机械设计制造及其自动化创新综合设计课程设计说明书挤压弯曲一体成型典型机构设计.doc

创新综合设计课程设计说明书

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专 业 机械设计制造及其自动化

目录

一、 绪论

二、 方案的论证及确定

三、 传动设计

四、 动力设计

五、 总结

六、 参考文献

七、 致谢

1 绪论

1．1 概述
机械制造业是我国制造业最重要的组成部分，是国家的国民经济命脉，也是增强国家竞争力的基础。机械制造业的规模和水平是反映国家综合经济实力和科学技术发展水平的重要标志，因此非常值得重视和研究。
型材挤压弯曲在机械工业基础加工中占有重要的地位。型材挤压弯曲一体成型机是一种将金属板材弯成角度形状制件的通用设备，根据三点成圆的原理，利用工作辊相对位置变化和旋转运动使板材产生连续的塑性变形，以获得预定形状的制件。
型材挤压弯曲由于使用的领域不同，种类也不同。国外一般以工作辊的配置方式来划分。国内普遍以工作辊数量及调整形式等为标准实行混合分类。一般分为：三辊弯曲、四辊弯曲、特殊用途弯曲机。按卷制温度不同可分为冷卷 、热卷及温卷。从传动上分机械式和液压式。从型材挤压弯曲机的发展上说，上辊万能式最落后，水平下调式略先进，弧线下调式最高级。三辊弧线下调式是型弯机的发展方向 。不同的用户应该根据自己的具体试用情况，选择合理性价比的机型来满足自己的生产需要。不需要预弯板端的工件可选择性价比较高的对称上调式三辊型材挤压弯曲机；薄板小筒件可选择三辊全驱动的弧线下调式或水平下调式三辊型材挤压弯曲机；弯制中等厚度板材工件可选择性价比较高的上辊十字移动式三辊型材挤压弯曲机或水平下调式三辊型材挤压弯曲机；卷制厚壁大型筒件则水平下调式三辊型材挤压弯曲机是理想的结构形式。

1.2 型材挤压弯曲机的原理
1.2.1 型材挤压弯曲机的运动形式
型材挤压弯曲机的运动形式可以分为主运动和辅运动两种形式的运动。主运动是指构成型材挤压弯曲机的上辊和下辊对加工板材的旋转、弯折等运动，主运动完成型材挤压弯曲机的加工任务。辅运动是型材挤压弯曲机在弯曲过程中的装料、下料及上辊的升降、翘起以及倒头架的翻转等形式的运动。
该机构形式为三辊对称式,上辊在两下辊中央对称位置作垂直升降运动,通过丝杆丝母蜗杆传动而获得,两下辊作旋转运动,通过减速机的输出齿轮与下辊齿轮啮合,为弯制板材提供扭矩。

图1.1 三辊型材挤压弯曲机工作原理图
由图1.1：主运动指上辊绕O1，下辊分别绕O2、O3作顺时针或逆时针旋转。辅运动指上辊的上升或下降运动，以及上辊在O1垂直平面的上翘、翻边运动等。
1.2.2 弯曲成型的加工方式
型材挤压弯曲机上进行板材的弯曲是通过上滚轴向下移动时所产生的压力来达到的。它们滚圆工作原理如图1.2所示。

a） b） c）
a）对称式三辊型材挤压弯曲机 b）不对称式三辊型材挤压弯曲机 c）四辊型材挤压弯曲机
图1.2 滚圆机原理图
用三辊弯（卷）板机弯板，其板的两端需要进行预弯，预弯长度为0.5L＋（30-50）mm(L为下辊中心距）。预弯可采用压力机模压预弯或用托板在滚圆机内预弯（图1.3）

a） b）
a）用压力机模压预弯 b）用托板在滚圆机内预弯
图1.3 钢板预弯示意图

2 方案的论证及确定

2.1 方案的论证
2.1.1 方案1 双辊型材挤压弯曲机
双辊型材挤压弯曲机的原理如图2.1所示：

2.1 双辊型材挤压弯曲机工作原理图
上辊是钢制的刚性辊，下辊是一个包有弹性的辊，可以作垂直调整。当下辊旋转时，上辊及送进板料在压力作用下，压人下辊的弹性层中，使下辊发生弹性变形。但因弹性体的体积不变，压力便向四面传递，产生强度很高，但分布均匀的连续作用的反压力，迫使板料与刚性辊连续贴紧，目的是使它随着旋转而滚成桶形。上辊压人下辊的深度，既弹性层的变形量，是决定所形成弯曲半径的主要工艺参数。根据实验研究，压下量越大，板料弯曲半径越小；但当压人量达到某一数值时，弯曲半径趋于稳定，与压下量几乎无关，这是双辊型材挤压弯曲机工艺的一个重要特征。
双辊型材挤压弯曲机具有的优点：1.不必端头弯曲，加工速度快；2.在一次行程中有做高精度成型的可能；3.板坯即使是经过冲孔、切口、起伏成型等加工，也不致产生折裂及不规则翘曲等；4.不产生皱折，不在制件表面造成划痕；5.如果把棍轮的压下量取大，即使俩棍轮的间距有所变动而制件的直径也不发生变化，因此设备精度不是很高也行，使用的是简单的装置等等。
另一方面，二棍型材挤压弯曲机的缺点是:1.由于相对于制件直径的每一个变化都需要制作导向辊轮，故不适于多品种小批量生产； 2.不能做厚板的加工（最大加工板料6-9mm）。
2.1.2 方案2 三辊型材挤压弯曲机
三辊型材挤压弯曲机是目前最普遍的一种型材挤压弯曲机。利用三辊滚弯原理，使板材弯曲成圆形，圆锥形或弧形工作。
1. 对称式三棍型材挤压弯曲机结构及特点
对称式三棍型材挤压弯曲机，由工作辊、机架、传动系统和机座等组成。通常两个下辊为主动辊，相对于上辊作对称布置，上辊为从动辊，可垂直调节，所以也称对称上调式三棍型材挤压弯曲机。机器一侧安装有倾倒轴承，称为机器的倾倒侧，另侧安装有传动系统，称为机器的传动侧。除去全机械传动的对称式三棍型材挤压弯曲机，还有半液压半机械传动的对称式三棍型材挤压弯曲机。传动侧的翘起机构和倾倒侧的轴承倾倒机构均是为方便卸下卷制成形的筒件。通过倾倒机构能把轴承体倾倒85°-90°，翘起机构可把上工作辊翘起1°-3°。在中小型对称式三棍型材挤压弯曲机中大多采用手动倾倒机构和手动翘起机构。在大型的对称式三棍型材挤压弯曲机中，大多采用液压驱动的翘起机构倾倒机构。
结构简单、紧凑，质量轻、易于制造、维修、投资小、两侧辊可以做的很近。形成较准确，但剩余直边大。一般对称三辊型材挤压弯曲机减小剩余直边比较麻烦。
2. 不对称三辊型材挤压弯曲机特点
剩余边小，结构简单，但坯料需要调头弯边，操作不方便，辊筒受力较大，弯卷能力较小。所谓理论剩余直边，就是指平板开始弯曲时最小力臂。其大小与设备及弯曲形式有关。如图2.2所示：

图2.2 三辊型材挤压弯曲机工作原理图
对称式三辊型材挤压弯曲机剩余直边为两下辊中心距的一半。但为避免板料从滚筒间滑落，实际剩余直边常比理论值大。一般对称弯曲时为板厚6～20倍。由于剩余直边在校圆时难以完全消除，所以一般应对板料进行预弯，使剩余直边接近理论值。
不对称三辊型材挤压弯曲机，剩余直边小于两下辊中心的一半，如图2.2所示，它主要卷制薄筒（一般在32×3000以下）。
2.1.3 方案3四辊型材挤压弯曲机
其原理如图2.3

图2.3 四辊型材挤压弯曲机
它有四个辊，上辊是主动辊，下辊可上下移动，用来夹紧钢板，两个侧辊可沿斜线升降，在四辊型材挤压弯曲机上可进行板料的预弯工作，它靠下辊的上升，将钢板端头压紧在上、下辊之间。再利用侧辊的移动使钢板端部发生弯曲变形，达到所需要。
它的特点是：板料对中方便，工艺通用性广，可以校正扭斜，错边缺陷，可以既位装配点焊。但滚筒多。质量体积大，结构复杂。上下辊夹持力使工件受氧化皮压伤严重。两侧辊相距较远，对称卷圆曲率不太准确，操作技术不易掌握，容易造成超负荷等误操作。
2.1.3 方案4四辊模具型型材挤压弯曲机

其原理就是型材在空气锤的作用下迅速变形，从而达到所需材料的弯曲程度的一种复合型装置
2.2方案的确定
通过上节一般小型型材挤压弯曲机结构特点的分析，根据各种类型型材挤压弯曲机的特点，再根据三辊型材挤压弯曲机的不同类型所具有的特点，最后形成本设计方案，那就是方案4。
双辊型材挤压弯曲机不需要预弯、结构简单，但弯曲板厚受限制，只适合小批量生产。虽然三辊型材挤压弯曲机不能预弯，但是可以通过手工或其它方法进行预弯。

2.3本章小结
通过几种运动方案的分析，双辊型材挤压弯曲机虽然不需要预弯，但只适合小批量生产，而且弯曲板厚受限制。四辊型材挤压弯曲机通用性广，但其质量体积大而且操作技术不易掌握。对称三辊型材挤压弯曲结构简单、紧凑、质量轻、易于制造等优点。经过相比较下最终决定采用第四种方案的设计类型。

3 传动设计

挤压弯曲机如图3所示：

它的组成是4个上辊为固定活动轮，自由滚动。下面为空气锤冲击部分，当板材到达时气锤迅速冲击板材，由于钢板间的摩擦力带动，在空气锤的压力下上辊经过反复的滚动，使板料达到所需要的曲率，形成预计的形状。

3.1 传动方案的分析及确定
型材挤压弯曲机传动系统分为两种方式：齿轮传动和皮带传动。
皮带传动方式具有传动平稳，噪音下的特点，同时以起过载保护的作用，这种传动方式主要应用于具有一个主动辊的型材挤压弯曲机。
齿轮传动方式具有工作可靠，使用寿命长，传动准确，效率高，结构紧凑，功率和速度适用范围广等特点。
所设计的是三辊型材挤压弯曲机，具有两个主动辊，而且要求结构紧凑，传动准确，所以选用齿轮传动。

3.2副传动系统的确定
为调整上下辊间距，由上辊升降电动机通过减速器，蜗轮副传动蜗轮内螺母，使螺杆及上辊轴承座升降运动，为使上辊、下辊轴线相互平行，有牙嵌离和器以备调整，副传动系统如图3.2所示。
需要卷制锥筒时，把离和器上的定位螺钉松开，然后使蜗轮空转达到只升降左机架中升降丝杆的目的。

3.3本章小结
收集资料对各种运动方式进行分析，在结合三辊型材挤压弯曲机的运动特点和工作的可靠性，最后主传动采用齿轮传动，副传动采用气压传动。

4 动力设计

4.1.上下辊的参数选择计算
1. 假设一种型材参数：
加工板料6061铝合金屈服强度：σs=235MPa 抗拉强度：σb=420MPa
辊材：55 Mn 屈服强度：σs=930MPa 抗拉强度：σb=1080MPa
硬度：HBS≤229HB
板厚：s=50mm 板宽：b=2000mm
型材挤压弯曲速度：V=300mm/s
2.确定型材挤压弯曲机基本参数
上辊直径：
下辊直径：
上辊轴直径：
下辊轴直径：
最小卷圆直径：

4.2下辊的设计计算校核
下辊型材挤压弯曲示意图如下图4.1所示。

图4.1下辊型材挤压弯曲示意图

①下辊承受工作应力
均布载荷的集度 q=F/2000=1.3*10^6/2000 （式4.14）
=650N/mm
1）当板料置与辊子中间时
其受力图、剪力图及弯矩图如图4.2。

则

图4.2 受力图，剪力图，弯矩图

2）当板料偏置一端时
其受力，剪力及弯矩如图4.3所示

在AC段内
在CD段内

在DB段内
当时，M最大为693.31KNm
则

图4.3 受力图，剪力图，弯矩图
下辊为55Mn2优质合金钢，其许用应力[]。因为中置型材挤压弯曲和偏置型材挤压弯曲最大工作应力均小于许用应力，所以卷制3+24钛钢复合板（Ti+16MnR）应该安全。又因为偏置型材挤压弯曲最大应力小于中置型材挤压弯曲最大应力，所以最好偏置型材挤压弯曲。
② 卷简长度一定外径与板厚的关系
卷筒长度一定，卷筒外径与板厚的关系由式4.15来表示。
（式4.15）
式中：上棍直径d为550 mm；复合板筒外径为3000 mm；卷制筒体外径为750mm厚度为50mm。
将数据代入公式计算得
③卷简直径一定卷筒长度与板厚的关系
卷筒直径一定，卷筒长度与板厚的关系由式4.16来表示。
（式4.16）
式中：t2为35．7 mm；工件长度为2000 mm；上辊长度L为2500 mm；卷筒长度为2000 mm。
将所列数据代人公式4.16计算得ts=41．2 mm
④卷简长度一定材料的的直径与板厚的关系
卷筒长度一定材料的直径和与板厚的关系由式4.17来表示。
（式4.17）
式中紫铜屈服极限为182Mpa；钛钢屈服极限为408.4MPa；为41.2mm，将所列数据代入公式4.17中计算得=27.5mm。即卷制的钛钢复合板时，可型材挤压弯曲厚为27.5mm。因为27〈27.5，所以该设备可以满足此规格的钛钢复合板的卷制。
⑤辊子材料选择
型材挤压弯曲机辊子要求有高强度与良好的塑性和韧性，结合以往经验及生产实际，现选择55Mn2,因为这种材料经调质处理后钢的组织为回火索氏体，其中渗碳体呈粒状分布，具有较高韧性,能满足高强度及良好的塑性韧性要求.

4.3 卷筒的壁厚
卷筒的壁厚可以通过卷取前后钢板质量不变来进行计算，在卷取过程中卷筒的壁厚逐渐减小。
4.3.1 钢板理论简体半径R和下辊上压量h之间的关系
钢板在加工过程中，曲率的控制是通过调整上压量来实现的。由研究可知，板材在对称式三辊型材挤压弯曲机上卷取完成时，下辊的上压量和圆筒半径的关系为：，其中a和b为系数。因为h和R之间的关系是隐函的，所以这样的关系式在实际生产中并不实用。

下面建立了一个简单的模型。暂不考虑钢板回弹并假设钢板厚度很薄，可以近似忽略不计。进行具体分析：如图4.4所示，以两下辊的上切线为 X轴，上辊运动方向为Y轴，型材挤压弯曲圆筒中心A在该坐标系中的坐标为(O，R一h )， 左下辊中心的坐标为(一L／2，一 ／2)上辊和下辊中心连线的距离为
由两点间的距离表达式可得：
（式4.18）
整理可得算式：
（式4.19）
4.3.2 一次进给对称型材挤压弯曲的验算
在卷制过程中，通常尽量设定较少进给次数，如一次进给完成卷制加工，自然有高的生产率，但精度相对会下降。在给定工件参数的条件下，能否一次进给完成卷制加工，除看精度外，还需要检验钢板是否变形量过大，防止造成材料损伤，通常控制外部纤维伸长率不得太于5％；需验证上辊施加弯曲力是否大于设备的最大承受力，设备的最大承受力一般取型材挤压弯曲机标称压力的0.8倍；此外还需要判断所需电机功率是否小于型材挤压弯曲机电机额定功率。最后检查钢板是否打滑，钢板滚卷弯曲时外部纤维受拉，内部纤维受压。变形的大小与卷曲曲率和钢板厚度成正比。一般情况下，外部纤维伸长变形率满足关系式：
（式4.20）
式中：R。—— 多次卷制时前一次卷成的曲率半径。
通过研究，发现卷取过程中钢板受到上辊的压力F 可表示为：
（式4.21）
式中：M——型材挤压弯曲最大变形弯矩N，mm；
； （式4.22）
—— 形状系数；
—— 材料相对强化系数；
—— 进行弯曲时板件的相对曲率半径；
Rl= R ／T； （式4.23）
——板材的抗弯截面模量，； （式4.24）
—— 型材挤压弯曲宽度，mm；
需要电机功率P可用下式表示：
（式4.25）
如上图所示。
式中： ——上辊的线速度：
—— 减速机的效率，一般可取0.8；
—— 总驱动扭矩，N·mm；
（式4.26）
—— 消耗在板材变形上的扭矩，N·mm；
—— 消耗在摩擦阻力上的扭矩，N-mm；
—— 滑动摩擦阻力距，N·mm；
板料是依靠滑动摩擦力推进的，故送进板料的力矩为：
（式4.27）
其中：—— 上辊反力，N；
——下辊表面摩擦系数。
板料不打滑的条件：
（式4.28）
其中：—— 上辊反力，N；
—— 上辊反力，N；
—— 下辊轴颈的直径，mm；
——一般取0．15；
——一般取0．OO4；
——上辊表面摩擦系数
其中可以通过受力平衡公式进行计算
4.3.3 锥筒的卷制
用计算公式求出每条素线的实长值和底圆每等分的弧长 直接作展开图形。圆锥素线实长(见图4.5)

图4.5 圆锥素线实长

（式4.29）
式中：H —— 圆锥高度；
L—— 圆锥顶点在底面的投影到底圆圆心的距离；
R——底圆放样半径：
——每条素线在底圆上对应圆心角；
——对应素线实长值。
计算时可用任意角度，底圆弧长的计算应以两素线在底圆上对应的圆心角度来计算，计算式为，r为展开半径。为作图方便一般按底圆等分作计算，即只要计算一个等分段的对应的弧长值就可以。展开计算时只要计算出底圆等分点对应各素线实长值和一个等分段对应展开弧长。
4.3.4 三辊型材挤压弯曲机轴辊的调整计算
①卷制圆筒时轴辊调整计算
三辊型材挤压弯曲机调整时两下辊是固定不动的；上辊可上下移动。上辊移动的中心线轨迹与两下辊水平对称中心线位于同一垂直面上。因此，型材挤压弯曲机在卷制圆筒时，从开始到成型，圆弧的圆心始终脱离不了上辊移动的中心线轨迹面。利用直角三角形的有关公式，就可计算出卷制圆筒体从开始到成型上辊下降数值(见图4.6)。上辊下降数值
（式4.30）

图4.6 卷制圆筒示意图

②卷制锥筒时轴辊调整计算
如图4.7所示，锥筒尺寸有大口直径D、小口直径d、锥体高度h和锥筒侧面与垂直线的夹角和。利用工件大、小口直径数值直接带入公式计算是不合理的，并且误差太大，必须算出与轴辊相垂直的大、小口曲率半径作为计算数据，亦即锥体大、小口半径分别在下轴辊中心线上的垂直投影。卷制锥筒时，首先计算出锥体大、小口在处上辊下降的数值，将两数相减，得锥体两端口在处轴辊下降高度差。再将此处高度差顺轴辊向两端支撑轴承处按比例延伸，即得在处上辊下降高度差，再算出上辊在处下降高度差。

图4.7 圆锥尺寸图

见图4.8，将、分别带入卷制圆筒公式中得卷制锥筒在处上辊调整数值。

图4.8 卷制锥筒示意图

同理，可求出卷制锥筒在处上辊调整数值
式中：B——上辊两轴承间距。
③任意锥筒的卷制过程

表4.3 型材挤压弯曲机主要参数
板宽B（mm）
板厚T（mm）
型材挤压弯曲速度
屈服极限
下辊直径（mm）
下辊轴径（mm）
上辊直径（mm）
满载最小卷径（mm）
2000
50
3
235
1600
200
360
1300
形状系数
相对强化系数

上辊中心距
mm
上下辊开口度
1.5
11.6

750
200

卷制锥筒时，把下辊调到卷制直径为d的圆筒所需高度，然后把离合器上的定位螺钉松开，使蜗轮空转达到只升降一边机架中升降丝杠的目的，最后把上 辊的一边上升△ ，在卷制锥筒过程中，锥筒转动一周，上辊匀速升降(△。一△ )距离，完成锥筒的卷制。上述方法将板料卷成锥筒后，再焊接成形。但还需按以上步骤进行矫正，才能达到理想的工件。这种方法调整方便准确，降低了劳动强度，提高了生产率。
结论：根据以上公式可以建立三辊对称型材挤压弯曲机参数模型，进行计算，结果如表4.3。

4.4本章小结
通过计算，对三辊型材挤压弯曲机选择的参数进行校核，结果辊的强度都合格。

结 论

本次课程设计，历时两个星期有余，终于宣告结束，在这短暂两个星期中，本人在老师的指导下，完成了型材挤压弯曲机的设计。
通过对型材挤压弯曲机的总体设计、典型零件加工工艺的编制以及工程制图的使用，使我学到了许多有关机械方面的知识,主要归纳为以下几个方面：
①零件分析：主要是分析零件的主要功能作用以及加工工艺分析；
②工艺规程的制定：主要是毛坯的确定、基准的选择、以及工序的安排；
③加工余量的确定；
⑤切削用量的确定以及工时定额的计算。
通过这次的毕业设计，使我对机械产品的设计有了更深的认识，对所学的知识有了进一步的巩固。增强了自主设计的能力。同时，由于我们的经验和知识有限，难免出现不足之处，望老师给予批评指正。

参 考 文 献

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[4] 范宏才.现代锻压机械[M].北京：机械工业出版社，1994.
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[7] 单辉祖主编.材料力学教程.高等教育出版社.2006.
[8] 段鹏文，毛君主编.工程机械.中国华侨出版社.2002.
[9] 王昆.机械设计基础课程设计，北京：高等教育出版社，1996年.
[10] 濮良贵,纪名刚，机械设计（第七版）[M]北京：高等教育出版社，2001年.
[11] 徐锦康主编．机械设计[M]．北京：高等教育出版社,2004．

致 谢

首先，感谢老师多日来的悉心指导，不辞辛劳。为我们指引设计的基本方向，使我们在设计遇到困难时能够迎刃而解，顺利的找到出路；在失败时可以冷静分析，最终获得解决的方案；老师和蔼的态度，使我们如沐春风；老师渊博的知识，给我们以教益；老师严谨的治学态度，给我们无形的感染；使我们在紧张的设计中能够保持清醒的意识，深刻地思维，积极进取，奋发向上。最终完成设计任务。
本次设计是机械知识的总结和深化过程。在学习中，我们系统的学习了与机械相关的基础课和专业课，掌握了一定的生产实践能力，加深了对以往所学知识的理解。而这次的设计，不仅巩固了我的实践能力，进一步加深了对所学知识的理解，更重要的是使我对如何进行严谨的机械设计有了很大的认识。
同学的帮助也让我受益匪浅，相互讨论学习，不仅解决了问题，而且增进了友谊，在此对他们表示感谢。
最后，对在本次课程设计中帮助过我的老师同学们致以真诚的感谢！