全自動扭彎機模具結構的設計與研究

朱紅萍， 陶志高， 張婷

（1沙洲職業工學院，江蘇 張家港215600；2江蘇合豐機械制造有限公司，江蘇 張家港215600）

0 引言

彎管加工在工程管道、航空航天、金屬材料、動力機械、建筑機械、石化輕工等部門中起著非常重要的地位。彎管機是空心管件型材在彎管模具的作用下，彎曲到材料屈服極限時加載彎曲并保持一定的軸向彎曲力，使之成形的設備。其中，彎管模是彎管機的關鍵零部件，是彎管加工過程中最主要的受力部件。彎管模的結構設計是否合理可靠直接影響到彎管機整機加工產品的精度。本文在保證全自動扭彎機整機工況的前提下，利用其嵌入式有限元分析插件SimulationXpress，對模具組件扭彎過程中的變形、應力進行分析，為后續模具結構的優化設計提供依據。

1 全自動扭彎機模具結構的初步設計

本次設計的全自動扭彎機的主要技術參數與要求如下：1）彎管直徑范圍為 φ12～φ28 mm；2）彎制管件彎曲角為0°～360°，彎管最大長度為2 m；3）扭彎機的最大彎曲速度為335 mm/s，最大送進速度為335 mm/s；4）扭彎機彎管的位置精度X、Y方向為±0.01 mm；Z方向為±0.05 mm；5）其總體尺寸不超過3566 mm×1333 mm×1260 mm。

使用要求：工人上料操作方便，安全可靠；人性化的操作界面；彎管效率高。

圖1 全自動扭彎機模具結構初步設計

根據上述全自動扭彎機主要技術參數，利用SolidWorks軟件對扭彎機的模具結構進行了初步設計，具體裝配結構如圖1所示。管件以一定的速度由送料裝置自左而右直線推入該模具組件。扭彎驅動座12固定在扭彎機的機頭部件前滑板上，機頭部件的運動路線由程序控制，在程序的控制下，扭彎驅動座12跟隨機頭按照預設軌跡作升降、平移運動。扭彎驅動座12帶動扭彎球頭9、扭彎模8繞著扭彎球頭9的內球心萬向旋轉，扭彎球頭9的內球面與支承球頭座5的外球面相切，在扭彎球頭9左端（圖1中B所示），與支承球頭座5相接觸的面是直孔面，以保證扭彎球頭9在一定的角度內扭轉，完成預先設定的彎曲成型。支承球頭座5左端通過4個螺釘固定在機頭部件后座上，機頭后座與扭彎機床身通過螺釘連接固定。

2 全自動扭彎機模具結構SimulationXpress分析

SimulationXpress主要用于模型的靜力學分析，根據有限元法，使用線性靜態分析計算應力。通過定義材質、約束、載荷、分析模型。下面根據初步設計的模具組件結構，利用SimulationXpress仿真工具模具組件對工作狀態下的變形、應力和應變進行分析。

2．1 模型建立和材質選擇

該模具組件材料均選用Cr12，將建立好的模具模型載入，為了簡化分析過程，扭彎驅動座12暫不載入分析，如圖2所示。

圖2 分析模型建立

2．2 約束與載荷

根據全自動扭彎機設計參數，機頭部分驅動絲桿的電機選用MSMD型號帶有制動器的，其功率為0.4 kW。減速機選用AE070，減速比i=40。滾珠絲桿選用FK型精密滾珠絲桿，導程為5 mm，直徑為32 mm，

該模具組件能實現φ12～φ28 mm的管件的自動扭彎成型，本文以彎制φ28 mm、壁厚1.5 mm的管件為例進行分析。

圖3是扭彎過程某一瞬間的管件受力圖。由受力圖3可知，在管件扭彎過程中，模具傳遞給管件的是水平絲桿推力F1、豎直絲桿推力F2，根據力平衡原理，可將水平絲桿推力 F1轉換成′和 M1。

圖3 簡化受力圖（管件彎制的某一瞬間）

根據上述分析，定義該模具的約束和載荷，劃分好網格，如圖4所示。

2．3 計算結果及分析

利用SimulationXpress仿真工具，對模具組件在工作狀態下的變形、應力和應變進行分析，分析結果如圖5所示。圖5（a）是模具工況下的應力分布圖，從圖中可知，扭彎球頭9與支承球頭座5相接觸的邊緣部分應力較大，模具組件其它部分的應力幾乎為零。最大應力集中在箭頭所指的地方，應力為 σ=2.351×1010N/m2。

圖4 網格劃分（約束、載荷）

圖5

圖5（b）是模具工況下的應變分布圖，從圖中可知，與應力分布情況相同，扭彎球頭9與支承球頭座5相接觸的邊緣部分應變較大，最大應力集中在箭頭所指的地方，應變為 ε=6.785×10-2。

圖5（c）是模具工況下的位移分布圖，從圖中可知，模具組件在扭彎管件的過程中，主要的位移變形發生在扭彎球頭9上，最大位移為2.253×101mm。

根據上述對全自動扭彎機模具組件工況下應力、應變和位移變化的分析，得出以下結論：1）該模具組件變形受力最大的零件是扭彎球頭9和扭彎模8，其中扭彎模8采用耐磨性好的銅制成，可提高其使用壽命。2）該模具組件中的進料導套1、進料支承套2、進料隔套3、扭彎后導套4、支承球頭座5、扭彎隔套6在工作狀態下的應力、應變基本相同，扭彎前導套7距離扭彎球頭9最近，承受的扭彎力較大。3）分析可知，支承球頭座5與扭彎球頭9左端（圖1中B所示）有一段相接觸的直圓面，此處所承受的應力、應變較大。4）在工況下，球頭內支承墊10、球頭外支承墊11內孔與扭彎球頭9外球面相接觸的部位是主要的受力面，承受水平絲桿和豎直絲桿傳遞的推力、扭矩。

3 結語

根據全自動扭彎機整機的設計要求，初步設計出扭彎機模具組件結構，并利用SolidWorks軟件中的SimulationXpress模塊，對初步設計出的模具組件結構模型進行了靜力學分析。通過分析可知模具組件中扭彎球頭和扭彎模兩個部件所受的應力、變形最大，在模具組件結構設計需要注意，這也為后續的結構優化提供了有力的參考依據。

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