波紋帶狀電熱合金折彎成型機(jī)設(shè)計(jì)

摘" 要：目前國(guó)內(nèi)的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)存在著效率低下，適用范圍小，操作性差等缺點(diǎn)，課題組提出根據(jù)扁帶成型設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)波紋帶狀電熱合金折彎成型機(jī)及其系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在為連續(xù)折彎設(shè)備輕量化、增加使用范圍、環(huán)境適應(yīng)性和操作性提供可行方案。在此依據(jù)合金材料的綜合力學(xué)性能，采用可替換軸銷式折彎?rùn)C(jī)構(gòu)，通過替換大小不同的軸銷增加折彎適用工藝范圍，采用光電傳感器，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)胚料進(jìn)給狀況，減少成型機(jī)構(gòu)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，提高加工效率。

關(guān)鍵詞：波紋帶狀;電熱合金;折彎;矯直;成型機(jī);機(jī)械設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG306" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0131-04

Abstract： At present， domestic CNC bending machines have shortcomings such as low efficiency， small scope of application， and poor operability. The research team proposed to design the corrugated strip electrothermal alloy bending machine and its system based on the characteristics of flat belt forming equipment， aiming to provide feasible solutions to reduce the weight of continuous bending equipment， increase the range of use， environmental adaptability， and operability. Thus， based on the comprehensive mechanical properties of alloy materials， a replaceable pin bending mechanism is used to increase the applicable process range of bending by replacing pins of different sizes. A photoelectric sensor is used to detect the feed status of the blank material in real time to reduce the action of the forming mechanism. Response time and improve processing efficiency.

Keywords： corrugated strip; electrothermal alloy; bending; straightening; forming machine; mechanical design

電熱合金無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是在日常生活中，需求量都非常大，以Cr20Ni80電熱合金為例，其不僅具有高電阻、熱膨脹系數(shù)低、熔點(diǎn)高和抗氧化能力強(qiáng)等物理特性，而且具有成型加工性好以及可焊性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1-3]。Cr20Ni80合金電熱元件一般服役溫度在950～1 100 ℃，最高使用溫度是1 200 ℃[4]，依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合與實(shí)際市場(chǎng)需求，電熱合金往往被制作成各式各樣的形狀，常見的有波紋帶狀、波紋線形、螺旋線形等[5]。因電熱合金成型折彎與鋼筋折彎有部分相似的特點(diǎn)[6-7]，課題組根據(jù)電熱合金成型折彎的特點(diǎn)對(duì)波紋帶狀電熱合金成型機(jī)及其系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在為折彎設(shè)備輕量化、增加使用范圍、環(huán)境適應(yīng)性與操作性提供可行方案，改變國(guó)內(nèi)的折彎?rùn)C(jī)存在的效率低、適用范圍小、操作性差等缺點(diǎn)。

1" 電熱合金折彎方式選擇

電熱合金成型方式?jīng)Q定著電熱合金帶成型機(jī)的設(shè)計(jì)切入點(diǎn)，不同的成型方式通常由不同的成型設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，目前實(shí)現(xiàn)折彎的方式主要有沖壓折彎和圓盤折彎2種。圓盤折彎具有折彎角度大、折彎精度高、成型效率高等優(yōu)點(diǎn)，在此選擇圓盤折彎方式作為波紋帶狀電熱合金折彎方案，盤式折彎?rùn)C(jī)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圓盤折彎方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以通過控制工作轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可以實(shí)現(xiàn)不同角度的折彎，也可以通過更換不同直徑的折彎軸套實(shí)現(xiàn)不同折彎半徑的折彎，進(jìn)而達(dá)到加工范圍提升的目的。圖1中將折彎靠銷設(shè)計(jì)為上下結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)波紋形帶狀電熱合金的加工，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作轉(zhuǎn)盤即可精確控制工作轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)。本課題針對(duì)波紋帶狀電熱合金的加工，折彎角度較大，成型精度較高，圓盤折彎符合工藝要求。

2" 電熱合金矯直方式選擇

金屬矯直的方法有許多種，根據(jù)矯直原理的不同可分為管道矯直、拉彎矯直及輥式矯直，各種矯直方式各有不同特點(diǎn)，電熱合金帶需要矯直的只有一個(gè)方向，經(jīng)過對(duì)比與分析，在此采用輥式矯直方式，如圖2所示。矯直輥組由5個(gè)可繞自身軸心自由轉(zhuǎn)動(dòng)的矯直輥錯(cuò)位排列組成，上下兩排輥組之間的間隙為電熱合金帶的矯直通道，圖2中標(biāo)出的5個(gè)點(diǎn)為電熱合金帶矯直過程中分別與各矯直輥的接觸受力點(diǎn)，1、2、4點(diǎn)為一組，對(duì)上彎的電熱合金帶進(jìn)行矯直，1、3、4和2、4、5又分別為一組對(duì)下彎的電熱合金帶進(jìn)行矯直。交錯(cuò)布置的矯直輥組結(jié)構(gòu)，使其矯直效率有很大提升，最小矯直長(zhǎng)度為兩矯直輥之間的中心距離a。

在矯直過程中，送料機(jī)構(gòu)僅需克服矯直輥與電熱合金帶之間的摩擦力，即可將電熱合金帶矯直，并且在此將上排的輥組設(shè)計(jì)為可分離式，通過調(diào)節(jié)上排輥組的安裝位置，即可調(diào)節(jié)兩排輥組之間的距離，即電熱合金帶矯直通道的高度，進(jìn)而調(diào)整電熱合金帶通過每個(gè)矯直單元所受到的反彎曲變形量，以此補(bǔ)償矯直作用力卸載后電熱合金的回彈作用。電熱合金在矯直通道里，受力后呈現(xiàn)為波浪線形，在經(jīng)過矯直通道后回彈為直線形，故有較好的矯直效果，該矯直輥組負(fù)責(zé)矯直豎直方向的彎曲，故還需另一個(gè)寬度方向矯直輥組，如圖3所示。寬度方向矯直輥組同樣由兩排輥組構(gòu)成，該輥組用于矯直寬度方向上的彎曲，考慮到電熱合金帶寬度方向尺寸較大，剛度遠(yuǎn)大于厚度方向，故彎曲程度較小，采用對(duì)稱布置的矯直輥更方便安裝并且仍滿足使用需求。

總之，矯直輥組布置有兩排交錯(cuò)的工作輥，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，合金帶經(jīng)過輥組時(shí)其彎曲的部分會(huì)受到較大的彎曲作用力，在該作用力下產(chǎn)生塑性變形，最后在經(jīng)金屬材料的回彈效應(yīng)最終達(dá)到平直的效果。

3" 波紋帶狀電熱合金成型機(jī)設(shè)計(jì)

本課題旨在設(shè)計(jì)出一款具有矯直功能且具備自動(dòng)送料功能，以及自動(dòng)折彎功能的帶狀電熱合金折彎?rùn)C(jī)，前述內(nèi)容已經(jīng)對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)選取了執(zhí)行方案，在此將對(duì)各個(gè)執(zhí)行部件進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。波紋帶狀電熱合金成型機(jī)主要由矯直輥組結(jié)構(gòu)、送料摩擦輪及折彎結(jié)構(gòu)組成，顧名思義，電熱合金進(jìn)入折彎工序以前，需要在送料摩擦輪的牽引下，經(jīng)過矯直輥組的作用變?yōu)橹本€形的電熱合金帶。

3.1" 矯直輥組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

矯直輥組結(jié)構(gòu)與布置如圖4所示，左側(cè)輥組負(fù)責(zé)豎直方向上的矯直，右側(cè)輥組負(fù)責(zé)水平方向上的矯直。布置矯直輥組時(shí)，考慮到電熱合金帶寬度方向?yàn)榇蟪叽绶较?，電熱合金帶在水平方向的變形曲率較小，因此將水平矯直輥組布置到豎直矯直輥組的前方，電熱合金帶先經(jīng)過水平矯直再進(jìn)入豎直矯直，這樣可以減少由于電熱合金帶不規(guī)則形狀對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的附加載荷。最后通過調(diào)節(jié)輥組之間的位置找到最佳值，既可以優(yōu)化合金帶的矯直的質(zhì)量，也可減少送料摩擦輪對(duì)能量的消耗。

3.2" 送料摩擦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

送料摩擦輪結(jié)構(gòu)如圖5所示，送料摩擦輪由上下2個(gè)轉(zhuǎn)輪構(gòu)成，下面的轉(zhuǎn)輪連接帶輪，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)輪，上轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)為可分離式，在其連接處增加墊片數(shù)量可微調(diào)上下兩轉(zhuǎn)輪之間的距離，進(jìn)而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)摩擦力。

3.3" 折彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

折彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示，其主要由2個(gè)部分組成：折彎工作轉(zhuǎn)盤及電熱合金帶折彎支撐通道。電熱合金帶從折彎支撐通道經(jīng)過，遮住光電傳感器后，控制系統(tǒng)給出相應(yīng)的信號(hào)控制液壓缸電磁閥，以及步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)折彎動(dòng)作。

3.4" 折彎參數(shù)設(shè)定

電熱合金帶從平直狀態(tài)變?yōu)閺澢鸂顟B(tài)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)折彎轉(zhuǎn)盤推動(dòng)實(shí)現(xiàn)，折彎快慢可通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率來控制，折彎是一個(gè)連續(xù)的過程，并且折彎角度連續(xù)不斷地增大，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度也不斷增大，但是折彎有效行程是依靠折彎軸銷沿垂直合金帶寬度方向移動(dòng)的距離，因此需要將步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為距離以求解，表1為Cr20Ni80電熱合金帶規(guī)格參數(shù)。

4" 輔助硬件選擇與設(shè)計(jì)

4.1" 折彎步進(jìn)電機(jī)選擇

因電熱合金帶的折彎所需要的彎矩不是很大，而步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大，其轉(zhuǎn)速可通過控制脈沖頻率來控制，具有較高的控制精度，最重要的是步進(jìn)電機(jī)有著很優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)，本課題為浪線形的電熱合金帶折彎?rùn)C(jī)，正好需要較好的反轉(zhuǎn)響應(yīng)，因此應(yīng)選擇ZH130HC226-1945A型號(hào)的三相步進(jìn)電機(jī)。

4.2" 液壓缸選擇

本項(xiàng)目中，液壓缸的功能主要是連接折彎步進(jìn)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)折彎步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)伸縮，液壓缸工作過程中電機(jī)是停止運(yùn)行的，故除了電機(jī)的重量外再無(wú)其他負(fù)載。因此，對(duì)液壓缸的要求并不高，查得 ZH130HC226-1945A型號(hào)的電機(jī)重量為10 kg，綜合經(jīng)濟(jì)性考慮后決定選擇LG01210L系列拉桿液壓缸，型號(hào)為L(zhǎng)G08120L-CA50B-120N100。

5" 電熱合金成型機(jī)工作原理及總裝圖

圖7為波紋帶狀電熱合金成型機(jī)的工作流程圖，整機(jī)包含了合金帶矯直系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、折彎系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。圖8為波紋帶狀電熱合金成型機(jī)總裝圖。

成型機(jī)工作過程如下：將待加工的合金帶放在矯直機(jī)構(gòu)右端平臺(tái)上，先手動(dòng)將合金帶推至進(jìn)給摩擦輪入口處，并調(diào)節(jié)兩摩擦輪之間的距離，從而調(diào)整摩擦輪對(duì)合金帶的壓力，使摩擦輪有足夠的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)合金帶的進(jìn)給。再調(diào)整矯直輥組的位置，以達(dá)到最優(yōu)的矯直效果。準(zhǔn)備完畢打開成型機(jī)電源，進(jìn)給摩擦輪在帶輪的牽引下，通過與電熱合金帶之間的摩擦力推動(dòng)合金帶連續(xù)通過水平矯直輥組、豎直矯直輥組，當(dāng)電熱合金經(jīng)過光電傳感器上方，觸發(fā)光電傳感器，處理器收到信號(hào)，經(jīng)過延時(shí)t秒后，控制進(jìn)給摩擦輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繼電器動(dòng)作，使摩擦輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電，合金帶停止送料。

摩擦輪停止送料時(shí)，合金帶伸出的長(zhǎng)度，即為一次折彎的折彎長(zhǎng)度，步進(jìn)電機(jī)得電初始化并回到初始位置，繼而電磁閥得電一段時(shí)間，液壓缸動(dòng)作推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)伸出與折彎軸銷平齊，隨后步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一個(gè)方向的折彎。該動(dòng)作完成后，步進(jìn)電機(jī)失電，電磁閥得電變?yōu)樾遁d回路，步進(jìn)電機(jī)縮回，同時(shí)繼電器得電，摩擦輪繼續(xù)進(jìn)給，又延時(shí)t秒后斷電，接著電磁閥得電，步進(jìn)電機(jī)伸出后得電，但這以后均不需要初始化和復(fù)位，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)完成另一個(gè)方向的折彎，電熱合金帶變?yōu)镾形，此為一個(gè)循環(huán)。

6" 結(jié)束語(yǔ)

電熱合金不論是在日常生活還是在工業(yè)生產(chǎn)中都有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，但電熱合金的成型技術(shù)落后，自動(dòng)化技術(shù)亟待提高和發(fā)展，現(xiàn)有市場(chǎng)雖有少量的數(shù)控成型機(jī)，但主要應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的大型制造企業(yè)，專用性強(qiáng)，基本是一臺(tái)設(shè)備僅對(duì)應(yīng)一種成型形狀。針對(duì)以上問題，本課題組提出了根據(jù)鋼筋成型設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)波紋帶狀電熱絲成型機(jī)及其系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研發(fā)了一套較為先進(jìn)的波紋帶狀電熱合金折彎數(shù)控成型機(jī)，該設(shè)備具有輕量化、工藝范圍寬、操作性強(qiáng)等特征，以及具備適應(yīng)多種批量生產(chǎn)場(chǎng)合，為該設(shè)備市場(chǎng)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（202310397008）;2022年福建省本科高校教育教學(xué)研究重大項(xiàng)目（FBJG20220051）;福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JZ230059）

*通信作者：林權(quán)（1980-），男，碩士，教授。研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造。