弯管机的研究综述及展望_吴静蕾.pdf

2 0 2 3年第8期弯管机的研究综述及展望吴静蕾1,张慧雯1,张清珠1,李 兵1,席伟江2,张 锋1(1.湖州师范学院 工学院,浙江 湖州 3 1 3 0 0 0;2.浙江长兴和良智能装备有限公司,浙江 湖州 3 1 3 0 0 0)摘 要:弯管机主要用于金属加工过程中管材的塑性成形,广泛应用在汽车、电力施工、公路铁路建设、桥梁、船舶等需要管材弯制的行业。随着近年来管材使用量的激增,管材弯制的工艺要求也随之提升,促使市场对弯管机的功能和性能的要求越来越高。本文聚焦弯管机的研究进展,对弯管机的分类和国内外发展现状进行了介绍,针对弯管机的弯曲工艺和控制系统等进行研究分析,总结了弯管机技术的现存问题,并对弯管机的发展趋势做出展望。关键词:弯管机;现状;发展趋势 中图分类号:T G 3 5 5.3+4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 1 0 6-0 3R e v i e wa n dP r o s p e c t o fR e s e a r c ho nP i p eB e n d i n gM a c h i n eWuJ i n g-l e i1,Z h a n gH u i-w e n1,Z h a n gQ i n g-z h u1,L iB i n g1,X iW e i-j i a n g2,Z h a n gF e n g1(1.S c h o o l o fE n g i n e e r i n g,H u z h o uU n i v e r s i t y,H u z h o u3 1 3 0 0 0,C h i n a;2.Z h e j i a n gC h a n g x i n gH e l i a n gI n t e l l i g e n tE q u i p m e n tC o.L t d.,H u z h o u3 1 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:P i p eb e n d i n gm a c h i n ea r em a i n l yu s e df o rp l a s t i c f o r m i n go fp i p e s i nt h ep r o c e s so fm e t a lp r o c e s s-i n g,a n d i sw i d e l yu s e d i na u t o m o b i l e s,e l e c t r i cp o w e r c o n s t r u c t i o n,h i g h w a ya n dr a i l w a yc o n s t r u c t i o n,b r i d g e s,s h i p sa n do t h e ri n d u s t r i e st h a tr e q u i r ep i p eb e n d i n g.W i t ht h es u r g ei nt h eu s eo fp i p e si nr e c e n ty e a r s,t h ep r o c e s s r e q u i r e m e n t so fp i p eb e n d i n gh a v ea l s oi n c r e a s e d,p r o m p t i n gt h em a r k e tt oh a v eh i g h e ra n dh i g h e rr e-q u i r e m e n t s f o r t h e f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo fp i p eb e n d i n gm a c h i n e.T h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c hp r o-g r e s so fp i p eb e n d i n gm a c h i n e,i n t r o d u c e s t h ec l a s s i f i c a t i o no fp i p eb e n d i n gm a c h i n ea n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa th o m ea n da b r o a d,c o n d u c t sr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h eb e n d i n gp r o c e s sa n dc o n t r o l s y s t e mo fp i p eb e n d i n gm a c h i n e,s u mm a r i z e s t h ee x i s t i n gp r o b l e m so fp i p eb e n d i n gm a c h i n et e c h n o l o g y,a n dm a k e sa no u t l o o kf o rt h ed e v e l o p m e n t t r e n do fp i p eb e n d i n gm a c h i n e.K e yw o r d s:P i p eb e n d i n gm a c h i n e;P r e s e n t s i t u a t i o n;D e v e l o p m e n t t r e n d项目来源:2 0 2 2年国家级大学生创新创业训练计划项目“数控弯管机计算平台开发与整机轻量化设计 以6 5型为例”(编号:2 0 2 2 1 0 3 4 7 0 0 3)作者简介:吴静蕾(2 0 0 1),女,安徽池州人,本科生,机械设计制造及其自动化。通讯作者:张清珠(1 9 8 8-),女,河北邢台人,湖州师范学院讲师,工学博士,研究方向:大直径全电伺服弯管机的设计。0 引言弯管构件因其特殊的中空结构,使其具备结构轻巧、强度高、抗碰撞、缓冲强、可运输压力流体等优点,广泛应用于各个领域1,2。以汽车行业为例,随着对产品性能和轻量化需求的增长,许多结构复杂的空心零件都离不开弯管成形,如汽车空调管路、排气管等。这些对于管材形状逐渐复杂化的需求大大地推动了弯管机的发展。弯管机主要用于金属加工过程中管材的塑性成形,可将管材按一定的角度、弧度进行弯曲3。本文将从弯管机的分类、国内外发展现状、弯曲工艺以及现存问题等方面进行综述,并对弯管机的发展趋势做出展望。1 弯管机的分类弯管机按驱动形式的不同,一般可分为三种:手动弯管机、电动弯管机以及电动液压弯管机。手动弯管机靠人力驱动对管件进行弯曲,主要适用于小直径薄壁管材。电动弯管机由电机带动变速器进行传动,适用于管径不超过5 0mm的管材。电动液压弯管机主要驱动源为电机与液压混合,可输出较大的转矩,适用于大直径的管材。弯管机还可按管材直径可分为小直径弯管机(管材直径一般不超过5 0mm)和大直径弯管机(管材直径超过5 0mm);按弯管机的弯曲方式分为无模弯管机(一般机身较小)和有模弯管机。2 弯管机的国内外研究现状2.1 弯管机的弯曲工艺2.1.1 大直径薄壁管随着现代工业的空前发展以及我国大飞机、新一代军机、大型船舶的研制,大直径薄壁管件作为一种关键的轻量化构件得到广泛地使用。因大直径薄壁管壁具有壁厚小、管径大且受力复杂以及变形机理与一般管的弯曲机理大不相同的特点,很大程度上限制了大直径薄壁管的弯管机的研究与发展。对于薄壁管件,国外主要研究薄壁管的生产,采用氩壁焊接的方法进行加工4。迪娜奥尔加巴里什尼科娃5对薄壁管生产方法进行优化,通过试验与相关计算得601DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.025内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n出加工超薄壁管件时所需焊接的最佳参数,提高了超薄壁管件加工工艺的稳定性。Y a n等6研究了径厚比分别为7 0、8 0和1 0 0的铝合金管材的弯曲成形极限,揭示了工艺参数组合在实现极限弯曲过程中的作用。L i u等7提出了一种弯管缺陷扰动方法,为绕弯过程中管内起皱提供预测依据。L i8等发现管件的硬化、厚向异性指数和杨氏模量对大直径薄壁弯曲成形性能有很大的影响。张晓冬等9对大口径管件小半径中频热弯进行数值模拟,研究了弯曲过程中截面扁平度和减薄率随弯曲过程的变化规律。李小曼等1 0对大直径薄壁导管的弯曲成形技术进行研究,为大直径薄壁弯管成型装置的研究打下理论基础。W a n g等1 1研究了双层管充液压弯成形下,内层超薄壁不锈钢管的壁厚变化情况。但这种方法在压弯前需要将内层超薄壁弯材装入外层低碳钢保护管材;压弯成形后需要割开外层金属管,只留内层的超薄壁弯管,流程复杂,成本高。卢鹏1 2以某型飞机中0 C r 1 8 N i 9-固溶-G 9 01规格的大直径薄壁导管为研究对象,设计了大直径薄壁导管数控弯曲成形模具以及模具的安装及调试。该研究针对大直径薄壁管弯曲过程中的模具打滑问题进行分析,并提出有效的解决办法。通过上述分析可见,国内外针对大直径薄壁管方面的研究主要集中在管件生产技术、管件弯曲成型的理论分析以及弯曲机理的试验探究,但对应大直径薄壁管的全电动数控弯管机装备的开发研究较少。2.1.2 多半径弯管加工随着科技的发展,不仅需要多角度的弯管,还需要多半径弯弧的弯管。前者通过普通“一管一模”弯管机便可实现1 3,而多半径弯管加工,则需要根据管材弯制时所需半径不同更换相应的模具。针对多半径弯管加工需求,徐龙飞1 4设计制造了双模数控立体弯管机。通过对弯管机夹紧部分进行优化设计,有效解决了弯管过程中由于管件的弯曲半径发生变化导致管模槽与加工管件的中心线发生偏移以及机械干涉等问题。该款弯管机可实现双模更换,完成对同一根管材进行两种不同弯曲半径的加工工艺。图1 弯管原理图1 5然而,可自动模的弯管机由于模具数量的增加,大大增加了机身重量,且换模工序对控制系统的精度要求高,容错率低。张利霞等1 5研制了一款三维无模弯管机器人。该款弯管机不使用模具进行弯管作业,利用平面空间内不在同一条直线上的三点可确定一个圆的原理进行弯管机构设计,其弯管原理如图1所示。该款弯管机避免了有模弯管机由于换模引起的定位偏移等问题,提高了管件进行多半径弯曲加工的效率,同时无模的结构设计,减轻了机身重量有利于生产运输。美国马尼什钱德兰等人1 6研制了一款多半径弯管机,可实现管径大小为3 2mm的管件的弯管需求。采用液压驱动,特殊的模具结构使其能满足多半径的弯管需求,且不同尺寸模具更换方便。通过上述总结发现,现有的针对多半径弯弧的弯管机,多为根据工厂实际加工问题所做的针对性优化,通用性差。2.2 弯管机的控制系统国外弯管机发展较早,上世纪6 0年代美国便开始开发弯管机技术,在弯管机的控制系统方向也最先着手研究。7 0年代末,美国E A T ON L E ONA R D公司研发了计算机编程控制的数控弯管机1 7。该款弯管机在装置可靠性方面以及生产效率方面取得了相当大的进展,为后续弯管机的控制系统的设计开发及其优化打下基础。日本在此方向的研究也相对较多,弘木等1 8于2 0 0 8年解析了成形过程中的数学模型,并研发了多轴的自由弯曲系统。我国在弯管机控制系统上的开发相对较晚,但发展迅速。李伟等1 9研究设计了多功能自动弯管机控制系统。该系统为基于P L C控制系统,以F X 0 N-6 0M(R)为主控单元。为了解决弯管机加工过程中由于突然断电引起的程序中断、数据损失问题,软件部分的设计利用特殊计数器和状态寄存器进行停电记忆与断电保护,使工件在继续通电后能接着完成上一步为完成的工序,减少材料的损失。P L C控制系统结构简单便于操作,为大多数自动控制设备所应用,但单P L C控制系统实时性差,自动化水平难以满足目前工业上复杂多样的自控需求。杨再忠等2 0提出将P L C与工控机结合用于提高弯管机自控过程的实时性,但同时也增加了加工成本且加工管件的精度并不稳定。丁惠忠2 1对智能弯管机的控制系统进行开发设计,提出将运动控制器用于智能弯管机数控系统。运动控制器具有开放性强、控制系统精度较高等优点,能有效弥补单P L C控制系统的不足。该系统的控制精度,比传统控制精度提高了5 0%,移动指令单位最低至0.0 0 1mm。图2 设计流程耿金良等2 2提出一种基于极坐标法的弯管机的几何算法与系统控制的折弯方法,其设计流程如图2所示。它可对弯管机的弯管角度误差进行手动或自动补偿,使弯管7012 0 2 3年第8期机控制系统更加智能化。目前,该系统经测试最大弯管直径为1 6mm,仍存在较大进步空间。从以上研究看出,弯管机设备大量采用P L C控制系统,少量设备采用通用运动控制器,这一现象制约了弯管机的智能化发展。3 展望3.1 绿色发展目前针对大直径薄壁管材的加工设备主要为液压式弯管机,但液压普遍存在资源能源消耗大、环境排放高、绿色技术水平偏低等绿色发展问题。目前,我国着力解决资源环境约束突出问题,提出“双碳”目标,为了顺应全球绿色 发 展 大 势,亟 需 研 制 全 电 动 的 数 控 弯 管机,从而以绿色制造推进工业体系转型升级,迅速提升产业的价值。3.2 整机轻量化随着被加工管径的增大,数控弯管机需提供的弯管力矩也随之增大,导致整机的尺寸和重量也在不断地增加,造成了生产成本、运输成本和使用成本的大幅度增加以及市场竞争力的下降。目前,市面上大部分弯管机机身庞大,普通5 0型弯管机一般重量约1.5t,大直径弯管机普遍重达3t以上,亟需对机身进行轻量化。然而轻量化的设计研究多数集中在汽车和起重机上。由此可见,弯管机在轻量化设计方面仍存在一定空缺,将成为未来弯管机发展的方向。3.3 控制系统智能化采用智能化的C AM软件和专用数控系统,实现管件的一体化数控成型或任意组合加工,可极大地提高自动化程度,节约劳动力,提升管件的加工品质。此外将基于图像的管件缺陷检测技术和管件尺寸测量技术引入也将成为未来的研究方向,从而进一步提升加工的效率和精度。4 结论弯管机为金属管材弯曲成型的主要设备。本文对弯管机的分类以及国内外研究现状进行了研究总结,主要围绕弯管机的弯曲工艺和控制系统两大内容展开了论述。根据以上研究总结得出弯管机技术未来的发展趋势为绿色发展、轻量化设计和控制系统智能化三个方面。参考文献:1 鄂大辛,(美)周大军.金属管材弯曲理论及成形缺陷分析M.北京:北京理工大学出版社,2 0 1 6.2 唐长平.数控弯管机的研究与开发D.合肥:合肥工业大学,2 0 0 5.3 温彤.管材成形技术综述J.机械设计与制造,2 0 0 6,(1 1):7 7-7 9.4G o m e zD.,L o b o M.,P e r e zM.E.O nc r i t i c a lp a-r a m e t e r si nh o m o g e n i z a t i o no fp e r f o r a t e dd o m a i n sb yt h i nt u b e s w i t hn o n l i n e a r f l u xa n d r e l a t e ds p e c t r a l p r o b-l e m s(A r t i c l e)J.M a t h e m a t i c a lM e t h o d si nt h eA p-p l i e dS c i e n c e s.2 0 1 5,3 8(1 2):2 6 0 6-2 6 2 9.5D i n aA.M.,O l g aO.B.I n n o v a t i o nm e t h o do fp r o-d u c t i o no fe x t r e m e l y-t h i n-w a l l e dw e l d e dt u b e so nt h et u b e-e l e c t r i c w e l d i n g m a c h i n e T E S A 1 0-2 0J.I J ME R R,2 0 2 0,9(1 2):1 5 8 4-1 5 9 0.6Y a n J.,Y a n gH.,Z h a nM.,e t a l.F o r m i n g l i m i t su n-d e rm u l t i-i n d e xc o n s t r a i n t s i nN Cb e n d i n go f a l u m i n u ma l l o yt h i n-w a l l e dt u b e sw i t hl a r g ed i a m e t e r sJ.S c i-e n c e C h i n a-T e c h n o l o g i c a l S c i e n c e s,2 0 1 0,5 3(2):3 2 6-3 4 2.7L i u N.,Y a n g H.,L iH.,e ta l.A ni m p e r f e c t i o n-b a s e dp e r t u r b a t i o nm e t h o d f o rp l a s t i cw r i n k l i n gp r e d i c-t i o ni nt u b eb e n d i n gu n d e rm u l t i-d i ec o n s t r a i n t sJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM e c h a n i c a lS c i e n c e s,2 0 1 5,9 8:1 7 8-1 9 4.8L iG.J.,Y a n gH.,X uX.D.e ta l.F o r m a b i l i t yo ft h i n-w a l l e dc o mm e r c i a l p u r e t i t a n i u mt u b eu p o nr o t a r yd r a wb e n d i n gJ.R a r eM e t a lM a t e r i a l sa n dE n g i n e e r-i n g,2 0 1 8,4 7(1):2 6-3 2.9 张晓冬,刘俊,邹双桂,等.大口径管件小半径中频热弯数值模拟J.船舶工程,2 0 1 6,3 8(S 2):1 8 2-1 8 5.1 0 李小曼,李善良,张冶,等.大直径薄壁导管数控弯曲成形技术浅析J.轻合金加工技术,2 0 1 9,4 7(1 1):4 7-5 1.1 1W a n gX.S.,L i F.A n a l y s i s o fw a l l t h i c k n e s s v a r i a-t i o n i n t h eh y d r o-b e n d i n go f ad o u b l e-l a y e r e d t u b eJ.T h e I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fA d v a n c e dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g y,2 0 1 5,8 1(1-4):6 7-7 2.1 2 卢鹏.大直径薄壁小弯曲半径不锈钢导管数控弯曲成形研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2 0 1 9.1 3 周杰文,刘检华,赵柏萱,等.数控弯管机机构运动学建模与加工过程仿真技术J.计算机集成制造系统,2 0 1 5,2 1(0 2):4 3 4-4 4 3.1 4 徐龙飞.数控双模弯管机和液压系统的设计J.液压与气动,2 0 0 5,(0 5):1 0-1 2.1 5 张利霞,张景胜,倪辉,等.三维无模弯管机器人的设计与控制J.现代制造工程,2 0 2 2,(0 2):5 9-6 3+6 9.1 6M a n e e s hC.,T h u s h a rM.,V i p i nV.D e s i g na n da-n a l y s i so fm u l t i p l er a d i u sp i p eb e n d i n gm a c h i n eJ.A I PC o n f e r e n c eP r o c e e d i n g s,2 0 1 9,2 1 3 4(1):1-9.1 7 杨猛.液压弯管机系统设计与可靠性研究D.秦皇岛:河北科技师范学院,2 0 2 0.1 8G O T O H.,I CH I R YU K.,S A I T O H.,e ta l.A p-p l i c a t i o n sw i t h A N e w 6-D O F B e n d i n g M a c h i n ei nT u b eF o r m i n gP r o c e s s e sC.P r o c e e d i n g so f t h eJ F-P SI n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u mo nF l u i dP o w e r.T o k y o,2 0 0 8:1 8 3-1 8 8.1 9 李伟,王新杰.多功能自动弯管机控制系统J.组合机床与自动化加工技术,2 0 0 3,(0 2):3 4-3 5.2 0 杨再忠,彭承,李勤.中频弯管机工艺参数自动化控制系 统 的 改 造 J.制 造 技 术 与 机 床,2 0 1 8,(0 4):1 4 3-1 4 7.2 1 丁惠忠.基于运动控制器的智能弯管机数控系 统J.制造业自动化,2 0 2 1,4 3(0 2):8 2-8 7+9 7.2 2 耿金良,姜宇,孟凯,等.基于极坐标法空间弯管机的算法与控制J.现代制造工程,2 0 2 0,(1 2):1 3 0-1 3 5+1 4 2.801