根据运动指令中的初始位置数据和目标位置数据，计算运动轨迹中的下一位置数据，其中下一位置数据中的主推距离数据Y的值为：

其中M为弯管的目标弯转角度，ΔM为弯管的弯转补偿值，N为弯管弯转次数，R为弯管的弯曲半径，n₁为主推的拉伸系数；

辅推距离数据V的值为：

其中M为弯管的目标弯转角度，ΔM为弯管的弯转补偿值，N为弯管弯转次数，R为弯管的弯曲半径，n₂为辅推的拉伸系数。

本发明通过控制系统进行智能化控制，实现X、Y、Z和辅推V轴四轴联动，X为角度弯曲轴，Y为主推轴，Z为旋转轴，V为辅推轴，辅推件通过伺服电机控制保证与弯管轴同步，系统每个扫描周期内都在计算与判断，通过输入弯曲角度和弯曲速度，就能得到对应的主推和辅推的长度，也就是说每次弯管角度，辅推随动长度，主推也就是送料随动长度，根据线性插补原理，各轴插补的唯一与速度比相等或成等比例关系，假设已知空间的，X，Y，Z(V与Y成直线比例关系)那么可以知道X、Y、Z、V四轴的方向余弦，假设弯管时速度，则计算插补的参数已知时，只要知道弯管的实际角度，速度，就可以分别知道Y、Z、V的速度，就可以求出对应轴的插补值，这些数值，通过在控制系统做底层运算，执行相应的插补指令，从而实现外部三轴同动动作。当系统执行到脉冲指令时，按照命令发送相应的指令，而伺服系统(servomechanism)就是使物体的位置、方位状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)而变化，伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，其计算公式如下：

V＝[((M+ΔM)/N)×2πR×n₁//360]

Y＝[((M+ΔM)/N)×2πR×n₁/360×(-1)]

通过本发明的控制方法，大大提高了加工效率和加工范围，还提高了弯管的弯曲质量，得到精度更高的弯管，还且能适用于各种材料的弯管的加工。

通过本发明的加工方法加工得到的弯管，其弯曲处半径为R，弯管外径ФD，其中定义为W，能加工到的范围为0.6≤W≤0.8；其壁厚为t，其中0.1≤t≤0.3；其壁厚减薄率为Wt≤12.5％。一能大大节约材料；二是加工得到的弯管弯曲的质量好，且减少占地面积，与其他连接件很好地配合，从而大大节约了成本。

现有技术中提到的某A公司，通过本发明的弯管机实现小R产品的自动弯管后，解决了某A公司供货的多款汽车空调管路件上的长期进口的现状，采用自行弯制小R产品后单一管件成本直接下降至15元/件，一套产品以两件计算，一年以12万套的供货量计量，一年可以可约450万元，大大节约了成本。

现有技术中提到的某B公司，采用本发明的弯管机加工小R产品，两台弯管机两班制的模式就可以达到一台压铸机的产能要求，弯管机功率6KW，6＊2＊80％＊16＝166KWH，即166度电，相比压铸设备的777.5度电，大大节省了电能的消耗。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种弯管的加工方法，其特征在于，包括如下的步骤：

(1)上料并定位工件：将工件放入到工件置放腔中，工件的一端管腔内插入芯棒，另一端伸置在弯管模具的型腔中，其中插入芯棒的一端通过主推机构的夹紧件进行定位；

(2)夹紧工件：工件的一端通过主推机构的夹紧件进行夹紧，另一端通过夹模与弯管模具的配合进行夹紧，工件中间部位的外侧通过辅推件进行靠紧，内侧通过起皱模和圆模进行靠紧；

(3)工件一次弯曲：启动弯管机，主推机构和辅推机构同时助推工件，辅推件进给S₁，工件弯曲M₁度，然后辅推件松开并后退S₁；

(4)工件N次弯曲：重复步骤(3)，辅推件进给S_N，工件弯曲M_N度，然后辅推件松开并后退S_N，其中，N≥2；

(5)下料：待弯曲角度到位后，主推机构带动芯棒反向后退，对工件进行下料。

2.根据权利要求1所述的弯管的加工方法，其特征在于：在上述步骤(1)之前还包括润滑工件。

3.根据权利要求2所述的弯管的加工方法，其特征在于：在润滑工件前，还包括设定弯管的弯曲角度为M度，其中M＝M₁+…+M_N。

4.根据权利要求3所述的弯管的加工方法，其特征在于： 其中R为弯曲半径，M为弯曲角度，n为拉伸系数。

5.一种进行弯管加工的控制方法，其特征在于：

数控系统根据接收的运动指令参数计算弯管机的主推机构和辅推机构的运动轨迹，并控制主推机构和辅推机构根据所述运动轨迹运动，所述运动指令参数为所述弯管的初始位置数据、目标位置数据、弯管机的运动速度、加速度以及等待时间；所述位置数据包括主推距离数据、辅推距离数据、弯管弯转角度和弯管旋转角度；所述数控系统根据运动指令中的初始位置数据和目标位置数据，计算运动轨迹中的下一位置数据，其中下一位置数据中的主推距离数据Y的值为：

其中M为弯管的目标弯转角度，ΔM为弯管的弯转补偿值，N为弯管弯转次数，R为弯管的弯曲半径，n₁为主推的拉伸系数；

辅推距离数据V的值为：

其中M为弯管的目标弯转角度，ΔM为弯管的弯转补偿值，N为弯管弯转次数，R为弯管的弯曲半径，n₂为辅推的拉伸系数。