主動同步彎曲的抗皺裂芯棒裝置的製作方法

2023-05-01 02:46:36 1

本發明涉及金屬管彎曲成形技術領域，尤其是涉及一種主動同步彎曲的抗皺裂芯棒裝置。

背景技術：

彎管技術廣泛應用於航空航天工業、船舶製造業、汽車工業等多種行業，彎管質量的好壞，將直接影響到這些行業的產品的結構合理性，安全性、可靠性等。

在使用彎管機將圓直管、橢圓直管、方形直管、矩形直管等多種金屬管進行彎曲加工成形時，如果金屬管的內腔是空的，其在其被彎曲的過程時管的截面易變形，從而導致金屬管被彎部位截面變小，不但影響金屬管的內外部形狀，而且也使得在使用過程中流體通過流量劇變，難以滿足高壓管道、化工等行業對彎管截面變形的嚴格要求。在傳統工藝中，對要求較高的金屬管的彎曲部位採用在管內腔充填沙子、稀土或低熔點金屬如鉛、石蠟等來減少金屬管彎曲部位的截面變形，但是取出這種充填物時操作複雜，如鉛等低熔點金屬還汙染環境，而且由於這些充填物自身固有特性，仍不能有效防止金屬管彎曲部位截面變形。

目前，也有些國內企業採用金屬芯棒填充管內腔的方法。對於冷態彎管，合理選擇芯棒的形成及掌握其正確的使用方法非常必要。但是金屬芯棒在管材轉動時也會由於固定的方式不可靠而跟著轉動，而芯棒又是填充在管內腔，看不見是否己經被轉動了方向，如果被轉動了的方向的尺寸超過了模具的組合範圍，又繼續進行下一步動作，這樣，由於芯棒位置不同步將導致內壁刮擦、管件報廢或模具和機器損壞。

一些國內企業自主研發了超薄壁管坯的抗皺裂新型芯棒模組，提出了多向撓曲的相鄰球頭組合的球窩節芯棒，通過芯棒直徑、芯棒伸進量和芯棒與管坯摩擦等成形要素的匹配，實現了彎管成形裝備多模聯動的抗皺裂技術，打破了國外超薄壁精密彎管成形裝備壟斷。例如，彎制φ50×0.6mm鈦合金管，成形彎徑1.5d(d為直徑)，減薄率(≤5％)、褶皺度(≤0.1d％)、試彎合格率(99.8％)等指標達到先進水平，但對於超薄壁管件(徑厚比達80)難以實現精密彎曲成形。

許多學者提出了一些薄壁圓管的變形方法，例如，西北工業大學的hengyang於2011年在《chinesejournalofaeronautics》(2011，24(1):102-112.)發表論文「astudyonmulti-defectconstrainedbendabilityofthin-walledtubencbendingunderdifferentclearance」，提出通過調整芯棒與管坯的臨界間隙值，可以改善管材料的彎曲性能。2012年liuj在《computationalmaterialsscience》(2012,60(1):113–122.)發表論文「accuratepredictionoftheprofileofthick-walledtitaniumalloytubeinrotary-drawbendingconsideringstrength-differentialeffect」，提出一種通過考慮管道彎曲區域內壓縮應力特徵和s-d效應，預測彎管的彎曲性能的方法。2010年lih在《journalofmaterialsprocessingtechnology》(2010,210(1):143-158.)發表論文「deformationbehaviorsofthin-walledtubeinrotarydrawbendingunderpushassistantloadingconditions」，提出一種對於小彎曲半徑和低延展性材料的變形工藝。中國科學院的zheyang在《thin-walledstructures》(2017,111:1-8.)發表論文「crushingbehaviorofathin-walledcirculartubewithinternalgradientgroovesfabricatedbyslm3dprinting」，提出一種通過3d列印製造具有內梯度槽的薄壁圓管的工藝，並研究圓管的破裂狀態的力學性能。中航工業瀋陽飛機公司的guolei在《procediaengineering》(2015,99:1471-1475.)發表論文「studyontheprocessofthin-walledtitaniumalloytubebending」，提出一種通過改進在薄壁鈦合金管材彎曲加工中山梨醇的填充方式，提高傳統薄壁鈦合金管材成型質量的加工方法。

綜上所述，金屬管材尤其是超薄壁管件的彎曲成形中，外側壁厚的減薄甚至破裂、內側壁厚的增厚甚至起皺和截面畸變，一直是生產實踐中難以有效解決的技術難題，也是目前塑性加工領域研究的難點和熱點。隨著超薄壁等難變形材料的應用推廣以及管材空間形狀的日益複雜，上述問題日益突出。

技術實現要素：

為了解決背景技術中存在的問題，為了在彎曲金屬直管的過程中防止彎曲部位起皺和截面畸變甚至破裂，本發明的目的在於提供一種主動同步彎曲的抗皺裂芯棒裝置，能實時控制芯棒體的轉動，有效防止管件報廢或模具和機器損壞。

為了達到上述的目的，本發明採用了以下的技術方案:

本發明包括活芯體和依次串接在活芯體端面的多個萬向節，萬向節內安裝有一體式伺服電機，通過電機運行帶動各節萬向節轉動，從而實現芯棒主動同步彎曲。

所述萬向節包括分別位於兩端部的兩個球面活芯環、兩個叉頭和位於中部的十字軸，兩個叉頭後端固定套裝在各自的球面活芯環中，兩個叉頭前端具有兩個用於分別連接十字軸中兩個軸的分支臂，一個叉頭的兩個分支臂鉸接到十字軸一根軸的兩端，另一個叉頭的兩個分支臂鉸接到十字軸另一根軸的兩端；分支臂上開有耳孔，叉頭的耳孔內固定套裝有棘輪，十字軸的每個軸端面上固定安裝有電磁式棘輪組件，十字軸每個軸端面通過電磁式棘輪組件與棘輪連接。

所述的電磁式棘輪組件包括直動式電磁鐵、彈簧撥片、電磁鐵推桿、彈簧和棘爪，直動式電磁鐵固定在十字軸的軸端面上，電磁鐵推桿一端套裝在直動式電磁鐵中，電磁鐵推桿另一端固定有棘爪，棘爪連接到棘輪內圈的棘齒，棘輪外圈固定連接到耳孔的孔內周面，直動式電磁鐵和棘爪之間的電磁鐵推桿上套有彈簧，棘爪旁設有用於輔助定位的彈簧撥片，彈簧撥片固定在十字軸的軸端面上。

所述的十字軸的每個軸均設有有一體式伺服電機，一體式伺服電機的輸出軸與十字軸的軸同步連接；通過一體式伺服電機運行帶動十字軸轉動進而帶動萬向節兩端的球面活芯環相對轉動。

所述的活芯體內安裝有活芯拉杆，轉動活芯拉杆帶動活芯體繞自身軸向轉動，進而帶動萬向節繞芯棒軸向轉動。

第一節萬向節通過螺栓固定連接在活芯體一端的螺紋孔中，後面相鄰兩個萬向節之間以各自的叉頭通過螺栓同軸固定連接使得兩個萬向節之間相連接。

所述的叉頭上設有軸肩，球面活芯環上設有環形臺階，軸肩與環形臺階緊密連接使得球面活芯環和兩個叉頭相配合定位連接。

所述電磁式棘輪組件中，直動式電磁鐵產生的電磁吸力f採用以下公式計算：

其中，s1為鐵心外圓環面積，s2為鐵心內圓環面積，φ0為電磁鐵氣隙，iw為線圈產生的磁動勢，μ0為空氣磁導係數，δ為電磁鐵氣隙長度。

所述芯棒裝置用於在薄壁彎管內。

本發明在彎曲過程中，彎曲部位管腔的內壁與該球面活芯環的外圓弧表面之間將產生相對滑動，這樣可以採用拋光等方式增加球面活芯環的外表面的光潔度，以減少對管腔內壁的損傷。

本發明由多個萬向節連接而成，保證了其在各個方向上能靈活轉動，而且使得該模組裝置能承受足夠大的拉力。模組裝置可以隨彎曲程度而變換轉動，可以適應彎管加工時彎曲半徑的變化。

本發明的有益效果是：

本發明提出了主動式同步彎曲抗皺裂芯棒，能夠實現在超薄壁彎管內芯棒的同步彎曲。

本發明裝置，在彎管裝備使用金屬芯棒填充管材內腔彎曲管件時，在萬向節叉頭和十字軸交接的地方增設電磁式棘輪組件，實時控制芯棒體的主動轉動，有效防止了芯棒體被動旋轉，保障了彎管模具和彎管機器的安全性，提高了管件生產質量。

本發明的電磁式棘輪止位機構實現相鄰軸節的精準定位，降低錯位扭矩，減少對內壁的刮擦。相鄰球面活芯環低幹涉，實現大彎角。加強筋十字軸，提高承載軸節的剛度和抗彎強度，可滿足減薄率(≤5％)、褶皺度(≤0.1d％)的技術要求。

附圖說明

圖1是本發明的總體結構圖。

圖2是本發明的三維爆炸結構圖。

圖3是本發明的電磁式棘輪止位機構。

圖4是空間幾何轉角轉換為伺服角度的示意圖。

圖5是本發明的伺服電機驅動電路圖。

圖中：球面活芯環1、十字軸2、叉頭3、電磁式棘輪組件4、棘輪5、耳孔6、活芯體7、活芯拉杆8、一體式伺服電機9、直動式電磁鐵10、彈簧撥片11、電磁鐵推桿12、彈簧13、棘爪14。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，本發明包括活芯體7和依次串接在活芯體7端面的多個萬向節，萬向節內安裝有一體式伺服電機，通過電機運行帶動各節萬向節轉動，從而實現芯棒主動同步彎曲，實現抗皺裂。圖1隻表示出2個萬向節，當然根據實際需要，萬向節的個數是可以變化的。

如圖1所示，活芯體7內安裝有活芯拉杆8，轉動活芯拉杆8帶動活芯體7繞自身軸向轉動，進而帶動萬向節繞芯棒軸向轉動。

如圖2所示，萬向節包括分別位於兩端部的兩個球面活芯環1、兩個叉頭3和位於中部的十字軸2，兩個叉頭3後端固定套裝在各自的球面活芯環1中，兩個叉頭3前端具有兩個用於分別連接十字軸2中兩個軸的分支臂，一個叉頭3的兩個分支臂鉸接到十字軸2一根軸的兩端，另一個叉頭3的兩個分支臂鉸接到十字軸2另一根軸的兩端；分支臂上開有耳孔6，叉頭3的耳孔6內固定套裝有棘輪5，十字軸2的每個軸端面上固定安裝有電磁式棘輪組件，十字軸2每個軸端面通過電磁式棘輪組件4與棘輪5連接。

如圖3所示，電磁式棘輪組件4包括直動式電磁鐵10、彈簧撥片11、電磁鐵推桿12、彈簧13和棘爪14，直動式電磁鐵10固定在十字軸2的軸端面上，電磁鐵推桿12一端套裝在直動式電磁鐵10中，電磁鐵推桿12另一端固定有棘爪14，棘爪14連接到棘輪5內圈的棘齒，棘輪5外圈固定連接到耳孔6的孔內周面，直動式電磁鐵10和棘爪14之間的電磁鐵推桿12上套有彈簧13，棘爪14旁設有用於輔助定位的彈簧撥片11，彈簧撥片11固定在十字軸2的軸端面上。

十字軸2的每個軸均設有有一體式伺服電機9，一體式伺服電機9的輸出軸與十字軸2的軸同步連接；通過一體式伺服電機9運行帶動十字軸2轉動進而帶動萬向節兩端的球面活芯環1相對轉動。具體通過相鄰不同萬向節上的多個一體式伺服電機9聯合運行帶動相鄰不同萬向節的鉸接聯動。

第一節萬向節通過螺栓固定連接在活芯體7一端的螺紋孔中，後面相鄰兩個萬向節之間以各自的叉頭3通過螺栓同軸固定連接使得兩個萬向節之間相連接。即第一節萬向節與活芯體固定連接，即活芯體有螺紋孔的一端與第一個萬向節的一個叉頭通過螺釘固定連接，第一個萬向節的另一個叉頭與第兩個萬向節的一個叉頭通過螺栓連接。如果再接更多的萬向節也是以此類推的方式連接。

叉頭3上設有軸肩，球面活芯環1上設有環形臺階，軸肩與環形臺階緊密連接使得球面活芯環1和兩個叉頭3相配合定位連接。最終叉頭與球面活芯環採用過渡配合。

當芯棒裝置處於不工作狀態時，電磁鐵上的彈簧處於平衡狀態，彈簧撥片處於繃緊狀態。當模組裝置開始工作時，棘輪只能朝一個方向轉動，如圖3隻能順時針轉動。

當模組裝置工作結束後，模組裝置進入復位狀態。直動式電磁鐵接通電源，線圈中產生磁勢，在磁系統和工作氣隙所構成的迴路中，產生磁通。在工作氣隙兩端的銜鐵和極靴上產生異性磁極，銜鐵受到電磁吸力，當這個吸力大於彈簧產生的反力後，則銜鐵將吸合，並帶動棘爪動作，使得棘輪脫離棘爪約束。之後棘輪可與十字軸相對滑動，回到模組裝置的初始狀態。

具體實施中，本發明採用一定的控制方法控制芯棒裝置的運動，通過設置電磁式棘輪組件中的電磁吸力f控制轉動中的單向運動力控制，實時保證了芯棒體的主動轉動，保障了彎管模具和彎管機器的安全性，還通過控制每個萬向節處的一體式伺服電機實現芯棒裝置中關節的主動轉動運動，設置傳感器來反饋控制一體式伺服電機的轉動，實現精確角度的轉動。

本發明的電磁式棘輪組件中的彈簧與直推式電磁鐵的選取主要由電磁吸力確定，電磁式棘輪組件中的電磁吸力f採用以下公式計算並設置：

其中，s1為鐵心外圓環面積，s2為鐵心內圓環面積，φ0為電磁鐵氣隙，iw為線圈產生的磁動勢，μ0為空氣磁導係數，δ為電磁鐵氣隙長度。

其設置原理為：

電磁吸力大小與磁力線穿過磁極的總面積及氣隙中的磁感應強度的平方成正比。如果磁感應強度b沿磁極表面上是均勻分布的，則電磁吸力的基本公式為：

式中，f為電磁力(j/cm)；b為磁感應強度(wb/cm2)；s為磁極表面總面積(cm2)；μ0為空氣磁導係數，為1.25×10-8h/cm。

上式是麥克斯韋公式，b的單位為高斯，f的單位為公斤，將μ0的數值代入，則：

為了建立磁路等效模型，根據電磁鐵模型的結構做出如下假設：

(1)不考慮漏磁影響；

(2)電磁鐵安裝軸為不導磁材料，按空氣磁導率建模。

其中，iw為線圈產生的磁動勢；r0為氣隙磁阻；r1為鐵心磁阻；r2為銜鐵磁阻。

依據磁路等效模型得：

依據電磁鐵結構計算氣隙磁導g0：

式中，s1為鐵心外圓環面積；s2為鐵心內圓環面積；δ為氣隙長度(即銜鐵之間的間隙)。

由基爾霍夫第二定律估算磁通，由於空氣磁導率相對鐵心和銜鐵要小上千倍。此時粗略估計即認為所有的磁動勢都消耗在氣隙中，故計算估算值要φ0′：

同時由於實際磁路中鐵心和銜鐵也有磁勢降，故磁路中實際磁通比上述估算值要φ0′小，由於圓環形磁電磁鐵氣隙相對較大，這裡取實際值降5％，即：

φ0＝φ0′(1-5％)＝iwg0×108×(1-5％)

電磁鐵吸力由內環和外環兩部分吸力組成，由此得上述電磁鐵吸力。

如圖4所示，一體式伺服電機通過一種自由度的合成與分解的方法將空間幾何轉角轉換為伺服角度，進而使一體式伺服電機控制轉軸轉動。具體步驟為：

步1：以十字軸的圓心o為原點，建立坐標系oxyz；

步2：把十字軸繞點o旋轉空間任意角度，即空間幾何轉角。(如圖4所示，旋轉前的十字軸用實線表示，旋轉後的十字軸用虛線表示。)用向量和向量分別表示十字軸旋轉前後的法矢量；

步3：將點p『投影到平面xoy，得到投影點v；

步4：求得向量與向量的夾角，用θx表示，即為圖4中橫軸l1上的伺服角度；

步5：求得向量與向量的夾角，用θy表示，即為圖4中豎軸l2上的伺服角度。

步6：為確保芯棒能夠和管材同步彎曲，減少對內壁的刮擦，設置轉軸l1和轉軸l2的伺服進給率(轉動速度之比)為θx/θy。

如圖5所示，具體實施中在十字軸的軸端面安裝位置傳感器，伺服電機輸出端經旋轉變壓器連接到位置傳感器，位置傳感器輸出到伺服控制器，伺服控制器根據用戶輸入的速度控制和實時通過位置傳感器採集得到的發出轉矩控制信號到電機驅動放大器，電機驅動放大器連接到伺服電機的輸入端進而控制電機運動。

伺服電機控制芯棒轉軸轉動，其具體步驟為:

步1：由控制端傳出轉矩指令，經由電機內部晶片d/a轉換出脈衝信號傳入伺服電機；

步2：脈衝信號控制電機按指定旋轉方向轉動，一個逆時針脈衝會使電機逆時針方向旋轉一步，一個順時針脈衝會使電機順時針方向旋轉一步。電機的速度是由位置指令脈衝的頻率決定，進而控制芯棒的伺服進給率；

步3：進入檢測環節，檢測元件(圖中為旋轉變壓器)將被控芯棒的執行元件的實際位置檢測出來並轉換成電信號反饋給反饋控制器；

步4：進入比較環節，反饋控制器將指令信號和反饋信號比較，兩者差值作為伺服系統的跟隨誤差；

步5：由於比較環節輸出的信號比較微弱，不足以驅動執行元件，設置電機驅動放大器對其進行放大。經驅動電路，控制芯棒的執行元件繼續工作，直到檢測比較後的跟隨誤差為零。

活芯體的另一端還設有內螺紋孔，並通過該內螺紋孔螺紋連接有活芯拉杆。便於模組裝置伸入直管中，而且在彎管後，又便於取出。

本發明除本實施例彎曲圓直管外，還可以彎曲橢圓直管、方形直管、矩形直管等多種金屬直管，若是彎曲方形直管，只要將球面活芯環的外表面製成方形即可。

上述具體實施方式用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。