CN107138569A - 主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置 - Google Patents

主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置。包括活芯体和依次串接在活芯体端面的多个万向节，万向节内安装有一体式伺服电机，通过电机运行带动各节万向节转动，从而实现芯棒；万向节包括分别位于两端部的两个球面活芯环、两个叉头和位于中部的十字轴，十字轴每个轴端面通过电磁式棘轮组件与棘轮连接，电磁式棘轮组件包括直动式电磁铁、弹簧拨片、电磁铁推杆、弹簧和棘爪；同时通过自由度的合成与分解，将空间几何转角转换为伺服角度，通过脉冲驱动‑驱动芯片‑伺服电机，控制转轴转动，实现薄壁管内的芯棒的主动同步弯曲。本发明通过芯棒相邻轴节的精准定位，降低错位扭矩，减少对内壁的刮擦，主动同步弯曲的芯棒可实现超薄壁弯管成形。

Description

主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置
技术领域
本发明涉及金属管弯曲成形技术领域，尤其是涉及一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置。
背景技术
弯管技术广泛应用于航空航天工业、船舶制造业、汽车工业等多种行业，弯管质量的好坏，将直接影响到这些行业的产品的结构合理性，安全性、可靠性等。
在使用弯管机将圆直管、椭圆直管、方形直管、矩形直管等多种金属管进行弯曲加工成形时，如果金属管的内腔是空的，其在其被弯曲的过程时管的截面易变形，从而导致金属管被弯部位截面变小，不但影响金属管的内外部形状，而且也使得在使用过程中流体通过流量剧变，难以满足高压管道、化工等行业对弯管截面变形的严格要求。在传统工艺中，对要求较高的金属管的弯曲部位采用在管内腔充填沙子、稀土或低熔点金属如铅、石蜡等来减少金属管弯曲部位的截面变形，但是取出这种充填物时操作复杂，如铅等低熔点金属还污染环境，而且由于这些充填物自身固有特性，仍不能有效防止金属管弯曲部位截面变形。
目前，也有些国内企业采用金属芯棒填充管内腔的方法。对于冷态弯管，合理选择芯棒的形成及掌握其正确的使用方法非常必要。但是金属芯棒在管材转动时也会由于固定的方式不可靠而跟着转动，而芯棒又是填充在管内腔，看不见是否己经被转动了方向，如果被转动了的方向的尺寸超过了模具的组合范围，又继续进行下一步动作，这样，由于芯棒位置不同步将导致内壁刮擦、管件报废或模具和机器损坏。
一些国内企业自主研发了超薄壁管坯的抗皱裂新型芯棒模组，提出了多向挠曲的相邻球头组合的球窝节芯棒，通过芯棒直径、芯棒伸进量和芯棒与管坯摩擦等成形要素的匹配，实现了弯管成形装备多模联动的抗皱裂技术，打破了国外超薄壁精密弯管成形装备垄断。例如，弯制Φ50×0.6mm钛合金管，成形弯径1.5D(D为直径)，减薄率(≤5％)、褶皱度(≤0.1D％)、试弯合格率(99.8％)等指标达到先进水平，但对于超薄壁管件(径厚比达80)难以实现精密弯曲成形。
许多学者提出了一些薄壁圆管的变形方法，例如，西北工业大学的Heng YANG于2011年在《Chinese Journal of Aeronautics》(2011，24(1):102-112.)发表论文“A Studyon Multi-defect Constrained Bendability of Thin-walled Tube NC Bending UnderDifferent Clearance”，提出通过调整芯棒与管坯的临界间隙值，可以改善管材料的弯曲性能。2012年Liu J在《Computational Materials Science》(2012,60(1):113–122.)发表论文“Accurate prediction of the profile of thick-walled titanium alloy tubein rotary-draw bending considering strength-differential effect”，提出一种通过考虑管道弯曲区域内压缩应力特征和S-D效应，预测弯管的弯曲性能的方法。2010年Li H在《Journal of Materials Processing Technology》(2010,210(1):143-158.)发表论文“Deformation behaviors of thin-walled tube in rotary draw bending under pushassistant loading conditions”，提出一种对于小弯曲半径和低延展性材料的变形工艺。中国科学院的Zhe Yang在《Thin-Walled Structures》(2017,111:1-8.)发表论文“Crushing behavior of a thin-walled circular tube with internal gradientgrooves fabricated by SLM 3D printing”，提出一种通过3D打印制造具有内梯度槽的薄壁圆管的工艺，并研究圆管的破裂状态的力学性能。中航工业沈阳飞机公司的GUO Lei在《Procedia Engineering》(2015,99:1471-1475.)发表论文“Study on The Process ofThin-walled Titanium Alloy Tube Bending”，提出一种通过改进在薄壁钛合金管材弯曲加工中山梨醇的填充方式，提高传统薄壁钛合金管材成型质量的加工方法。
综上所述，金属管材尤其是超薄壁管件的弯曲成形中，外侧壁厚的减薄甚至破裂、内侧壁厚的增厚甚至起皱和截面畸变，一直是生产实践中难以有效解决的技术难题，也是目前塑性加工领域研究的难点和热点。随着超薄壁等难变形材料的应用推广以及管材空间形状的日益复杂，上述问题日益突出。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，为了在弯曲金属直管的过程中防止弯曲部位起皱和截面畸变甚至破裂，本发明的目的在于提供一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置，能实时控制芯棒体的转动，有效防止管件报废或模具和机器损坏。
为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案:
本发明包括活芯体和依次串接在活芯体端面的多个万向节，万向节内安装有一体式伺服电机，通过电机运行带动各节万向节转动，从而实现芯棒主动同步弯曲。
所述万向节包括分别位于两端部的两个球面活芯环、两个叉头和位于中部的十字轴，两个叉头后端固定套装在各自的球面活芯环中，两个叉头前端具有两个用于分别连接十字轴中两个轴的分支臂，一个叉头的两个分支臂铰接到十字轴一根轴的两端，另一个叉头的两个分支臂铰接到十字轴另一根轴的两端；分支臂上开有耳孔，叉头的耳孔内固定套装有棘轮，十字轴的每个轴端面上固定安装有电磁式棘轮组件，十字轴每个轴端面通过电磁式棘轮组件与棘轮连接。
所述的电磁式棘轮组件包括直动式电磁铁、弹簧拨片、电磁铁推杆、弹簧和棘爪，直动式电磁铁固定在十字轴的轴端面上，电磁铁推杆一端套装在直动式电磁铁中，电磁铁推杆另一端固定有棘爪，棘爪连接到棘轮内圈的棘齿，棘轮外圈固定连接到耳孔的孔内周面，直动式电磁铁和棘爪之间的电磁铁推杆上套有弹簧，棘爪旁设有用于辅助定位的弹簧拨片，弹簧拨片固定在十字轴的轴端面上。
所述的十字轴的每个轴均设有有一体式伺服电机，一体式伺服电机的输出轴与十字轴的轴同步连接；通过一体式伺服电机运行带动十字轴转动进而带动万向节两端的球面活芯环相对转动。
所述的活芯体内安装有活芯拉杆，转动活芯拉杆带动活芯体绕自身轴向转动，进而带动万向节绕芯棒轴向转动。
第一节万向节通过螺栓固定连接在活芯体一端的螺纹孔中，后面相邻两个万向节之间以各自的叉头通过螺栓同轴固定连接使得两个万向节之间相连接。
所述的叉头上设有轴肩，球面活芯环上设有环形台阶，轴肩与环形台阶紧密连接使得球面活芯环和两个叉头相配合定位连接。
所述电磁式棘轮组件中，直动式电磁铁产生的电磁吸力F采用以下公式计算：
其中，S1为铁心外圆环面积，S2为铁心内圆环面积，Φ0为电磁铁气隙，IW为线圈产生的磁动势，μ0为空气磁导系数，δ为电磁铁气隙长度。
所述芯棒装置用于在薄壁弯管内。
本发明在弯曲过程中，弯曲部位管腔的内壁与该球面活芯环的外圆弧表面之间将产生相对滑动，这样可以采用抛光等方式增加球面活芯环的外表面的光洁度，以减少对管腔内壁的损伤。
本发明由多个万向节连接而成，保证了其在各个方向上能灵活转动，而且使得该模组装置能承受足够大的拉力。模组装置可以随弯曲程度而变换转动，可以适应弯管加工时弯曲半径的变化。
本发明的有益效果是：
本发明提出了主动式同步弯曲抗皱裂芯棒，能够实现在超薄壁弯管内芯棒的同步弯曲。
本发明装置，在弯管装备使用金属芯棒填充管材内腔弯曲管件时，在万向节叉头和十字轴交接的地方增设电磁式棘轮组件，实时控制芯棒体的主动转动，有效防止了芯棒体被动旋转，保障了弯管模具和弯管机器的安全性，提高了管件生产质量。
本发明的电磁式棘轮止位机构实现相邻轴节的精准定位，降低错位扭矩，减少对内壁的刮擦。相邻球面活芯环低干涉，实现大弯角。加强筋十字轴，提高承载轴节的刚度和抗弯强度，可满足减薄率(≤5％)、褶皱度(≤0.1D％)的技术要求。
附图说明
图1是本发明的总体结构图。
图2是本发明的三维爆炸结构图。
图3是本发明的电磁式棘轮止位机构。
图4是空间几何转角转换为伺服角度的示意图。
图5是本发明的伺服电机驱动电路图。
图中：球面活芯环1、十字轴2、叉头3、电磁式棘轮组件4、棘轮5、耳孔6、活芯体7、活芯拉杆8、一体式伺服电机9、直动式电磁铁10、弹簧拨片11、电磁铁推杆12、弹簧13、棘爪14。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括活芯体7和依次串接在活芯体7端面的多个万向节，万向节内安装有一体式伺服电机，通过电机运行带动各节万向节转动，从而实现芯棒主动同步弯曲，实现抗皱裂。图1只表示出2个万向节，当然根据实际需要，万向节的个数是可以变化的。
如图1所示，活芯体7内安装有活芯拉杆8，转动活芯拉杆8带动活芯体7绕自身轴向转动，进而带动万向节绕芯棒轴向转动。
如图2所示，万向节包括分别位于两端部的两个球面活芯环1、两个叉头3和位于中部的十字轴2，两个叉头3后端固定套装在各自的球面活芯环1中，两个叉头3前端具有两个用于分别连接十字轴2中两个轴的分支臂，一个叉头3的两个分支臂铰接到十字轴2一根轴的两端，另一个叉头3的两个分支臂铰接到十字轴2另一根轴的两端；分支臂上开有耳孔6，叉头3的耳孔6内固定套装有棘轮5，十字轴2的每个轴端面上固定安装有电磁式棘轮组件，十字轴2每个轴端面通过电磁式棘轮组件4与棘轮5连接。
如图3所示，电磁式棘轮组件4包括直动式电磁铁10、弹簧拨片11、电磁铁推杆12、弹簧13和棘爪14，直动式电磁铁10固定在十字轴2的轴端面上，电磁铁推杆12一端套装在直动式电磁铁10中，电磁铁推杆12另一端固定有棘爪14，棘爪14连接到棘轮5内圈的棘齿，棘轮5外圈固定连接到耳孔6的孔内周面，直动式电磁铁10和棘爪14之间的电磁铁推杆12上套有弹簧13，棘爪14旁设有用于辅助定位的弹簧拨片11，弹簧拨片11固定在十字轴2的轴端面上。
十字轴2的每个轴均设有有一体式伺服电机9，一体式伺服电机9的输出轴与十字轴2的轴同步连接；通过一体式伺服电机9运行带动十字轴2转动进而带动万向节两端的球面活芯环1相对转动。具体通过相邻不同万向节上的多个一体式伺服电机9联合运行带动相邻不同万向节的铰接联动。
第一节万向节通过螺栓固定连接在活芯体7一端的螺纹孔中，后面相邻两个万向节之间以各自的叉头3通过螺栓同轴固定连接使得两个万向节之间相连接。即第一节万向节与活芯体固定连接，即活芯体有螺纹孔的一端与第一个万向节的一个叉头通过螺钉固定连接，第一个万向节的另一个叉头与第两个万向节的一个叉头通过螺栓连接。如果再接更多的万向节也是以此类推的方式连接。
叉头3上设有轴肩，球面活芯环1上设有环形台阶，轴肩与环形台阶紧密连接使得球面活芯环1和两个叉头3相配合定位连接。最终叉头与球面活芯环采用过渡配合。
当芯棒装置处于不工作状态时，电磁铁上的弹簧处于平衡状态，弹簧拨片处于绷紧状态。当模组装置开始工作时，棘轮只能朝一个方向转动，如图3只能顺时针转动。
当模组装置工作结束后，模组装置进入复位状态。直动式电磁铁接通电源，线圈中产生磁势，在磁系统和工作气隙所构成的回路中，产生磁通。在工作气隙两端的衔铁和极靴上产生异性磁极，衔铁受到电磁吸力，当这个吸力大于弹簧产生的反力后，则衔铁将吸合，并带动棘爪动作，使得棘轮脱离棘爪约束。之后棘轮可与十字轴相对滑动，回到模组装置的初始状态。
具体实施中，本发明采用一定的控制方法控制芯棒装置的运动，通过设置电磁式棘轮组件中的电磁吸力F控制转动中的单向运动力控制，实时保证了芯棒体的主动转动，保障了弯管模具和弯管机器的安全性，还通过控制每个万向节处的一体式伺服电机实现芯棒装置中关节的主动转动运动，设置传感器来反馈控制一体式伺服电机的转动，实现精确角度的转动。
本发明的电磁式棘轮组件中的弹簧与直推式电磁铁的选取主要由电磁吸力确定，电磁式棘轮组件中的电磁吸力F采用以下公式计算并设置：
其中，S1为铁心外圆环面积，S2为铁心内圆环面积，Φ0为电磁铁气隙，IW为线圈产生的磁动势，μ0为空气磁导系数，δ为电磁铁气隙长度。
其设置原理为：
电磁吸力大小与磁力线穿过磁极的总面积及气隙中的磁感应强度的平方成正比。如果磁感应强度B沿磁极表面上是均匀分布的，则电磁吸力的基本公式为：
式中，F为电磁力(J/cm)；B为磁感应强度(Wb/cm2)；S为磁极表面总面积(cm2)；μ0为空气磁导系数，为1.25×10-8H/cm。
上式是麦克斯韦公式，B的单位为高斯，F的单位为公斤，将μ0的数值代入，则：
为了建立磁路等效模型，根据电磁铁模型的结构做出如下假设：
(1)不考虑漏磁影响；
(2)电磁铁安装轴为不导磁材料，按空气磁导率建模。
其中，IW为线圈产生的磁动势；R0为气隙磁阻；R1为铁心磁阻；R2为衔铁磁阻。
依据磁路等效模型得：
依据电磁铁结构计算气隙磁导G0：
式中，S1为铁心外圆环面积；S2为铁心内圆环面积；δ为气隙长度(即衔铁之间的间隙)。
由基尔霍夫第二定律估算磁通，由于空气磁导率相对铁心和衔铁要小上千倍。此时粗略估计即认为所有的磁动势都消耗在气隙中，故计算估算值要Φ0′：
同时由于实际磁路中铁心和衔铁也有磁势降，故磁路中实际磁通比上述估算值要Φ0′小，由于圆环形磁电磁铁气隙相对较大，这里取实际值降5％，即：
Φ0＝Φ0′(1-5％)＝IWG0×108×(1-5％)
电磁铁吸力由内环和外环两部分吸力组成，由此得上述电磁铁吸力。
如图4所示，一体式伺服电机通过一种自由度的合成与分解的方法将空间几何转角转换为伺服角度，进而使一体式伺服电机控制转轴转动。具体步骤为：
步1：以十字轴的圆心O为原点，建立坐标系OXYZ；
步2：把十字轴绕点O旋转空间任意角度，即空间几何转角。(如图4所示，旋转前的十字轴用实线表示，旋转后的十字轴用虚线表示。)用向量和向量分别表示十字轴旋转前后的法矢量；
步3：将点P‘投影到平面XOY，得到投影点V；
步4：求得向量与向量的夹角，用θx表示，即为图4中横轴L1上的伺服角度；
步5：求得向量与向量的夹角，用θy表示，即为图4中竖轴L2上的伺服角度。
步6：为确保芯棒能够和管材同步弯曲，减少对内壁的刮擦，设置转轴L1和转轴L2的伺服进给率(转动速度之比)为θx/θy。
如图5所示，具体实施中在十字轴的轴端面安装位置传感器，伺服电机输出端经旋转变压器连接到位置传感器，位置传感器输出到伺服控制器，伺服控制器根据用户输入的速度控制和实时通过位置传感器采集得到的发出转矩控制信号到电机驱动放大器，电机驱动放大器连接到伺服电机的输入端进而控制电机运动。
伺服电机控制芯棒转轴转动，其具体步骤为:
步1：由控制端传出转矩指令，经由电机内部芯片D/A转换出脉冲信号传入伺服电机；
步2：脉冲信号控制电机按指定旋转方向转动，一个逆时针脉冲会使电机逆时针方向旋转一步，一个顺时针脉冲会使电机顺时针方向旋转一步。电机的速度是由位置指令脉冲的频率决定，进而控制芯棒的伺服进给率；
步3：进入检测环节，检测元件(图中为旋转变压器)将被控芯棒的执行元件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给反馈控制器；
步4：进入比较环节，反馈控制器将指令信号和反馈信号比较，两者差值作为伺服系统的跟随误差；
步5：由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，设置电机驱动放大器对其进行放大。经驱动电路，控制芯棒的执行元件继续工作，直到检测比较后的跟随误差为零。
活芯体的另一端还设有内螺纹孔，并通过该内螺纹孔螺纹连接有活芯拉杆。便于模组装置伸入直管中，而且在弯管后，又便于取出。
本发明除本实施例弯曲圆直管外，还可以弯曲椭圆直管、方形直管、矩形直管等多种金属直管，若是弯曲方形直管，只要将球面活芯环的外表面制成方形即可。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置，其特征在于：包括活芯体(7)和依次串接在活芯体(7)端面的多个万向节，万向节内安装有一体式伺服电机，通过电机运行带动各节万向节转动，从而实现芯棒主动同步弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置，其特征在于：所述万向节包括分别位于两端部的两个球面活芯环(1)、两个叉头(3)和位于中部的十字轴(2)，两个叉头(3)后端固定套装在各自的球面活芯环(1)中，两个叉头(3)前端具有两个用于分别连接十字轴(2)中两个轴的分支臂，一个叉头(3)的两个分支臂铰接到十字轴(2)一根轴的两端，另一个叉头(3)的两个分支臂铰接到十字轴(2)另一根轴的两端；分支臂上开有耳孔(6)，叉头(3)的耳孔(6)内固定套装有棘轮(5)，十字轴(2)的每个轴端面上固定安装有电磁式棘轮组件，十字轴(2)每个轴端面通过电磁式棘轮组件(4)与棘轮(5)连接；
所述的电磁式棘轮组件(4)包括直动式电磁铁(10)、弹簧拨片(11)、电磁铁推杆(12)、弹簧(13)和棘爪(14)，直动式电磁铁(10)固定在十字轴(2)的轴端面上，电磁铁推杆(12)一端套装在直动式电磁铁(10)中，电磁铁推杆(12)另一端固定有棘爪(14)，棘爪(14)连接到棘轮(5)内圈的棘齿，棘轮(5)外圈固定连接到耳孔(6)的孔内周面，直动式电磁铁(10)和棘爪(14)之间的电磁铁推杆(12)上套有弹簧(13)，棘爪(14)旁设有用于辅助定位的弹簧拨片(11)，弹簧拨片(11)固定在十字轴(2)的轴端面上。
3.根据权利要求2所述的一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置，其特征在于：所述的十字轴(2)的每个轴均设有有一体式伺服电机(9)，一体式伺服电机(9)的输出轴与十字轴(2)的轴同步连接；通过一体式伺服电机(9)运行带动十字轴(2)转动进而带动万向节两端的球面活芯环(1)相对转动。
4.根据权利要求2所述的一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置，其特征在于：所述的活芯体(7)内安装有活芯拉杆(8)，转动活芯拉杆(8)带动活芯体(7)绕自身轴向转动，进而带动万向节绕芯棒轴向转动。
5.根据权利要求2所述的一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置，其特征在于：第一节万向节通过螺栓固定连接在活芯体(7)一端的螺纹孔中，后面相邻两个万向节之间以各自的叉头(3)通过螺栓同轴固定连接使得两个万向节之间相连接。
6.根据权利要求2所述的一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置，其特征在于：所述的叉头(3)上设有轴肩，球面活芯环(1)上设有环形台阶，轴肩与环形台阶紧密连接使得球面活芯环(1)和两个叉头(3)相配合定位连接。
7.根据权利要求2所述的一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置，其特征在于：所述电磁式棘轮组件中，直动式电磁铁(10)产生的电磁吸力F采用以下公式计算：
<mrow> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>IW&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mn>8</mn> </msup> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>5</mn> <mi>%</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mn>5000</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，S1为铁心外圆环面积，S2为铁心内圆环面积，Φ0为电磁铁气隙，IW为线圈产生的磁动势，μ0为空气磁导系数，δ为电磁铁气隙长度。
8.权利要求1-7任一所述的一种主动同步弯曲的抗皱裂芯棒装置的应用，其特征在于：所述芯棒装置用于在薄壁弯管内。
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