2893 基于PROE螺旋千斤顶三维模型设计
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能源与燃料关于利用CeO 2/-Al2O3来脱除气态汞的实验研究摘要:在氮气、氧气、一氧化氮、二氧化硫和水蒸气中对浸渍了二氧化铈的三氧化二铝进行脱汞能力实验。利用BET(比表面积分析仪)、X 射线衍射和热重分析法来表征样本。分析了CeO 2的负载值、反应温度、反应时间,烟气中SO 2、NO、O 2和H2O(g)的含量对汞的脱除效率的影响。结果显示,CeO 2大大提高了Al 2O3对汞的脱除效率,在350的测试温度下,CeO 2最佳质量百分比为9。在150到300的范围内,脱汞效率随着温度的升高而升高,当超过350后将会下降。另外,O 2和NO提高了脱汞效率,然而SO 2和H 2O(g)降低了脱汞效率。此外,延长反应时间对脱汞效率产生了较小的负面影响,表明了CeO 2/-Al2O3具有耐高温的特点。1. 介绍几十年来,汞是一种知名的环境污染物,因为它的挥发性、生物积累性和有毒性对人类的身体健康和环境造成了有害影响。因此,近年来汞的排放受到了原来越多的关注。在2010年联合国环境规划署对汞的排放出台了全球性的具有法律约束力的文件,全球汞污染控制逐渐成为全球立法和科学关注的焦点。根据参考文献5-7,燃煤烟气中主要存在三种形式的汞:单质汞(Hg 0)、二价汞(Hg2+)和颗粒态汞(Hg p)。不同形式的汞具有不同的物理化学性质。特别是二价汞是水溶性的,可以通过湿法烟气脱硫装置除去;颗粒态的单质汞可以由除尘设备脱除。然而,单质汞熔点低易挥发且难溶于水,很难从烟气中脱除,是当今汞污染控制的一大难题。在过去的几十年中,人们利用了一些方法如颗粒吸附法、氧化还原法、化学沉淀法来控制单质汞的排放和评估污染规模。其中,颗粒吸附法的主要缺点是成本高,吸附效果不佳,适用温度范围小,反应速度慢,吸附率低,因此氧化还原法具有非常广阔的应用前景。这种方法中,影响操作成本和汞的脱除效果的重要因素是催化剂。目前氧化还原法脱除汞中用到的催化剂主要有V 2O5/AC,MnO2/AC和Fe2O3/TiO2,它们都有很好的催化效果。然而,很少报道利用 CeO2/-Al2O3催化氧化单质汞。二氧化铈是一种无毒的,蕴含丰富且价格低廉的稀土材料,它的潜在价值受到了越来越多的关注。据了解,二氧化铈还可以提高单质汞的脱除效率。然而单质铈的热稳定性较差,它在高温下快速烧结后会失去储氧能力,这会导致催化剂失活。因此,人们在利用化学合成法使金属氧化物浸渍二氧化铈方面做出了重大努力。两种不同氧化物的混合,不仅改善金属氧化物的性能,而且形成了新的更稳定的化合物,这可能会产生完全不同的物理化学性质和催化性质。-Al 2O3是一种重要的工业催化剂载体、催化剂、吸附剂和陶瓷原料,由于其低成本、高表面积、高孔隙率、良好的热稳定性、高机械强度和耐酸性使其在工业生产领域得到方法应用。因此此项实验的主要研究CeO 2/-Al2O3,对单质汞的脱除产生的影响。实验在一个固定床系统上研究,烟气模拟系统包括氮气、氧气、二氧化硫、一氧化氮、水蒸气和气态汞。研究讨论了二氧化铈投入量、反应温度、反应时间和烟气成分对脱除效率的影响。2. 实验部分2.1 催化剂的准备首先,将粉状的-Al2O3用去离子水洗后放在电子干燥箱里用90的温度干燥24小时,然后把样品储存起来备用。浸渍了CeO 2的-Al 2O3(其中CeO 2的质量百分比为3,6,9,12,15%)用加入Al 2O3的Ce(NO3)36H2O进行热分解得到,过程如下:首先,用去离子水溶解Ce(NO3) 3 6H2O,然后在溶液中分别加入质量百分数为3%到15%的-Al 2O3并搅拌均匀。接下来把样品放在电子干燥箱里用100的温度干燥12个小时。随后把已经蒸干的浸渍了CeO2的 -Al2O3样品放在干燥炉里用500的温度烘干4小时。然后冷却至室温。最后样品储存在干燥器里以备用。2.2 催化剂特性描述用衍射仪测量得的X射线衍射图来确定催化剂的晶体结构。 Rotaflex D/Max-C系统射线衍射仪有Cu K射线当做X射线源。加速电压和电流分别是35 kV及30毫安。测量在-196 氮的等温吸附线并利用Brunauer Emmett Teller (BET)理论计算催化剂的表面积,总孔隙体积和孔隙大小,-196是由微晶体ASAP 2010分析仪提供的。在用BET测量前所有的CeO 2/-Al2O3粉末要在120的温度下脱瓦斯 。样品的热重量分析由STA-409PC/PG热重量分析仪来完成,每次测试,大约10mg的样品被以10/min的速率从80升高到800。2.3 实验的设置和流程用了一个特别设计的系统来研究脱汞(图1)。模拟烟气由五大气体组成:SO2,NO,O 2,N 2,H 2O.其中,N 2分为三个部分。第一个氮气流聚集了二氧化硫,一氧化氮,氧气并形成了主气流。第二个氮气流流经热水起泡器(内径5厘米)把水带到模拟烟气系统。第三个氮气流通过单质Hg渗透管,作为携带单质 Hg的气体流。为了保障单质汞持续渗透浓缩,渗透管被放进一个u形玻璃管,沉浸在恒温(450.5)水浴中。由质量流量控制器控制每个实验中的气体流量,浓度按燃煤烟气成分设定为:20.02g/m3Hg0, 5%O2,800 ppmNO,1000ppmSO2,10% H2O(g),并靠氮气实现它们之间的平衡。总的气体流量为1 L/min,空间速度SV为7.6 103 h-1左右。固定床反应器有数字温度控制器(3)和内部直径为10mm的石英管组成。将大约1.0克的催化剂(4)装在石英管里,因为石英管不和汞反应。数字温度控制器(3)使固定床保持在理想的温度。经汞分析仪出来的尾气进入到含有活性炭的排气收集器(6)中处理后排入到大气中。图1 汞脱除实验流程图(1)质量流量控制器 (2)三通阀 (3)温度控制器 (4)催化剂 (5)固定床反应器(6)排气收集器 (7)汞蒸气渗透管 (8)水浴 (9)汞分析仪 (10)水泡器(11)加热板 (12-14 )阀门 ( 15)四通阀实验中,进出口的汞浓度由微分汞分析仪测得(模型 QM201G),这种仪器是基于冷蒸气原子荧光光谱法测得汞浓度的。检测的极限为0.001g/m 3,正常的范围为0.01-100g/m 3。在汞分析仪中,样本气态先由矽胶除湿,然后进入到汞收集器中,在那里汞被金膜收集起来。金膜被加热到一定温度后,汞就能被释放出来。在整个检测过程中,汞分析仪每隔三分钟实时响应一次。在我们的研究中,进口处汞的浓度是固定的。实验在这样的模型下进行。在每次运行前,都要关闭阀门(14)来测量汞浓度。然后,打开阀门(14)关闭阀门(13) ,气体流过固定床。此时,汞值分析仪显示的是汞的出口浓度。根据资料,汞脱除效率() 可有下面公式计算:其中 Hg0in 和 Hg0out 分别为进口和出口处得汞浓度因为实验误差是不可避免的,所以脱汞效率要测定三次求平均值,并且实验结果的相对误差要控制在1%以下。3. 结果与分析3.1 样品特性样品的多孔结构参数如表1所示。很明显,未经处理的-Al 2O3具有最高的比表面积(约141.66m 2 / g)和最大孔径(约12.06nm) 。然而,样品的比表面积,孔容积和孔径随着CeO 2负载值的增加而减小。尤其是当CeO 2负载值增加到15%时,比表面积会从141.66急剧减少到75.12m 2/g,空容积从0.43减少到0.35m 3/g,孔径从12.06减少到11.24nm。原因可能是浸渍在- Al 2O3表面的CeO 2堵塞样品空隙。图2 对-Al 2O3,6%CeO2/-Al2O3和9%CeO 2/-Al2O3x射线衍射进行比较。检测了三个样本中在2=36-40,44-48 和65-70范围内相应的-Al 2O3峰值。此外,6CeO 2/-Al2O3的图谱中没有CeO 2的特征峰值。根据单层分散理论,氧化物例如CeO2有在载体表面自发分散形成单层或亚单层的趋势。这是因为,当氧化物含量在阈值范围内,氧化物是单层分散状态,当氧化物的含量超过阈值,氧化是在结晶阶段。9% CeO2/-Al2O3的X射线衍射图显示了CeO 2处于弱晶体阶段,有力地说明了-Al2O3的表面被CeO 2占用。图 2 对 -Al2O3, 6%CeO2/-Al2O3,和 9% CeO2/-Al2O3 的 X 射线衍射结果进行比较如图3所示,第一条曲线是CeO 2/-Al2O3在隔绝空气加热条件下的质量变化,第二条曲线是CeO 2/-Al2O3在加热到350时通入含汞烟气条件下质量的变化,第三条曲线是CeO 2/-Al2O3加热到350通入不含汞烟气条件下质量的变化。从三条曲线上可知在温度增加到200时,CeO 2/-Al2O3质量迅速减少,这是吸附水蒸发造成的。从第二条曲线中,发现在400时有轻微的质量损失,这是因为氧化汞的形成。分析了第二和第三条曲线,发现在450和750质量都有减少,是因为它们都与烟气反应,先后生成了Ce(SO 4)2和Ce 2(SO4)3。图 3 样品的热重分析3.2 负载值和反应温度的影响 图4给出了不同的反应温度下,CeO 2负载值和脱汞效率之间的关系(反应时间为1小时) 。如图所示,当CeO 2的负载值为9%时脱汞效率最高。在350下,随着CeO2的负载值从0增加到9%,汞的脱除效率从45.36增加到86.76%,CeO 2有助于汞的脱除。图3说明了在含有CeO 2/-Al2O3的反应中,HgO 是主要产物,这说明CeO 2可以催化氧化汞。反应过程是这样的:首先,烟气中的Hg 与催化剂发生碰撞,被吸附在其表面。然后被吸附在催化剂表面的Hg被其活性成分氧化成 Hg2+,形成HgO。所以催化剂中的CeO 2含量越高,汞的脱除效率也越高。但是当负载值超过9%后,脱汞效率反而会下降。特别是负载值达到15wt%,汞的脱除效率会减少到78.17%。原因可能是CeO 2的增加会减少样品的比表面积,孔容积和孔径,如表1所示。表面积的减少,阻止了Hg与催化剂的有效碰撞。虽然CeO 2有利于汞的脱除,但当其含量超过9wt%时,其消极影响大于积极影响。因此,催化剂中CeO 2含量应该在一个最佳值(本文得到的是9wt%) 。图 4 在不同的反应温度下,CeO 2 负载值和脱汞效率之间的关系(反应时间为 1 小时)另一方面,当CeO 2的负载值保持不变,温度在150 -350范围增加时单质Hg去除率不断增加。然而,当温度超过350,单质Hg 去除效率缓慢下降,除了纯-Al2O3。这是因为当温度超过300时,多余的CeO 2会与SO 2 和O 2反应生成, Ce(SO4)2,表达如下: CeO2+ 2SO2+ O2 Ce(SO 4) 2 (2)生成的 Ce(SO4)2 覆盖在 -Al2O3 的表面,封锁微孔阻止单质汞与 CeO2 接触。此外,随着温度的升高,CeO 2 晶胞大小变得更大,也可以堵塞 -Al2O3 毛孔,这些变化导致单质 Hg 脱除效率下降。在 300之后纯 -Al2O3 的脱 Hg 速率仍在增加,这是因为随着实验的温度升高,反应物能获得更多的能量,从而提高了样本催化氧化Hg 的活性。3.3 氧气的影响图5显示在分别添加含量为0、3、5和8%的O2到N 2+O2+NO+SO2+H2O的烟气系统中,考察对去除单质Hg的影响。 (反应时间为一小时) 。结果表明,没有O 2的条件下对于单质Hg只有30%的去除率,这比图4中纯-Al 2O3的去除率还低。当O 2被加入到气体流中,单质Hg的去除率提高,而且随着O 2浓度的增加而提高。例如,当O 2的浓度达到8% 的时候,去除Hg的效率在整个工作温度范围是最高的。图 5 不同反应温度,氧气浓度对汞脱除效率的影响(9的 CeO2/-Al2O3,反应时间 1 小时)分析图3和图5的结果,很容易得出结论,那就是O 2或许是去除单质Hg 的氧化剂中首要的活性组分。在这个过程中,一定比例的单质Hg 被CeO 2/-Al2O3吸收,然后直接通过反应3被O 2氧化。另一部分单质Hg通过反应4和5,被存储在CeO 2晶格中的O2氧化。根据图4,单质 Hg的氧化主要是在有CeO 2存在作为催化剂的条件下,通过反应4和5实现的。2Hg0+ O2 2HgO (3)Hg0+ 2CeO2Ce 2O3+ HgO (4)2Ce2O3+O24CeO 2 (5)3.4 SO2 的影响图6显示了在9% CeO2/-Al2O3的条件下,不同反应温度下SO 2对去除单质汞的效率的影响(反应时间为1小时) 。结果表明,SO 2有抑制作用,尤其当反应温度超过350。在430不含SO 2时单质汞的去除率能达到88.5%,但是当N2+O2+NO+SO2+H2O的烟气系统中有1000ppm SO2时,单质汞的去除率为72.1%。这是因为这是因为单质Hg和SO 2之间在CeO 2/-Al2O3表面上会发生竞争吸附,这对单质汞的去除产生不利影响。此外,当反应温度低于300时,被吸附的二氧化硫会与氧气和水发生反应形成硫酸,当温度超过300,反应2可以进行。H 2SO4和 Ce(SO4)2 都会覆盖在-Al 2O3表面抑制脱汞。另外,这个结果跟Fan et al.和Zhou et al.说SO 2能促进单质Hg的去除的结论是有些不同的。可能,不同的操作条件导致这种差异。例如他们的实验烟气中没有与O 2和SO 2反应形成硫酸的 H2O。因为较低的操作温度(300 ) ,在 Fan et al.的实验中,Ce(SO 4)2很难形成。另一方面,被吸附的二氧化硫可以与氧气发生反应,形成三氧化硫,它对汞有极强的氧化能力,因此二氧化硫可以促进他们实验中汞的去除。图 6 二氧化硫在不同的反应温度对单质 Hg 去除效率的影响(9CeO 2/-Al2O3,反应时间 1 小时)3.5 NO 的影响为了考查的NO对Hg去除效率的影响,进行了下面实验,使用9CeO 2/-Al2O3,不同的反应温度下在N 2+O2+NO+SO2+H2O混合烟气系统中混入不同浓度的NO(0,800,1000ppm)进行实验。反应时间1小时,结果如图 7所示。当烟气系统中的NO为1000ppm(体积比浓度) ,温度为 350时,9%CeO 2/-Al2O3的脱汞效率从73.24增加到86.99%,这说明NO 有利于Hg 的脱除。原因可能为:气态的Hg和NO被-Al 2O3吸收,两者要竞争相同的活性中心。在相互过程中,NO被吸附在CeO 2/-Al2O3表面,被CeO 2催化生成NO 2和 O。同时,气态Hg 可与活性O 和NO2生成HgO。反应过程如下:图 7 在不同的反应温度下,NO 对脱汞效率的影响3.5 水蒸气的影响分别研究了相对干燥条件下和潮湿条件下的脱汞效率。结果如图8所示(反应时间约为1小时) 。一般来说,水蒸气对脱汞产生轻微的抑制作用,这种观点被Li et al接受。随着水蒸气浓度提高到10%,汞脱除效率减少了3.51%,在230时甚至到了6.07%。水的抑制作用主要是因为水和Hg在CeO 2/-Al2O3表面竞争被吸附。另一方面,被吸附的水与覆盖在-Al 2O3表面的S0 3反应生成H 2S04,不利于Hg 的脱除。但是当反应温度高于320时,由于H 2SO4的分解削弱了对汞脱除的抑制作用。图 8 在不同反应温度下,水蒸气对脱汞效率的影响(9% CeO 2/-Al2O3)3.6 反应时间的影响 由 3.2 可知,9%CeO 2/-Al2O3 在 350的脱汞效率最高,而纯 Al2O3 在 430的脱汞效率最高。因此研究反应时间对脱汞效率的影响是在这样的条件下进行的。结果如图 9 所示。图 9 反应时间对脱汞效率的影响如图所示,9%CeO 2/-Al2O3脱汞效率在18个小时内保持不变(约 85%) 。然而当反应时间超过6个小时,纯Al 2O3脱汞效率开始下降,当反应 18个小时后,脱汞效率下降到33.5%。当反应温度超过400,反应9是慢慢发生的,并且在很大程度上取决于催化剂表面HgO的数量。因为刚开始,催化剂表面的HgO数量少,所以反应9对脱汞的抑制作用很小。但随着反应时间的延长,催化剂表面的HgO含量增加,提高了反应9对脱汞的抑制作用。因此,纯-Al2O3的脱汞效率随着反应时间的增加而减少,特别是超过6个小时后。4. 结论本实验是在固定床系统中,研究了不同温度下的脱汞情况。实验表明CeO 2通过催化氧化Hg达到脱汞目的,且脱汞效率随着CeO 2/-Al2O3中CeO2含量的增加而提高。然而当CeO 2的负载值超过9%,脱汞效率开始下降。通过BET分析表明,CeO 2的增加会减小CeO 2/-Al2O3的表面积,这阻止了Hg与CeO 2/-Al2O3发生有效碰撞,因此减小了Hg的脱除效率。所以CeO 2的最佳质量百分百为 9%。此外,反应温度是影响汞脱除的重要因素。随着反应温度的增加,脱汞效率也增加,但当反应温度超过350时,生成了Ce(SO 4)2,阻止了Hg与CeO 2的进一步接触,脱汞效率开始减少。在含有N2+O2+NO+SO2+H2O的烟气系统中,O 2和NO对脱汞效率产生积极影响,然而SO 2和H2O对脱汞效率产生了消极影响。同时实验也证明了CeO 2/-Al2O3这种催化剂具有良好的热稳定性。河南理工大学万方科技学院本科毕业设计(论文)中期检查表指导教师: 陈西平 职称: 教授 所在院(系): 机械与动力工程学院 教研室(研究室): 机设 题 目 基于 Pro/E 的螺旋千斤顶的设计及主要零件的加工工艺学生姓名 潘正军 专业班级 机设五班 学号 0816101051一、选题质量:(主要从以下四个方面填写:1、选题是否符合专业培养目标,能否体现综合训练要求;2、题目难易程度;3、题目工作量;4、题目与生产、科研、经济、社会、文化及实验室建设等实际的结合程度)(1)该设计题目综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力,拓宽和深化学生的知识,树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算,数据处理,编写技术文件等方面的工作能力。(2)该题培养了树立正确的设计思想,设计构思和创新思维,掌握工程设计的一般程序规范和方法。(3)本次设计需宽广的知识面,创造性思维能力,及很强的动手能力。该题难度适中,既有理论的研究又有试验操作。该题与科研与试验有一定联系。二、开题报告完成情况:从适合实际工作环境出发,确定了明确的课题设计方向;并对千斤顶在使用中经常出现的问题有一定的研究,且应用在设计计算中;已经开始对课题进行设计计算,并有了突破性的进展,设计过程已经快速地展开,确定了工作的内容和方法;同时,已完成了对相关资料的查阅,对课题有了总体的分析。开题报告顺利完成。23、阶段性成果:1.在资料的收集与整理过程中,对机械学有初步了解,掌握部分相关机械学、液压学、材料学、工艺学等基本原理。2.认真学习关于机械学、液压学、材料学等有关理论知识,为下一阶段的工作打下坚实的基础。3.完成开题报告。4.列出论文题纲,着手理论部分。5.同时搜集千斤顶的相关资料,有待进一步分析整理。四、存在主要问题:1资料收集还不全面,一些理论与应用相结合的实践做的还不好2部分公式推导还不熟练3. Wrod 编辑不太熟练3五、指导教师对学生在毕业实习中,劳动、学习纪律及毕业设计(论文)进展等方面的评语指导教师: (签名)年 月 日 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 I摘要螺旋千斤顶是一种小型的起重设备,体积小方便携带,制造成本低,所以在日常生活中被广泛应用。螺旋千斤顶主要由螺杆、螺母、手柄、底座、大伞齿轮、小伞齿轮、机架、棘轮组、升降套筒等零部件组装而成的。在本次设计过程中螺旋传动的计算和各零部件的设计与选材最为重要:并且重点运用了机械设计方面的知识,另外还运用了辅助绘图工具 AutoCAD、Pro/E 等本文从螺旋千斤顶的零部件的设计与选材等多方面,阐述了它设计的全过程。尤其在工艺规程设计中,运用了大量的科技加工理论及计算公式,对它进行了精确的计算。特别是在螺旋传动部分,通过对螺杆稳定性校核、螺母纹牙的计算、自锁性校核和各种强度计算。通过各种科学的计算使设计出来的螺旋千斤顶更加能够满足各种实际需要。关键字:千斤顶 、螺旋传动、AutoCAD、Pro/E 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 IIAbstractAs the spiral jack is a kind of lifting equipment ,besides ,it has small size portability ,and low cost ,so it is widely used in our daily life Spiral jack is consist with screw , nut ,handle , base , large bevel gear , runlet gears ,rack ,ratchet set ,lifting the sleeve and other parts . It is most important to calculate the spiral driven and design and selection for the parts ,in this design process ;what is more ,used the knowledge of mechanical design ,in addition to used CAD tools such as AutoCAD Pro/E and so on This article described the whole process of its design from the spiral jack design to the selection of components and other aspects .It was precisely calculated because it used a large number of scientific processing theory and formula , especially in process planning . In the spiral transmission part , through the calculation of wear resistance , stability check of the screw , the calculation of the nut thread teeth ,self-locking of the check and variety of strength calculation .through a variety of scientific calculations the screw jack designed will meet the actual demand .In this design ,we used Pro/E to design a number of parts and transmission of three-dimensional modeling , it clearly show the various parts of the shape and structure .Keywords; spiral、screw transmission 、AutoCAD 、Pro/E 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 III目录前言 .11 千斤顶的概述 .21.1 千斤顶国内外研究状况 .21.2 千斤顶的种类及应用 .22 金属材料的分析及选用原则 .52.1 金属材料的分析 .52.2 金属材料的选用原则 .73 千斤顶材料的选择及主要零件的加工工艺 .93.1 千斤顶主要零件材料选择以及加工工艺 .103.2 托杯、底座材料的确定 .133.3 螺母和手柄材料的确定 .144 主要零件的参数设置及加工路径分析 .154.1 概述 .154.2 杆类零件的材料、毛坯及热处理 .164.2.1 杆类零件的材料 .164.2.2 杆类零件的热处理 .165 工艺装备的选择 .175.1 夹具的选择 .175.2 刀具的选择 .185.2.1 刀具材料的基本要求 .185.2.2 常用的刀具材料 .195.3 量具的选择 .215.4 切削用量的选择 .215.4.1 对加工质量的影响 .215.4.2 对刀具寿命的影响 .225.4.3 对加工时间的影响 .225.5 进给路线的确定 .245.6 加工顺序的确定 .265.6.1 加工阶段的划分 .265.6.2 划分加工阶段的原因 .275.7 车螺纹时的主轴转速的确定 .305.8 加工余量的确定 .32 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 IV6 螺纹类型的确定 .336.1 螺纹的选择 .337 零件尺寸的计算 .347.1 螺杆 .347.1.1 螺杆直径及螺纹的计算 .347.1.2 自锁性的验证 .357.1.3 螺杆强度的验证 .357.1.4 螺杆稳定性的验证 .367.1.5 螺杆柔度 .377.2 螺母 .387.2.1 螺母设计与计算 .387.2.2 螺母螺纹牙的强度计算 .387.2.3 安装要求 .397.2.4 螺母的相关尺寸计算 .397.3 托杯的尺寸计算 .397.4 手柄 .407.4.1 手柄的设计与计算 .407.4.2 结构 .417.5 底座设计 .418 千斤顶使用说明 .438.1 千斤顶的工作原理 .438.2 千斤顶的使用注意事项 .43致 谢 .46参考文献 .47 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 V设计任务书设计题目:螺旋千斤顶千斤顶结构简图:设计条件:1、最大起重量 F = 40kN;2、最大升距 H =200mm;3、低速。设计工作量: 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 VI绘制出总装配图一张,标注有关尺寸,填写标题栏及零件明细表;编写设计计算说明书一份。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 0前言千斤顶是用刚性顶举件作为工作装置,通过顶部托座或底部托爪在小行程内顶升重物的轻小起重设备.千斤顶广泛用于载重车辆或移动设备上支撑设备自重,调整设备水平的重要液压元件。千斤顶是一种起重高度小(小于 1m)的最简单的起重设备。它有机械式和液压式两种。机械式千斤顶又有齿条式与螺旋式两种,由于起重量小,操作费力,一般只用于机械维修工作,在修桥过程中不适用。液压式千斤顶结构紧凑,工作平稳,有自锁作用,故使用广泛。其缺点是起重高度有限,起升速度慢。千斤顶主要用于厂矿、交通运输等部门作为车辆修理及其它起重、支撑等工作。千斤顶结构轻巧坚固、灵活可靠,一人即可携带和操作,应用广泛。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 11 千斤顶的概述1.1 千斤顶国内外研究状况A 系列高性能蜗轮螺杆螺纹阳极升降机提供了 3 种型号:标准型、回转型和高性能型;所有型号都采用了丝杆或螺母运动式配置,承重为 130kN 至 300kN,而定制产品则可高达 2000kN。可采用向上旋转或向下旋转的安装形式,拥有一体式铸造的活塞和提升螺杆,可承受较高的温度和负载循环。A 系列可应用于严峻的工业环境中。S 系列与标准蜗轮螺旋升降机相比,我们的高性能产品系列一般在负载循环能力上要高出 50%。而且,这些系列在制造时即达到了最高耐用标准,同时拥有多种不同的配置和配件选择。其标准承重范围为 25kN 至 200kN。M 系列英制单面推杆可提供与 E 系列类似的精确正传动。标准承重为 5kN 至 1000kN ,配备可实现间歇性负载循环的蜗轮螺杆,或者配备可实现更高负载循环、节省能源并延长负载寿命的滚珠螺杆。使用标准材料或不锈钢制造;是特殊环境应用的理想选择。带丝杆或螺母运动式,并可定制。1.2 千斤顶的种类及应用千 斤 顶 是 一 种 起 重 高 度 小 的 最 简 单 的 起 重 设 备 。 它 有 机 械 式 和 液压 式 两 种 。 机 械 式 千 斤 顶 又 有 齿 条 式 与 螺 旋 式 两 种 , 由 于 起 重 量 小 ,操 作 费 力 , 一 般 只 用 于 机 械 维 修 工 作 , 在 修 桥 过 程 中 不 适 用 。 液 压 工程 千 斤 顶 结 构 紧 凑 , 工 作 平 稳 , 有 自 锁 作 用 , 故 使 用 广 泛 。 其 缺 点 是起 重 高 度 有 限 , 起 升 速 度 慢 。 液 压 千 斤 顶 分 为 通 用 和 专 用 两 类 。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 2专 用 液 压 千 斤 顶 使 专 用 的 张 拉 机 具 , 在 制 作 预 应 力 混 凝 土 构 件 时 ,对 预 应 力 钢 筋 施 加 张 力 。 专 用 液 压 千 斤 顶 多 为 双 作 用 式 。 常 用 的 有 穿心 式 和 锥 锚 式 两 种 。 穿 心 式 千 斤 顶 适 用 于 张 拉 钢 筋 束 或 钢 丝 束 , 它 主 要 由 张 拉 缸 、 顶压 缸 、 顶 压 活 塞 及 弹 簧 等 部 分 组 成 。 它 的 特 点 是 : 沿 拉 伸 机 轴 心 有 一穿 心 孔 道 , 钢 筋 (或 钢 丝 )穿 入 后 由 尾 部 的 工 具 锚 锚 固 。 顶 举 重 物 的 轻 小 型 起 重 设 备 。 千 斤 顶 以 人 力 驱 动 为 主 , 起 重 量 范围 大 , 顶 举 高 度 一 般 不 超 过 400 毫 米 , 广 泛 应 用 于 设 备 检 修 和 安 装 。按 结 构 特 征 可 分 为 齿 条 千 斤 顶 、 螺 旋 千 斤 顶 和 液 压 千 斤 顶 3 种 。 (1)齿 条 千 斤 顶 :由 人 力 通 过 杠 杆 和 齿 轮 带 动 齿 条 顶 举 重 物 。 起重 量 一 般 不 超 过 20 吨 , 可 长 期 支 持 重 物 , 主 要 用 在 作 业 条 件 不 方 便的 地 方 或 需 要 利 用 下 部 的 托 爪 提 升 重 物 的 场 合 , 如 铁 路 起 轨 作 业 。 (2)螺 旋 千 斤 顶 :由 人 力 通 过 螺 旋 副 传 动 , 螺 杆 或 螺 母 套 筒 作 为顶 举 件 。 普 通 螺 旋 千 斤 顶 靠 螺 纹 自 锁 作 用 支 持 重 物 , 构 造 简 单 , 但 传动 效 率 低 , 返 程 慢 。 自 降 螺 旋 千 斤 顶 的 螺 纹 无 自 锁 作 用 , 装 有 制 动 器 。放 松 制 动 器 , 重 物 即 可 自 行 快 速 下 降 , 缩 短 返 程 时 间 , 但 这 种 千 斤 顶构 造 较 复 杂 。 螺 旋 千 斤 顶 能 长 期 支 持 重 物 , 最 大 起 重 量 已 达 100吨 , 应 用 较 广 。 下 部 装 上 水 平 螺 杆 后 , 还 能 使 重 物 作 小 距 离 横 移 。 (3)液 压 千 斤 顶 :由 人 力 或 电 力 驱 动 液 压 泵 , 通 过 液 压 系 统 传 动 ,用 缸 体 或 活 塞 作 为 顶 举 件 。 液 压 千 斤 顶 可 分 为 整 体 式 和 分 离 式 。 整 体式 的 泵 与 液 压 缸 联 成 一 体 ; 分 离 式 的 泵 与 液 压 缸 分 离 , 中 间 用 高 压 软管 相 联 。 液 压 千 斤 顶 结 构 紧 凑 , 能 平 稳 顶 升 重 物 , 起 重 量 最 大 已 达750 吨 , 传 动 效 率 较 高 , 故 应 用 较 广 ; 但 易 漏 油 , 不 宜 长 期 支 持 重 物 。螺 旋 千 斤 顶 和 液 压 千 斤 顶 为 进 一 步 降 低 外 形 高 度 或 增 大 顶 举 距 离 ,可 做 成 多 级 伸 缩 式 的 。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 3 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 42 金属材料的分析及选用原则2.1 金属材料的分析机械制造中最常用的材料是钢和铸铁,其次是有色金属合金,非金属材料如塑料、橡胶等,在机械制造中也得到了广泛的应用。金属材料主要指铸铁和钢,它们均是铁碳合金,它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于 2%的铁碳合金称为钢,含碳量大于 2%的称为铁。(1)铸铁常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。其中灰铸铁和球墨铸铁属脆性材料,不能辗压和锻造,不易焊接,但具有适当的易熔性和良好的液态流动性,因而可铸成形状复杂的零件。灰铸铁的抗压强度高,耐磨性、减振性好,对应力集中的敏感性小,价格便宜,但其抗拉强度较钢差。灰铸铁常用作机架或壳座。球墨铸铁强度较灰铸铁高且具有一定的塑性,球墨铸铁可代替铸钢和锻钢用来制造曲轴、凸轮轴、油泵齿轮、阀体等。(2)钢钢的强度较高,塑性较好,可通过轧制、锻造、冲压、焊接和铸造方法加工出各种机械零件,并且可以用热处理和表面处理方法提高机械性能,因此它应用极为广泛。钢的类型很多。按用途分,钢可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢。结构钢可用于加工机械零件和各种工程结构。工具钢可用于制造各种刀具、模具等。特殊用途钢(不锈钢、耐热钢、耐腐蚀钢)主要用于特殊 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 5的工况条件下。按化学成分,钢可分为碳素钢和合金钢。碳素钢又包括普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。普通碳素结构钢(如Q215、Q235)一般只保证机械强度而不保证化学成分,不宜进行热处理,通常用于不太重要的零件和机械结构中。碳素钢的性能主要取决于其含碳量,含碳量越多,其强度越高,但塑性越低。低碳钢的含碳量低于0.25%,其强度极限和屈服极限较低,塑性很高,可焊性好,通常用于制作螺钉、螺母、垫圈和焊接件等。含碳量在 0.1%0.2%的低碳钢零件可通过渗碳淬火使其表面硬而心部韧,一般用于制造齿轮、链轮等要求表面耐磨而且耐冲击的零件。中碳钢的含碳量在 0.3%0.5%之间,它的综合力学性能较好,因此可用于制造受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。含碳量在 0.55%0.7%的高碳钢具有高的强度和刚性,通常用于制作普通的板弹簧、螺旋弹簧和钢丝绳。合金结构钢是在碳钢中加入某些合金元素冶炼而成。每一种合金元素低于 2%或合金元素总量低于 5%的称为低合金钢。每一种合金元素含量为 2%5%或合金元素总含量为 5%10%的称为中合金钢。每一种合金元素含量高于 5%或合金元素总含量高于 10%的称为高合金钢。加入不同的合金元素可改变钢的机械性能并具有各种特殊性质。例如铬能提高钢的硬度,并在高温时防锈耐酸;镍使钢具有良好的淬透性和耐磨性。但合金钢零件一般都需经过热处理才能提高其机械性能;此外,合金钢较碳素钢价格高,对应力集中亦较敏感,因此只有当碳素钢难于胜任工作时才考虑采用。用碳素钢和合金钢浇铸而成的铸件称为铸钢,通常用于制造结构复杂、体积较大的零件,但铸钢的液态流动性比铸铁差,且其收缩率较铸铁件的大,故铸钢的壁厚常大于 10,其圆角和不同壁厚的过渡部分应比铸铁件大。表 2-1 是常用的金属材料的机械性能。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 6表 2-1 常用钢铁材料的机械性能材料 机械性能名称 牌号抗拉强度b(N/mm2)屈服强度s(N/mm2)硬度(HBS)普通碳素结构钢Q215Q235Q255Q275335410375460410510490610215235255275优质碳素结构钢203545410530600245315355156197220合金结构钢18Cr2Ni4W35SiMn40Cr40CrNiMo20CrMnTi65Mn1187859819801079735835510785835834430260229247269217285铸钢ZG230-450ZG270-500ZG310-570450550570230270310130143153灰铸铁HT150HT200HT250145195240150200170220190240球墨铸铁QT450-10QT500-7QT600-3QT700-24505006007003103203704201602101702301902702253052.2 金属材料的选用原则从各种各样的材料中选择出合适的材料是一项受到多方面因素制约的工作,通常应考虑以下几个原则: 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 7(1) 载荷的大小和性质,应力的大小、性质及其分布状况对于承受拉伸载荷为主的零件宜选用钢材,承受压缩载荷的零件应选用铸铁。脆性材料原则上只适用于制造承受静载荷的零件,承受冲击载荷时应选择塑性材料。(2) 零件的工作条件在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料,在高温环境下工作的零件应选耐热材料,在湿热环境下工作的零件应选用防锈能力较好的材料,如不锈钢、铜合金等。零件在工作中有可能发生磨损的部位,要提高其表面硬度,以增强耐磨性,应选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢。金属材料的性能可通过热处理和表面强化(如喷丸、滚压等)来提高和改善,因此要充分利用热处理和表面处理的手段来发挥材料的潜力。(3) 零件的尺寸及质量零件尺寸的大小及质量的好坏与材料的品种及毛坯的制取方法有关,对外形复杂、尺寸较大的零件,若考虑用铸造毛坯,则应选用适合铸造的材料;若考虑用焊接毛坯,则应选用焊接性能较好的材料;尺寸小、外形简单、批量大的零件,适于冲压和模锻,所选材料就应具有较好的塑性。(4) 经济性选择零件材料时,当用价格低廉的材料能满足使用要求时,就不应选择价格高的材料,这对于大批量制造的零件尤为重要。此外,还应考虑加工成本及维修费用。为了简化供应和储存的材料品种,对于小批制造的零件,应尽可能减少同一部设备上使用材料的品种和规格,使综合经济效益最高。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 83 千斤顶材料的选择及主要零件的加工工艺千斤顶属于传力螺旋传动,这种螺旋传动类型主要是承受很大的轴向力,为间歇性工作方式,每次的工作时间较短,工作的速度也不高,而且要求有自锁能力。千斤顶是一种常见的中间传递机构,其构成的主要零部件,如图所示:由上图可知,该千斤顶主要有以下几部分组成:下部是底座,中间是起重螺杆,其上部分别是旋转杆、螺钉和顶盖。千斤顶是作用力的中间传递机构,是顶起重物的部件。使用时,只需按逆时针方向转动上面的旋转杆,使起重螺杆向上升起,通过顶盖将 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 9重物顶起,也即实现了作用力的传递。综上所述千斤顶的组成零件有托杯,螺钉,手柄,挡环,螺母,紧定螺钉,螺杆,底座,挡环。对于螺钉,挡环等零件,属于标准件,可以根据要求,选取适当的型号。而对于托杯,手柄,螺母,螺杆,底座,需要进行具体的设计。3.1 千斤顶主要零件材料选择以及加工工艺(1)螺钉零件的材料及热处理对零件的使用性能和寿命有着很大的影响。考虑到材料的综合性能及经济性,本课题所设计的螺钉的材料应选用 30钢。因其加工精度并不算太高,因此采用:粗车其外形轮廓车螺纹铣槽热处理精车的加工方案。(2)托杯 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 10本课题所设计的顶盖采用的材料是 45 钢,因为它具有较高的强度、硬度和耐磨性。其加工工艺路线为:粗车其外形铣削内形铣槽热处理精车。(3)手柄因为 45 钢具备较高的强度、硬度和耐磨性,在机械制造中主要用 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 11于制造受力较大的机械零件,因此本课题所设计的起重螺杆,选用 45钢。因其结构简单,故只需:粗车热处理精车三个工序即可。(4)底座底座的加工质量对机器的性能和使用寿命有着直接的影响。本课题所设计的底座采用的材料是铸铁 HT300,因为铸铁具有较好的耐磨性、铸造性、切削性和减振性,而且成本低廉。其加工方法多采用铸造,毛坯在铸造时应注意防止砂眼和气孔的产生。为了减少残余应力,底座铸造后应进行时效处理。(5)起重螺杆 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 12通过对材料的综合性能及经济性的分析比较,本课题所设计的起重螺杆采用45钢。因为它在机构中起传递作用,所以它需要具备较高的强度、硬度和耐磨性。因此,采用淬火35-45HRC。其加工工艺路径为:粗车调质处理加工其外圆轮廓加工通孔车矩形螺纹攻内螺纹淬火处理精车。3.2 托杯、底座材料的确定对于托杯和底座,我们可以看出,在工作的时候,需要承受较大的压应力,所以,在材料选择时,我们应该选取强度较高的材料。根据材料的一般性质,强度随着含碳量的增加而提高。所以,底座材料我们可 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 13以选择 HT300。该零件可以经过锻造正火处理,已达到强度要求。而托杯材料,我们选择 45。3.3 螺母和手柄材料的确定表 3-1上表即是螺母和手柄常用的几种材料。根据实验的要求可知,该千斤顶受力不大,转速较低,而且主要承受的是压应力。所以由表 1-2,我们选择 45#钢作为手柄的材料。而对于螺母,需要较高的强度和耐磨性。所以由表 1-2,我们选择ZCuSn5Pb5Zn5(铸锡青铜)作为螺母的材料。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 144 主要零件的参数设置及加工路径分析4.1 概述杆类零件是机械加工中常见的典型零件之一,其中阶梯传动杆应用较广,其加工工艺能较全面地反映杆类零件的加工规律及共性。根据杆类零件的功用及工作条件,其技术要求主要体现在以下几个方面: 尺寸精度 杆类零件的主要表面常为两类:一类是与内圈配合的外圆杆颈,即支承杆颈,其尺寸精度要求较高,通常为 IT 5IT7;另一类为与各类传动件配合的杆颈,即配合杆颈,其精度稍低,常为IT6IT9。 几何形状精度 主要指杆颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱度。其误差一般应限制在尺寸公差范围内,对于精密杆,需在零件图上另行规定其几何形状精度。 相互位置精度 包括内、外表面、重要杆面的同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度等等。 表面粗糙度 杆的加工表面都有粗糙度的要求,一般需要根据加工的可能性和经济性来确定。支承杆颈常为 0.21.6m,传动件配合杆颈常为 0.43.2m。 其他 热处理、倒角、倒棱及外观修饰等的要求。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 154.2 杆类零件的材料、毛坯及热处理4.2.1 杆类零件的材料 杆类零件材料 常用 45 钢,精度较高的杆可选用 40Cr、轴承钢 GCr15、弹簧钢 65Mn,也可选用球墨铸铁;对于高速、重载的杆,可选用 20CrMnTi、20Mn2B、20Cr 等低碳合金钢或 38CrMoAl 氮化钢。 杆类毛坯 常用圆棒料和锻件;大型杆或结构复杂的杆可采用铸件。4.2.2 杆类零件的热处理锻造毛坯在加工前,均需安排正火或退火处理,使钢材内部晶粒细化,消除锻造应力,降低材料硬度,改善切削加工性能。毛坯经过加热锻造后,可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布,获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。调质一般安排在粗车之后、半精车之前,以获得良好的物理力学性能。表面淬火一般安排在精加工之前,这样可以纠正因淬火引起的局部变形。精度要求高的杆,在局部淬火或粗磨之后,还需进行低温时效处理。经综合考虑,本课题所设计的起重螺杆可采用 45 钢,因其在机构中起传递作用,则需要有较高的强度、硬度和耐磨性。因此,采用淬火35-45HRC。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 165 工艺装备的选择 工艺装备选择的合理与否,将直接影响工件的加工精度、生产效率和经济效益。应根据其生产类型、具体加工条件、工件结构特点和技术要求等综合因素来选择工艺装备。5.1 夹具的选择 一般来说,单件、小批量生产时应首先采用各种通用夹具和机床附件,如各种卡盘、机床用平口虎钳、分度盘、回转台等;如条件具备,可选用组合夹具,以提高生产效率;对于大批和大量生产,为提高生产率应尽量采用专用高效夹具;多品种中、小批量生产可采用可调整夹具或成组夹具。另外,夹具的精度还应与零件的加工精度相适应。具体选择原则如下:(1)单件小批量生产时,优先选用组合夹具、可调夹具和其它通用夹具,以缩短生产准备时间和节省生产费用。(2)成批生产时才考虑采用专用夹具,并力求结构简单。(3)零件的装卸要快速、方便、可靠,以缩短机床的停顿时间。(4)夹具上各零部件应不防碍机床对零件各表面的加工,即夹具要敞开,其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀。(5)为提高数控加工的效率,批量较大的零件加工可以采用多工位、气动或液压夹具。(6)夹具应具有较高的定位精度,尽可能做到定位基准与设计基准重合,以减小定位误差;各夹具元件应具有较好的精度保持性,以利于长期可靠地使用。(7)排屑要方便、顺畅,以避免切屑聚集破坏工件的定位及切屑带来的大量热量引起热变形,影响加工质量。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 17因为本课题所要加工的起重螺杆形状较简单,采用通用夹具即可,因此可选用三爪卡盘、顶尖、尾座和万能分度头等。5.2 刀具的选择 通常,我们应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确地选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是:安装调整方便,刚性好,耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下,尽量选择较短的刀柄,以提高刀具加工的刚性。选择刀具时,一般优先采用通用的标准刀具,尽量不用或少用特殊的非标准刀具。若采用机械集中加工,则可采用各种高效的专用刀具、复合刀具和多刃刀具等。尽量使用不重磨刀片,少用焊接式刀片。刀具的类型、规格和精度等级应符合加工要求。我们都知道,刀具材料通常是指刀具切削部分的材料。在切削过程中,刀具切削部分直接承担切削工作。刀具切削性能的好坏对于切削加工效率、刀具寿命、刀具消耗、加工成本、加工精度和表面质量等都有着密切的关系。而刀具的切削性能,首先取决于切削部分的材料。5.2.1 刀具材料的基本要求在切削过程中,刀具切削部分不仅要承受很大的切削力、切削热的作用,同时刀具与工件及切屑之间产生剧烈的摩擦,因而发生磨损。在切削余量不均匀或切削断续表面时,刀具还将受到很大的冲击和振动。因此要保持刀具的切削能力,刀具切削部分的材料必须具备以下的几个基本性能:A、高的硬度和耐磨性。硬度是刀具材料应具备的最基本性能。要实现切削,刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度,常温下一般应在60HRC 以上。一般刀具硬度越高,耐磨性越好。耐磨性除了与硬度有关 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 18外,还与刀具金相组织中的碳化物的种类、数量、大小及分布情况有关系,刀具材料含耐磨合金碳化物越多、晶粒越细、分布越均匀,耐磨性就越好。B、足够的强度和韧性。刀具切削部分要承受很大的切削力和冲击力。因此,刀具材料必须要有足够的强度和韧性,以防止在承受冲击和振动时不致发生断裂和崩刃的现象。一般用刀具材料的抗弯强度和冲击韧性值来反映材料的强度和韧性。C、良好的耐热性和导热性。刀具材料的耐热性是指在高温下仍能保持其硬度和强度基本不变的性能,这是刀具材料必备的关键性能。耐热性越好,刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力就越强。高温硬度是耐热的重要指标,常用耐热温度来表示,如高速钢约为600,硬质合金可达 800-1000。刀具材料的导热性越好,切削时产生的热量越容易传出去,从而可以降低切削部分的温度,以减轻刀具的磨损。D、良好的工艺性。为了便于制造,要求刀具材料应具有较好的被加工性能,包括热加工性能(热处理性能、热塑性、可旱性、淬透性等)和机械加工性能(可磨削加工性等) 。E、经济性。经济性是评定刀具材料性能的重要指标之一。有些材料制成刀具尽管很贵,但因其使用寿命长,生产效率高,加工的零件综合单件成本不一定高。经济性应综合考虑各方面的因素。此外,对于高速加工刀具,还需要具备高强度、高化学稳定性、高抗冲击能力等性能。5.2.2 常用的刀具材料刀具材料的种类很多,常用的有工具钢、硬质合金、陶瓷、金刚石 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 19和立方氮化硼等。其中,工具钢又包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢三种。碳素工具钢和合金工具钢因耐热性很差,故只宜做手工刀具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼由于质脆、工艺性差及价格昂贵等原因,因此仅在较小的范围内使用。所以,目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。另外,在选用刀具时还应注意以下几点:1)在数控机床上铣削平面时,应采用镶装可转位硬质合金刀片的铣刀。一般采用两次走刀,一次粗铣,一次精铣。当连续切削时,粗铣刀直径要小一些,精铣刀直径要大一些,最好能包容待加工面的整个宽度。当加工余量大,且加工面又不均匀时,刀具直径要选得小些,否则当粗加工时会因接刀刀痕过深而影响加工质量。2)高速钢立铣刀多用于加工凸台和凹槽,最好不要用于加工毛坯面,因为毛坯面有硬化层和夹砂现象,刀具会很快被磨损。3)加工余量较小,并且要求表面粗糙度值较低时,应采用镶立方氮化硼刀片的端铣刀或镶陶瓷刀片的端铣刀。4)镶硬质合金的立铣刀可用于加工凹槽、窗口面、凸台面和毛坯表面。5)镶硬质合金的玉米铣刀可以进行强力切削,铣削毛坯表面和用于孔的粗加工。6)精度要求较高的凹槽加工时,可以采用直径比槽宽小一些的立铣刀,先铣槽的中间部分,然后再利用刀具半径补偿功能铣削槽的两边,直到达到精度要求为止。7)对于一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工,常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。8)在数控铣床上钻孔,一般不采用钻模。钻孔深度为直径的 5 倍 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 20左右的深孔加工容易折断钻头,应注意冷却和排屑。钻孔前最好先用中心钻钻一个中心孔或用一个刚性较好的短钻头锪窝引正。锪窝除了可以解决毛坯表面钻孔引正问题外,还可以代替孔口倒角。经过综合分析考虑,本次设计所选用的刀具为外圆车刀、切断刀、球头铣刀、方牙螺纹刀、中心钻、麻花钻、丝锥。刀具材料选用常用的硬质合金。5.3 量具的选择 单件、小批量生产时应广泛采用通用量具,如游标卡尺、千分尺、百分尺和千分表等。大批、大量生产时应采用极限量规(如通规、止规)和高效的专用检验夹具、量仪等。量具的精度必须与加工精度相适应。因本零件属于小批量生产,因此,选用通用量具即可,如游标卡尺、千分尺等。5.4 切削用量的选择正确地选择切削用量,对保证产品质量,提高效率,降低加工成本具有重要的作用。切削用量的选择主要根据工件的材料、加工精度和表面粗糙度的要求进行,同时还要兼顾刀具的耐用度、工艺系统的刚度和机床功率等条件。对于高效率的金属切削机床加工来说,被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。因为这些条件决定着加工质量、刀具寿命和加工时间。5.4.1 对加工质量的影响 (1) 切削速度的影响。因为切削速度对切削温度的影响最大,所以切削速度主要是通过温度来影响加工质量的。随着切削速度的增加,切削温度上升,工件的温升变化和刀具磨损加快,使误差加大。同时工件 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 21表面层的热应力、金相组织也发生变化,使工件表面质量下降。(2) 进给速度的影响。在中等以上进给速度时,降低进给速度可以降低表面粗糙度值;但当低速切削时,由于存在塑性变形故可使粗糙度值增大。粗加工时为提高生产效率,可以选取较高的进给速度;切断、精加工或用高速钢刀具切削时,宜选取较低的进给速度,有时还可以选择极小的进给速度。空行程运动,特别远距离返回程序原点或机床参考点时可以设定尽量大的进给速度。(3) 被吃刀量的影响。随着被吃刀量的增大,切削力成正比地增加,工艺系统会发生变形、振动等,使加工精度和表面粗糙度下降。5.4.2 对刀具寿命的影响切削速度、进给量、被吃刀量增加时,刀具磨损加剧,耐用度降低,其中影响最大的是切削速度,其次是进给量,影响最小的是被吃刀量,因此精密的刀具不宜采用高速切削和较大的进给速度。5.4.3 对加工时间的影响在一定切削条件下,合理地选择切削用量是提高切削效率、保证刀具耐用度和加工质量的主要手段。所以,经济的、有效的加工方式,要求必须合理地选择切削条件。合理选择切削用量的基本原则是:a、粗加工时,一般以提高生产效率为主,即在工艺系统刚性允许时,应首先选择一个尽可能大的被吃刀量,以减少走刀次数,但也应考虑经济性和加工成本。b、当零件的精度要求较高时,则应考虑适当留出半精加工和精加工的切削余量,在进行半精加工和精加工时,应在保证加工质量的前提下,兼顾切削效率、经济性和加工成本。c、精加工时,加工精度和表面粗糙度要求较高,加工余量不大且较均匀,选择切削用量时应着重考虑如何保证加工质量,并 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 22在此基础上尽量提高生产率。因此,精车时应选用较小的被吃刀量和进给速度,并选用性能高的刀具材料和合理的几何参数,以尽可能提高切削速度。其次选择一个较大的进给量。最后在主轴转速确定时,主要根据工件材料、刀具材料、机床功率和加工性质(粗车/精车)等条件来确定允许的切削速度。在确定每道工序的具体切削用量时,应根据刀具的耐用度、切削用量手册和机床说明书中的规定来合理选择。也可以结合实际经验用类比法来确定切削用量。在选择切削用量时要充分保证刀具能加工完一个零件,或保证刀具耐用度不低于一个工作班,最少不低于半个工作班的工作时间。 背吃刀量主要受机床刚度的限制,在机床刚度允许的情况下,尽可能使背吃刀量等于工序的加工余量,这样可以减少走刀次数,提高加工效率。对于表面粗糙度和精度要求较高的零件,要留有足够的精加工余量,数控加工的精加工余量可以比通用机床加工时的余量小一些。在确定切削用量时,要根据被加工工件的材料、硬度、切削状态、背吃刀量、进给量以及刀具耐用度等情况,最后选择出合适的切削速度。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 23表 5.1 为车削加工时的选择切削条件的参考数据。 根据经验选择,一般粗车切削深度为 23mm,半精车切削深度为0.52mm,精车切削深度为 0.20.5mm。本课题所加工的起重螺杆为45 钢,由上表可知:切削速度应在 70220mm/min 之间,根据经验,我们选择 Vc=80mm/min。由公式 S=1000Vc/dw (dw未加工工件的直径)可以计算出,粗车时主轴转速 S=720r/min,精车时S=1200r/min。5.5 进给路线的确定 在数控机床加工过程中,进给路线的确定是非常重要的,它与工件的加工精度和粗糙度直接相关。所谓进给路线就是指数控机床在加工过 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 24程中刀具刀位点相对于工件运动的轨迹。确定进给路线,就是确定刀具的移动路线。进给路线不仅包括切削加工时的进给路线,还包括刀具到位、对刀、退刀和换刀等一系列过程的刀具运动路线。进给路线不仅反映了加工内容,也说明了加工顺序。确定数控车削进给路线的工作重点,主要在于确定粗加工及空行程的进给路线,因为精加工切削过程的进给路线基本上都是沿其零件设 计图确定的轮廓顺序进行的。车削进给路线泛指刀具从对刀点(或机床固定原点)开始运动起,直至返回该点并结束加工程序所经过的路径,包括切削加工的路径及刀具切入、切出等非切削空行程路径。其基本原则是:(1)选择工件刚性破坏小的路线,以减少加工变形对加工精度的影响。(2)切入和切出的路线应考虑外延,以保证加工的表面质量。(3)力求空行程路线最短。可通过巧用起刀点,将起刀点与其对刀点重合在一起;巧设换(转)刀点,如果将第二把刀的换刀点也设置在合适点位置上,则可缩短空行程距离;在合理安排“回零”路线时,应使其前一刀终点与后一刀起点间的距离尽量减短,或者为零,即可满足进给路线为最短的要求。(4)力求切削进给路线最短。切削进给路线为最短,可有效地提高生产效率,降低刀具的损耗等。(5)机床的进给路线:(1)矩形进给路线 适用于棒料毛坯,进给路线较短(2)三角形进给路线 适用于棒料毛坯,进给路线较短长(3)仿形进给路线 适用于铸、锻件毛坯,进给路线较短经分析,因毛坯形状为圆棒料,排除第三种进给路线,根据力求进给路 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 25线最短原则,第一种走刀路线较适合。(5)完工时最后一刀应一次走刀连续加工,以免产生刀痕等缺陷。此外,确定进给路线时,还要考虑工件的形状与刚度,加工余量大小,机床与刀具的刚度等情况;确定是一次进给,还是多次进给来完成加工;确定刀具的切入与切出方向,等等。5.6 加工顺序的确定确定加工顺序,即是要确定哪些表面先加工,哪些表面后加工,同时还要确定热处理、检验等工序在工艺过程中的位置。零件加工顺序安排得是否合适,对加工质量、生产效率和经济性都有较大的影响。5.6.1 加工阶段的划分当零件的加工质量要求比较高时,往往不可能在一道工序中完成全部加工工作,而必须分几个阶段来进行加工。(1)加工阶段 一般地,整个工艺过程大致需划分如下几个阶段:()粗加工阶段 粗加工阶段的主要任务是切去大部分的余量,关键问题是提高生产率。()半精加工阶段 半精加工阶段的主要任务是为零件主要表面的精加工做好准备(达到一定的精度及表面粗糙度,留下合适的精加工余量) ,并完成一些次要表面的加工(如钻孔、攻螺纹、铣键槽等) 。()精加工阶段 精加工阶段的主要任务是保证零件主要加工表面的尺寸精度、形状精度、位置精度及表面粗糙度要求。这也是关键的加工阶段。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 26()光整加工阶段 对于零件尺寸精度和表面粗糙度要求很高(IT5、IT6 级以上,Ra0.20m)的表面,还要安排光整加工阶段。这一阶段的主要任务是提高尺寸精度和减小表面粗糙度值,一般不用来纠正位置误差。位置精度有前面工序保证。5.6.2 划分加工阶段的原因()利于保证质量 工件粗加工时切除金属较多,产生的切削力和切削热较大,同时也需要较大的夹紧力。在这些力和热的作用下,工件会发生较大的变形,并产生较大的内应力。如果不分阶段地进行粗精加工,就无法避免上述原因引起的加工误差。加工过程分阶段后,粗加工造成的加工误差,通过半精加工和精加工即可得到纠正,并逐步提高零件的加工精度和减小表面粗糙度值。此外,各加工阶段之间的时间间隔相当于自然时效,有利于使工件消除残余应力和充分变形,以便在后续加工阶段中得到修正。()合理使用设备 加工过程分阶段后,粗加工可采用功率大、刚度好和精度较低的机床进行加工,精加工则可采用高精度机床以确保零件的精度要求,这样既充分发挥了设备的各自特点,也做到了设备的合理利用。()便于安排热处理 粗加工阶段后,一般要安排去应力等预先热处理工序,精加工阶段前要安排淬火等最终热处理,其变形可以通过精加工予以消除。()便于及时发现毛坯缺陷,以及避免损伤已加工表面,毛坯经粗加工后,缺陷已经暴露,可以及时发现并处理。同时精加工工序安排在最后,可以避免已经加工好的表面在搬运和夹紧中受损伤。当然,零件加工阶段的划分也不是绝对的。当加工质量要求不高、 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 27工件刚度足够、毛坯质量高和加工余量较小时,可以不划分加工阶段,直接进行半精加工和精加工。2、工序集中与工序分散工序的集中与工序的分散是拟订工艺路线时,确定工序数目或工序内容多少的两种不同的原则,它与设备类型的选择有密切的关系。(1)工序集中和工序分散的概念 工序集中就是将工件的加工集中在少数几道工序内完成,每道工序的加工内容较多。工序集中可采用技术上的措施集中,成为机械集中;也可采用人为的组织措施集中,称为组织集中。工序分散就是将工件的加工分散在较多的工序内进行,每道工序的加工内容很少,最少时每道工序仅有一个简单的工步。工序集中的特点:a、采用高效专用设备及工艺装备,生产效率高。b、工件装夹次数减少,易于保证表面间的位置精度,还能减少工序间的运输量,缩短生产周期。c、工序数目少,可以减少机床数量、操作工人数和生产面积,还可以简化生产计划和生产组织工作。d、因采用结构复杂的专用设备及工艺设备,故投资大,调整和维修复杂,生产准备工作量大,转换新产品比较费事。工序分散的特点:a、设备及工艺装备比较简单,调整和维修方便,工人容易掌握,生产准备工作量少,既易平衡工序时间,又易适应产品更
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