姚樹(shù)楷，賈瑞清

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

一種彎管加熱成型回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

姚樹(shù)楷，賈瑞清

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

隨著彎管在各個(gè)行業(yè)的需求量急劇增加，對(duì)彎管成型的工藝以及設(shè)備的研究已漸漸引發(fā)熱潮。論文在北京國(guó)電富通公司對(duì)彎管成型工藝流程的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)于彎管成型的自動(dòng)化工藝進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種流水線回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，為今后彎管成型的自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

彎管成型；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；自動(dòng)化設(shè)備；加熱成型

0 引言

2008年1 月，國(guó)網(wǎng)公司《關(guān)于轉(zhuǎn)變電網(wǎng)發(fā)展方式、加快電網(wǎng)建設(shè)的意見(jiàn)》中指出，到2020年，建成直流輸電工程38項(xiàng)，輸電容量1.91億千瓦，線路長(zhǎng)度5.23萬(wàn)公里，其中±800kV直流特高壓輸電容量7600萬(wàn)千瓦。這些線路將主要用于西電東送工程和國(guó)內(nèi)幾大區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，實(shí)際配水管路及水冷主機(jī)需求總量應(yīng)在17億元以上[1]。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)主要采購(gòu)國(guó)外的配水管路，供應(yīng)能力滿足不了目前市場(chǎng)需求，因此換流閥配水管路彎管技術(shù)研究十分必要。

目前，PVDF管道的彎管成型工藝十分落后，彎曲成型后的PVDF管存在截面形狀畸變、起皺、截面厚度誤差大等缺陷，使用時(shí)可能出現(xiàn)滲漏、異常變形和破裂等安全隱患，并且在生產(chǎn)過(guò)程中廢品率高，浪費(fèi)資源。

本文在北京國(guó)電富通公司的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了一種新型的針對(duì)PVDF材料直管自動(dòng)化彎管成型的自動(dòng)化系統(tǒng)方案。

1 彎管成型技術(shù)與流程要求

北京國(guó)電富通有限責(zé)任公司進(jìn)行了關(guān)于彎管成型的研究，目前采用的是加熱有模壓彎的方法。

加工原材料是外徑Φ20，內(nèi)徑Φ16的PVDF直管，在加熱到PVDF的熔點(diǎn)173℃之后，再由上下模具合模之后成做需要的U字型，特制的上下模具如圖1所示。

由于需要加熱，為防止PVDF直管在合模壓制的過(guò)程中彎曲部分出現(xiàn)增厚或起皺，先在直管中間拉入一段尺寸合適的橡膠棒，起到對(duì)直管內(nèi)部的支撐作用。之后將模具與待加工直管放入烘箱中加熱到173℃，加熱半小時(shí)之后由工作人員取出，安裝至圖3所示氣動(dòng)裝置上進(jìn)行合模操作，完成合模之后再放入烘箱中定型保溫半小時(shí)，之后拿出冷卻。等模具冷卻到40℃之后，再放在氣動(dòng)裝置上將上下模具拔開(kāi)，并將已成型后的彎管中的橡膠棒抽出，即完成彎管成型的全部流程。

這種彎管工藝降低了廢品率，但在生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率上都差強(qiáng)人意。因此本文在保留彎管技術(shù)工藝流程的前提下，設(shè)計(jì)出一個(gè)自動(dòng)化彎管成型的回轉(zhuǎn)流水線平臺(tái)。

圖1 彎管壓制模具Fig.1 Bending press mold

2 模具改進(jìn)與驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化以及保證加工工藝流程，須對(duì)原本的上下模具進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)其驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2.1 單組模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具的改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，模具由原本的上、下模具倒置工作，上下模具中均開(kāi)有半圓型槽，當(dāng)上下模具合并時(shí)，放于模具之間的直管即可壓模成為對(duì)應(yīng)形狀的彎管。

將下模具中間挖空，裝入左右兩根導(dǎo)桿，用作上模具上下行進(jìn)時(shí)導(dǎo)向，中間裝入絲杠軸，上模具在對(duì)應(yīng)位置裝入配套的絲杠滑塊，于是當(dāng)絲杠正反轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上模具即可沿著導(dǎo)桿上下行進(jìn)，完成合模與拔模的流程。

圖2 模具示意圖Fig.2 Sketch map for mold

由之前實(shí)驗(yàn)中得知，在只使用上下模具進(jìn)行合模壓制的時(shí)候，直管在彎曲變形處所受到的應(yīng)力的力臂非常短因此需要非常大的壓力作用才能夠達(dá)到直管彎曲所需彎矩。因此在合模過(guò)程中非常容易由于過(guò)大的受力而產(chǎn)生一些皺褶，從而導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。

為此上模具兩端加裝了預(yù)壓輪，可以預(yù)先對(duì)直管的兩端進(jìn)行壓合。在使用預(yù)壓輪之后，直管在接觸到上模具之前就已經(jīng)受到預(yù)壓輪的作用，作用力臂遠(yuǎn)長(zhǎng)于不加輪時(shí)，在達(dá)到直管彎曲所需彎矩恒定的情況下，需要的力也相應(yīng)變小很多，因此在預(yù)壓時(shí)并不會(huì)損傷直管。而等到直管有一定彎曲度的時(shí)候，上模具接觸開(kāi)始?jí)汉希钁?yīng)力不會(huì)對(duì)管身造成損傷。

在絲杠軸頂端裝有離合套，用于驅(qū)動(dòng)。離合套結(jié)構(gòu)上為一個(gè)異形方孔套，當(dāng)驅(qū)動(dòng)的異形軸落入離合套中，電機(jī)即可驅(qū)動(dòng)絲杠進(jìn)行開(kāi)合模；當(dāng)驅(qū)動(dòng)的異形軸上升離開(kāi)離合套之后，模具可以隨流水線回轉(zhuǎn)系統(tǒng)離開(kāi)驅(qū)動(dòng)裝置。

2.2 模具開(kāi)合模的驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

模具的開(kāi)模與合模用滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)如圖3所示。用模具上方的電機(jī)帶動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為上下的直線運(yùn)動(dòng)，從而使上模具上下移動(dòng)，對(duì)下方的直管進(jìn)行壓合，最終與下模具合并，完成合模過(guò)程。相似地，開(kāi)模過(guò)程是電機(jī)帶動(dòng)反轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，下方模具是跟隨托輥在環(huán)形道上移動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)裝置需要上下移動(dòng)，反復(fù)與模具卡合，以完成流水線作業(yè)。使用電缸來(lái)控制驅(qū)動(dòng)軸的上下運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸與電機(jī)軸用一個(gè)間隙配合的聯(lián)軸器相連，可以保證驅(qū)動(dòng)軸順利向上運(yùn)動(dòng)，縮進(jìn)到聯(lián)軸器中。

圖3 開(kāi)合模驅(qū)動(dòng)裝置Fig.3 Drive device for mold opening and closing

3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彎管回轉(zhuǎn)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)為環(huán)式結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)完全相同的加工區(qū)組成，每個(gè)加工區(qū)又分為準(zhǔn)備區(qū)、合模區(qū)區(qū)、保溫區(qū)、抽芯區(qū)與拔模區(qū)五部分，如圖4所示。

模具下方的支撐板隨驅(qū)動(dòng)托輥繞圓環(huán)軌道行進(jìn)，模具也隨著之進(jìn)入烘箱進(jìn)行加熱、合模、保溫工序，出烘箱后進(jìn)行冷卻、抽芯、拔模工序，之后準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)烘箱。模具每沿環(huán)形導(dǎo)軌行進(jìn)一周，可完成兩次加工循環(huán)。

圖4 系統(tǒng)分區(qū)圖Fig.4 Partition map of the system

支撐板的行進(jìn)由下方的托輥帶動(dòng)，托輥在導(dǎo)軌中分為驅(qū)動(dòng)區(qū)與非驅(qū)動(dòng)區(qū)兩部分，如圖5所示，兩個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)的一個(gè)托輥，驅(qū)動(dòng)區(qū)的其余托輥由齒輪與鏈條相連，組成驅(qū)動(dòng)托輥組，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)分別由兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，分開(kāi)行進(jìn)。非驅(qū)動(dòng)組的托輥不與電機(jī)相連，托輥分別自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其上的支撐板由驅(qū)動(dòng)區(qū)帶來(lái)的支撐板從后方推動(dòng)前進(jìn)。

同時(shí)由于支撐板設(shè)計(jì)為圓形，則模具在行進(jìn)中的時(shí)候可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的離合裝置均裝在模具系統(tǒng)的正中心，以保證模具無(wú)論在什么方向均可使合模與拔模順利進(jìn)行。

由于烘箱內(nèi)部需要放置三套模具，每套模具的最大直徑為600mm，因此烘箱內(nèi)部空間的尺寸定為（2000×620×620）mm。

圖5 托輥導(dǎo)軌布置Fig.5 Layout of the roller rail

3.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)使用行程開(kāi)關(guān)和延時(shí)繼電器進(jìn)行控制，當(dāng)支撐板帶著模具到達(dá)預(yù)定位置時(shí)即觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，通過(guò)預(yù)先編寫好的延時(shí)程序，即可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)控制。

運(yùn)行步驟如下：①將模具抽芯輪上的橡膠管塞入PVDF直管原料中，放入模具內(nèi)，用直管定位機(jī)構(gòu)固定；②時(shí)間繼電器控制烘箱門打開(kāi)，模具由驅(qū)動(dòng)托輥帶動(dòng)進(jìn)入烘箱；③模具觸碰合模區(qū)行程開(kāi)關(guān)一，電磁繼電器一啟動(dòng)，模具定位機(jī)構(gòu)一將模具定位，加熱區(qū)托輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)停機(jī)，時(shí)間繼電器一開(kāi)始計(jì)時(shí)；④時(shí)間繼電器一控制驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行合模，合模結(jié)束后電磁繼電器一斷開(kāi)，定位機(jī)構(gòu)一與模具分離，加熱區(qū)托輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)；⑤模具由托輥與前后模具帶動(dòng)，在保溫區(qū)內(nèi)行進(jìn)，最終烘箱門由時(shí)間繼電器控制打開(kāi)，模具離開(kāi)烘箱；⑥模具在后方模具的推動(dòng)下在冷卻區(qū)行進(jìn)進(jìn)行降溫；⑦模具碰觸拔模區(qū)行程開(kāi)關(guān)二，電磁繼電器二啟動(dòng)，模具定位機(jī)構(gòu)二將模具定位，拔模區(qū)托輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)停機(jī)，時(shí)間繼電器二開(kāi)始計(jì)時(shí)；⑧時(shí)間繼電器二控制驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行拔模，拔模結(jié)束后電磁繼電器二斷開(kāi)，定位機(jī)構(gòu)二與模具分離；⑨工作人員將成型彎管取出，放入新的直管，進(jìn)入下一個(gè)烘箱，開(kāi)始下次循環(huán)。

4 模具及驅(qū)動(dòng)相關(guān)計(jì)算

4.1 梯形絲杠與電機(jī)的選型計(jì)算

合模過(guò)程共需移動(dòng)距離s＝200mm。預(yù)計(jì)合模時(shí)間t＝5s，因此上模具移動(dòng)速度：

由上下模具的空間限制，擬選用THK公司DCMB 15T型梯形絲杠進(jìn)行傳動(dòng)。

絲杠靜態(tài)負(fù)載為上模具重量，由上模具尺寸可算得其質(zhì)量為22kg，因此靜態(tài)負(fù)荷：

P'＝22×9.8N＝215N＜P

負(fù)荷絲杠靜態(tài)容許負(fù)荷的要求。

由上模具移動(dòng)速度與絲杠導(dǎo)程可求出絲杠轉(zhuǎn)速：

根據(jù)轉(zhuǎn)速和許用扭矩T，選出電機(jī)型號(hào)為通力電機(jī)TRF28型。

壓強(qiáng)速度（PV）是計(jì)算梯形絲杠強(qiáng)度的重要標(biāo)準(zhǔn)，即絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)的接觸面壓P與齒面滑動(dòng)速度v的乘積在一個(gè)確定值之下，則絲杠不會(huì)有異常磨損。計(jì)算公式如下：

式中：P—在施加負(fù)荷扭矩的情況下齒面的接觸面壓（N/mm2）；T—?jiǎng)討B(tài)容許扭矩（Nm）；PT—承受的扭矩（Nm）。

式中：V—滑動(dòng)速度（m/min）；D0—有效直徑（mm）；n—轉(zhuǎn)速（r/min）。 帶入數(shù)據(jù)可算得：P＝7.86N/mm2，V＝3.77m/min。查表可得，絲杠在運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)有異常磨損。當(dāng)絲杠在承受26Nm的扭矩時(shí)，所產(chǎn)成的推力：

式中：Fa—產(chǎn)生的推力（N）；η—絲杠的效率，此處取80%；PT—承受的扭矩（Nm）；R—絲杠的導(dǎo)程（mm）。帶入數(shù)值，計(jì)算得Fa＝2942N。Fa小于絲杠的動(dòng)態(tài)容許推力F，絲杠在運(yùn)動(dòng)中不會(huì)受到損害。因此，絲杠在電機(jī)全部扭矩的帶動(dòng)下，對(duì)上模具可以產(chǎn)生2942N的推力。在合模時(shí)，加上上模具的重力，可達(dá)3158N，完全可以將已臨近融化的直管壓塑成型。拔模時(shí)，在克服上模具重量之后，尚有2726N的力，可以將上下模具拔離。

4.2 電缸選型計(jì)算

電缸的作用是控制從動(dòng)軸的升降，以便及時(shí)進(jìn)行合模與拔模的動(dòng)作。由模具結(jié)構(gòu)可知，離合套的嚙合部分高度為15mm，因此需選用的電缸應(yīng)可以承受地住軸的重量，且可以較快地行進(jìn)。擬選用型號(hào)為L(zhǎng)EY25B的出桿式電缸進(jìn)行控制。

由于電缸在本系統(tǒng)內(nèi)的作用是盡快將離合套嚙合上，一般會(huì)盡量選用高速運(yùn)行，需要保證電缸在高度運(yùn)動(dòng)下仍然可以具有一定的搬運(yùn)質(zhì)量，因此選用裝配有伺服電機(jī)的電缸來(lái)執(zhí)行。該電缸在最大的速度運(yùn)行下仍可保持最大的垂直搬運(yùn)質(zhì)量。電缸帶動(dòng)的從動(dòng)軸最大直徑為25mm，長(zhǎng)度為150mm，考慮到鋼材的密度為9850kg/ m3，算得軸的質(zhì)量約為0.6kg。

由于電缸在上提時(shí)還需克服彈簧的彈力，因此選用垂直搬運(yùn)質(zhì)量為6kg的電缸LEY25AB來(lái)完成動(dòng)作，最大速度為 vt＝250mm/s。電缸加速度設(shè)為 a＝3000mm/s2，則在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，加速到最大速度所用時(shí)間：

達(dá)到最高速度時(shí)已行進(jìn)行程為：

由于總行程s＝15mm，因此伸出桿還要以250mm/s的速度走完剩下的s2＝s－s1＝4.58mm。所用時(shí)間：

則電缸行進(jìn)15mm，所用的總時(shí)間：

t＝t1＋t2＝0.101s

考慮到電缸安裝的空間要求，支撐連接件采用桿側(cè)法蘭型，桿前端連接件采用簡(jiǎn)易性連接件。最終選用電缸型號(hào)為L(zhǎng)EY25RAB-150BF，配件接頭YU-03，安裝件YB-03。

5 結(jié)論

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)于各種特種形狀的管材的需求會(huì)越來(lái)越大，如果都是使用原始的手工合模加工，生產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以消耗量。因此對(duì)彎管成型的自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)勢(shì)必會(huì)引發(fā)熱潮，并有很大前景。本文用流水線思路做成的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)提升了彎管成型的自動(dòng)化程度，并極大地提高了生產(chǎn)效率，且對(duì)于操作來(lái)說(shuō)也比傳統(tǒng)方法更加安全，為今后彎管系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備研究提供了參考。

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A Rotation System for Elbow Pipe Thermoforming

YAO Shu-Kai，JIA Rui-Qing
(School of Mechanical Electronic&Information Engineering of China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

With the dramatic increase of elbow pipes in demand for various industries,research and equipment of the elbow pipe molding process has gradually lead to boom.In this paper,an automatic equipment for forming elbow pipes was studied,which is based on the experiment made by Beijing Guodian Futong company.And a rotation system has been designed which would provide a reference for the future automated elbow pipe forming equipment.

elbow pipe forming；rotation system；automatic equipment；thermoforming

TH-39

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.016

1002－6673（2014）03－041－04

2014－03－26

姚樹(shù)楷 （1989-），男，安徽淮南人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電學(xué)院機(jī)械電子專業(yè)在讀碩士研究生。