板料弯边机及动力箱设计【cad高清图纸和说明书全套】
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哈尔滨理工大学学士学位论文板料弯边机及动力箱设计摘要风阀是中央空调的组成部分。现在随着人民生活的需求量日益增大,使得风阀的使用量越来越大。风阀体板料大都是由薄壁板料加工而成,为了增加板料刚度需要进行折弯处理。本弯边机采用辊压成形对板料进行折弯处理。板料在塑性弯曲时,由于中性层会发生内移,使得板材受拉伸的区域扩大,受压缩的区域减少,从而使板材的平均长度增加,在分析板材滚弯变形时的应力应变的基础上,运用弹塑性理论对板材的中性层移动、厚度减薄及长度增加进行了分析计算。本设计的任务是完成一台板料弯边机的总体设计和部件设计,侧重点在动力箱的设计。在熟悉板料弯曲拉伸理论的基础上,设计出板料折弯机的工作原理,计算出相关参数,并确定部件及零件的型号、尺寸和动力参数。绘制弯边机联系尺寸图、动力箱的部装图及箱体零件图,并对主要零部件进行相关的校核计算。最后通过UG软件对动力箱进行三维设计,达到了三维实体造型的目的.板带材产品薄而宽的断面决定了板带材产品在生产和应用上有其特有的优势条件。本设备具有结构相对紧凑、性能可靠、生产成本相对便宜、工作效率高等特点。关键词 风阀体;板料;弯边机;动力箱The design of power box for wind valve and sheet metal bendingAbstractWind valve is an integral part of the central air-conditioning.Now with the lives of the people growing demand Valve allows the use of more and more.Valve body sheets are made ofthin-walled sheet metal which need bending processing in order to increase the stiffness of sheet.The machine is used roller roll forming of sheet metal to bend side to deal with.The design task is to complete a sheet metal bending mill design which focuse on the design of the power box. On the basis of in a familiar with stretch of sheet metal bending theory design of sheet metal bending mill working principle calculate inertia and related mechanical parameters and to identify parts and components model and size power and other parameters. Drawing size chart power box assembly and the main parts of work chart and main components of the associated check calculation.Finally through the power box on UG software for three-dimensional design reach the purposes of a three-dimensional solid modeling .Product thin plate strip wide cross-section of the board decided to strip products in the production and application has its unique advantages. The device has a relatively compact structure reliable performance the cost of production is relatively cheap high efficiency.Keywords wind Valve; sheet metal; mill; power box不要删除行尾的分节符,此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 辊压成型的功能和用途11.3 辊弯成型21.4 本设计的工作内容2第2章 轧制工艺设计及计算42.1 毛坯料的计算42.1.1 计算板材的尺寸42.1.2 最小弯曲半径42.2 咬入条件计算42.3 终定方案7第3章 总体方案设计83.1 总体布局83.2 结构及构件选择93.3 工作原理103.4 结构特点10第4章 传动装置设计114.1 电机的选择114.2 动力箱的传动方案114.3 传动装置的运动及动力参数计算124.3.1 分配传动比124.3.2 各轴的转矩计算124.4 轴径初定14第5章 运动部件的设计计算与校核165.1 带轮计算165.2 蜗杆蜗轮设计175.3 齿轮传动设计205.3.1 第一对齿轮的传动设计205.3.2 第二对齿轮的传动设计235.4 轴的校核计算26第6章 主要机件的选用与校核316.1 箱体的选择316.2 轴承的选择及校核316.2.1 轴承的选择316.2.2 轴承的校核316.3 联轴器的选择33第7章 UG三维建模347.1 UG简介347.2 零件建模347.3 零件装配357.3.1 动力箱装配图357.3.2 爆炸图357.4 运动仿真36结论37致谢38参考文献39附录A40 4048附 录B49金属轧制49千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景金属板料成型加工设备是汽车、电子信息、家用电器和仪表等行业最重要的工艺装备之一。因此,风阀体板料弯边机动力箱的设计也充分体现了课题研究的重要性。目前,国内外金属板料成型装备正朝着高精度、数控等方向不断发展。因其本身的重要性,所以其技术水平很大程度决定了制件的质量和成本。金属板料成型设备在20世纪已经得到了全面的发展。形成了较完备的体系并达到了较高的技术水平。现今板料成型设备技术持续发展,并形成了许多新种类产品,如高精密压力机、弯边机、数控回转头压力机以及无模成型压力机等。中央空调的通风口大部分都是由薄壁板材加工而成。为了增加刚度需要弯边,采用冲压加工比较困难,因为板材较长,一般都长一米多,因此模具的加工困难。而用手工加工不但精度差而且效率低。没法满足高效的自动化的大批量的现代化生产要求。采用辊压成形能很好地解决以上问题。本成形弯边机是专为通风口滚边而设计的,所加工的材料厚度约为2.04.0mm。材料为延展性较强的钢板或类似的金属材料,轧辊转速可调,工作台可以上下升降、前后调节。工件最终的形状为“U”型。辊压成品的制作步骤:按照所需规格将一定宽度的金属板片经输入装置水平匀速地送人成型辊压机,金属板片经过串联的12对主轧辊和11对辅助轧辊的辊压加工,逐渐变形成为所需的“U”形槽形状。最后经输出装置送走进入下一走加工装置1。1.2 辊压成型的功能和用途由卷料辊制成的各种剖面形状的板弯型材,重量轻,生产率高。适用于大批量生产各种复杂剖面形状的制件。由于使用多对辊轮的连续成形,可以轧制出许多薄壁、刚度大、质轻而且断面形状复杂的制件型材。加上顺序辊压过程可以与冲洗、起伏、卷筒、焊接等多种工艺装置连动,形成流水作业,因此生产效率高,成本低,是现代加工制品中广泛应用和大力推广的一种无切削加工方,如自来水管、波纹板、自行车钢圈、塑料龙骨、不锈钢窗框和各种通风口的生产。1.3 辊弯成型在强度要求较高的管件对接焊时,从优化焊接结构方面考虑,需要各种规格的开口衬环作为焊缝衬垫。衬环的制作一般采用无缝钢管机械加工或者板料钣金加工而成,但在大批量生产中,由于受工厂现在设备限制,通常采用无缝钢管锯割下料、车加工割断、洗缺口机械加工方法制作,特别是当选用较大直径开口衬环时,这种加工方法给工厂带来一定困难,不仅效率低,而且成本高。针对上述情况,通过工艺实践,进行工艺攻关,采用板材剪切下料、端头预弯、辊弯成型的钣金加工方法;设计制造预弯夹具,在普通车床上进行,收到了良好的效果,生产成本比无缝钢管机械加工制作成本降低两倍,效率也提高四倍多。如图1-1所示,为某工厂使用的辊弯机结构。其工作原理是将滚花芯轴固定车床主轴上,辊弯夹具固定在刀架上,手动进给中拖板,使辊弯夹具上两辊轮压轮压紧工件,使工件在受到两辊压轮一定的力的作用下发生弯曲与芯轴贴合;主轴旋转,工件靠与芯轴之间的摩擦力带动旋转,此时工件在辊弯力矩的作用下辊弯、旋转成型2。图1-1辊弯机结构1.4 本设计的工作内容本课题专门针对某风阀体生产商设计风阀体流水线生产过程中的其中一道工序,即将板料轧弯两个。在了解风阀体的使用状况和轧制工艺的前提下,做一个总体设计,侧重点在动力箱的设计。在熟悉板料弯曲理论的基础上,设计出板料弯边机的工作原理。具体工作内容如下。1轧制工艺设计及相关计算 这部分内容是在阅读大量轧制工艺资料的前提下,对风阀体的整个加工工艺过程作一个分析,这是作为板料弯边机工作原理设计的重要参考依据。其次是对毛坯料进行初步计算、咬入条件计算和确定板料弯曲的最终加工方案。2板料弯边机的总体方案设计 这部分内容包括轧机的方案比较、结构及构件的选择、轧机的工作原理及结构特点分析等。3动力箱的设计 这部分为本设计的主要内容,是对动力箱整个传动装置的设计。包括电机的选择、传动装置的运动及动力计算、运动部件的设计计算及校核以及主要机件的选用与校核等。4UG三维设计 对UG的应用简介、零件的设计过程、零件的装配过程、爆炸过程及运动仿真等。5编写设计说明书 写出设计说明书、绘制轧机总装图、动力箱的装配图及主要零件工作图。第2章 轧制工艺设计及计算2.1 毛坯料的计算2.1.1 计算板材的尺寸风阀体板料纵向长度为1424mm,材料许用应力M,弹性模量M。轧制后截面几何形状及尺寸见图2-1。 M图2-1 板材截面几何形状及尺寸板料拉伸后弯角处中性层长度可表示为 式中 ,;由于,可得。 ;,mm。将数值代入式(2-1), 因为四个弯角相同,所以板料中性层总宽度为 L=285.72mm。2.1.2 最小弯曲半径最大和最小半径是影响板材性能的两个重要参数,因此有必要对其进行计算。由关系式 (2-1)式中 。由手册,查得C为0.5。因此, 。本设计的。 2.2 咬入条件计算本设计要求两个轧弯90度。初定每个90度分6道,共12道。第一道轧角为0度,起导向及定位作用。最后一道为90度起定型及出料作用。板厚为2mm的金属板料每道最大弯角为25度,因此定为第一次弯90度的第一道0度,第二道20度,第三道40度,第四道60度,第五道80度,第六道90度。第二次弯90度的定为第七道20度,第八道40度,第九道60度,第十道80度,第十一道90度,第十二道也为90度。最后的一道是为了终定型及板料出料。考虑每道弯角为20度,板料进入轧辊因难,因此在每道轧辊之间加一道辅助轧辊,对板材进行一次预弯。金属板材厚2mm的每道辅助弯角最大为15度,因此定为每道10度,第一道不预弯,为0度。只起进一走定向作用。能使轧制精度提高。在12道主轧辊之间共加11道辅助轧辊。第一道0度,第二道30度,第三道50度,第四道70度,第五道90度,第六道94度(考虑到回弹的作用),第七道30度,第八道50度,第九道70度,第十道90度,第十一道94度(考虑到回弹)3。1对每道轧制力进行计算 查表得,可得。轧制的受力几何图见图2-2。图2-2 轧制的受力几何图根据公式 (2-2) mm mm即R要大于65mm,初定轧辊半径为70mm2第二道的受力分析 (本设计取轧制速度为15m/min)。如图2-2可得到弯曲梁高度为=18.772 mm因此,可得到弯曲力矩的计算式 (2-3)弯曲中心层半径为 mm N.mm又由弯曲力的计算式为 (2-4) mm代入上式,可得 N又由阻力矩的计算式 其中, mm代入上式,得到 N.mm由摩擦力 N得到, N.mm。则总力矩为 N.mm根据上述的计算过程,可以得到各道次轧制力见表2-1。表2-1 各道次轧制力计算名称弯曲角度(度)咬入高度(mm)轧辊半径R(mm)轧辊径向力(N)轧辊圆周力(N)弯矩(N.mm)第一道轧辊0070000第二道轧辊201.28270214031042565第三道轧辊401.128701828.7274.335330第四道轧辊600.838701341.5201.2324294.9第五道轧辊800.44670765.6114.8412303.2第六道轧辊900.05770469.2270.3835863.84第七道轧辊201.28270214031042565第八道扎辊401.128701828.7274.335330第九道轧辊600.838701341.5201.2324294.9第十道轧辊800.44670765.6114.8412303.2第十一道轧辊900.05770469.2270.3835863.84第十二道轧辊900.05770469.2270.3835863.842.3 终定方案本设计采用12对主轧辊,11对辅助轧辊,第一对主轧辊为0度,(16)为轧第一个型,(712)为第二个型。六对主扎辊角度分别为0度、20度、40度、60度、80度、90度。各道弯角所受的弯矩见表2-2。根据计算,采用R=70mm的轧辊(以中心距为准,即中心距为140mm)。表2-2 第一个弯角所受的弯矩弯角弯矩0度020度M=42565N.mm40度M=35330N.mm60度M=24294.9N.mm80度M=12303.2N.mm90度M=5863.84N.mm十一个辅助轧辊分别为0度、30度、50度、70度、90度、94度。30度、50度、70度、90度、94度。第六道、十一道辅助轧辊为94度是为了考虑金属板材的回弹。第3章 总体方案设计机床设计和其他产品设计一样,都是根据市场的需求、现有制造条件和可能采用的新工艺以及有关科学技术知识进行的一种创造性劳动。 随着科学技术的发展,机床设计工作已经由单纯类比发展到分析计算;由单纯静力分析发展到包括静态、动态以及热变形、热应力等的分析;由定性分析发展到定量分析,使机床产品在设计阶段就能预测其性能,提高了一次成功率。特别是在计算机辅助设计的发展和应用以及生产社会化的有利条件下的今天,不仅能提高机床设计的效率,缩短设计周期,而且许多零部件均可外购,缩短了产品的制造周期,可更好地满足市场的需求。 本板料弯边机的总体设计也是符合上述要求的其设计的流程见图3-1。 图3-1 弯边机的设计流程图3.1 总体布局风阀体板料弯边机现在主要有两种形式,即立式与卧式。立式结构虽然占用空间小,但在实际流水线生产过程中存在连续性差,生产效率低,且结构复杂、工艺性差、成本高等缺点。卧室结构虽然占用空间较大,但在实际流水线作业中连续性好,生产效率高,而且结构简单、制造容易、安装方便且传动链易于控制等优点。综合对比以上两种结构形式,显然卧式结构最适合风阀体生产厂家的实际情况,所以本设计选用卧式结构。3.2 结构及构件选择本设备主要是由电机、带传动、蜗杆传动、齿轮传动、辊轮传动系统以及输入输出装置组成见图3-2。图3-2 弯边机总体图由于本设备的整个工作台可以上下、前后调整位置,电机与减速箱的距离是可变的,因此采用了带传动,并且可以通过调节电机座上的螺杆来改变皮带的松紧。另外带传动还具有缓冲、吸振、运行平稳等特点。采用蜗杆传动是因为它具有传动比大、结构紧凑、工作平稳的特点。由于要做成一个大的动力箱的话蜗杆轴很长强度不好,所以把动力箱分成6个,每个动力箱带动2对主轧辊,每个之间再用联轴器串联联接,这样能满足蜗杆的挠度要求。同时蜗轮扭矩较大,能够满足与蜗轮同轴的大齿轮同时带动两组齿轮工作的要求。采用齿轮传动,主要是其瞬间传动比恒定,从而使轧辊转速恒定。在电机的选择上,因为要求轧辊的转速可调,所以采用了变频调速器来实现电机的无级变速。3.3 工作原理如图3-2所示,成型辊压机工作原理为:电机通电后,通过带传动把动力传到6根串联的蜗杆上。6根蜗杆分置在6个减速箱内,箱体间通过联轴器连接。每根蜗杆带动一根蜗轮轴旋转。大齿轮与蜗轮同轴,每个大齿轮分别与其左右两侧的两个大齿轮相啮合,每个与大齿轮同轴的小齿轮又和它上方的小齿轮啮合,这样一个大齿轮就能带动四个小齿轮旋转。小齿轮的尺寸是一样的,每个小齿轮轴作为减速器的输出轴。减速器共有上下两排24个输出轴。这12对输出轴经过万向联轴器接到12对主轧辊轴上,经过调速电机,使轧辊获得所需的转速,来实现对工件的渐进加工,11对辅助轧辊对工件的加工起辅助作用。3.4 结构特点由于最终形成的“U”型槽变形较大,所以在辊压系统中共采用了12对主轧辊和11对辅助轧辊对金属板料进行渐变加工,这样可以提高加工精度。为了使各个轧辊与加工工件接触处的线速度方向相同,采用一个大齿轮带动其左右两侧的两个相同尺寸的大齿轮,每个与大齿轮同轴的小齿轮再带动其上方的一个小齿轮的方法,来得到我们所需的转向关系。而且各个小齿轮的尺寸完全一致,每根轧辊轴有相同的角速度。为了调整工作台的高度,以适应自动化生产线中下一道工序对工件高度的要求,在本设备中采用了蜗杆传动和螺旋传动相结合的方法。通过蜗杆传动以及蜗轮轴孔和螺杆的螺旋传动,把蜗杆的水平旋转转换成螺杆的垂直运动,以此改变工作台的高度。这相对于用垫铁来改变高度,既减轻了工人的劳动强度,又提高了精度11。第4章 传动装置设计4.1 电机的选择前六道的力矩为0、42565N.mm、35330N.mm、24294.9N.mm、12303.2N.mm、5863.84N.mm可见力矩是减小的。取最大力矩T=42565,可计算出电机的功率P及转速n为 (4-1) 其中,v=0.25m/s (4-2)代入上式,得取 取最大的力矩来计算即M=42565 N.mm。共12道主轧辊,11道辅助轧辊。 N.mm KW考虑到经过多重传送,且打算采用蜗轮蜗杆传动,设备精度不高,而且为了设备以后升级,可轧更厚的板材和提高轧制速度,取功率为5.5KW的Y132W4型同步转速电机,转速为1500r/min4。4.2 动力箱的传动方案本设计所采用5.5KW(Y132W4)型同步转速电机,由上可知转速为1500r/min。轧制速度初定为10m/min=0.167m/s。则有 动力箱的传动示意图见图4-1。先经过带轮减速后再传到动力箱,动力箱采用二级传动,第一级为蜗杆传动,第二级为齿轮传动。1电机 2.皮带3.9.联轴器 4.涡杆轴 5.蜗杆 6.大齿轮7.万向联轴器 8.10.小齿轮图4-1 传动方案4.3 传动装置的运动及动力参数计算4.3.1 分配传动比考虑到蜗轮蜗杆的传动能力较大,为进一步简化结构,方便零件的生产和加工,增强机构的通用性,在第一级蜗轮蜗杆传动时,传动比稍大些,而第二级齿轮传动采用等转速传动。现分配如下。1)分配传动比,初定带传动;2)变速器第一级;3)变速器第二级;所以总传动比。4.3.2 各轴的转矩计算0轴,即为电机轴,其转矩计算如下。 kw, r/min N.m (4-3)轴,即为减速器高速轴(蜗杆轴), 查得带传动的效率为0.95,则可得 kw r/min N.m轴,即为减速器蜗轮轴,共有6根,功率按平分计算。查得蜗杆传动的效率为0.80,滚动轴承的效率为0.98,则可得 kw r/min N.m轴,即为下轧辊轴, 查得齿轮传动的效率为0.97,滚动轴承的效率0.98,则可得 kw r/min N.m轴,即为上轧辊轴,查得齿轮传动效率为0.97,滚动轴承的效率为0.98,则可得 kw r/min N.m由上述计算,可得到各轴的传动参数见表4-1表4-1 各轴传动参数轴序号功率(kw)转速(r/min)转矩(Nm)传动比i效率055150035.0215.22590954.8916509506822.75285.45400750646422.75269.910950614522.75257.810954.4 轴径初定1轴 蜗杆轴由关系式 (4-4)采用45钢,代入上式,得到 mm即最小直径应大于21mm。2轴, 蜗轮轴由关系式 其中,采用45钢,取。代入上式,得到 即最小直径应大于35mm。3轴 即为下轧辊轴由关系式 其中,采用45钢,取,代入上式,得到 mm即最小直径应大于35mm。4轴 蜗轮轴由关系式 其中,采用45钢,取。代入上式,得到 mm即最小直径应大于34mm。由上述计算,可得各轴的最小半径见表4-2。表4-2 各轴的最小半径轴号最小半径(mm)21353534第5章 运动部件的设计计算与校核5.1 带轮计算由上一章可知,电动机为Y132W-4,功率P=5.5KW,转速n=1440r/min。则带轮的设计计算与校核具体如下。1定V带型号和带轮直径 工作情况系数Ka,可查得Ka=1.3 功率 Pc=Ka.P=1.35.5=7.15 KW选带型号,由功率Pc可知,取B型小带轮直径,可取D1=100mm大带轮直径,由D2=170 mm (设)大带轮转速, =838.5 r/min2计算带长 由以下公式=135 mm=35 mm初定中心距a=600mm。则带长 =1636.04 mm基准长度取 mm。3求中心距和包角 中心距=687 mm小轮包角 =173.52。4求带根数 带速=7.536 m/s传动比=1.26带根数 可查得P0=1.27KW,Ka=0.74,取KL=0.92,得到 =5根5计算轴上载荷 张紧力 =235.3 N (由表11.4 q=0.17kg/m )轴上载荷 =2350 N5.2 蜗杆蜗轮设计蜗杆采用45钢,表面硬度45HRC。蜗轮材料采用ZCuSn10P1,砂型铸造。具体计算如下。1初选 当量摩擦系数,取大值,选值,在i=40线上中间区域选一点,有。2中心距计算 蜗轮转矩=347637 N.mm使用系数取转速系数,=1.08弹性系数,根据蜗轮副材料查得寿命系数,=1.131.6接触系数,可查得接触疲劳极限,可查得接触疲劳最小安全系数,自定,选中心距, ,取a=190mm。3传动基本尺寸 蜗杆头数查表得蜗轮齿数,=40 模数, 取。蜗杆分度圆直径,取 mm。蜗轮分度圆直径,=280 mm蜗杆导程角,查得蜗轮宽度, 取。蜗杆圆周速度,=4.995 m/s相对滑动速度,=5.02 m/s当量摩擦系数,可查得,。4齿面接触疲劳强度验算 许用接触应力,=202.3 MPa最大接触应力,=171.6202.3MPa合格。5轮齿弯曲疲劳验算 齿根弯曲疲劳极限可查得弯曲疲劳最小安全系数,自取,许用弯曲疲劳应力,=82 MPa轮齿最大弯曲应力, =27.682 MPa合格。6蜗杆轴挠度验算 轴惯性矩, =5.96106mm4,允许蜗杆挠度,得蜗杆挠度, =0.027 mm合格。7温度计算 传动啮合效率, =0.807搅油效率,自定,轴承效率,自定,总效率,=0.79散热面积估算, =1.467m2箱体工作温度 =52.670合格5。5.3 齿轮传动设计5.3.1 第一对齿轮的传动设计齿轮用45号钢,调质处理,硬度229HB286HB,平均取240HB。计算步骤如下。1齿面接触疲劳强度计算(1)初步计算转矩,=288808 N.m齿宽系数,由表12.13,取接触疲劳极限,由图12.17C,取初步计算的许用接触应力,可查得初步计算的小齿轮直径, 取d1=180mm。初步齿宽,=57.6,取 mm。(2)校核计算圆周速度,=0.214 m/s精度等级选8级齿数Z和模数m,取齿数使用系数,可查得动栽系数,可查得齿间载荷分配系数,先求 N 由此得, 。 齿向载荷分布系数,=1.502载荷系数,=弹性系数,可查得=节点区域系数,可查得=2.5接触最小安全系数,可查得=1.05总工作时间,应力循环次数,=接触寿命系数,可查得接触应力, MPa MPa验算, 计算结果表明,接触疲劳强度较为合适,齿轮尺寸无需调整。(3)确定传动主要尺寸和实际分度圆直径模数取标准值m=6,齿数为Z=30。对分度圆进行圆整,即mm mm中心距aa= mm齿宽b= mm mm2齿根弯曲疲劳强度验算 验算如下,重合度系数,=齿间载荷分配系数,齿向载荷分配系数,=取=1.21。载荷系数,齿型系数,可查得=2.34,=2.34应力修正系数,可查得=1.72,=1.72弯曲疲劳极限,可查得=600 MPa,=450 MPa弯曲最小安全系数,可查得=1.2应力循环次数,弯曲寿命系数,可查得=0.95,=0.97尺寸系数,=1.0许用弯曲应力 MPa MPa验算 MPa MPa,传动无严重过载,故不作静强度校核。5.3.2 第二对齿轮的传动设计齿轮用45号钢,调质处理,硬度229HB286HB,平均取240HB。计算过程如下。1齿面接触疲劳强度计算(1)初步计算转矩 T3,=271345 N.m齿宽系数,可查得接触疲劳极限,可查得初步计算的许用接触应力,可查得初步计算的小齿轮直径 取。初步齿宽,=44.8mm,取。(2)校核计算圆周速度=0.167(m/s)精度等级,选8级齿数Z和模数m,取齿数取m=6mm使用系数,可查得动栽系数,可查得齿间载荷分配系数 N由此得。齿向载荷分布系数 =1.325载荷系数=弹性系数,可查得=节点区域系数,可查得=2.5接触最小安全系数,可查得=1.05总工作时间,h应力循环次数=接触寿命系数,可查得接触应力, MPa MPa验算,轴承2被压紧Fa1=Fs1=278.44N N,可查得可查得冲击载荷系数,考虑中等冲击,可查得当量载荷系数, N N轴承寿命,因,只计算轴承2寿命2静载荷计算,可查得当量静载荷 MPa(MPa)取大者,故。MPaMPa取大者,故 N。安全系数,正常使用滚子轴承。可查得计算额定静载荷,=2.53553=8883N3许用转速验算 载荷系数,可查得=1,可查得=1载荷分布系数,可查得=0.96,可查得=0.75许用转速,=4800r/minr/min均大于工作转速909r/min。6.3 联轴器的选择由文献机械设计,联轴器的选择原则:对于载荷平稳、转速稳定、同轴度好、无相对移动的可选用刚性联轴器,有相对位移的需选无弹性元件的挠性联轴器。载荷和速度不大、同轴度不易保证的,宜选用定刚度弹性联轴器;载荷、速度变化较大的最好选用具有缓冲、减振作用的变刚度弹性联轴器。对于动载荷较大的机器,宜选用重量轻、转动惯量小的联轴器。对联轴器的其他要求是:装拆方便,尺寸较小,质量较轻,维护简单等。经过对各类联轴器的类比,结合本机床的使用环境、工作要求等因素最终选择弹性万向联轴器。它具有结构简单、制造容易、维护方便、允许轴向移动大等特点。万向材料为MC尼龙。尼龙有一定的弹性,弹性模量比金属底得多,可缓冲冲击。尼龙耐磨性好,摩擦系数小,有自润滑作用。非常适合本设计要求。第7章 UG三维建模7.1 UG简介UG软件是当今世界上最先进紧密集成的面向制造业的CAX高端软件,是知识驱动自动化技术领域中的领先者,在航空汽车机械电器电子玩具等工业领域的应用非常广泛。 由于具有强大而完美的功能,UG几乎成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和标准,因而在国外大学院校里已成为学习工程类转移必修的专业课程,也成为工程技术人员比备的技术之一。随着我国加入WTO,一场新的工业设计领域的技术革命已兴起,作为提高生产率和竞争力的有效手段,UG也正在国内形成一个广泛应用的热潮。7.2 零件建模进入UG界面选择建模模块画动力箱内零件的模型已完成后续操作。本次建模复杂零件主要是涡轮蜗杆,简要介绍蜗杆建模,画出圆柱做出扫掠截面和扫掠线选择扫掠命令画出蜗杆型见图7-1图7-1 蜗杆图7.3 零件装配7.3.1 动力箱装配图将在UG中画好的零件按次序组合起来,在个零件之间添加约束使其装配在一起。装配方法有如下两种1 自顶向下的方法 自顶向下的设计方法又叫演绎设计方法。在进行装配建模时,在以前没有建好零件或子装配体的情况下,要设计新产品可以充分利用“自顶向下”装配建模的优点。对一个产品先进行整体描述,然后分解成各个子装配与零件,再将子装配体按照顺序分解为更小的子装配体或零件,直至分解到最底层的子装配体或零件。然后制定工作计划和开始产品设计。2自底向上的方法 这种方法适用于己经具备了产品装配所需的装配单元(零件或子装配体)的场合。它是首先将各装配单元引入到装配造型的文件中,然后根据装配约束条件将它们组装在一起。在了解产品装配结构以及具备各个零件或子装配体的情况下,这是一种最好的装配造型方案。在这种方法中,一个装配体的零件或子装配体在未放进装配环境前就已被设计和编辑,然后再加到装配体上本次装配采用自底向上的方法结果见图7-2图7-2 装配图7.3.2 爆炸图爆炸图,又称分解图,主要是来查看组件中各零件的位置状态。可利用命令来分解组件。大体步骤选择爆炸视图选择爆炸选择装配中的零件之后选择移动将零件放到适当的位置见图7-3图7-3 爆炸图7.4 运动仿真创建运动机构连杆,定义运动副,之后添加机构的驱动器进行机构的仿真。本动力箱的仿真见图7-4图7-4 仿真图仿真过程电动机带动带轮使蜗杆轴旋转,蜗杆螺旋传动,蜗杆带动涡轮实现运动方向的改变。涡轮带动大齿轮旋转,大齿轮带动下输出轴上的大齿轮转动,大齿轮带动同轴的小齿轮转动小齿轮带动上输出轴上的小齿轮转动从而为动力箱外部的轧辊提供动力。- 40 -结论经过这一个学期的毕业设计,使我解决问题的能力有了很大的提高。不仅巩固了前三年时间里所学的理论知识,还让我初步了解了设计一种机械类产品的主要流程:怎样去收集、整理各种资料和素材,怎样根据生产要求和施工环境具体设计,怎样去完善、合理的整理和编写说明书。通过此次毕业设计也让我深深的体会到,现实当中设计生产一种机械产品的过程是相当复杂和烦琐的,并不像自己想象和理论上那么简单。顺利地完成一项产品的设计,不仅需要扎实的理论知识,还要考虑到许多现实的因素,这些收获都为我以后的学习和工作起到很大的指导作用。在设计风阀体板料弯边机动力箱的设计工程中,我采用了上述方案,但这种方案并不是唯一的最简单的。所以仍有很大的空间继续使该机简化。致谢经过大学四年的学习,我对机械方面知识有了一个系统的学习。通过原来的课程设计,我在指导老师的指导下,对设计工作有了一个初步认识,对设计步骤也进行了熟悉和掌握。在即将毕业之前,我怀着对以后工作的美好憧憬和渴望,希望把学到的知识应用于生产。我也需要系统地检验学习的知识。毕业设计恰好为我提供了这样一个“演习”的机会。设计过程是我在校期间所学知识、理论及各种能力的综合应用与升华,是创新潜能得到激发的过程。它培养了我理论联系实际的正确思想,训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决设计过程中遇到的各种问题。我在设计过程中发现了自己的知识漏洞,通过学习进行了弥补。本次设计工作是在段铁群教授的指导下进行的,在整个课题的研究和论文撰写过程中,都得到段教授的热情帮助和指导。在此特别向段教授表示衷心的感谢!同时,在本课题的研究过程中,还得到课题组所有同学的大力帮助和支持在此一并感谢。最后还要感谢所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友!并衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授,你们辛苦了!参考文献1 武科达.保贾诺维茨.金属板料成形及其模具设计实例.化学工业出版社,2006:4057 2 孙建林.轧制工艺润滑原理与技术与应用.冶金工业出版社,2003:22313 梁柄文.板金冲压工艺与窍门精选下册.机械工业出版社,2004:691354 潘承怡.苏相国.冯新敏.机械设计课程设计.哈尔滨理工大学2005:1782535 邱宣怀.机械设计.第四版.高等教育出版社,1997:61376 黄开榜.张庆春.金属切削机床.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006:45977 王春香.机械精度设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000:761258 机械设计手册编委会编写组.机械设计手册3.机械工业出版社,2004:30489 邓文英.金属工艺学上册.第四版.高等教育出版社,2000:11215810 郑文伟.吴克坚.机械原理.第七版.高等教育出版社,1996:7514211 M.Suzuki and K. imura. Microstructure changes of a poloypropylene/montmorillonite nanocomposite in a single screw. Mechnical Science and Technology ,1996:4:61112 Naki, D. Wagen. Rubber crumb toughened polystyrene prepared by reinforcing reaction molding. American Syvthellc Rubber Industry,1998:2:5458工学硕士学位论文风阀阀体辊压折边机设计与分析杨振琪哈尔滨理工大学2013年3月国内图书分类号: TG35工学硕士学位论文风阀阀体辊压折边机设计与分析硕 士 研究生:杨振琪导 师:段铁群申请学位级别:工学硕士学 科、专 业:机械设计及理论所 在 单 位:机械动力工程学院答 辩 日 期:2013年3月授予学位单位:哈尔滨理工大学Classified Index: TG35Dissertation for the Master Degree in EngineeringDesign and Analysis of the Rolling Folding Machine of Air Valve BodyCandidate: Yang ZhenqiSupervisor: Duan TiequnAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpeciality: Mechanical design and theory Date of Oral Examination: March, 2013University: Harbin University of Science and Technology哈尔滨理工大学工学硕士学位论文风阀阀体辊压折边机设计与分析摘 要在现代工业生产中,由于金属板材的诸多优点已成为应用最广泛的型材。金属材料的产量和技术含量也是一个国家国民经济实力的重要标志。如何高效、高精度的生产出所需的板材,已成为各国学者研究的重要课题。本文在充分调研国内外板料折弯机的实际应用和分析国内外现有板料折弯机的特点和发展趋势的基础上,针对中央空调中的风阀阀体需求量大、生产效率低的问题,提出了风阀阀体辊压折边机的设计方案,完成了风阀阀体辊压折边机的工艺性分析,并对轧制力进行了计算,得到合理的辊压工艺工序。根据工序要求,制订传动方案、分配各轴的传动比并进行动力分析。对风阀体辊压折边机的整体结构进行设计并设计出每道辊压工艺的垂直轧辊和水平轧辊结构,并且应用Pro/E软件对风阀体辊压折边机进行三维建模,模拟真实情况下的运动,检查是否存在干涉现象。最后应用ABAQUS软件对风阀阀体辊压折边机的轧辊进行有限元建模,并对其进行模态分析和轧制过程的力学分析,得到轧辊的固有频率和最大受力影响区,根据得到的结论提出轧辊的改进方案。风阀阀体辊压折边机已经制造结束并开始调试,实践证明使用多对轧辊连续成型能很好地解决风阀阀体板料长、冲压加工困难等问题,因此辊压成型适用于生产大批量复杂剖面形状的制件,且生产出的板材具有重量轻、刚度大、生产效率高等优点,本论文风阀阀体辊压折边机的设计方法对其他辊压折边机的设计具有指导意义。关键词风阀体;折边机;仿真;力学分析Design and Analysis of the Rolling Folding Machine of Air Valve Body AbstractMetal plates, with many merits, have been widely used in many fields of modern industrial processes. The outputs and technical skills of metal material is an important symbol of national economic strength. Therefore, the topic has attracted the attention of many scholars from various countries, which relates to increase the efficiency of metal plates production with more accuracy.The content of this paper is based on research of plate benders practical application experience, feature and developing trend both at home and abroad. As a result, the paper has proposed a design solution on the special-purpose machine tool for plate bender of air valve body. To accomplish the analysis of plate bender manufacturability and the calculation of the roll force. Furthermore, improved the productivity for rolling process, which in the light of the question on current issues of huge demand and low efficiency on the central air-conditioners air valve body production.According to requirements of the process, this paper presents the transmission scheme, assigns the transmission ratio of each shaft and makes dynamic analysis. It also provides overall structural design of plate bender, the design of vertical and horizontal roller structure and their rolling technologies. Through the application of the Pro/E design software into the three-dimensional modeling and simulation on plate bender, simulates the movement of real situation and checks the existence of interference phenomenon. Finally, this paper applies ABAQUS software to the finite element modeling on the roller of plate bender, makes model analysis of the roller, and forcing analysis of the rolling process, calculates the inherent frequency and the largest stress affected zone of the roller, and forward into the improvement scheme of the roller according to the results.Air valve body plate bender has been manufactured and debugged. From the experience of practical activity proves, that the application of multiple rollers to continuous forming can well solve many problems in air valve body of the central air-conditioning vent production, such as oversize metal sheet and difficulties in stamping process issues. Thus, rolling technics can widely apply into mass manufacturing of products that required complex section shape, as due to its advantage of lighter weight, greater stiffness, and higher efficiency. The design method of plate bender in this paper has guiding significance of the design on model plate bender.Keywords Air valve body, Bending machine, Simulation, Forcing analysis不要删除行尾的分节符,此行不会被打印- III -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2国内外研究现状11.2.1 国内研究现状11.2.2 国外研究现状41.3 课题研究的主要内容5第2章 工艺流程及结构设计72.1工艺流程72.1.1 板材尺寸的计算72.1.2 轧制工艺工序82.2 总体设计92.2.1 总体结构布局92.2.2 工作原理102.2.3 传动方案设计102.2.4 轧制力计算112.3 动力分析132.3.1 各轴的转矩计算132.4 主要部件142.4.1 箱体的选择142.4.2 水平轧制装置设计152.4.3 垂直装置设计162.5 本章小结17第3章 三维设计183.1 Pro/E软件介绍183.1.1 Pro/E软件主要特点183.2 Pro/ENGINEER建模19 3.2.1 几何建模193.2.2 特征建模193.2.3 导入标准件213.3 辊压折边机的虚拟装配223.3.1 虚拟装配概述223.3.2 装配方法223.4 本章小结25第4章 风阀阀体辊压折边机轧辊的有限元分析264.1 有限元的基本思想264.2 ABAQUS软件的简介274.3 轧辊模态分析274.3.1 模态分析基本理论284.3.2 建立轧辊有限元模型294.3.3 结果与分析314.4 风阀阀体辊压折边机轧辊力学有限元分析324.4.1 轧辊辊弯过程有限元建模324.4.2 应用ABAQUS软件建立有限元模型334.4.3 结果与分析344.5 本章小结36结论37参考文献39攻读学位期间发表的学术论文43致谢44 V第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义在现代工业生产中,由于金属板材生产效率高,重量轻,且能制出复杂剖面形状等优点,金属板材成为应用最广泛的型材,同时折边机是最重要的金属板材成型加工设备之一,因此风阀阀体辊压折边机的设计也充分体现了此课题研究的重要性1。风阀体是风阀的重要组成部分,而风阀在中央空调、通风系统中起着重要作用。随着人民生活水平的提高,生活质量的改善,空调的需求量日益增大,使得风阀的使用量越来越大。风阀大都是由冷轧板加工而成。为了增加刚度需要弯边,采用冲压加工比较困难,因为板材较长,一般都长一米多,因此模具的加工困难,而用手工加工不但精度差而且效率低,没办法满足高效、自动化、大批量的现代化生产要求2。针对上述情况本风阀阀体辊压折边机是采用多对辊轮连续成形,轧辊转速可调,工作台可以上下升降、前后调节。能够省时省力的制造出成型板材,具有操作简便、便于拆装、生产效率高等特点。1.2国内外研究现状1.2.1 国内研究现状板料折弯机可以对金属板料进行各种角度的弯曲加工,具有成本低、生产效率高、使用简单等优点,因此被广泛应用。在汽车、仪表、电器等行业有80%以上的结构件都是通过金属板材成型加工获得,金属板材加工机床中折弯机、剪切机、压力机的应用最为普遍,下面介绍一下国内板料加工机床的发展现状3。国内生产板料折弯机的企业主要有上海冲剪机床厂、江苏富力数控机床有限公司、湖北三环锻压机床公司、江苏金方圆数控机床公司泰安联达锻压设备制造公司、靖江三力锻压机床制造公司等,如图1-1所示 4。江苏富力数控机床有限公生产的EB3512型全电伺服数控折弯机是通过伺服电机带动滚珠丝杠驱动滑块完成折弯加工,光栅尺精确检测滑块的位置并反馈到数控系统,由数控系统实现对左右伺服电机进行同步控制,从而达到精确、节能、静音折弯加工。MB8-500*6400型双机联动型数控折弯机工作台长度达到6400mm,能够实现对长板料的折弯。湖北三环锻压机床公司生产的W67K1003200型数控折弯机,采用美国Autobend数控系统实现两轴数控,工作台装有机械式挠度补偿装置,采用LVD公司的机械伺服阀控制油缸的同步性,机械挡块控制油缸行程的结构5。上海冲剪机床厂研发的WS67K1603200型折弯机,采用Cybelec公司的Press Cad900数控系统,实现了7轴数控(X1、X2、YI、Y2、Z1、Z2、R) 6。北京锻压机床厂研发的W67K632500型折弯机,使用DelemDA24数控系统实现两轴数控,主机采用扭轴机械挡块式结构控制滑块行程7。b)湖北三环锻压机床公司 a)江苏亚威机床公司 d)无锡金立锻压机床公司 c)江苏杨力集团 图1-1 国内先进板料折弯机Fig.1-1 Internal advanced plate bender辊弯成型过程是一涉及动力学、几何学和运动学等多学科问题的复杂成型过程8。它的变形包含纵向、横向的弯曲、伸缩等附加变形,而不仅只是单一某个方向上的变形。由于辊弯成型的复杂性,现在还没有推导出完善的成型理论,对辊弯成型中轧辊的设计还是以经验法为主,通过生产实践调整工艺工序,在不断的试错中设计出合适的轧辊,这样大大浪费了有限的资源,降低了工作效率。随着有限元技术的发展,可以对辊弯成型进行仿真,验证折弯机设计是否合理,并且获取合理的工艺工序,指导生产实践9。下面介绍一下国内应用有限元法对折弯机的研究。 国内,王春新10应用有限元方法模拟了内半径为零的辊弯成型,并对冷弯工艺中内弯曲半径为零的轧辊进行了优化。夏雁宾通过应用有限元理论分析了预冲孔板料的辊弯成型过程,通过仿真分析对轧辊进行了优化设计。重庆大学黄世琦教授11对2450大型轧机整机做了光弹分析,并且对其中板轧机做了有限元分析,分析结果显示压下螺母孔乘压面上和上梁与立柱间转角内侧的应力值最大。重庆大学余钦义教授12对冷轧机机架做了有限元计算。方法是截取横梁的一半,然后网格划分、施加约束和载荷,进行有限元分析,并把三维分析结果与二维分析结果对比,对比结果显示三维分析的精确度远高于二维分析。同时可以看出转角处应力集中较大,并不是横梁应力集中最大的位置。刘安中和李友荣13两人利用有限元分析软件ANSYS系统地对1000mm粗轧机机架进行三维建模和有限元分析,分析结果显示有限元计算的结果和实测值是高度符合的,并且准确的反映机架各零部件、尤其是应力集中地方的变形趋势和应力分布:出现应力集中的位置是压下螺母孔承压面圆角附近,所以它是机架强度最不充足的地方。梁兴复和曲庆章14两人利用光弹性实验法和有限元法对四辊液压机机架的刚度和强度做了分析,结果显示:光弹性试验和有限元分析的结论极其相近,并且利用有限元法,求解应力集中区域的应力值更加精准。半闭口式轧机机架的有限元计算结果是:建立半闭口式机架接触应力问题的三维模型,并对模型处理,从而力学模型符更加符合实际情况。按照这个模型分析的好处是可以消除了由于简化和接触应力计算所造成的变形和应力误差,从而提高了计算精度,同时实例分析结果说明该计算方法的计算结果合理,相符实际。王俊领同志15用SAP5程序对4200mm轧机机架做了有限元分析,用了7种方案对螺母孔处的圆角半径进行了计算,计算结果是:机架对称平面和压下螺母孔过渡圆角相交点是机架的危险点。1.2.2 国外研究现状国外生产板料折弯机的著名厂家有很多,如比利时LVD、瑞典萨耀(sajo)、日本天田株式会社(Amada)、日本小松产机株式会社(Komatsu)、日本村田机械株式会社(Murata)、瑞士海莫乐公司(Hammerle)、德国FASTI公司(FASTI)等公司,如图1-2所示。 b)德国 EHT a)瑞士Bystronic d)日本Komatsu c)比利时LVD 图1-2 国外先进板料折弯机Fig.1-2 Abroad advanced plate bender比利时LVD公司16生产的PPI系列折弯机有同步误差检测系统,能予以保护和纠正在机床断电重新启动时,如果滑块没归零产生的运动误差。PPEB系列折弯机除了具有PPI系列的功能之外,还具有精度达到0.01mm的板料厚度自动检测装置,它对板料厚度实际尺寸与名义尺寸比较,对凸模进入凹模的深度进行修正,进而补偿板厚变化对折弯角度的影响。日本小松产机株式会社(Komatsu)生产的一种新型无痕下模折弯机。下模两端装有两块可以回转的模板,折弯机折弯时下模模板随着折弯角度的变化而回转,使模板与板料间没有相对运动。这样就不会在凹模开口处形成的擦痕。日本村田制作所(Murata)开发的MPl0.165型折弯机采用Bosch公司生产的伺服阀和光栅对两个各个油缸进行闭环控制,工作台装有数控挠度补偿装置,并用Cybelec公司的DNC90数控系统进行控制,提高了板料加工精度。瑞士海莫乐公司(Hammerle) 70年代开发出结构独立的三点式折弯机。1996年,GNEFUSSI等人17应用弹塑性理论对轧辊弯曲成型进行模拟,模型中板定义为壳单元,随后应用上述建模方法,建立了圆管辊弯成型模型。2000年,AAlsamhan18等人将ALE自适应网格(ALE adaptive meshing)技术应用于有限元仿真,并对带钢的滚动摩擦进行了辊弯成型仿真。后来,把对称网格也引入到梯形截面槽钢的仿真计算中19。2001年,韩国的MKiuchi等人20应用有限元方法研究了成型长度与辊弯成型之间的关系,得出影响预变形板料成型长度的主要因素是加工硬化。1.3 课题研究的主要内容本课题专门针对某风阀体生产商设计风阀体流水线生产过程中的其中一道工序,即将板料轧弯四个。在了解风阀体的使用状况和轧制工艺的前提下,做一个总体设计,侧重点在动力箱的设计。在熟悉板料弯曲理论的基础上,设计出板料弯边机的工作原理。具体工作内容如下。1总体设计 在阅读大量轧制工艺资料的前提下,对毛坯料进行咬入条件计算和轧制力计算,安排风阀体的整个加工工艺,并确定风阀阀体辊压折边机的总体结构。2主要部件设计 通过对比不同形式的箱体,确定箱体方案,并对垂直轧制装置和水平轧制装置进行结构设计,确定每道轧制工艺的垂直轧辊、水平轧辊的结构。3三维建模 对Pro/E软件的功能和特点进行了简单的介绍,分析几种建模方法的特点,并且应用Pro/E软件对风阀阀体辊压折边机进行三维建模,模拟真实情况下的运动,检查是否存在干涉现象。4有限元仿真 对轧辊装置应用ABAQUS软件进行有限元建模,进行模态分析和轧制过程中的受力分析,得到其固有频率和最大受力影响区,通过对结果的分析,发现设计缺陷和可能出现问题的潜在区域,提出合理的优化方案,减少设计初期出现问题的可能。第2章 工艺流程及结构设计中央空调的通风口大部分都是由薄壁板材加工而成。为了增加刚度需要弯边,采用冲压加工比较困难,因为板材较长,一般都长一米多,因此模具的加工困难。而用手工加工不但精度差而且效率低。没法满足高效的自动化的大批量的现代化生产要求。采用辊制成型能形成各种形状的弯曲板材,具有重量轻,生产率高的特点,适用于大批量生产各种复杂剖面形状的制件。同时各种金属板材成型加工设备是汽车、电子信息、家用电器、和仪表等行业最重要的工艺装备之一21。因此风阀阀体辊压折边机轧制装置的设计也充分体现了此课题研究的重要性。2.1工艺流程2.1.1 板材尺寸的计算板材经轧辊成型后截面形状如图2-1所示,其纵向长度总长为1424mm。板材弯曲内侧半径为2.0mm,弯曲外侧半径为4.0mm,板材厚度为2.0mm。图2-1 板材截面形状Fig.2-1 Sectionshape of plates板材中性弯曲线弧长可表示为 Ln=/180(T+Ri) (2-1)式中:Ln 为板材中性弯曲线弧长,mm;为弯曲角度,由题目知:=90;为弯曲系数(由Ri/T的比值决定),由Ri/T=1,可知=0.41;T为板材厚度,mm;Ri 为板材弯曲内径,mm。将数值代入式2-1,得板材中性弯曲线弧长Ln=3.79mm。由于板材四个弯角相同,则四个弯角中性弯曲线弧长也相同,因此板材横向长度为283.14mm。2.1.2 轧制工艺工序本设计要求两次轧弯90度,参考初定每个90度分6道,共12道。第一道轧角为0度,起导向及定位作用。最后一道为90度起定型及出料作用。板料在折弯过程中前几道折弯角度应小,中间应最大,最后几道应小,这样才能可以避免板料这折弯过程中产生冷作硬化,因此定为第一次弯90度的第一道0度,第二道8度,第三道50度,第四道50度,第五道77度,第六道90度。第二次弯90度的定为第七道8度,第八道50度,第九道77度,第十道90度,第十一道90度,第十二道为90度。最后的两道是为了定型及板料出料。表2-1 轧制工艺工序Table2-1 Rolling process轧 辊 号道 次拉伸角度()第一道水平轧辊水平整形0第一道垂直轧辊垂直整形0第二道水平轧辊第一次弯曲8第二道垂直轧辊第二次弯曲24第三道水平轧辊第三次弯曲50第三道垂直轧辊第四次弯曲67第四道水平轧辊第五次弯曲77第四道垂直轧辊第六次弯曲85第五道水平轧辊第七次弯曲90第五道垂直轧辊第八次弯曲92第六道水平轧辊水平整形90第六道垂直轧辊垂直整形90第七道水平轧辊第一次弯曲8第七道垂直轧辊第二次弯曲24第八道水平轧辊第三次弯曲50第八道垂直轧辊第四次弯曲67第九道水平轧辊第五次弯曲77第九道垂直轧辊第六次弯曲85第十道水平轧辊第七次弯曲90第十道垂直轧辊第八次弯曲92第十一道水平轧辊水平整形90第十一道垂直轧辊垂直整形90第十二道水平轧辊定型90考虑每道水平轧辊弯角角度较大,板料进入轧辊困难,因此在每道轧辊之间加一道垂直轧辊,对板材进行一次预弯,能使轧制精度提高22。垂直轧辊每道折弯角度的布置原则与水平轧辊布置原则一样。第一道0度,第二道24度,第三道67度,第四道85度,第五道92度,第六道90度,第七道24度,第八道67度,第九道85度,第十道92度,第十一道90度。轧制工步次序和拉伸角如表2-1所示。2.2 总体设计2.2.1 总体结构布局风阀阀体辊压折边机采用滚压成形,滚压成形是以长的金属带料为原材料,由若干对成形辊轮为成形工具,随着辊轮的旋转运动,将带料向前送进的同时顺次进行弯曲成形,以获得所需断面形状的一种加工方法23。1 2 3 4 5 6 7 8 910 11 1皮带2电机3水平辊装置4蜗杆5蜗轮6大齿轮1 7大齿轮28垂直轧辊装置9小齿轮 10弹性柱销联轴器 11万向联轴器图2-2 轧机总体图Fig.2-2 Assembly drawing of rolling mills由于风阀体板料需要折 “U”型槽,成型轧辊下轧辊轴要求保持水平。为轧辊安装方便、调整容易,因此轧机采用卧式结构。此设备结构见图2-2。2.2.2 工作原理本设备主要是由电动机、传动箱、机架、水平轧辊、垂直辊轮组成。电动机安装在机架上,通过皮带传动将动力传递到传动箱。皮带传动具有缓冲冲击力、传输距离长、过载保护等优点。设计传动箱时,考虑到传输距离长,扭矩大且应使结构尽量紧凑等因素,所以选择蜗杆传动,但由于蜗杆轴向较长,所以把它分成6段,每段两端支撑并带动2对水平轧辊,每段之间再用联轴器串联联接,这样能满足蜗杆的挠度要求。每段传动的一级传动为蜗轮蜗杆传动,利用蜗轮的大扭矩带动与蜗轮同轴的大齿轮,同时将动力传动给两组小齿轮,这样布置传动箱大大节约了空间,并且给轧辊提供了很大的扭矩。应用齿轮传动可以保证每道轧辊的瞬时传动比一致,从而每道轧辊的转速恒定。风阀阀体辊压折边机的工作原理为:电机通过带传动把动力传到端部的蜗杆上,蜗杆带动蜗轮转动,与蜗轮同轴的大齿轮将动力传递给左右两侧的两个大齿轮,与这两个大齿轮同轴的小齿轮又分别与它上方的小齿轮啮合,这样一个蜗杆就能带动四个小齿轮转动,每个小齿轮的齿数相同且都为输出轴,因此保证了输出的转速一致。传动箱内布置了6个串联的蜗杆,它们之间用联轴器连接,构成了24个输出轴,每个输出轴通过万向联轴器与轧辊相连,组成了12对水平轧辊。工作时,电机输出扭矩带动12道水平轧辊转动,同时布置了11道垂直轧辊辅助加工,实现对工件的渐进加工。2.2.3 传动方案设计本设计所采用5.5KW(Y132W4)型三相异步电机,由上可知转速为1500r/min。轧制速度初定为10m/min=0.167m/s。则有 (2-2) (2-3)式中:D为轧辊直径,mm;v为轧制速度,m/s。计算得到总传动比为65.81。动力箱的传动示意图见图2-3。先经过带轮减速后再传到动力箱,动力箱采用二级传动,第一级为蜗杆传动,第二级为齿轮传动。1 2 3 4 5 6 7 8 9 1电机2皮带3联轴器4蜗杆5蜗轮6小齿轮 7万向联轴器 8大齿轮9成型轧辊图2-3 轧机传动图Fig.2-3 Transmission system of rolling mills考虑到蜗轮蜗杆的传动能力较大,为进一步简化结构,方便零件的生产和加工,增强机构的通用性,电机通过电机轴带动小带轮,小带轮经过带轮传动将速度传到变速器,变速器采用二级传动,第一级为蜗杆蜗轮传动比稍大些,第二级为齿轮传动采用等转速传动。现分配如下:1. 分配传动比,初定带传动i带=1.65;2. 变速器第一级i1=40;3. 变速器第二级i2=1。所以总传动比为64。2.2.4 轧制力计算对每道水平轧辊进行轧制力计算为:第一道水平轧辊拉伸角为0,轧制力不用计算; 第二道水平轧辊拉伸角为8,可查取摩擦系数=0.15,则max=8其相应的几何关系如图2-4所示,根据几何关系可知 tan a = (2-4)式中:a为板材弯曲角度,;h为咬入高度,mm;R为轧辊半径,mm。由几何关系可知,咬入高度为0.346mm。因此轧辊半径必须满足即R要大于65mm,初定轧辊半径为70mm。图2-4 轧制的受力几何图Fig.2-4 Geometric graph of rolling force弯曲力矩计算公式为 (2-4)式中:为材料的屈服极限,取235MPa;b为弯曲梁高度,如图2-4可得到弯曲梁高度为;E为弹性模量,取2.0106 MPa;为弯曲中心层半径,。由上式计算可得弯曲力矩,将弯曲力矩代入弯曲力公式为 (2-5)式中:L为弯曲长度,取8mm;为弯曲角度,取。由上式计算可得弯曲力F=226N,将弯曲力代入阻力矩公式为 (2-6)式中:L为弯曲半径,。由上式计算可得阻力矩。摩擦力矩公式为 (2-7)式中:为摩擦力,N;R为轧辊的半径,取70mm。由上式计算可得摩擦力矩,将摩擦力矩和阻力矩代入总力矩公式 (2-8) 由上式最终计算得到总力矩,根据上述的计算过程,可以得到各道次轧制力见表2-2。表2-2 各道次轧制力Table2-2 Each roller rolling forces名称弯曲角度(0)咬入高度(mm)轧辊半径R(mm)轧辊径向力(N)轧辊圆周力(N)弯矩(N.mm)第一道轧辊0070000第二道轧辊80.52870452.7183.38463.4第三道轧辊501.138702341.5341.2124294.9第四道轧辊770.746701665.6274.8418303.2第五道轧辊900.3467022672.344256第六道轧辊900.15770119.2230.3831863.84第七道轧辊80.52870452.7183.38463.4第八道轧辊501.138702341.5341.2124294.9第九道轧辊770.746701665.6274.8418303.2第十道轧辊900.3467022672.344256第十一道辊900.1377069.7640.532742.3第十二道辊900700002.3 动力分析2.3.1 各轴的转矩计算转矩计算公式为 (2-9)式中:p为功率,KW;n为转速,r/min。0轴,即为电机轴,其功率为电机功率,n0转速与电机转速一致;轴,即为减速器高速轴(蜗杆轴),它通过皮带与电机连接,因此功率应考虑皮带传动效率的影响,查得带传动的效率为0.95,所以轴功率KW,高速轴转速;轴,即为减速器蜗轮轴,共有6根,功率应平分计算,查得蜗杆传动的效率为0.80,滚动轴承的效率为0.98,因此减速器蜗轮轴功率KW,减速器蜗轮轴转速;轴,即为下轧辊轴,功率应考虑齿轮和滚动轴承的传动效率,查得齿轮传动的效率为0.97,滚动轴承的效率为0.98,因此下轧辊轴功率KW,下轧辊轴转速;轴,即为上轧辊轴,功率应考虑齿轮的传动效率和滚动轴承的传动效率,因此上轧辊轴功率KW,上轧辊轴转速。由上述计算,可得到各轴的传动参数见表2-3。表2-3 各轴传动参数Table2-3 Shaft parameters of transmission system 轴序号功率(kW)转速(r/min)转矩(Nm)传动比i效率05.5150035.0215.22590954.891.650.950.6822.75285.45400.750.646422.75269.910.950.614522.75257.810.952.4 主要部件2.4.1 箱体的选择焊接结构较之铸造结构具有强度和刚度高、重量轻、生产周期短以及施工简便等优点。如表2-4所示,对铸造与焊接的优缺点进行比较。表2-4 铸造焊接比较Table2-4 Comparison ofcasting and weldment项目铸铁机架焊接机架机架重量较重钢板焊接毛坯比铸造毛坯轻30%强度、刚度及抗震性铸造机架的强度与刚度较低,但内摩擦大,阻尼作用大,故抗震性好强度高、刚度大,对同一结构的强度为铸铁2.5倍,钢的疲劳强度为铸铁的三倍材料价格铸铁材料来源方便、廉价价格高生产周期生产周期长,资金周转慢,成本高生产周期短、能适应市场竞争的需要设计条件由于技术上的限制,铸件壁厚不能相差过大。而为了取出芯砂、设计时只能用开口式结构,影响厚度结构设计灵活、壁厚可以相差很大,并且可以根据工况需要,不同部位选用不同性能材料用途大批量生产的中小型机架单件小批量生产大、中型机架等综上类比,最后选择焊接箱体,选择板材为25mm的Q2352.4.2 水平轧制装置设计由于风阀体的U型槽较大,所以应用轧辊对冷轧板进行渐变加工,以保证加工精度。轧辊系统包含了12对水平轧辊和11对垂直轧辊。轧辊成形原理是由多对成形轧辊轴顺次对板料变形并向前送进的滚压成形。滚压成形是从板料的两边开始弯曲成形,再顺次成形到中间,最后成型为U型槽。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 1、轧辊支架;2、端闷盖;3、轧辊支撑体;4、调心轴承;5、端透盖 6、密封圈;7、下轧辊;8、平键;9、上轧辊;10、半圆压环;11、压紧丝杠;12、螺钉;13、法兰螺母;14、螺母图2-5 水平轧制装置简图Fig.2-5 The rolling equipment of vertical由于轧制的风阀体板料厚度是从2mm-4mm,所以要求水平轧制装置的上、下轧辊之间的距离是可调的,而下排轧辊安装时要求保持水平且受到的力较大,因此下排轧辊轴是固定不动的。由于上、下两个轧辊都与支架槽型连接,当调整上轧辊轴承座时,需要旋转压紧丝杠,使压紧丝杠带动上轧辊轴承座向上移动,从而改变两个轧辊的相对高度以实现调整上下轧辊间的间隙。水平轧制装置的结构见图如图2-5所示。其余的12轧制装置结构大体相似,只是上下轧辊不同。2.4.3 垂直装置设计在12道水平轧辊之间共加11道垂直轧辊。第一道0度,第二道24度,第三道67度,第四道85度,第五道92度,第六道90度,第七道24度,第八道67度,第九道85度,第十道92度,第十一道90度。11道垂直轧辊的作用:a,对板料起定向作用;b,对板料起定型作用,且垂直轴都采用一样的轴。第一道垂直辊,板材平整无弯曲。由上述垂直辊作用可知,垂直辊的左右上下都可以取中心对称,且垂直辊轴中心上下处都需要安装轴承,为保证轴承在固定位置。则需要在垂直辊的中心位置设计为凸台形状,且上下面用螺钉固定垂直辊端盖。垂直辊外框尺寸设计只须依据板料弯曲形状来确定尺寸。取垂直辊外部台阶高b1=10mm,板料顶端与垂直辊接触处间距L=106mm,板料上下接触与垂直辊外框相距L1=9m。由于板材厚度为2mm,则取垂直辊间距b=2.1mm。由此尺寸设计,可画第一道垂直装置简图如图2-6所示。1 2 3 4 5 6 7 8 9 1、导辊座;2、导支板;3、扁螺母;4、导辊轴;5、导辊端盖;6、锥滚轴承;7、垂直辊;8、轴套;9、扁螺母图2-6 第一道垂直辊简图Fig. 2-6 The first rolling equipment of horizontal2.5 本章小结本章完成了风阀阀体辊压折边机的工艺性分析和风阀阀体辊压折边机的整体结构进行设计,通过对毛坯料进行咬入条件计算和轧制力计算,得到合理的轧制工艺工序。根据工序要求,制订传动方案、分配各轴的传动比进行动力分析。并对比不同形成的箱体,确定箱体方案,同时设计水平轧制装置和水平轧制装置,确定每道轧制工艺的轧辊、水平辊的结构。第3章 三维设计随着信息技术的发展,企业之间的竞争日益激烈,企业只有采用协同、并行设计才能迅速适应市场需求的变化,提高产品竞争力解决上市最快、成本最低、质量最好、服务优化等问题24。应用Pro/e软件可以在设计的前期,对所设计产品进行三维模拟,检验产品的可行性,大大提高设计质量。3.1 本章小结本章对Pro/E软件的建模功能和特点进行了概述,分析了自上而下和自下而上两种装配方法的特点,根据板料折弯机的设计及特点,应用Pro/E软件的特征建模和零件库导入方法建立了板料折弯机三维模型并进行装配,模拟真实情况下的运动,检查是否存在干涉现象。在以往的结构设计中,设计人员只能根据二维图对装配体进行检查,费时、费力而且难度很大,只有一些有经验的老设计员才能发现是否出现干涉现象,现在我们可以应用Pro/E软件对所设计的复杂装置进行三维建模,能够直观的看出是否出现干涉。第4章 风阀阀体辊压折边机轧辊的有限元分析在上一章的分析中,对风阀阀体辊压折边机的垂直轧辊和水平辊进行了设计,为了验证通过传统力学计算法设计出的风阀阀体辊压折边机是否满足使用要求,找出结构设计的薄弱环节并进行改进,本章根据已有的有限元原理,以ABAQUS作为有限元分析工具,对轧制进行模态分析,并分析在轧制过程中轧辊的受力,找出最大受力区,提出结构改进方案。本章小结本章应用有限元理论,以ABAQUS作为有限元分析工具,对轧制装置进行模态分析和轧制过程中轧辊的受力分析,得到前4阶固有频率和振型并找出轧制过程中最大受力区,对得到的结果进行详细分析,提出结构改进方案。结论参考文献1 刘继英辊弯成型CADCAM的一体化技术J北方工业大学学报,1996,(3):16-232 张明富,黄治中国内外折弯机、剪板机现状和发展趋势J锻压机械,1994(7):3436.3 王蕾,王春生. 我国金属板材加工机床的技术进步与发展J机械工人(热加工,2009,(4):20-224 俞新陆板件柔性制造系统M北京:机械工业出版社,2008:74-835 朱乃燔国内外折弯机技术的最新发展J锻压机械1995,30(6):9-136 田万英. 基于有限元的折弯机压力补偿技术研究D扬州:扬州大学,2010:3-77 王春生CIMl2007金属成型机床展品评述J世界制造技术与装备市场,2008,(4) :76-798 史永凌先进高强度钢辊弯成型有限元仿真研究D.北京:北方工业大学,2006:8-129 夏雁宾辊弯成型计算机仿真及在预冲孔板料中的应用研究D.北方工业大学硕士学位论文,2003:2-510 王春新辊弯成型过程的计算机仿真在工程实例中的应用研究D.北方工业大学硕士学位论文,2003:5-811 黄世琦,曹震,祖正华2450钢板轧机机架的三维有限元及整机光弹性分析J重型机械,1987,(10):41-4912 余钦义冷连轧机架的三维有限元分析J重型机械,1985,(6):1-913 李友荣,刘安中1000mm初轧机机架的三维有限元分析J武汉钢铁学院学报,1992,9(3):278-28814 曲庆璋,梁兴复四辊液压轧机机架强度及刚度的分析J西安公路学院学报,1990,10(3):53-5915 王俊领4200mm轧机机架的三维有限元分析J重型机械,1996,(5):35-3916 LVD CompanyPress Brake Technical ManualM1996: 78-8817 GNEFUSSIA simulation of cold-mllfomaing for elastoplastic materialsJmechSci,1998,40 (1):15-2518 AAlsamhan,IPillinger,PHartelyThe development of real time remeshing technique for simulating cold-rollforming use FE methodJJournal of Materials Processing Technology,2010,(147):1-919 AAlsamhan,PHartely,IPillingerThe computer simulation of cold-rollforming using FE methods and applied real time re-meshing techniquesJJournal of Materials Processing Technology,2003,(142):102-11120 MKiuchi,HMoslemi Naeini,KShintaniA Numerical Sireulation for the Reshaping of NonJCircular Pipes 9th Intemational Conference on Sheet Metal,Leuven,2001:587-59421 余胜蛸,周旭东板料成形性的研究现状和发展趋势J2007,42(6) :14-1722 GeorgeE,DieterHoward,AKuhnHandbook of workability and pro/e designMThe Materials Information Society,2003:137-179,278-29723 MKawka,LOlejnikSimulation ofwrinkling in sheet metal formingJournalofMaterialsProcessingTechnology,2001,(100):280-28924 赵慧勇基于ProE的渐开线圆柱蜗杆的参数化建模研究J机械设计与制造,2012(8) :95-9725 孟祥龙基于网络的虚拟实验平台的设计与实现D.天津:河北工业大学,2010:16-1726 KawkaM,OlejuikL,RosochowskiA Sinmlation of wrinkling in sheet metal formingJJournal of Materials Processing Technology 2001,(2):283-28927 Goldfarb VITheory of design and practice development 0f spiroid gearingJProceedings of the International Congress of Gear Transmissions,1995(2):l-528 郑晖装载机工作装置参数化3D建模及有限元分析D太原:太原科技大学,2009:3-529 刘尚坤基于ProE的机床夹具三维设计研究J制造业自动化,2012,34(7) :102-10330 寞岩平,吴风林Pro/E三维技术在工装设计中的应用与开发J机械管理开发,2006,(12):96-9831 赵泽敏,范元勋,於陈程基于ProE的锥蜗轮参数化设计建模J机械传动,2012,36(4) :37-4032 王嫦娟基于创建机械零件虚拟模型库的研究J自动化与控制,2006,(4) :59-6133 杨小云基于 Pro/E 的机械教学模型库的实践初探J职业与教育,2007,(10) :63-6434 赵秋霞机械设计过程中的虚拟装配设计J装备制造技术,2008,(9) :106-10735 Harrison.T.A,Clear.C.A,Concrete pressure on formworkJConstruction Industry Research and Information Association,1986,80(5):1427-143036 王金昌,陈页开ABAQUS在土木工程中的应用M杭州:浙江大学出版社,2006:59-6137 江涛大直径超长钻孔灌注桩群桩效应的三维非线性有限元分析D.南京:河海大学,2007:59-6138 刘让杰.哈里伯顿1400压裂泵动力端三维建模与失效分析D.成都:西南石油学院,2004:35-4639 东伟.数控机床主统动态特性分析D.长春:长春理工大学,2010:6-10.40 TadrosAKMellorPBExperimental stud)of the inplane stretching of sheet metalJInternational Journal of Mechanical Sciences,1978,(20):120-13841 王益嗣,徐程浩,林庆高.基于ABAQUS的带式输送机传动滚筒
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