弯管机的设计与验证

邓剑波

（佛山市南海九洲普惠风机有限公司，广东　佛山　528000）

弯管机的设计与验证

邓剑波

（佛山市南海九洲普惠风机有限公司，广东佛山528000）

弯管机被广泛地应用于工程和制造业中，基于此，阐述弯管机的主轴、传动和弯管力矩等关键要素的设计计算，并引入CMK和CPK等指数验证弯管机稳定性和弯管生产过程能力。

弯管机；设计；验证；CMK；CPK

弯管机被广泛应用于工程和制造业中，例如佛山市南海九洲普惠风机有限公司风机产品的机架，由圆管弯曲成特定形状。本文介绍弯管机主要结构和关键点的设计过程，并运用了设备CMK和生产过程CPK来验证设计是否合理。CMK即是设备能力指数，评价设备能否达到使用要求及其稳定性；CPK即是过程能力指数，评价生产过程能力稳定性［1-2］。

1　弯管机结构介绍

弯管机结构示意图见图1，电机6通过V带轮7和减速机9二级减速，带动主轴8转动，主轴带动转模3转动。夹紧模2配合转模3一起夹紧管材1一端，靠模4靠住管材1另一端，转动转模3，管材即可弯曲出既定形状。

图1　弯管机结构示意图

2　设计要点

管材弯曲过程中，不同管材的外径和厚度，以及不同的弯曲半径直接导致管材弯曲力矩不同。因此，弯管机的设计首先需要计算确定管材弯曲力矩，其大小直接关系到电机功率大小和传动机构的选型等。

2.1管材弯曲力矩计算

管材弯曲力矩由多个因素决定，其中有管材外径、管材厚度、弯曲半径和管材的材料力学特性等。管材弯曲力矩可以由公式（1）（2）进行估算。

式（1）（2）中，M为管材弯曲力矩（N·m）；W为管材抗弯断面系数（mm3）；σb为管材抗弯强度（MPa）；D为管材外径（mm）；d为管材内径（mm）；ρ为管材弯曲半径（mm）；μ为弯曲系数，μ取决于管材弯曲方式和管材表面状态，更取决于是否有芯棒、芯棒类型、位置和形状等。一般情况下，μ取3～8。

本文所述弯管机用于弯曲管材外径32mm，厚度1.8mm，弯曲半径62mm，材质为Q235，将相关参数代入公式（1）（2）计算得弯曲力矩为2 795N·m。

2.2电机选型

弯管机工作过程中主要受管材弯曲力矩影响，因此，可以认为管材弯曲力矩就是弯管机的转矩负载。负载功率由公式（3）计算得出：

式（3）中，P为负载功率（KW）；T为负载转矩（N·m），主要负载为管材弯曲力矩，负载转矩T估算等于管材弯曲力矩M；n为主轴转速（r/min）。

弯管机传动方式为电机通过V带传动至减速机，减速机也主轴之间通过联轴器带动主轴转动，继而主轴带动转模转动。电机功率计算见公式（4）：

式（4）中，P0为电机功率（kW）；η1为V带传动效率；η2为减速机传动效率；η3为联轴器传动效率；η4为轴承传动效率。

本文所述弯管机选用6极电机，即电机输出的转速为960r/min，经过V带轮和减速机减速后主轴输出的转速为4r/min。根据公式（3）（4）计算并最终选择3kW的6极电机。

3　弯管机验证

弯管机经过设计和制造后，需要对其性能进行评估和验证。其中的验证项目有：是否达到了使用要求；机器生产过程中是否稳定；所加工零件尺寸和参数是否达到工艺要求；生产出的零件质量是否稳定等。在此使用设备的CMK指数验证设备稳定性，使用生产过程CPK指数来验证机器生产过程零件质量的稳定性。

3.1电流CMK验证

对于弯管机而已，电机是否选择合适，工作状态是否稳定，可以通过跟踪生产过程中电机电流的大小来评估验证，通过计算电流的CMK指数来评估设备的稳定性。

考量电机选择是否合适，需要看电流是否超过一定的范围。一般情况下，工作电流处于额定电流的30%～140%，可以认为电机选择基本上是合适的。工作电流低于额定电流的30%，代表电机选大了；而工作电流大于额定电流的140%，则代表电机超负荷运动，电机选小了。表1是弯管机弯管过程中电机电流的统计表，共30组（CMK验证采用的数据应不少于30组）。从中可以看出最小电流为4.53A，为额定电流的61%（额定电流7.4A），在合理范围内；另外，最大电流为5.96A，为额定电流的81%，也是在合理范围内。因此，可以认定电机功率选择是合适。

表1　电机电流统计表

3.2弯曲角度CPK验证

除了验证电机功率选择是否合适外，还应对机器运动过程是否稳定进行验证。本文采用计算弯管机弯管过程中电流的CMK来评估机器稳定性。

表2　弯曲角度统计表

弯管机弯管质量是其过程能力的一个重要考量，零件加工尺寸和参数是否达到工艺要求，以及生产出的零件质量是否稳定都是需要验证的内容。以下介绍对弯管机管材弯曲过程中弯曲角度的CPK验证。

表2为弯曲角度统计表，共30组（CPK验证采用的数据也应不少于30组）。本文所述弯管机该弯曲角度为58°± 1°。从表2可知，弯曲角度最大值为58.7°，最小值为57.3°，均在其公差范围内。因此，弯管机的弯曲质量是合格的。

4　结语

弯管机关键要点的设计和验证是其开发设计过程的关键，设备能力指数CMK和过程能力指数CPK的引入对机器性能的验证是有效的，值得更深一层次地对其进行研究，将其运用到机械产品的开发工作中。

［1］孙静，王胜先，杨穆尔.过程能力分析［M］.北京：清华大学出版社，2013.

［2］成大先.机械设计手册［M］.5版.北京：化学工业出版社，2007.

Design and Verification of Pipe Bending Machine

Deng Jianbo
（Foshan Nanhai Jiuzhou Fan Pratt&Whitney Co.Ltd.，Foshan Guangdong 528000）

Pipe bending machine is widely used in engineering and manufacturing.Based on this，this paper described the design and calculation of the key elements of the main shaft，transmission and bending moment of the pipe bending machine，and the CMK and CPK were introduced to verify the stability of the pipe bending machine and the capacity of the bend pipe production process.

pipe bending machine；design；verification；CMK；CPK

TG315.5

A

1003-5168（2016）07-0056-02

2016-06-08

邓剑波（1986-），男，本科，机械助理工程师，研究方向：机械设计制造及其自动化。