100000KN大型冷室卧式压铸机锁模机构设计【说明书+CAD】
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湖 南 科 技 大 学毕业设计(论文)任务书 院 系(教研室)系(教研室)主任: (签名) 年 月 日学生姓名: 学号: 专业: 1 设计(论文)题目及专题: 100000KN大型冷室卧室压铸机锁模机构设计 2 学生设计(论文)时间:自 2015 年 1 月 9 日开始至 2015 年 5 月 31 日止3 设计(论文)所用资源和参考资料:1吴春苗,压铸技术手册,广州广东科技出版社,2007;2侯会喜,液压与气动技术,北京理工大学出版社,2010;3机械设计手册编委会,机械设计手册,机械工业出版社,2007;4成大先,机械设计手册(液压传动),化学工业出版社,2004。4 设计(论文)应完成的主要内容:1翻译英文文献一篇;2液压锁模机构结构设计;3液压锁模系统元件选型;4锁模液压机构装配图。5 提交设计(论文)形式(设计说明与图纸或论文等)及要求(2.5张A0图纸工作量):1撰写设计说明书;2绘制锁模机构装配图;3绘制某典型零件图。6 发题时间:2015 年 1 月 9 日指导教师: (签名)学 生: (签名)题目填黑体三号字 - 1 -湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计( 论 文 )题目 100000KN大型卧式 冷室压铸机锁模机构作者王 超学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学号1103010111指导教师朱必武2015 年 5 月 30 日 摘 要合模机构是曲肘式压铸机上的关键部件,它带动动模座板进行压铸模的开模、合模,其结构很大程度上影响着压铸机的生产效率、模具的工作寿命、铸件的精度和致密度以及工作的劳动强度等。因此很有必要进行研究分析。本文研究的是市场上未曾有的大型压铸机锁模机构,依照现有的压铸机锁模机构的设计方法,通过对现有压铸机锁模机构的研究分析,创新性的设计出100000KN锁模力的压铸机锁模机构。根据锁模力以及关系公式,得出锁模机构的重要参数(模版行程,油缸行程),从而求得各杆长,开合模的运动情况,以实现合模机构的正常运转。关键词:压铸,合模力,行程,合模角 i Abstract Clamping mechanism is a key component of the toggle-type die-casting machine, which is driven by the movable mold base plate die-casting mold tooling, mold, its structure greatly affects the productivity of die-casting machine, mold working life, casting accuracy and density as well as the work of labor intensity. Therefore it is necessary to conduct research and analysis. This paper is not on the market, some large-scale die-casting machine clamping mechanism, in accordance with the design of the existing die casting machine clamping mechanism,through the research and analysis of the die mechanism of the die casting machine, the innovative design of the die mechanism of the 100000KN lock force is designed.According to the clamping force and the relation formula obtained important parameters of mold structure of lock (template stroke, the oil cylinder stroke), so as to obtain the long rod, the movement of the die opening and closing to achieve the normal operation of the clamping mechanism. Key words: die casting,clamping force,stroke,Clamping Angle 宋体,小四号,单倍行距摘要要求罗马数字黑体,四号,加粗 i目 录第一章 引言1 1.1压铸机简介1 1.2压铸的现状、发展趋势和生产中存在的问题1 1.3研究意义4 1.4压铸机整机的工作原理4 1.5压铸机的基本结构组成6 1.6合模机构的类型和选择8 1.7液压肘杆式合模机构的常见形式和选择10第二章 合模机构原理设计12 2.1合模机构的参数和尺寸计算12 2.1.1合模力的确定12 2.1.2模板尺寸及拉杆间距13 2.1.3动模板行程Sm13 2.2肘杆机构的尺寸参数确定14 2.2.1运动特性分析16 2.2.2力学特性分析17 2.2.3肘杆机构自锁及正常运动条件18 2.2.4肘杆机构的速度分析19 2.2.5肘杆机构的尺寸参数确定22 2.3具体速度和加速度分析24第三章 合模机构结构设计30 3.1合模机构装配图和主要的零件设计图30 3.2后肘杆的静强度校核30 3.3铰轴的剪切强度校核31 3.4后支座的静强度校核32第四章 设计合模液压系统34 4.1压铸机液压系统及工作原理34 4.2其它机构36结论38参考文献 39致谢40i湖南科技大学本科生毕业设计(论文)第一章 引 言1.1 压铸机简介压铸机是压铸生产的主要设备,压铸过程中的各种特性都是通过压铸机实现的。根据压铸件的结构、特性、技术要求和验收条件等制订合理的压铸工艺,设计、制造优良的压铸模具并选用合适的压铸机是生产合格压铸件的基本要求。自从压铸机出现以后,压铸业以它生产速度快,生产的零件单位强度高等优势得到了快速发展。在1904年,用压铸法生产了汽车连杆轴承以后,压铸件以强度高、重量轻、生产快、成本低等特有的优势进入汽车工业,无疑为压铸件制造业的快速发展提供了广阔的发展天地。随着铸造业的飞速发展,对铸件的质量要求也越来越高,人们要求铸件既有尺寸准确的内外腔形状,又要有良好的力学性能。现代压铸机从结构上来说,已经比较完善合理,要提高压铸件的质量只有从压铸机的本身精度、液压元件的灵敏度、电气控制的可靠性、压铸工艺参数的控制等方面入手。高压和高速是现代压力铸造工艺的两大特征,实验和生产实现证明,铸件充型完好、轮廓清晰主要取决于压射速度,而铸件的内部质量和力学性能主要取决于增压效果。要想获得高质量的压铸件,只有根据不同的情况对压铸过程中的所有工艺参数进行恰到好处的控制。因此提高压住行业的自动化程度势在必行,而压铸机是压住过程的主要机器,它的自动化程度及性能是主要考虑的部分。压铸机分为热室压铸机和冷室压铸机两大类。热室压铸机与坩埚连成一体,其压室浸于金属溶液中,压射部件安装在熔炉坩埚的上面;冷室压铸机的压室与坩埚是分开的,压铸时,从合金和黑色金属。本文研究的是卧式冷室压铸机。1.2 压铸的现状、发展趋势和生产中存在的问题近40年,随着科学技术和工业生产的进步,尤其是随着汽车、摩托车以及家用电器等工业的发展,又从节能、节省原材料诸方面出发,压铸技术已获得极其迅速的发展。压铸生产不仅在非铁合金铸造中占主导地位,而且已成为现代工业的一个重要组成部分。近年来,一些国家由于依靠技术进步,促使铸件薄壁化、轻量化,因而导致以往用铸件产量评价一个国家铸造技术发展水平的观念改变,为用技术进步的水平为衡量一个国家铸造水平的重要依据。从世界范围和我国情况来看,铝合金压铸件应用的范围日益广泛。由于压铸工艺和技术的发展,又使压铸件在非铁金属铸件生产中所占的比例日益增多。压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种高效率、少/无切削的金属成形精密铸造方法。由于上述压铸的特点,这种工艺方法已广泛地应用于国民经济的各行各业。它最初是在金属型中铸造铅字的基础上发展起来的,迄今已有160余年的历史。压力铸造主要由压铸机完成。在国外压铸机制造行业中,瑞士的Buehler公司首先发明了抛物线压铸系统,此后相继出现了实时闭环控制和CNC压射端。近年来,日本的东洋公司又开发了一种具有局部压射功能的压射铸造系统。国外许多有压铸机生产能力的公司都把高新技术应用于压铸机上,在实时压射控制压铸机出现后,欧美几家公司对其进行不断改进,形成性能可靠的系列产品。目前,这些公司把力量转向为用户提供全方位的技术支持,例如:Buehler公司已有很完善的Classic、E-volution和Vision三大类压铸机系列,该公司利用其拥有的技术和经验,与德国著名的模具设计制造公司Schaufler联手组建压铸技术中心,对铝、镁合金制造商提供技术支持,并可由Buehler根据要求进行试制和提供实际铸件。Buehler公司曾为委内瑞拉Suralform公司开发了SSM压铸铝合金轮毂技术,Buehler公司在镁合金压铸、真空压铸和挤压铸造等方面都可提供全方位服务。以热室机著称于世的Frech公司拥有M系列和RC系列的压铸机,前者根据需要即可采用实时压射控制,也可进行常规三级压射,后者为实时压射控制压铸机。该公司控制系统根据其功能有Datavario、Datac-ontrol、DatacontrolRC和DatedialogRC供用户选择,积40年镁合金压铸经验,在镁合金应用方面进行开发,为用户提供服务。在Et本,Toshiba公司的多功能压射结构采用高精度液压伺服阀(直动型先导伺服阀,Directoperatedpilotser-vovalve),其流量为7000Ls,阀的响应时间为5ms,系统反应时间为13ms,可在20ms内将速度从0升高到lOms,相对于冲头位置,作为速度的切换点进行输入可有10个点,在各点之间可进行加速、减速并配以Toscast控制系统,实现压铸机的综合控制。因此生产的压铸件产品质量和精度都很高。我国在20世纪50年代才有了第一台国产全液压传动的卧式冷室压铸机。虽然50多年来我国的压铸机设计水平已有显著提高,但与国外相比还存在很大差距。到目前为止,国内的较大型压铸机专业生产厂家有几十家,但没有一家具备生产实时压射控制压铸机的能力。我国的压铸技术还很落后,大都在采用PLC进行压铸过程控制,凭经验手动设定控制阀的开度大小,用人眼反复调试完成。由于PLC构成的控制系统只能完成组合逻辑的输入、输出控制,无法对压铸机的工作状态进行实时监控及故障检测,一些重要的压铸参数,如合型力、压射速度等不能进行显示,因而造成了成品率低、维修不方便、能源浪费等问题。国产压铸机的主要不足之处一是压射能量问题,压射速度低,好的也只有56ms,与国外10ms相比柑差较多;二是压铸机没有“眼睛”,工艺参数不能量化,还谈不上控制,所以铸件的质量往往较差,成品率较低。因此,在要求压铸质量较高的精密压铸件时,压铸机完全依赖进口,虽然国外生产的压铸机价格高达国内同型号压铸机的45倍,但由于其控制精度高,在许多重要场合仍无法用国内的产品代替。然而,在压铸件广泛应用于汽车、摩托车、电梯等制造业的今天,我们不能依赖于进口,应该不断开发研制具有自主知识产权的高质量压铸机来满足我国制造业对压铸件日益增长的需求。高压力和高速度是压铸时熔融合金充填成型过程的两大特点,也是压铸与其他铸造方法最根本的区别所在。压铸时常用的压射比压在几兆帕至几十兆帕范围内,甚至高达500MPa;充填速度在0.5-120m/s范围内;充填时间很短(与铸件的大小、壁厚有关),一般为0.01-0.2s,最短只有千分之几秒。此外,压铸模应具有极高的尺寸精度很小的表面粗糙度值。由于具有以上所述特点,使得压铸件的结构、质量、性能、压铸工艺以及生产过程都具有自己的特征。我国压铸生产中存在的主要问题:压铸生产中主要涉及的有压铸设备、压铸合金、压铸工艺、压铸模、工艺标准和监控等方面的问题。尽管我国压铸有了突飞猛进的发展,但是与国外先进国家比较还存在很大的差距,正确认识这些差距,分析产生这些差距的原因,提出解决办法,是铸造工作者的重要责任。其主要差距表现在一下几个方面:(1) 技术落后,人才缺乏,新工艺新产品开发不力。(2) 设备状况(3) 模具的设计、制造和选用的材料较落后(4) 原辅材料的生产比较分散(5) 生产管理落后目前,用压铸方法可以生产铝、锌、镁和铜等金属合金。基于压铸工艺的特点,由于至今尚缺乏理想的耐高温模具材料,黑色金属的压铸尚处于研究试验阶段。在有色金属的压铸中,铝合金所占的比例最高,约占60%-80%;锌合金次之,约占10%-20%;铜合金压铸件较少,仅占压铸件总量的1%-3%;镁合金压铸件过去应用较少,曾应用于林业机械中,不到压铸件总量的1%。但近年来随着汽车工业、电子通信工业的发展和产品轻量化的要求,加之近期镁合金压铸技术日趋完善,镁合金压铸件市场收到关注。目前在世界范围内已形成有一定规模的汽车行业、IT行业、基础结构件的镁合金生产群体,镁合金压铸件的应用铸件增多,其产量有明显曾加,并且预计将来还会有很大发展。合模机构是压铸机的重要部件之一,因为合模机构提供的锁模力最终决定力模具模腔的平均压力,而模具模腔的平均压力的决定了制品的产品质量。现在,随着压铸的品种的日益丰富,性能越来越多样性和优越性,以及现在社会对压铸制品的需求量不断上升,且需求品种也越来越多样性。合模力从超小型的200kN到超大型的大于20000kN,几乎包含了社会生产生活中的各个领域。1.3研究意义 随着压铸工业的发展,压铸制品在各行各业中都有越来越广的应用。当今,在一些高新尖端技术上,各种金属压铸制品的技术要求越来越高,壁厚超薄、外形寸超精密、重量超轻,以及生产加工时的超高速循环、对价格昂贵的模具有很好的保护等要求,不但对压铸成型加工工艺方法提出高的要求。锁模装置是注塑机的最主要的部件,它在合模速度、合模精度、锁模力上达到相关的要求才能满足这些制品的生产。1.4压铸机整机的工作原理 压力铸造(简称压铸)是将熔化的金属,在高压作用下,以高速填充至型(模)具型腔内,并使金属在此压力下凝固而形成铸件的一种方法。高压、高速是压铸法与其他铸造方法的根本区别,也是最重要的特点。压力铸造是所有铸造方法中生产速度最快的一种方法,填充初始速度在0.570m/s范围,生产效率高。用压铸机能压铸吃从简单到相当复杂的各种铸件,压铸件重量可从几克到几十千克不等,并能实现压铸生产的机械化和自动化,压铸产品广泛应用于汽车、航空航天、电讯器材、医疗器械、电气仪表、日用五金等,如图1.1所示为压力铸造工程示意图。 图1.1 压力铸造工程示意图 用压铸机压铸具有如下工作特点:1) 操作工序简单,生产效率高,容易实现自动化。2) 压铸可以代替部分装配,且原材料消耗少,能节省装配工时。3) 卧式冷室压铸机一般设有偏心和中心两种浇注位置,可供压铸型(模)设计时选用。4) 金属液在浇道中流动时转折少,有利于发挥增压的作用,提高压铸件质量。5) 压铸件力学性能好。6) 互换性好,便于维修。7) 压铸产品轮廓清晰,压铸薄壁、复杂零件以及花纹、图案、文字等,能获得很高的清晰度。8) 压铸设备投资高,一般不宜于小批量生产。卧式冷室压铸机的压铸过程 合模后,金属液浇入压室,压射冲头向前推动,金属液经浇道压入模具型腔,凝固冷却成压铸件,动模移动与定模分开而开模,在推动机构作用下推出铸件,取出铸件,即完成一个循环。如图1.2所示。 图1.2 卧式冷室压铸机压铸过程简图 1-压射冲头 2-压室 3-液态金属 4-定模 5-动模 6-型腔 7-浇道 8-动型座板 9-顶出器 10-余料 11-定型座板卧式冷室压铸机的特点是:(1)卧式压铸机生产便于操作、维修方便,可与相应设备联机实现自动化生产,是目前广泛应用的压铸设备。(2) 压室和压射冲头均为水平放置,压铸合金液进入型腔时转折少,压力损耗小,有利于发挥增压机构的作用。(3) 模具安装方便,卧式压铸机一般设有中心和偏心多个浇注位置,或者在中心和偏心间设置可任意调节位置的扁孔,对不同要求的压铸件工艺的满足性好。(4) 压铸合金液在压室内与空气接触面积大,压射过程中压铸合金热量损失也大,压射时速度选择不当,容易卷入空气和氧化夹杂物,对高致密度或要求热处理的铸件需采取特殊的工艺。(5) 设置中心浇道时模具结构复杂。(6) 压室内表面容易氧化。1.5压铸机的基本结构组成 压铸成型机主要由合模机构,压射机构,推出机构,动力、传动系统和控制系统等及部分组成。如图1.3所示压铸机压射部件装置塑化部件螺杆料筒螺杆头喷嘴注射座注射油缸座移油缸液压马达合模部件合模装置调模装置顶出装置机 身液压系统泵、液压马达、阀蓄能器、冷却器、管路等油路控制加热系统冷却系统控制系统动作程控料筒温度控制液压泵电机控制故障检测报警控制安全保护加料装置图1.3 压铸机组成示意图由图1.3可大致地看到压铸机是一个机电一体化程度很高的设备,其中合模性能对提高制品质量、提高生产效率有重要影响。压铸机的开合型及锁型机构统称为合型机构,它是带动压铸模的动模部分是模具分开或的机合拢构。带动动模使模具分开的力称为开型力。推动动模合拢的力称为合型力。由于填充时的压力作用,合拢后的动模仍有被金属液胀开的可能,故合型机构有锁紧模具的作用。压铸机的合型机构上都有顶出铸件的装置,这一装置称为本文主要从合模部件、压射部件、液压系统和控制系统这四个方面展开具体的结构分析和有关参数确定。1.6合模机构的类型和选择合模机构是压铸机的重要部件之一,其功能是实现启闭运动,使模具闭合产生系统弹性变形达到锁模力,将模具锁紧。对于一个比较好的合模机构应该具备三个方面的特性:1)足够的锁模力和系统刚性,保证模具在熔料压力作用下,不会产生开缝溢料现象;2)模板要有足够的模具安装空间及模具开启行程;3)快速的移模速度及较慢的合紧模具速度,移模时要具备慢-快-慢的运动特性。现按锁模力的实现方式讨论全液压式、液压肘杆式和电动式合模机构的优缺点。(1)全液压式全液压式合模机构可分为直动式、增压式和充液式。1)直动式合模机构。其特点是启闭模动作和合模力的产生都由合模油缸直接完成,这是一种非常简单的合模机构。合模机构的合模动作由液压油作用在活塞上来实现,锁模动作由液压油升压来完成。这种合模机构不满足合模机构的运动特性,耗能大,精度低,目前已经很少应用。2)增压式合模机构。由合模油缸、充液阀、稳压油缸和增压缸组成。此类合模机构的锁模力受液压系统和密封的限制,固增压有限,主要用于中小型注塑机。3)充液式合模机构。这种开合方式模精度高、模板受力均衡、不需调模、不需加油润滑、磨损较少、开合模行程长;但容易内泄造成升压时间长、爬行、甚至让模、速度慢、漏油、能耗高、容易造成液压冲压、液压系统复杂、成本高、大油缸加工困难。(2)液压肘杆式液压肘杆式合模机构由移模液压缸和曲肘连杆两部分串联而成,是通过液压系统驱动曲肘连杆机构来实现模具的启闭和锁紧。它可以用很小的液压缸推力,通过肘杆机构的力的放大作用来获得较大的锁模力。在开合模过程中,这种机构能实现慢-快-慢的运动过程,提高了合模速度,节约了能耗并提高了效率。在输入功率相同的情况下,肘杆式合模机构的运动速度优于其它形式的合模机构,如在相同的尺寸和运动速度下,肘杆式合模的输入功率比全液压式约节省10%-20%。另外,肘杆式合模机构的开模力通常是有限的,这一点在小吨位机器上更为明显。液压肘杆式是目前使用最为普遍的合模机构。但这种方式不足的是:1)结构复杂、易磨损、开合模精度差;2)加工精度要求极高,在成型过程中使得模板受力不均,不能成型精密产品;需要复杂的调模结构和润滑系统,开合模行程短,而且销轴等磨损后造成的受力不均,会加速机器损坏,例如:销轴和拉杆断裂、模板开裂、调模螺母咬死等。(3)电动式电动式合模机构指用电机作动力源来驱动模版移动而实现合模、锁模的合模机构。目前,较流行的是全电动肘杆式即所谓电动机械式合模机构。全电动肘杆式合模机构使用伺服电机配以滚珠丝杠、齿形带等元件替代液压系统驱动曲肘连杆机构来实现模具的启闭和锁紧,整个装置的调模、顶出均采用伺服电机来执行的合模机构。具有节能、控制精度和重复精度高、效率高和环保清洁等优点。但不足的是滚珠丝杠会带来新的问题:1)滚珠丝杠的磨损会导致精度下降;2)对制造、装配的要求较高,若两者的精度不够,则会在滚珠丝杠上出现附加的径向力,从而加速滚珠丝杠的磨损;3)当成型面积较大时,如果在肘杆未完全撑直时就开始注射,滚珠丝杠要承受很大的轴向力,加速滚珠丝杠损坏;4)成本太高,特别是电气控制系统,在目前压铸机技术条件下,市场普及度较低。表1-1为全液压式和肘杆式(液压肘杆式和全电动肘杆式)合模机构的性能对比。综述以上三种类型合模装置的对比分析,本设计选择液压肘杆式合模装置。 表1-1 全液压式和肘杆式合模机构的性能对比全液压肘杆式移模速度速度较慢,在整个移模行程中,速度可设定为常数速度较快,在整个移模行程中是变化的,并处于较高的速度状态,效率较高移模力、 锁模力在整个行程范围内,移模力和锁模力均为常数与构件的材料、尺寸精度、质量、速度有关,对锁模力有放大作用对模具适应性对不同高度的模具易于适应,因施力于模具中心且均匀,模具的使用寿命长调整要求高,合模力的调整与显示较复杂系统刚度合模状态液压刚性较弱,难以产生追加合模力,超载时制品易形成飞边合模状态机械系统刚性较好,在胀模力作用下,产生追加合模力,允许适量短时间的超载工作自锁性不能自锁,一般要继续供应液压油,能耗较大合模后曲肘连杆进入自锁,液压油可卸掉,节能噪音在合模稳压时,易产生流体噪音开合模时,易产生启动的机械噪音1.7 液压肘杆式合模机构的常见形式和选择下面主要以双曲肘五支铰连杆合模机构展开论述计算,其主要结构为内翻式和外翻式两种。(1)双曲肘内翻式五支铰连杆机构,如图1.4所示。 图1.4 双曲肘内翻式1合模油缸;2调模装置;3后模板;4连杆机构;5动模板;6拉杆;7前模板动作原理:启闭模时,合模油缸1进油,推动双曲肘连杆机构4带动动模板5及其模具实现启闭模运动;模具接触时,曲肘连杆处于未伸直状态,在合模油缸1推力作用下曲肘连杆机构产生力的放大作用,使合模系统发生变形,直至曲肘连杆伸直进入自锁为止。模具接触时连杆未伸直的程度是通过调模装置2与合模油缸相配合,按工艺所要求的锁模力来调整的。其特点是,启模时,双曲肘相对于轴线向内翻转,结构较外翻式简单、紧凑,是比较有代表性的,是目前应用最为普遍的合模机构。(2)双曲肘外翻式五支铰连杆机构,如图1.5所示。 图1.5 双曲肘外翻式1合模油缸;2曲肘连杆机构动作原理:启闭运动原理和锁模原理与外翻式相同,所不同的是结构特点,在后模板和前模板上的支铰靠近中心布置,启模时双曲肘相对于轴线向外翻转,减小了支铰跨度,增加了动模板的支承刚性,减小了挠度。综上所述,比较双曲肘内、外翻式的特点,所以选择双曲肘内翻式合模机构。 第二章 合模机构的原理设计2.1合模机构的参数和尺寸计算2.1.1合模力和分型面投影面积的确定合模力也称锁模力,其含义为合模机构锁模后,熔料注入模腔时,模板对模具形成的最终锁紧力。.液压肘杆式合模机构的合模力是通过合模油缸产生的推力借助曲肘连杆机构的传递和放大,作用在动模板上,然后使模具产生合模的力。具体原理是,当模具刚接触时(还未产生明显的弹性变形),由于曲肘连杆尚未完全伸直,即在图中L1与水平线的夹角(合模角)接近3时,产生曲肘锁模角及连杆角,开始进入锁模状态。此时继续油缸施加推力,那么整个合模机构就要发生弹性变形,产生变形力。最大变形力是曲肘连杆机构在伸直后进入自锁状态下发生的,此时进入锁模状态的锁模力等于变形力。当熔料以一定注射压力和流速进入模具空腔时,为使模具不至于被熔料胀开,合模力应满足下面的公式 其中 合模力;安全系数,一般取1.1-1.2,此处取1.2;模腔平均压力(Mpa),根据制品要求和物料特性,此处模腔平均压力确定为40Mpa;制品在分型面上的投影面积();根据合模力为100000KN代入上式 =100000000/(1.240000000) =2.0则模版尺寸为。2.1.2 模板尺寸及拉杆间距模板是用来固定模具的,模板尺寸,拉杆间。制品的最大成型面积决定了模板尺寸和拉杆间距,而拉杆间距决定了模具的尺寸。根据经验,模板面积约为压铸机最大成型面积的4-10倍,为便于模具从上往下安装,设计模板的长H水平放置。根据制品模板尺寸1.4m1.4m,按模板面积约为压铸机最大成型面积的10倍计算,定模板尺寸=,拉杆间,如图2.1表示。 图2.1 模版尺寸及拉杆间距2.1.3 动模板行程Sm动模板行程是指动模板能够移动的最大距离,用 (mm)表示。移动模板行程一般与成型制品的高度有关,为了制品能够顺利地取出,动模板行程要大于制品最大高度的2倍,如图2.2所示。 图2.2 模板最大开距与移动模板行程1-定模板;2-固定阴模;3-制品;4-动模板动模板行程的关系可用下式表示式中 脱模间隙; 料把高度; 最大制品高度。根据最大制品高度、料把高度、取脱模间隙,由上式=1.45m =2.4m在实际生产中,为了缩短一次制品的循环时间,提高生产效率,减少机器磨损和动力消耗,成型时尽可能使用最短的模板行程。此处取动模板行程2.4m。2.2肘杆机构的尺寸参数确定根据双曲肘内翻式的传统结构,绘制出运动简图如下图2.3:图2.3 肘杆机构运动简图L1后连杆长度;L2前连杆长度;L4小连杆长度;L5后连杆上的支杆长度E偏心度,即十字头上的滑动点C与支点A的水平线垂直距离;后连杆转角,也称合开模转角; 前连杆转角;后连杆上主杆与支杆的夹角,即L1与L5的夹角;斜排角,即L1与L2共线时,L1与过A点的水平线的夹角;小连杆与过C点的水平线的夹角;锁模状态下,小连杆与过C点的水平线的夹角;开模到最大行程的状态下,小连杆与过C点的水平线的夹角;开模到最大行程的状态下的开模转角;合模油缸活塞的行程;动模板的移动行程;以A为原点,建立如图所示的XAY坐标系。2.2.1运动特性分析(1)合模行程动模板的移动行程当合模转角转到任意角度时,B点所处的位置点为 (2-1)从上式得出 (2-2)从而得到其中,称为杆长比,代入2-1式得 下面分析合模转角转到极限位置时,的值 当时,即L1与L2共线时,肘杆合模机构处于锁模状态,有最大值 当时,即L1处于坐标系XOY的第四象限,理论值是在L5与L4共线状态下,但是这是不可能达到的,现是在合模转角转到一定位置时的值,即达到动模板行程2.4m的设计要求的值,此时有最小值所以动模板的行程(2)合模油缸活塞的行程由图2-3所知,当十字头滑块从初始位置(开模起始点),变化到终点位置(开模终点)时,可得到合模油缸活塞的行程偏心度 (2-3)2.2.2力学特性分析 图2.4 力的特性分析小连杆(二力杆)上的C点受到得杆向力;支点A到小连杆的距离;前连杆(二力杆)上的F点受到得杆向力;支点A到前连杆的距离。(1)力的放大倍数M,即动模板的合模力与合模液压缸的推力的比值其中 合模油缸的推力动模板的合模力(锁模力)若不计机构在运动中的摩擦力、自重、惯性力等因素的影响,可根据以图2.4的力学分析和静力平衡关系求得M (因为两者的转矩相等)其中、的关系式可以通过几何分析得到由式2-2得由式2-3得从而得到力的放大倍数M (2-4) 2.2.3肘杆机构自锁及正常运动条件 根据式2-4 得到合模油缸的推力 (2-5)根据式2-5及摩擦圆理论(转动副的自锁条件为驱动力位于摩擦圆之内)可确定肘杆机构自锁条件: (假设值)即肘杆机构正常运动条件:从而得到最大合模角2.2.4肘杆机构的速度分析,如图2.5 (1)肘杆机构的速度传动比图2.5 肘杆机构速度分析根据图2-5的几何关系得 (由得到)所以动模板的移动速度与合模油缸活塞的移动速度之比化解整理得到 (2-6)比较分析式,这结果与通过力的特性分析的得到的结果是一致的。 下面在对式2-6进行分析,分子分母同乘以,则的表达式可以表达为的形式: 其中前一部分表达式 为与之比,即 (2-7)后一部分表达式 为与之比,即所以总的速度传动比可以表示为两个分速度传动比之积,即其中驱动速度,即合模油缸活塞的移动速度;后连杆上的D点以半径L5绕支点A的绝对速度;的水平分量;后连杆上的F点以半径L1绕支点A的绝对速度;合模速度,即动模板的移动速度;前连杆上的B点以半径L2相对于F点的相对转动速度。(2)速度传动比的特性分析 从上面的表达式分析可得出以下结论:a. 总的速度传动比i主要由后连杆的长度L1与其支杆长度L5所决定的,要提高移模速度,应尽可能加大L1的及减小L5。b. 在合模转角很小的范围内,总的速度传动比i是由式2-7中的所决定 的。cos函数在从80趋向于90的范围内,曲线的斜率很大,函数值下降率很快,例如,从80变化到85,cos的函数值增长了近2倍。所以在合模角很小的范围内,总的速度传动比式2.2中的所决定的。因为相对于和很大,当合模转角趋近于0时,此时有即此时总的速度传动比已经没有,这非常符合合模终点,模具刚好被锁紧时防止速度过快模具被冲击的条件。当然上述分析是理想状态下,实际效果是,当主肘杆在伸展位置时,分速度传比中的分子表达式趋向于0,分速度传比在这种情况下趋向于一个很小的值,但是一个有限的值,总的速度传动比i在这种情况下同理趋向于一个很小的值。c. 在合模转角很大时,总的速度传动i比是由式2-6分母中的所决定的。开模趋向于终点时,即()趋向于1800,趋向于零,总的速度比趋向于无穷大。但这只有当后连支杆L5和小连杆L4共线的情况下,即开模行程结束时位伸展状态时才会出现。一般在设计的肘杆系统中,不会有这种情况出现。根据前面肘杆机构自锁及正常运动条件,即()要小于155。(3)影响速度传动比的主要参数 a. 夹角的变化对速度传动比的影响是影响分速度传动比的主要因素,既影响速度传动比的最大值和最小值,也影响合模转角的极限值的位置。速度传动比的最大值随着的增大而减小,并移向较大的开模转角;而相反,最小值的提高并在较小的开模转角时达到。通过改变角,改变分速度传动比来达到调节总的速度传动比,使其不超过所要求的极限值。一般选取。b. E在角为定值情况下的变化对速度传动比的影响若,则合模时,在L5和L4间的伸展位置的分速度传动比在合模开始时递减,当传动半径L5达到回转角()=90时,小连杆L4在这点上改变了转向,也涉及到C点,并作纯移动运动。就是说,绝对驱动速度与绕A点的D点转动速度的水平分量是一致的。然后,分速度传动比继续降低,直至趋近于极限,即设计要求的一个很小的值。若,则合模时,小连杆L4就绕C点的轨迹回转,就是说,小连杆L4的回转角在负范围内运动,当L4在C点的轨迹上回转时,分速度传动比在到达转折点前经过一个最小值。在()90范围内,总的速度传动比小于1;总的速度传动比最大值在()90范围内,且分速度传动比大于1时出现。总的速度传动比在()90范围内,在分速度传动比以下获得其最小值;而在()90范围内,在分速度传动比以上获得其最大值。 综合考虑以上两方面,选择。2.2.5肘杆机构的尺寸参数确定 (1)尺寸约束条件根据目前市场上的压铸机肘杆机构尺寸和广泛采用的设计经验即有关可得出相关杆长尺寸和角度。有关角度取值范围:后连杆L1和支连杆L4之间的夹角;斜排角;当支连杆L4在回转角时,支连杆L4的回转角不能超过,以防止干涉。有关长度取值范围:动模板的移动行程与合模油缸活塞的行程之比为1.31.4;力的放大倍数M约为1622倍。(2)尺寸计算确定 根据产品定位和设计要求,已知数据为:锁模力,动模板的移动行程,预计实现力的放大倍数M为20倍 ;确定下斜排角,。 下面通过罗列多组数据加以分析得到下面较为合理的数据: 动模板的移动行程代入数值得:解得: 偏心度代入数值得:得E=0.72m。合模油缸活塞的行程代入数值得:解得:所以得到动模板的移动行程与合模油缸活塞的行程之比:力的放大倍数M为:代入数值得:即达到设计要求,从而得到合模油缸所需提供的力为根据以上计算得出肘杆尺寸图,如图2.6所示 图2.6 肘杆尺寸图2.3 速度和加速度分析 综合考虑设计要求,选择额定油泵压力,而压力油经溢流阀调压后得到,则可以计算出合模油缸缸径D 根据缸径和活塞杆的运动形式,选择单活塞杆SD基本型拉杆式液压缸,缸径0.57m,反过来的到合模油缸的推力符合设计要求,最后确定进入合模油缸腔的压力为。 根据生产力要求,合模时间T=5s,且已知合模油缸活塞的行程,则合模油缸活塞的平均速度位置0:合模起点,当合模转角时,如图2.7所示 图2.7 合模转角肘杆尺寸图因为是合模起点,所以速度和加速度。位置1:当合模转角时,如图2.8所示图2.8 合模转角肘杆尺寸图位置2:当合模转角时,如图2.9所示 图2.9 合模转角肘杆尺寸图位置3:当合模转角时,如图2.10所示 图2.10 合模机构肘杆尺寸图位置4:当合模转角时,如图2.11所示 图2.11 合模机构肘杆尺寸图位置5:当合模转角时,如图2.12所示 图2.12 合模机构肘杆尺寸图位置6:当合模转角时,如图2.13所示 图2.13 合模机构肘杆尺寸图位置7:当合模转角时,如图2.14所示 图2.14 合模机构肘杆尺寸图合模终点,所以这时跟合模起点一样,速度和加速度,而动模板刚好走完全部行程,即。根据以上对各杆的运动时刻图分析,绘制大致的合模行程、速度以及加速度关于合模角的曲线图, 如图2.152.17所示。图2.15 合模行程曲线图图2.16 动模板速度曲线图图2.17 动模板加速度曲线图 通过分析以上三张曲线图能够很清楚地看出,之前的肘杆尺寸参数的设计是合乎要求的。其中动模板移动速度先逐渐较快增大,之后速度缓慢增大,合模角变化后速度开始迅速下降,在下降的最快过后速度下降又变慢,直到减至0,这时动模板刚好走完全部行程,即。 第三章 合模机构结构设计3.1 合模机构机械结构及主要零件设计图根据第二章的分析及计算结果设计合模机构结构和主要零件。压铸机调摸合模机构装配图详见压铸机合模机构装配图A0号,动模板详见动模板零件图A1;后肘杆详见后肘杆零件图A1;后支座详见后支座零件图A1。3.2后肘杆的强度校核当在锁模状态下时,肘杆所受的力最大,所以只校核肘杆在此状态下的强度.设共有6组杆,则每组杆承受的力为,材料为45调质(840C淬火,600C回火),查表得: 则后肘杆的横截面积取整得 , 图3.1 后肘杆实物模型图当后肘杆与前肘杆共线进入锁模状态时,在其二力杆方向受的力为则后肘杆受到的正应力而许用应力式中为材料安全系数,取值为1.5。显然,即校核通过。3.3铰轴的剪切强度校核由于铰轴设计时尺寸受限,工作条件较恶劣,制造与安装精度、润滑条件等对其寿命影响较大,所以它是肘杆合模机构中最容易损坏的部件。当承受较大载荷时,常用的结构是采用多剪切面的铰轴。多剪切面的铰轴可使结构紧凑、接触面上的负荷分布均匀,对摩擦面的工作条件也有较大改善。 图3.2 绞轴实物图根据所设计的锁模机构特点,选择铰轴的材料为40Cr,直径为0.12m。铰轴的强度主要决定于剪切应力,而弯曲应力因影响较小,在计算中给予适当的修正就可以。因此,铰轴的强度可按纯剪切考虑,设计为6个剪切面。也是当后肘杆与前肘杆共线进入锁模状态时,剪切应力为而许用应力显然,即校核通过。3.4 后支座的校核 后支座直接连接模版与后肘杆,是重要的连接部件,必须对其进行强度校核。正如后肘杆校核一样,锁模状态下,支座受力最大,6个后肘杆对应着6个后支座,每个支座所承受的力为,材料为45调质(840C淬火,600C回火),查表得: 则后支座的横截面积取整得 ,图3.3 后支座实物模型图则后支座所受的正应力为 而许用应力式中为材料安全系数,取值为1.5。显然,即校核通过。 第四章 设计合模液压系统4.1压铸机液压系统及其工作原理图4-1 压铸机液压系统原理图1变量叶片泵;2、6、13、16、23二位四通电磁换向阀;3、4、5、27三位四通电磁换向阀;7、8、9、17流阀;10、11、12、19、24插装阀;14液控单向阀; 15、20、26.单向阀;18节流阀;21、22、25单向节流阀;I合模液压缸;II注射装置液压缸;III注射液压缸;IV顶出液压缸;V单向定量液压马达;VI增压器;VII双向定量液压马达;B1-B4压力表;F1滤油器; F2水冷却器; SQ行程开关图4-1所示为该压铸机的液压系统原理图,系统的油源为恒压控制变量叶片泵1,可与有关液压阀组成压力匹配回路、流量匹配回路及差动回路等,以实现节能。整个系统共5个执行器(合模液压缸I、压铸装置液压缸II、压铸液压缸III、顶出液压缸IV、单向定量液压马达V),增压器VI用于合模装置高压锁模,双向定量液压马达VII用于调模装置。顶出缸和压铸装置液压缸的运动分别由二位四通电磁换向阀23和三位四通电磁换向阀4控制,调模装置马达由三位四通电磁换向阀27控制,其他液压缸和液压马达的运动则由插装阀及其电磁换向阀和先导压力阀等元件控制,电磁换向阀的信号源为有关执行器上的行程开关。整个系统可以分解为调模、合模锁模、压铸装置前移、注射、保压、冷却和预塑、压铸装置后退和顶出等回路。各回路的工作原理如下。1)调模液压回路当电磁铁19YA和20YA无信号输入时,三位四通电磁换向阀27“O”型机能,油口P、T、A、B封闭,保持模厚不变。当电磁铁19YA得电信号时,压力油经阀27进入调模马达VII的右腔,左腔油经阀27后至回油T,从而驱动马达旋转,将模厚调大。同理,当电磁铁20YA得电信号时,将模厚调大。2)合模和锁模液压回路液压系统的整个工作循环从模具闭合开始。机器用按钮启动以后,电磁铁1YA通电使三位四通电磁换向阀3切换至右位,使合模液压缸I的C腔经阀3通油箱。A、B腔差动连接,故动模版快速前进。当动模版接近顶模版时,压下行程开关SQ17,使电磁铁1YA断电,17YA通电,液压缸I的C腔回油经背压阀10,合模力自动降低,速度减慢,以减小合模的冲击力。待合模到位后,压下行程开关SQ13,使电磁铁1YA及2YA通电,液压缸I的B、C腔通油箱卸压,泵1的压力油经二位四通电磁换向阀16及单向阀20进入锁模增压器IV的左腔,增压器右腔的高压油进入液压缸I的A腔,将模具锁紧。快速合模的速度可以通过调节插装阀24的开口量开调节。锁模时,B腔的回油通过阻尼孔,以提高锁模过渡过程的稳定性。3)压铸装置前移和压铸液压回路在锁模的同时,电磁铁4YA带电,三位四通电磁换向阀4切换至左位,液压泵1的压力油经阀4进入压铸装置液压缸II的E腔,带动整个注射装置前移,使喷嘴与模具贴合,并压下行程开关SQ16,使电磁铁3YA通电,三位四通电磁换向阀5切换至右位,液压泵1的压力油经单向阀15和减压阀19及单向节流阀22进入压铸液压缸III的J腔,带动螺杆以高压高速将头部熔料注入模腔,压铸液压缸的前进速度取决于单向节流阀22的开度。此时螺杆头部作用于熔料上的注射压力(一次压力)由直动式溢流阀8调节。压铸液压回路属于容积节流联合调速,变量叶片泵1输出的流量取决于节流阀的开度,泵输出的流量一直与负载所需流量相匹配,功率损失较小。4)保压由于低温模具的冷却作用,使注入模腔的熔料产生收缩,为制得质地致密的制品,应对熔料保持一定的压力补缩,为此在压铸行程最后,压下行程开关SQ18,使电磁铁18YA通电,此时,压铸液压缸III的J腔压力改由压力阀9控制,调节改阀可以使螺杆作用于熔料的保压压力(二次压力)获得不同值。在保压时,螺杆因补缩而有少量的前移。5)制品的冷却当保压到模腔的熔料失去从浇口流回的可能性时,压铸液压缸III内的保压可以卸去(此时合模液压缸内的高压也可以撤除),使制品在模具内冷却定型。此时,电磁铁13YA通电,二位四通电磁换向阀6切换至右位,液压泵的压力油经单向阀11及插装阀12和节流阀18组成的溢流节流阀,进入预塑液压马达V,马达驱动螺杆转动(转动速度由插装阀12和节流阀18组成的溢流节流阀调定和稳速),将来自料斗的粒状塑料向前输送并使其塑化。由于螺杆头部熔料压力的作用,使螺杆转动的同时又发生后退,螺杆的后退量表示了螺杆头部所积存的熔料体积量。当回退到计量值时,行程开关SQ19被压下,电磁铁13YA断电,螺杆停止转动,准备下一次注射。制品冷却与螺杆塑化在时间是重叠的,在一般情况下,螺杆塑化计量时间少于制品冷却时间。液压马达驱动螺杆工作期间,由于溢流节流阀的作用,既保证了螺杆转速恒定和重复计量精度,又使液压泵的工作压力始终跟负载压力变化,从而实现了压力匹配。6)压铸装置后退和开模顶出制品待螺杆塑化计量完毕后,为了使喷嘴不至于因长时间和冷模接触而形成冷料等缘故,经常需要将喷嘴撤离模具,即压铸装置后退。为此行程开关SQ19发讯使电磁铁5YA通电,换向阀4切换至右位,液压泵的压力油经阀4进入压铸装置液压缸II的F腔,带动整个压铸装置后退。喷嘴后退到位后,压下行程开关SQ15,使电磁铁6YA通电,换向阀3切换至左位,模具打开,开模到位后,压下行程开关SQ25,使电磁铁10YA通电,液压泵的压力油经阀23和单向节流阀25进入顶出液压缸V的左腔,推动顶出杆将制品从模具内顶出,完成整个工作循环。4.2其他机构 压铸机的保险装置 为保证人、机和模具的绝对安全,除应设置电气、液压保险外,还应设置保险装置。为防止误动作,万一电气、液压的安全保险装置或程序失灵时,在安全门未关闭的状态下,动模板失去合模能力。即当合模油缸刚启动的时候,若安全门未关闭保险挡板未被压下保险挡板挡住前模板上的安全通孔
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