机电专业毕业设计论文

绪论

进入21世纪以来，中国锻压机床行业经过技术引进、合作生产及合资等多种方式的运作，快速地提升了我国折弯机整体水平。近年设计制造的许多产品，其技术性能指标已经接近或达到世界先进水平，在宜人性方面也取得了长足进步。但由于大家都在进步，所以国内产品与国外名牌产品的差距并无明显缩短。因此，我国折弯机行业和企业需以战略的思路和有效的措施应对当前的机遇和挑战。

转变经营理念，培育知名品牌。当前，中国市场的竞争日趋国际化。国际知名折弯机厂商的大举进入，导致国内折弯机市场高端失守，低端混战。因此，政府和企业界必须尽力消除内部恶性竞争，并充分利用我国作为世界第一大机床消费市场的优势，从企业体制创新、产品优化、品牌再塑造入手，逐步培育出一批国际知名的折弯机。

分析技术上的差距，制定有效措施加速折弯机的数控化和柔性化。我国折弯机的数控化程度较之发达国家低，而且数控系统主要依靠进口。因此，若要真正提高机床的数控化和柔性化，就要大力研发自己的数控系统，以满足国产机床数控化的需要。依托汽车、电子工业，促进高技术冲压装备的研发应用。目前，我国汽车工业如日中天，发展势头强劲，加上新兴的电子工业( 电讯、数据处理、自动控制、家电) ，为折弯机的发展提供了广阔的战场。高速冲压装备( 高速压力机及配套自动化) 、大型多工位压力机及产品一次成形的多技术复合加工单元( 激光切割与数控冲床及自动上下料的复合；开卷校平与激光切割的复合) 需要加大发展。

专机和配套件的生产，随着电力、交通和城市建设的发展，各类型材加工需求日益凸显。因此，型材加工专机的研发( 钢结构成套加工、空调通风圆管成套加工等) 将大有前途。大力生产“绿色环保”的折弯机，为了人身安全和无污染环境，研发折弯机时需做到“五绿”——绿色设计、绿色材料、绿色工艺、绿色包装和绿色处理。

我国折弯机市场极具潜力，应用前景看好，但前提是缩短与工业发达国家折弯机技术生产水平的差距。惟有如此，才能拥有国内的大部分市场，并争取相应的国际市场。（出处：文献[1]）

本文研究的是40-1250数控液压折弯机机架及工作台的改装，其中较全面的介绍了所研究折弯机的工作原理以及各部分组成及其功能，改装方案的确定。

1 折弯机的工作原理和结构

1.1 折弯机的工作原理

1.1.1 原理简介

数控板料折弯机是将金属板料在冷态下弯曲成形的加工机械。

它使用最简单的通用折弯模具，可以对平面板料进行各种角度的直线弯曲，操作简单，通用性好，模具成本低，更换方便。

折弯机本身主驱动简单，只需作上、下往复直线运动。上模通过液压传动获得所需折弯力，与下模一起将板料折弯。

1.1.2 折弯方式

折弯机加工过程中，有两种折弯方式：自由折弯和三点折弯。

(1) 自由折弯

如图1-1所示，凹模的形状固定不变，板料架于凹模表面，折弯机滑块带动凸模下行，将板料在凹模内折成一定角度。板料折弯的角度取决于凸模进入凹模的深度，因而可以利用一副模具将工件折弯成不同的角度。其优点是机床结构简单，折弯力较小；缺点是板料厚度不均匀性对折弯角度有影响，回弹较大，且拉延性能不好的板料在折弯区外侧易产生裂纹。

图1-1 自由折弯1—底板 2—凹模

图1-2 三点折弯

（2) 三点折弯

如图1-2所示，三点折弯的特点是凹模的底板深度H可以精确调节并固定，这样就相当于调整了凸模进入凹模的深度，调节起来更容易且更精确。在折弯时，板料与模具接触的三个点b、a、c都在板料的同一侧表面，因此板料的厚度偏差对折弯角度基本上没有影响。此外，凸模顶端和凹模底板都接触板料，改变了板料弯曲区域的应力状态，中性层外侧自由折弯时的拉应力变为压应力，不易产生裂纹，且回弹量大大减少，能获得更高的精度。但是其凸模液压垫和凹模深度调节机构相当复杂。

1.2 折弯机的结构

折弯机一般由机架、工作台、后挡料装置、同步扭轴、滑块装置、液压缸、油箱、模具、液压系统、电气控制系统等组成。下图1-3为液压上传动板料折弯机本体结构示意图。

1-左立板 2-左液压缸 3-油箱

4-右液压缸 5-滑块 6-工作台

图1-3 液压上传动板料折弯机本体结构示意图

数控板料折弯机的本体结构分为上传动和下传动两类。上图为上传动折弯机示意图。即工作台固定不动，滑块上下往复运动。

（1) 机架

机架由厚钢板焊接而成，主要由左、右两块立板，工作台立板和油箱焊接而成，他们具有足够的强度与刚度。两液压工作缸2和4安装于机架左、右两侧，用以驱动滑块5及在其上固定的凸模作上、下往复运动。

（2）工作台

凹模固定于工作台6上，本论文中讨论的工作台由工作台立板，底座，能够起到加凸作用的上、下斜块和工作台台面组成。它首先对加工板料起到支撑作用，并且经过加凸后的工作台对折弯件的挠度起到了一定补偿作用。

（3）后挡料装置

在机架的后侧安装有后挡料系统，用以实现板料折弯处的精确定位。后挡料装置主要由电动机，链轮，齿轮，导轨，滚珠丝杆，横梁，板料挡板等组成。在折弯过程中，后挡料位置调整最为频繁，它的定位精度直接影响到工件折弯边的尺寸精度。后挡料系统一般采用数字式伺服电动机驱动，大导程精密滚珠丝杆传动，直线导轨导向。

（4）同步扭轴

由于板料折弯机宽度方向尺寸较大，一般由左、右两个液压缸共同驱动滑块下行，当工作滑块承受偏心载荷或两侧运动不同步时，由扭轴的巨大抗扭刚度来平衡。

这种同步系统结构简单，具有一定的同步精度和抗偏载能力，仅在中、小型板料折弯机中采用。此系统主要由刚性扭轴、小滑块、摆臂（与扭轴焊在一起）、轴承等组成。

（5）滑块装置

滑块部分采用液压传动，滑块部分由滑块、导向装置、滑块与活塞杆连接装置、机械挡块微调结构等组成。左右油缸固定在机架上，通过液压使活塞（杆）带动滑块上下运动，机械挡块由数控系统控制调节数值。为增加其运动稳定性，需要滑块与机架上、下运动的导向装置。

滑块工作行程的定位控制，直接关系到凸模进入凹模的深度，因此，在自由折弯方式中，是影响折弯角及折弯件质量的十分重要的因素。凸模通过紧固

件固定在滑块下端。

（6）液压系统

液压系统包括油箱、阀、管道、泵、电动机、液压缸、活塞杆、液压油等组成。一次折弯过程大致经过以下6步：①启动②主缸快速下行③主缸慢速接近工件、加压④保压⑤泄压，主缸回程⑥主缸原位停止

1.3 折弯机的基本参数

1.3.1 折弯力的估算

折弯力与板料厚度t、弯曲板料长度、板料机械力学性能、弯曲时板料内圆角半径R、凹模开口度V、最小弯边长度B等因素有关。各部分尺寸如下图1-4所示。左侧图为凹模，右侧图为板料。可以通过文献[1]P102表3-1折弯力估算表查出板料折弯时折弯力大概数值。

图1-4 折弯力估算参数

1.3.2 折弯机技术参数

折弯机技术参数主要包括：公称压力、可折板宽、立柱间距、滑块行程、滑块与工作台间距、喉口深度、工作台宽、电机功率、外形尺寸、油箱容积、后挡料间距、机床净重等参数。根据文献[1]查出40/1250与40/2500折弯机技术参数对比，如下表1—1所示。

表1-1 40/1250与40/2500折弯机技术参数对比表参数名称\型号40/12.5 40/25 公称压力/KN 400 400

可折板宽/mm1250 2500 立柱间距/mm1050 2050 滑块行程/mm 100 100

滑块调整距离/mm 80 80

滑块与工作台间距/mm 300 300

喉口深度/mm 200 200

工作台宽/mm 140 140

驱进速度/（mm/s) 100 100

工作速度/(mm/s) 10 10

回程速度/(mm/s) 90 90

电机功率/kw 3 3

机床净重/kg 2000 3000 后挡料间距/mm 400 400

油箱容积/L 63 63

外形尺寸长/mm 1555 2660 宽/mm 1060 1110

高/mm 2149 2110

2 40—1250液压数控折弯机改装总体方案

2.1 机床改装的内容

机床改装就是在现有机床的基础上经过一系列的改装达到工厂使用的要求，机床的改装能节省资金，提高机床的加工效率。下面介绍机床改装的具体内容。

2.1.1 提高机床精度和延长机床使用寿命的改造

(1) 提高机床精度，并长期保持其精度。

(2) 提高机床的耐久性。

2.1.2 改进机床性能的改装

(1)充分利用现代化切削工具，提高切削速度，以缩短机加时间。

(2)集中操作或减少工件在机床上的传递，以缩短非加工时间。

(3)提供机床的机械化和自动化水平，缩短辅助时间。

(4) 使旧型号的机床达到新型号机床的性能指标或使旧机床专业化。

2.1.3 改善机床的操作性能和劳动条件的改装

(1)治理机床漏油。

(2) 改善劳动条件和保证劳动安全。

2.1.4 扩大机床功能的改装

(1) 提供采用成组加工技术的条件、适合组成生产流水线。

(2) 扩大机床的工艺范围。

(3) 改善或改变机床的基本工艺用途。

(4) 机床改装使机床能够适应新工艺、新技术的要求。

2.2 改装方案

通过上面改装内容的介绍，可以得出以下改装方案：

(1) 为了保证折弯机最大折弯长度，需将工作台、机架立柱距离加长。

(2) 折弯机的宽尺寸对折弯机的改装不产生大的影响，固其方向和高度不

变。

所以选定初步方案：①保证折弯机的左右立板结构尺寸、厚度不变，加长工作

台装置、油箱长度，同时增加横梁、工作台立板肋板和液压缸支撑板肋板，从而保证焊接件的稳定性。同时对机身强度、刚度，紧固件进行校核。②工作台底座、台面两端尺寸结构不变，加长其长度尺寸，与其配合的紧固件数量也会相应增加。同时需要对工作台进行挠度校核计算，确定其精度。③机架及工作台改装设计零件及装配图的绘制。

本文所研究的就是扩大数控液压折弯机工艺范围，改装前板料最大折弯宽度为1250mm，改装后最大折弯宽度变为2500mm。

3 折弯机机架的改装设计

3.1 机架的功能及结构

机架主要由左右立板、工作台立板、横梁、油箱等焊接而成，对机身起支撑作用，保证折弯机的正常工作运行。老式结构折弯机，机架大多采用铸造件，通过螺栓、销钉把工作台、横梁和左右立板紧固在一起，这种组合机身较重，刚性较差，接合面的机械加工量也较大，所以采用铸铁件的逐渐减少。随着加工技术的进步，中小型折弯机采用整式钢板焊接结构的日益增多。与老式相比，焊接机架重量轻，刚性好，外观美观，所以采用的较多。钢板的加工一般进行轧制，因为零件的轧制具有生产效率高、质量好、节省金属材料、制造周期短以及成本低等优点。

由以上可得出：本文选择的是整体焊接结构的机架。

3.2 机架的改装设计

机架主要由左右立板、工作台立板、油箱、液压缸支撑板、横梁、工作台肋板、液压缸支撑板肋板等阻焊而成，其中左右立板的尺寸、厚度不做改变，油箱、工作台立板仅长度尺寸变为2050mm，其他尺寸不变，为增加组焊件的稳定性增加了肋板和横梁。

机架材料仍选用Q235-A，为普通碳素结构钢。由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，价格便宜，因此选用Q235-A为机架的材料。

3.2.1 左右立板之间横梁

参考文献[7]表3-5扭轴同步液压折弯机技术参数，可知40-2500折弯机左右立板间距为2050mm。整体尺寸的长度加长，为保证其整体的强度、刚度，左右立板之间加3根横梁。其焊接处尺寸已在机架装配图中标注出。横梁尺寸如图3-1所示：

图3-1 左右立板间横梁

3.2.2 油箱支撑板肋板

原始机床没有此肋板，液压缸支撑板是与机架焊接在一起的，液压缸与支撑板通过螺栓连接。为增加焊接处的稳固性，增加8了块肋板，左右两边各4个。肋板尺寸如图3-2所示：

图3-2 液压缸支撑板肋板

φ底孔

3.2.3 工作台立板15

工作台与机架的左右立板焊接在一起，与工作台底座通过螺栓连接。考虑到螺

φ底孔与工作台立板中心尺寸由原来400mm，变为440mm。栓与下斜块的干涉，将15

φ底孔数量由原来3个增加为5个。改装工作台长度为2500mm，平均分布，因此15

后情况如下图3-3所示。

图3-3 折弯机工作台立板

3.2.4 油箱

油箱仅改变其长度尺寸，由1050mm增加为2050mm，如下图3-4油箱组焊件所示。

图3-4 折弯机油箱组焊件

3.3 机架强度校核

机身危险截面根据受力可以分析出，机架主要2个大的受力点。其一，滑块作用在工作台上，工作台作用在机架上，因此喉口处为机身的危险截面，需要对其强度进行校核。其二，是液压缸及滑块的的反作用力作用在液压缸支撑板上，液压缸与液压缸支撑板是通过螺栓连接的，因此需要对紧固件的强度进行校核。

3.3.1 机身危险截面校核

机身危险截面分析图如下图3-5所示，将作用力F 向形心截面简化，形心为L 的中点。得到F 和附加弯矩M 。

（1） 弯矩M

)5.0(L c F M += （3-1） 式中 F-单侧液压缸公称压力； C-喉口深度； L-截面的长度；

其中F 、c 、L 均为已知数，mm L mm c KN F 615,185,200===

代入数据求出M ：=?+?=)615.05.0185.0(102003M 98500N(N ·m ） （2） 惯性矩I

横截面B 尺寸如下图3-5，计算出惯性矩I ：

12/3bh I = （3-2） 式中 b-截面B 宽度； h-截面B 高度； 其中b=30mm ，h=810mm 。

代入数据求出I ： =?=12/810303I 431033.1m -? （3） 截面上拉、压应力

I Y M y l /?==ωωσσ （3-3） 式中 Y-离中性轴最远的距离； 其中Y=0.5L

代入数据求出：=???==-31033.1/81.05.098500y l ωωσσ30.0MP （4） F 在横截面A 上引起的拉力

B F F /=σ （3-4） 式中 B-截面B 的面积； 221043.281030m B -?=?=

代入数据求出B ： =??=-231043.2/10200F σ8.2MP （5） 最大应力组合

截面拉应力组合：F l l σσσω+=

带入数据求出： MPa l 2.382.80.30=+=σ 截面压应力组合：F y y σσσω-= 小于拉应力组合 所以截面最大应力为：MPa l 82.30==σσ 查资料：对于钢板[l σ]=[y σ]=40MPa —60MPa

经过比较截面最大应力组合小于钢板的许用应力，所以机身强度满足折弯机的正常工作。

图3-5 机身危险截面分析图

3.3.2 液压缸与液压缸支撑板紧固件校核

液压缸与液压杆支撑板通过螺栓连接，支撑板结构尺寸如下图3-6所示，2个左

右对称焊接在机架上。螺栓为M10,左右各10个。受力分析：螺栓仅受横向力，如图3-7所示，F 方向为横向力方向。螺栓连接预紧后在接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷。

（1) 根据螺栓材料计算螺栓预紧力

根据文献[3]P69可计算出预紧力0F ，螺栓材料选用碳素钢。

10)7.06.0(A F s σ-≤ （3-5） 式中： s σ—螺栓材料屈服极限；

1A —螺栓危险截面的面积，4/211d A π≈

根据文献[3]P86 表5-8 选择螺栓性能等级5.8，所以s σ=400MPa 。 螺栓为M20，mm d 101=

代入数据 =????≤4/)02.0(104006.0260πF N 4106.7? （2） 受载荷需要的预紧力

根据文献[3]P74-P75 ，计算受载荷是螺栓预紧力'0F

fzi F K F s /'0∑≥ （3-6） 式中：f —接合面的摩擦系数； i —接合面数;

s K —防滑系数，s K =1.1-1.3； z —螺栓数目； ∑F —总载荷；

查P76表5-5 刚结构件，接合面涂富锌漆，取f =0.4；取i =1；s K =1.2；

∑F =200KN ；

代入数据 =????≥1104.0/102002.13'0F N 4100.6?

(3) 数据比较 '0F 小于0F ，可以在N 4100.6?和N 4106.7?之间选择螺栓的预紧力，所以选择的性能5.8的M10螺栓能够满足折弯机工作的要求。

图3-6 液压缸支撑板

图3-7 螺栓连接简易图

4 折弯机工作台的改装设计

4.1 工作台的功能及结构

工作台装置主要由工作台立板、底座、上下斜块、工作台面等紧固件组成，对折弯机起支撑与定位固定作用,保证折弯机正常工作。工作台面装置现大多采用整式钢板焊接结构。

4.2 工作台的改装设计

工作台底座与工作台立板通过5个M12螺栓来连接，如下图4-1所示。上下斜块放置在底座的凹槽中，工作台台面与底座凹槽配合。如下图4-2所示工作台剖视图。可以清楚识别出工作台装置各部分构成。其中底座两端尺寸不做改变，长度尺寸变为2500mm，底座上一些孔的数量将会增多，与工作台立板每个孔都一一对应；上、下斜块尺寸不变，但数量增多；工作台台面两端尺寸不做改变，长度尺寸也变为2500mm。

图4-1 工作台底座与工作台立板连接部位

图4-2 工作台装置各部分构成图

4.2.1 底座底孔φ15增加，重新分布

底座加长，底座底孔将相应的增加，孔间距仍为400mm不变，中间对称分布，因此孔φ15由原来的3个变为5个。底孔作用是与工作台立板孔通过螺栓来连接，因此工作台立板孔的变化，将与底座底孔对应相应变化。将改装后的底座孔分布如下图4-2折弯机工作台底座所示。

图3-3 改装后底座半边俯视图画出完整的底座？

图4-2 折弯机工作台底座

4.2.2 底座下斜块紧固孔M18增加，重新分布

由于上下斜块尺寸不变，底座尺寸加长，所以底座下斜块紧固螺栓孔M18数量由原来6个增加为10个。孔间距仍为220mm，中间对称。上图4-2中已标出下斜块紧固孔M18的位置。

4.2.3 底座凹模紧固螺栓孔M12数量增加

底座凹模紧固螺栓孔，起到紧固凹模的作用。此孔是以下斜块紧固孔为定位基准的，以下斜块紧固孔中间对称，距离为65mm。由于下斜块紧固孔数量的增加，因此凹模紧固孔数量将相应增加，由原来的10个增加了22个。上图4-2中已标出底座凹模紧固孔M12的位置。

4.2.4 底座两端、上下斜块及紧固件

底座两端安装定位孔不会影响改装后的底座使用要求，故底座两端将不做改变。上下斜块数量将随着其紧固孔数量的增加而增加，由原来的6对增加为10对。上下斜块尺寸不做改变，固其紧固件调节螺钉尺寸不做改变。下图4-3为底座左视图，图4-4为下斜块，图4-5为上斜块。

图4-3 底座左视图

图4-4 上斜块图4-5 下斜块

4.3 工作台挠度的校核

4.3.1 折弯机折弯件挠度

折弯机在工作时，两个压力缸是在板料的两端施压，所以折弯工件的变形合力偏向中间，这就会使板料产生向上的挠度。通俗点说，就是使板料变形了。板料的最下端原本是一条直线，但是，产生挠度后就变成了一条曲线。这条曲线的两端低，中间高。由此造成上模进入下模的深度在整个工作台上并不一致，基本上都是两边深，中间浅。但是，折弯角度与上模进入下模的深度密切相关，所以对于比较长的折弯件，在没有挠度补偿的情况下进行折弯加工，会导致工件中间的角度大于两端的角度。挠度的大小，一般取决于工件自身材质的属性以及长度、厚度等。硬度越硬、长度越长，厚度越厚的板料在加工时，产生的挠度会越大，反之越小。

目前，折弯机的工作台挠度补偿大都采用以下方式：1.在压力板下面使用梯形楔块，手动调节。这种方式一般用于小型机床或者服役期较早的机床 2.在下工作台的中间布置辅助液压缸（一般为三个）。

本文讨论的是通过梯形斜块来补偿工作台的挠度。

4.3.2 工作台挠度校核

根据上面的介绍，可以将工作台的受力分析简化为均布分布的简支梁模型如下