面向用戶需求的折彎機(jī)選購及開發(fā)設(shè)計(jì)

周英溫，喬根榮，王金榮

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇江都225200）

1 概述

在以市場為導(dǎo)向的制造業(yè)，用戶需求的多樣化使制造商頻繁變更設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方案，與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型批量生產(chǎn)相比成本較高而利潤較低。因此在訂單紅火的季節(jié)，有些企業(yè)會(huì)推掉設(shè)計(jì)變更大的特殊訂單。但是在市場低迷階段，特殊訂單則可對(duì)支撐企業(yè)發(fā)展有重要作用。所以淡季利客戶，旺季利商家，在制造業(yè)也不例外。

與市場形勢(shì)相呼應(yīng)，企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)工作也逐漸分化為批量產(chǎn)品變更改進(jìn)設(shè)計(jì)和訂單產(chǎn)品特殊設(shè)計(jì)。當(dāng)然為了企業(yè)的后續(xù)發(fā)展，還需要新品研發(fā)設(shè)計(jì)。對(duì)于訂單產(chǎn)品的特殊設(shè)計(jì)，只要改變慣有的思維定勢(shì)，掌握了根本的設(shè)計(jì)思路，循著明確的設(shè)計(jì)主線，這項(xiàng)工作將由繁瑣變得很有趣味。定制設(shè)計(jì)工作量很大，但也鍛煉了設(shè)計(jì)者思維的靈活多變和積極主動(dòng)性，在為客戶解決各種特殊要求的工作中也迅速提升了設(shè)計(jì)者自身解決問題的能力。同樣，加工定制產(chǎn)品的生產(chǎn)人員也比千篇一律加工不變零件的生產(chǎn)者有更靈活的思路和應(yīng)對(duì)能力。

特殊訂單看似利益少但給企業(yè)帶來的隱形收益是不可估量的。個(gè)人覺得不論是市場旺季或淡季，企業(yè)應(yīng)力爭每一份訂單，不輕易推掉客戶，這既是企業(yè)實(shí)力的展示，也是對(duì)企業(yè)應(yīng)對(duì)市場變化的一種很好的鍛煉。長期下去，必將贏得行業(yè)口碑，贏得更多的客戶，企業(yè)就具有了在逆境中生存的能力。

折彎機(jī)制件市場需求廣泛，鐵路用具、電子電器底板箱體、幕墻、燈桿、車輛吊臂、建材（型材門窗等）、紡織器具等，制件形狀多種多樣，對(duì)折彎機(jī)的喉口深度、開啟高度等要求也就多種多樣。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照用戶需求作靈活變動(dòng)，來完成特殊定制訂單設(shè)計(jì)。

如圖1所示為折彎機(jī)制品應(yīng)用示例。

圖1 折彎機(jī)制品應(yīng)用

2 折彎機(jī)的選購和設(shè)計(jì)思路

圖2為折彎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 折彎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 確定機(jī)器噸位和折彎長度

按照客戶所需折彎工件的最大規(guī)格確定機(jī)器的折彎噸位和折彎長度。這是選購和設(shè)計(jì)的開端。

傳統(tǒng)自由折彎力計(jì)算公式表明，折彎力的大小與折彎板材材質(zhì)（抗拉強(qiáng)度）、板材厚度、長度、折彎所用下模開口大小有關(guān)系。不同的折彎機(jī)制造商（或其所用的數(shù)控系統(tǒng)）在折彎力的計(jì)算時(shí)系數(shù)選取不盡相同，計(jì)算結(jié)果會(huì)有所差異。

這里介紹較常見的三種計(jì)算公式（自由折彎）。

（1）國內(nèi)一些老牌折彎機(jī)同行沿用的折彎力計(jì)算公式

式中：F表——制造商給出的折彎力表中的折彎力數(shù)值，t/m；

t——折彎板厚，mm；

v——折彎所用下模開口（折彎工件內(nèi)徑R≈16%×v），mm。

其中，65系數(shù)為按Q235A材質(zhì)（σb=420MPa），板厚與下模開口比1∶8確定。鋁板（σb=300MPa）系數(shù)為65×0.65=42.25；不銹鋼板（σb=700MPa）系數(shù)為65×1.6=104。如表1所示。

表1 系數(shù)計(jì)算對(duì)照表

（2）DELEM數(shù)控系統(tǒng)折彎力計(jì)算公式F=1.75×t2×σb/v

其中，σb單位 kg/mm2，Q235A 材質(zhì)取 42kg/mm2。

（3）BEYELER數(shù)控系統(tǒng)折彎力計(jì)算公式F=t2×σb（4×t/v+1）/v

其中，σb單位 kg/mm2，Q235A 材質(zhì)取 42kg/mm2。

上述三個(gè)公式均為1m長工件的折彎力，長度不是1m時(shí)折彎力計(jì)算公式需乘以工件長度L，單位m。

舉例比較三種公式計(jì)算結(jié)果的差別，如表2所示。

表2 三種公式計(jì)算結(jié)果比較

在工況滿載較多的情形選擇機(jī)器噸位時(shí)，建議按照公式（2）計(jì)算，結(jié)果比較保險(xiǎn)。而滿載制件批量較小的客戶可參照以上三個(gè)公式權(quán)衡選擇。制造商常用的噸位系列有 50、63、80、110（100）、160、220（250）、300、400、500、630、800、1000、1200、1600、2000、2500、3000、3600、5000、6500 等。

按照客戶所需折彎的最大長度的工件確定機(jī)器的折彎長度。或者使工件長度涵蓋在制造商產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)長度系列中，如 2050、2500、3100、4100、5100、6200、8200、10200、12000、14000、16000、18000 等。

在選購大噸位長機(jī)型時(shí)，如果對(duì)制件精度要求不高，還可以選購雙機(jī)聯(lián)動(dòng)機(jī)型，成本較低，單雙機(jī)都可以使用。只是會(huì)受偏載折彎噸位影響，購置前需由制造商提供機(jī)器的偏載折彎噸位能力，如果超載，則需改選單機(jī)。

2.2 確定機(jī)器最大折彎行程、開啟高度、喉口深度等

按照客戶所需折彎的工件確定機(jī)器的最大折彎行程（油缸最大行程）、開啟高度、喉口深度、后擋料范圍、模具等。

折彎機(jī)用戶通常會(huì)有明確的制件產(chǎn)品系列，要求選購的折彎機(jī)能夠滿足制品的生產(chǎn)和精度要求。此外，用戶會(huì)選擇折彎機(jī)有可靠的精度保持性能、更快的制件生產(chǎn)率、更低的故障報(bào)修率等。尤其制件精度要求高時(shí)，選購不應(yīng)只看價(jià)格，而推薦選購高配機(jī)型。

對(duì)于用戶的特殊制件生產(chǎn)需求，需要充分溝通協(xié)調(diào)，在用戶工件圖的基礎(chǔ)上，確定機(jī)器的喉口配置、開啟高度，少數(shù)客戶對(duì)油缸行程有特殊要求，以及特殊模具配置等。由于特殊配置，引發(fā)特殊訂單開發(fā)設(shè)計(jì)。改動(dòng)設(shè)計(jì)工作說起來簡易，做起來卻很繁瑣，但其中是有規(guī)律可循的。

（1）標(biāo)配機(jī)型的選購和設(shè)計(jì)工作

不同制造商的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型盡管大多主參數(shù)相同，所用原材料卻不盡相同，這也成為選購機(jī)器的關(guān)注焦點(diǎn)所在。

①上模直聯(lián)，下工作臺(tái)帶機(jī)械或液壓補(bǔ)償?shù)臋C(jī)型。滑塊的高度及厚度成為一臺(tái)機(jī)器制件精度是否高的關(guān)鍵因素。客戶在多家制造商之間選擇不定時(shí)可以作為關(guān)鍵比對(duì)因素。

②上模斜楔補(bǔ)償，下工作臺(tái)無補(bǔ)償?shù)臋C(jī)型。下部中立板的高度及厚度成為一臺(tái)機(jī)器制件精度是否高的關(guān)鍵因素。客戶在多家制造商之間選擇不定時(shí)可以作為關(guān)鍵比對(duì)因素。

③上模斜楔補(bǔ)償，下工作臺(tái)帶機(jī)械或液壓補(bǔ)償?shù)臋C(jī)型。該種配置可以作為對(duì)制件精度要求很高的用戶的推薦配置。機(jī)器最終的調(diào)整精度是機(jī)器質(zhì)量的關(guān)鍵保證。因?yàn)榛瑝K、中立板的撓度都可調(diào)整，所以有獲得高的制件精度的可能。但是受組裝調(diào)整精度的影響，同時(shí)也受滑塊、中立板設(shè)計(jì)尺寸的影響，不能因?yàn)閾隙瓤梢哉{(diào)整而做過于偷工減料的設(shè)計(jì)，這樣反而得不到好的穩(wěn)定的機(jī)器精度。

④標(biāo)配機(jī)型的設(shè)計(jì)工作。企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型在開發(fā)初期作了大量細(xì)致周全的考慮，形成了批量規(guī)模，并根據(jù)初期的售后反饋?zhàn)髁送晟聘模钥蛻暨x購很放心，制造商也樂意銷售，是能為企業(yè)和客戶帶來可靠利益的雙贏產(chǎn)品。但是不同廠家的機(jī)器制造還是有所不同，客戶選購時(shí)可參照上面三點(diǎn)建議。

標(biāo)準(zhǔn)系列機(jī)型設(shè)計(jì)時(shí)，方方面面考慮周全，設(shè)計(jì)之初兼顧行業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn)，機(jī)器每個(gè)關(guān)鍵大件的總體外形尺寸一旦確定就形成了產(chǎn)品的固有品性，這也就是為什么不同制造商或同一制造商的不同產(chǎn)品系列盡管機(jī)器規(guī)格相同但是售價(jià)卻不同的原因。

（2）改制機(jī)型的設(shè)計(jì)工作

①喉口加深的改型設(shè)計(jì)。多數(shù)折彎機(jī)制造商所生產(chǎn)的折彎機(jī)立柱間距小于工作臺(tái)長度，因此在折彎大于立柱間距的工件，標(biāo)準(zhǔn)喉口演示折彎出現(xiàn)干涉時(shí)，需要做加深喉口的設(shè)計(jì)。或者選用更長工作臺(tái)的機(jī)型。

喉口深度的變化會(huì)影響到墻板的總變形大小，會(huì)對(duì)最大喉深部位墻板的上部危險(xiǎn)剖面或下部危險(xiǎn)剖面的強(qiáng)度有影響。所以喉口深度加大時(shí)，墻板的上部或下部（喉口開啟兩側(cè)的部位）尺寸做相應(yīng)加大設(shè)計(jì)可應(yīng)對(duì)喉口加深帶來的變形和對(duì)強(qiáng)度的不利影響。

喉口深度的變化對(duì)機(jī)器其它部位設(shè)計(jì)影響不大。

②立柱間距變更的改型設(shè)計(jì)。立柱間距的變化對(duì)墻板幾乎無影響，所以機(jī)器其他參數(shù)相同僅立柱間距不同的機(jī)器，墻板可通用。立柱間距的變化大大影響了滑塊和下立板的變形，以及滑塊和下立板的中部截面應(yīng)力。變形與立柱間距的三次方成正比。截面應(yīng)力與立柱間距平方成正比。當(dāng)對(duì)機(jī)器的變形精度要求不變時(shí)，需要對(duì)機(jī)器的滑塊和下部中立板做加高設(shè)計(jì)。滑塊的加高太多時(shí)，考慮機(jī)器的平穩(wěn)，有時(shí)需要對(duì)滑塊的導(dǎo)向部位做加長設(shè)計(jì)，由此也會(huì)帶來墻板上導(dǎo)軌部位的相應(yīng)加長變更設(shè)計(jì)。為了減小滑塊在厚度方向上的變形，立柱間距很大時(shí)，滑塊的板材厚度需加大。

立柱間距的變化同時(shí)會(huì)引起下部立板兩側(cè)的側(cè)立板的變形以及強(qiáng)度的變化，因此需要對(duì)側(cè)立板做相應(yīng)變更設(shè)計(jì)。

③機(jī)器最大開啟高度變更的改型設(shè)計(jì)。機(jī)器開啟高度的變化僅對(duì)墻板的拉伸變形略微加大，對(duì)強(qiáng)度無影響，如果機(jī)器行程不變，模具掛板高度相應(yīng)加大，適宜折彎較大的封閉管件、筒件等。當(dāng)開啟高度增加很大，油缸行程需要加大時(shí)，則需要做大行程的油缸部件設(shè)計(jì)。油缸部件加長，墻板相應(yīng)部位也做加長設(shè)計(jì)。

④模具變更的改型設(shè)計(jì)。許多客戶購買標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型，僅是對(duì)模具按照工件折彎需要做改制訂單設(shè)計(jì)。模具的改制設(shè)計(jì)總體來說是需要滿足工件折彎時(shí)不干涉，在多種方案中作出有利于強(qiáng)度和最小變形的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

有限元分析和三維干涉檢查在模具設(shè)計(jì)時(shí)是很好的輔助設(shè)計(jì)方法。

⑤全新產(chǎn)品的一般設(shè)計(jì)流程。全新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需要定好機(jī)器的主參數(shù)，比如機(jī)器噸位、機(jī)器長度、立柱間距、油缸行程、開啟高度、喉口深度等。滑塊變形要求遵循企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。按照機(jī)器主參數(shù)及滑塊企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以計(jì)算出滑塊的結(jié)構(gòu)尺寸。由機(jī)器噸位、油缸行程、機(jī)器速度參數(shù)、下腔支撐壓、系統(tǒng)最高壓力等進(jìn)行油缸部件的設(shè)計(jì)，油缸設(shè)計(jì)需要滿足適宜的最高系統(tǒng)壓力，以及適宜的下腔支撐壓，電機(jī)的選擇需滿足機(jī)器的負(fù)荷需求，油泵流量需要滿足客戶需要的工進(jìn)和回程速度要求。滑塊定好后，根據(jù)補(bǔ)償形式設(shè)計(jì)下部中立板的結(jié)構(gòu)，機(jī)械補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)使得下立板結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)墻板和中立板的設(shè)計(jì)來說變得簡單易行。但是由于國內(nèi)機(jī)械補(bǔ)償部件的生產(chǎn)廠家的制造缺陷等，機(jī)械補(bǔ)償維修頻率較高，相比之下，液壓補(bǔ)償機(jī)構(gòu)則相對(duì)可靠耐用，所以液壓補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的市場需求量仍很大。液壓補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器下立板的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不同的結(jié)構(gòu)方式使得墻板的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜起來。不好的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)影響了局部應(yīng)力分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中，撕裂等故障現(xiàn)象，影響了整機(jī)的使用性能。在這一方面，一些國外同行為我們提供了一些好的結(jié)構(gòu)方案，關(guān)鍵是我們的企業(yè)設(shè)計(jì)部門能夠吸取好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，克服自身的原有缺陷。

滑塊部件、油缸部件、中立板部件設(shè)計(jì)好了，就可以做機(jī)身部件的設(shè)計(jì)了。機(jī)身部件主要有墻板、導(dǎo)軌、上下支撐、地腳等設(shè)計(jì)。大的機(jī)器還有扶梯和護(hù)欄設(shè)計(jì)。墻板的設(shè)計(jì)需要滿足變形和強(qiáng)度要求。找出構(gòu)件的危險(xiǎn)剖面部位，可以用材料力學(xué)公式計(jì)算校核，也可以構(gòu)建三維模型，通過有限元分析構(gòu)件的應(yīng)力和變形。上支撐的設(shè)計(jì)包含了油箱和閥堆、管路排布、電機(jī)油泵安裝等，使得上支撐結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。油箱的容積需要滿足液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，油箱結(jié)構(gòu)是否方便裝配時(shí)高清潔度要求的清理工作將是油箱設(shè)計(jì)的先進(jìn)未來導(dǎo)向。地腳設(shè)計(jì)位置需考慮整機(jī)裝配后機(jī)器的重心位置，在整機(jī)調(diào)水平時(shí)方便調(diào)整。大噸位的墻板地腳還要兼顧考慮千斤頂?shù)姆胖每臻g及調(diào)整。墻板有幾處應(yīng)力集中部位，需在設(shè)計(jì)時(shí)慎重考慮：一個(gè)是油缸底板與墻體的焊接部位，一個(gè)是安裝中立板墊塊的直角部位。應(yīng)力集中部位用公式計(jì)算強(qiáng)度時(shí)結(jié)果可能很安全，可是實(shí)際使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋等缺陷，這就需要在局部做特別加強(qiáng)設(shè)計(jì)。下支撐的設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，考慮后擋料或后推料的安裝支撐。

模具部件的設(shè)計(jì)遵循滿足客戶工件的折彎要求，不干涉，在強(qiáng)度方面盡量做到持久耐用，長期使用后變形小，精度保持性好。模具可以由折彎機(jī)制造商設(shè)計(jì)制造，需由客戶確認(rèn)；也可以由客戶提供圖紙，機(jī)床制造商按圖制造。小噸位的機(jī)床模具一般是上模，斜楔上模，下模1V，2V插槽式，或多V寬臺(tái)面結(jié)構(gòu)；上模還可選配快夾機(jī)構(gòu)、液壓夾緊機(jī)構(gòu)等。大噸位的折彎機(jī)模具通常配置上模長模柄加模頭結(jié)構(gòu)，下模為組合插片式下模，單位長度承載可達(dá)200t～300t。缺點(diǎn)是改變模口寬度較費(fèi)時(shí)、費(fèi)工，效率較低。因此，自動(dòng)調(diào)整模口寬度的下模部件將是大噸位折彎機(jī)下模的發(fā)展趨勢(shì)。開發(fā)經(jīng)久耐用的機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)仍將是大噸位折彎機(jī)的發(fā)展焦點(diǎn)。

3 結(jié)束語

雖然市場的迫切需求使得設(shè)計(jì)工作緊迫而定型較快，但不斷完善和優(yōu)化設(shè)計(jì)工作仍然是技術(shù)工作者的任務(wù)和追求。希望制造商和用戶共同努力，使折彎機(jī)在研制和應(yīng)用兩個(gè)領(lǐng)域繼續(xù)繁榮，為板材加工行業(yè)做出更多、更大貢獻(xiàn)。

[1]折彎機(jī)大型結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與計(jì)算.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司內(nèi)部培訓(xùn)教材，2012.

[2]折彎機(jī)產(chǎn)品使用說明書.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，2012.

[3]大噸位折彎機(jī)液壓系統(tǒng)培訓(xùn)教程.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司內(nèi)部培訓(xùn)教材，2012.

[4]毛志強(qiáng)，劉 沖.折彎機(jī)隨動(dòng)托料機(jī)構(gòu)原理分析.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（2）.

[5]周鵬飛，欒伯才，翟東升.基于Optistruct的數(shù)控折彎機(jī)滑塊的拓?fù)鋬?yōu)化.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，43（6）.