金屬板材并聯(lián)式彎曲機(jī)的設(shè)計(jì)

高春田，張文濤，徐冶，楊慶華，盧錦山，王青山

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧 撫順 113001）

1 前言

21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)、科技飛速發(fā)展，各個(gè)行業(yè)對彎曲加工品的需求已經(jīng)達(dá)到了新的高度，像航空裝備制造、生活?yuàn)蕵吩O(shè)施、道路交通、健身器材，橋梁建筑等行業(yè)中都有彎曲加工品的身影。在許多的彎曲加工品中，金屬板材制成的彎曲加工品需求最大、應(yīng)用最廣泛，但金屬板材原料在裝備器材上不能直接使用，需用特定的機(jī)械進(jìn)行彎曲。同時(shí)，隨著三維自由彎曲成形理論的深入研究，多家外國企業(yè)已推出了具備商業(yè)化的三維彎曲加工設(shè)備，如德國諾伊企業(yè)已經(jīng)完成了三軸、五軸和六軸控制系統(tǒng)的研發(fā)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了相應(yīng)的三維彎曲機(jī)型。

與此同時(shí)，我國彎曲機(jī)設(shè)備彎曲方式大部分卻還是采用單一的機(jī)械式或液壓式，這種設(shè)備具有工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、加工成本高、經(jīng)濟(jì)效益差等諸多缺點(diǎn)。但中高端彎曲機(jī)主要依賴于國外進(jìn)口，價(jià)格比較昂貴，受西方發(fā)達(dá)國家的壟斷，進(jìn)口供應(yīng)受到了極大的限制。因此，研發(fā)一款操作簡單且高效的金屬鋼材彎曲機(jī)械來改變我國在彎曲機(jī)方面被國外制約的現(xiàn)狀，彌補(bǔ)我國在此方面的空缺迫在眉睫。

2 彎曲機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)容

通過對老式彎曲機(jī)及相關(guān)文獻(xiàn)的大量研究，本文在老式彎曲機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造創(chuàng)新，最終設(shè)計(jì)出一種全新的彎曲機(jī)設(shè)備。其工作方式是通過電源帶動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩通過聯(lián)軸器傳遞給減速機(jī)構(gòu)，在獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)速后使加工機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，連桿帶動(dòng)齒輪齒條轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示，最終2個(gè)凸輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)要加工的鋼材彎曲成一定的形狀。

圖1 并聯(lián)式彎曲機(jī)三維裝備圖

鋼材彎曲工作原理：本次設(shè)計(jì)的彎曲機(jī)是通過兩個(gè)凸輪共同作用對鋼材進(jìn)行彎曲。在兩凸輪中間放置所要彎曲的鋼材，主凸輪在工作機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)從動(dòng)凸輪也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼材在兩凸輪作用下前進(jìn)并彎曲成預(yù)定的形狀，彎曲的形狀由特定的兩個(gè)凸輪輪廓決定。

3 雙曲柄滑塊并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算

雙曲柄滑塊Ⅰ型并聯(lián)機(jī)構(gòu)分為對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，對于偏心滑塊機(jī)構(gòu)而言，對心滑塊機(jī)構(gòu)無急回運(yùn)動(dòng)特性，極位夾角為零。因此，本次設(shè)計(jì)采用的是對心雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，可以同是彎曲兩件相同的鋼材，能在提升加工效率的同時(shí)獲得更好的市場競爭力。

已知FN=13.4kN,故滑塊C受到載荷FN=13.4kN，再取滑塊C為研究對象，受力分析下，列平衡方程，求出FR23：

圖2 滑塊受力分析圖和受力矢量圖

畫出各部件的受力分析圖如圖3所示，取曲柄LAB為研究對象，列平衡方程式，求出單個(gè)彎曲鋼材所需的轉(zhuǎn)矩M′：

圖3 曲柄受力分析圖

最后，求出雙曲柄滑塊總轉(zhuǎn)矩M和機(jī)構(gòu)η雙曲柄的效率：

4 彎曲機(jī)凸輪的設(shè)計(jì)及計(jì)算

凸輪的理論輪廓主要由工件運(yùn)動(dòng)情況、運(yùn)動(dòng)速度以及載荷性質(zhì)等多個(gè)因素決定。本文利用Solid works插件中的平面轉(zhuǎn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)生成凸輪外輪廓，該模塊提供了等速運(yùn)動(dòng)、簡諧運(yùn)動(dòng)、擺線運(yùn)動(dòng)、多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)、余弦加速度、正弦加速度等加速度運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方程式。這些方程式可以滿足彎曲形狀的絕大多數(shù)要求。

在設(shè)計(jì)凸輪外輪廓時(shí)，先從理論輪廓來設(shè)計(jì)外輪廓，這是為了避免實(shí)際輪廓線變尖和干涉等干擾，在設(shè)計(jì)中要滿足實(shí)際輪廓線的最小半徑達(dá)到公式8的要求。

式中，Rmin為理論廓線的最小半徑；r為滾子半徑。

由于滾子半徑r=7.5（mm），在設(shè)計(jì)理論輪廓線時(shí)，其最小曲率半徑應(yīng)大于10.5mm，最大壓力角也要滿足

在彎曲模型中，r0=30mm，這個(gè)值比較小，所以αmax比較大，即很難滿足αmax≤[α]的要求在彎曲凸輪設(shè)計(jì)中，R′max和αmax是其2個(gè)約束條件，受其他的條件影響和制約。由于彎曲尺寸的限制，凸輪外輪廓上各個(gè)點(diǎn)的約束條件很難滿足預(yù)定的要求，這就使得設(shè)計(jì)凸輪的插件需要提供一個(gè)較為方便的參數(shù)和修改凸輪輪廓的算法和公式。

在設(shè)計(jì)交互式凸輪時(shí)，按運(yùn)動(dòng)要求來選用規(guī)則曲線合成的凸輪輪廓曲線。模塊可提供B-Spline曲線，該曲線性質(zhì)優(yōu)良，采用B-Spline曲線反求法，再通過已知的柵點(diǎn)反求出B-Spline曲線的控制點(diǎn)，最后擬合成封閉的凸輪外輪廓曲線。

當(dāng)需要修改凸輪輪廓曲線時(shí)，可以在插件的凸輪模塊中刪除或增加一些光標(biāo)點(diǎn)，后再重新擬合出一條新的曲線即可。為了保證輪廓曲線的每個(gè)點(diǎn)都是光滑連接的條件下，保證幾何連接，可以在局部復(fù)制一些柵點(diǎn)，再通過B-Spline曲線反求法求出新的點(diǎn)后進(jìn)行封閉連接形成新的輪廓曲線。最后，在設(shè)計(jì)凸輪輪廓時(shí)，應(yīng)考慮加速度的連續(xù)性，使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和彎曲精度得到保障。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種由電機(jī)提供動(dòng)力，克服了傳統(tǒng)彎曲裝置利用手動(dòng)制造的缺陷，節(jié)省了傳統(tǒng)方法的人力成本。同時(shí)，通過添加并聯(lián)式機(jī)構(gòu)可以一次性生產(chǎn)出兩個(gè)構(gòu)件，生產(chǎn)效率進(jìn)一步得到了提高，凸輪結(jié)構(gòu)曲線也可以根據(jù)所需加工試樣的尺寸和形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造出不同尺寸、形狀的彎曲零部件。對于解決我國裝備制造業(yè)面臨的困境、擺脫我國在彎曲機(jī)技術(shù)上被國外卡脖子的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國目標(biāo)具有極大的意義。