金屬板材并聯式彎曲機的設計

高春田，張文濤，徐冶，楊慶華，盧錦山，王青山

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧 撫順 113001）

1 前言

21世紀，我國經濟、科技飛速發展，各個行業對彎曲加工品的需求已經達到了新的高度，像航空裝備制造、生活娛樂設施、道路交通、健身器材，橋梁建筑等行業中都有彎曲加工品的身影。在許多的彎曲加工品中，金屬板材制成的彎曲加工品需求最大、應用最廣泛，但金屬板材原料在裝備器材上不能直接使用，需用特定的機械進行彎曲。同時，隨著三維自由彎曲成形理論的深入研究，多家外國企業已推出了具備商業化的三維彎曲加工設備，如德國諾伊企業已經完成了三軸、五軸和六軸控制系統的研發，并在此基礎上開發了相應的三維彎曲機型。

與此同時，我國彎曲機設備彎曲方式大部分卻還是采用單一的機械式或液壓式，這種設備具有工人勞動強度大、生產效率低、加工成本高、經濟效益差等諸多缺點。但中高端彎曲機主要依賴于國外進口，價格比較昂貴，受西方發達國家的壟斷，進口供應受到了極大的限制。因此，研發一款操作簡單且高效的金屬鋼材彎曲機械來改變我國在彎曲機方面被國外制約的現狀，彌補我國在此方面的空缺迫在眉睫。

2 彎曲機設計內容

通過對老式彎曲機及相關文獻的大量研究，本文在老式彎曲機的基礎上進行改造創新，最終設計出一種全新的彎曲機設備。其工作方式是通過電源帶動三相異步電動機轉動，轉矩通過聯軸器傳遞給減速機構，在獲得相應的轉速后使加工機構正常運轉，連桿帶動齒輪齒條轉動，如圖1所示，最終2個凸輪旋轉帶動要加工的鋼材彎曲成一定的形狀。

圖1 并聯式彎曲機三維裝備圖

鋼材彎曲工作原理：本次設計的彎曲機是通過兩個凸輪共同作用對鋼材進行彎曲。在兩凸輪中間放置所要彎曲的鋼材，主凸輪在工作機構的帶動下轉動，這時從動凸輪也跟著轉動，鋼材在兩凸輪作用下前進并彎曲成預定的形狀，彎曲的形狀由特定的兩個凸輪輪廓決定。

3 雙曲柄滑塊并聯機構的設計及計算

雙曲柄滑塊Ⅰ型并聯機構分為對心曲柄滑塊機構和偏心曲柄滑塊機構，對于偏心滑塊機構而言，對心滑塊機構無急回運動特性，極位夾角為零。因此，本次設計采用的是對心雙曲柄滑塊機構，可以同是彎曲兩件相同的鋼材，能在提升加工效率的同時獲得更好的市場競爭力。

已知FN=13.4kN,故滑塊C受到載荷FN=13.4kN，再取滑塊C為研究對象，受力分析下，列平衡方程，求出FR23：

圖2 滑塊受力分析圖和受力矢量圖

畫出各部件的受力分析圖如圖3所示，取曲柄LAB為研究對象，列平衡方程式，求出單個彎曲鋼材所需的轉矩M′：

圖3 曲柄受力分析圖

最后，求出雙曲柄滑塊總轉矩M和機構η雙曲柄的效率：

4 彎曲機凸輪的設計及計算

凸輪的理論輪廓主要由工件運動情況、運動速度以及載荷性質等多個因素決定。本文利用Solid works插件中的平面轉動模塊設計生成凸輪外輪廓，該模塊提供了等速運動、簡諧運動、擺線運動、多項式運動、余弦加速度、正弦加速度等加速度運動等運動方程式。這些方程式可以滿足彎曲形狀的絕大多數要求。

在設計凸輪外輪廓時，先從理論輪廓來設計外輪廓，這是為了避免實際輪廓線變尖和干涉等干擾，在設計中要滿足實際輪廓線的最小半徑達到公式8的要求。

式中，Rmin為理論廓線的最小半徑；r為滾子半徑。

由于滾子半徑r=7.5（mm），在設計理論輪廓線時，其最小曲率半徑應大于10.5mm，最大壓力角也要滿足

在彎曲模型中，r0=30mm，這個值比較小，所以αmax比較大，即很難滿足αmax≤[α]的要求在彎曲凸輪設計中，R′max和αmax是其2個約束條件，受其他的條件影響和制約。由于彎曲尺寸的限制，凸輪外輪廓上各個點的約束條件很難滿足預定的要求，這就使得設計凸輪的插件需要提供一個較為方便的參數和修改凸輪輪廓的算法和公式。

在設計交互式凸輪時，按運動要求來選用規則曲線合成的凸輪輪廓曲線。模塊可提供B-Spline曲線，該曲線性質優良，采用B-Spline曲線反求法，再通過已知的柵點反求出B-Spline曲線的控制點，最后擬合成封閉的凸輪外輪廓曲線。

當需要修改凸輪輪廓曲線時，可以在插件的凸輪模塊中刪除或增加一些光標點，后再重新擬合出一條新的曲線即可。為了保證輪廓曲線的每個點都是光滑連接的條件下，保證幾何連接，可以在局部復制一些柵點，再通過B-Spline曲線反求法求出新的點后進行封閉連接形成新的輪廓曲線。最后，在設計凸輪輪廓時，應考慮加速度的連續性，使運動平穩和彎曲精度得到保障。

5 結語

本文設計了一種由電機提供動力，克服了傳統彎曲裝置利用手動制造的缺陷，節省了傳統方法的人力成本。同時，通過添加并聯式機構可以一次性生產出兩個構件，生產效率進一步得到了提高，凸輪結構曲線也可以根據所需加工試樣的尺寸和形狀進行設計，制造出不同尺寸、形狀的彎曲零部件。對于解決我國裝備制造業面臨的困境、擺脫我國在彎曲機技術上被國外卡脖子的現狀，實現強國目標具有極大的意義。