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波纹管成型机的设计波纹管成型机的设计 -- 20 元

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摘要波纹成型机是生产波纹管的核心设备,生产出的波纹管已经广泛用于各个工业领域,它是集机电液为一体的现代化高技术设备。本文针对生产的要求,提出了设计题目。并对该机的机械系统、液压系统和控制系统进行了全面设计。在机械结构设计中,首先分析了波纹管成型的工作过程,并在此基础上进行了模具结构设计、主压油缸设计、油推水油缸设计、各种液压站元件的设计。液压系统设计中,根据波纹管成型的工作过程,进行了液压系统原理图的设计,确定了液压系统的执行元件。计算了整个液压系统的流量,并根据流量和压力进行了液压阀的选型、油箱的设计和各个辅助元件的选择,计算了各个系统的功率,据此选择了电动机的型号,最后绘制了液压泵站的装配图。由于传统波纹管成型机采用继电器和接触器等元件作为系统的控制元件,存在可靠性、灵活性差等缺点。文中通过实例说明利用PLC对其进行改造。电气控制系统采用可编程控制器PLC作为整台机器的控制器,并对PLC的工作过程进行了介绍,对PLC相关原件进行了选型,同时绘制了PLC控制系统的输入、输出接线图,即控制系统电气原理图,并采用了梯形图编程,实现了整机的自动化。本设计已经应用于生产,取得了良好的效果。关键词波纹管成型机液压系统PLCAbstractBellowsmachineisthecoreofbellowsproductionequipmenttoproducethebellowswhichhavebeenwidelyusedinvariousindustrialfields.Itisamodernizedtechnicalequipmentwhichcentralizesthemachinery,hydraulicandelectricsystem.Aimingattherequirementofproduction,theauthorputsforwardthetopicanddevisesthemechanicalsystem,hydraulicsystemandcontrollingsystemthoroughly.Inthemechanicalstructuredesign,firstlytheworkingprocessoftheBellowsmachinewasanalyzed,andonthisbasis,adiestructuredesign,themainfueltankdesign,oilpushingwaterfueltanksandvariouscomponentsofthehydraulicstationweredesigned..Intheprocessofthedeviceofhydraulicsystem,accordingtotheworkingprocessofslewingtelescopicgangway,theprincipleplotofhydraulicsystemwasdevisedfurthermore,theperformingelementsweredesigned.Atthesametime,theauthorcomputedthefluxofthewholesystem.Andthen,basedonthefluxandthepressure,theauthoraccomplishedthechoicesofvalves,thedesignofgasolinetankandthechoicesofassistantcomponents.Andthen,theauthorcomputedthepowerofthewholesystemandchosethemodelofelectromotor.Atlast,thecomponentplotofhydraulicstationwasdrawn.ThetraditionalBellowsmachineusingrelaysandcontactorascontrollingelementsshowssomedisadvantages,suchaslowreliabilityandflexibility.ThispaperdiscussestheimproveddesignbasedonPLC.ThecontrollingsystemadoptsthePLCasthecontrolleroftheentiremachine.ItintroducetheworkingprocessofPLC,chosethemodelofthePLCandrelatedelements.Atthesametime,theauthordrewtheinputandoutputcircuitofthecontrollingsystem,namelytheelectricprincipleplot.Themachinerealizedtheautomationofproducingprocessbymakinguseofthetrapeziumshapetoprogramme.Thedesignhasalreadybeenappliedtopractice,andhasgainedaverygoodeffect.KeyWordsSlewingtelescopicgangwayhydraulicsystemPLCV目录摘要..............................................................................................................................................IABSTRACT...................................................................................................................................II目录............................................................................................................................................V1绪论.............................................................................................................................................11.1概况和发展趋势...................................................................................................................11.1.1无锡南方液压气动成套有限公司简介........................................................................11.1.2国内波纹管的概况和发展趋势....................................................................................11.1.3波纹管成型机简介........................................................................................................31.2课题的提出与意义...............................................................................................................41.3课题的主要内容...................................................................................................................42总体方案的确定.........................................................................................................................62.1设计依据...............................................................................................................................62.2确定模具结构设计方案.......................................................................................................62.3确定液压系统设计方案.......................................................................................................62.4确定控制系统设计方案.......................................................................................................63模具结构的设计.........................................................................................................................83.1概述.......................................................................................................................................83.2设计依据...............................................................................................................................83.3设计范围及其设计方案.......................................................................................................83.3.1模具的工艺分析............................................................................................................83.3.2模具的结构设计............................................................................................................93.3.3模具环刚度的计算......................................................................................................113.3.4模具的加工..................................................................................................................124液压系统的设计及其校核.......................................................................................................134.1液压系统的组成.................................................................................................................134.1.1能源装置......................................................................................................................134.1.2执行元件......................................................................................................................134.1.3调节控制元件..............................................................................................................134.1.4辅助元件......................................................................................................................134.2液压系统的主要优缺点.....................................................................................................134.2.1液压传动的优点..........................................................................................................134.2.2液压传动的缺点..........................................................................................................134.3液压系统设计.....................................................................................................................144.3.1概述及液压系统方案设计..........................................................................................144.3.2液压系统原理图的拟定..............................................................................................164.3.3主压油缸的设计..........................................................................................................164.3.4油推水油缸的设计......................................................................................................204.3.5液压能源装置设计......................................................................................................244.3.6液压阀的选择..............................................................................................................244.3.7液压辅助元件的设计与选择..................................................................................274.3.8液压系统元件清单......................................................................................................304.3.9液压管路的联接..........................................................................................................324.3.10安装后的调试............................................................................................................325控制系统的设计.......................................................................................................................345.1PLC与继电器控制系统的比较.........................................................................................345.2PLC与微型计算机的比较.................................................................................................345.3PLC可靠性高的原因.........................................................................................................345.4PLC的安装与抗干扰措施.................................................................................................355.4.1安装环境和注意事项..................................................................................................355.4.2电源和接地..................................................................................................................355.5PLC系统的调试和运行.....................................................................................................365.5.1通电前的检查..............................................................................................................365.5.2调试运行主要过程......................................................................................................365.6PLC系统的维护.................................................................................................................365.7PLC控制系统的设计.........................................................................................................375.7.1设计内容......................................................................................................................375.7.2控制电路元气件的选用及电路图的绘制..................................................................375.7.3PLC的编程..................................................................................................................376UG有限元分析方法.................................................................................................................396.1有限元分析方法简介.........................................................................................................396.2进行有限元分析的目的和意义.........................................................................................397UG动力学分析.........................................................................................................................407.1UG运动仿真模块简介.......................................................................................................407.2如何创建运动仿真.............................................................................................................407.3波纹管成型机运动仿真.....................................................................................................408结论与展望...............................................................................................................................428.1结论.....................................................................................................................................428.2展望.....................................................................................................................................42致谢...............................................................................................................................................43参考文献.......................................................................................................................................44附录...............................................................................................................................................45波纹管成型机的设计11绪论1.1概况和发展趋势1.1.1无锡南方液压气动成套有限公司简介无锡南方液压气动成套有限公司座落于无锡高新技术开发区、公司占地面积13000平方米、生产车间约9200平方米、拥有员工180人、专业技术工人占80、各类大型、成型、加工设备100多套、其中部分设备属国内先进水平。专业生产各种国标和非标管接头、高压胶管总成、各种液压油缸、液压系统的骨干企业。产品远销美国、丹麦、意大利、日本等国家。本公司产品可适用于冶金、船舶、机床、工程机械、轻工、立体车库等行业、年销售额达5000万元。公司于2001年通过ISO90012000质量体系认证。并拥有多项自主专利产品、公司连续多年被评为市重合同守信誉企业、在广大用户中有很好的评价。公司技术力量雄厚、拥有一批高级工程师、产品设计工程师、是江南大学学生的实习基地。并广泛应用计算机辅助设计。本公司有十多年专业设计、开发、液压系统(液压站)、液压缸、管接头、高压管等产品的设计能力及丰富的制造生产经验。年生产能力液压系统1000套、液压缸20000件、高压胶管总成100000根、管接头2000000件。产品出口日本NOK、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦等国家。并为英格索兰提供全球配套等等。为武汉重型机床厂、郑州大方桥梁公司、江苏华通机械有限公司、镇江矿山机械厂、西安电炉研究所、南京金城集团、江汉石油管理局第四机械厂、上海天地岛川停车设备制造有限公司、中联重科浦沅分公司、中国船舶总公司第七零二研究所(为863计划配套7000米水下机器人的液压装置)等用户提供国内配套服务。公司本着质量第一、用户至上的宗旨、热诚为广大用户服务携手共创美好明天、共展宏图1.1.2国内波纹管的概况和发展趋势近些年来,波纹管市场发展迅速,产品产出在全国各地持续扩张,国家产业政策鼓励波纹管产业向高技术产品方向发展,国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者对波纹管行业的关注越来越密切,这使得波纹管行业的发展需求增大。波纹管作为一种仪表元件虽然已有了上百年的历史,但由于它具有结构简单、价格低廉、性能稳定、使用可靠等特点,在今天仪器仪表中仍占有重要的地位,而且它的应用范围已扩大到各个工业领域。随着企业经济的不断发展,装置中泵类设备的不断更新换代及新技术、新材料的不断应用,我们感到在多种泵类机械密封的选择中,波纹管机械密封在化工装置中越来越显示出它的优良性能。在机械密封技术上,波纹管有着突出的优点。表现为A结构简单,安装方便,适应性强,静止环具有浮动性B浮环结构设计,消除镶装环的各种应力C旋转环易于更换,修复D结构紧凑,适用于螺杆泵轴向较小的场合E旋转环、静止环法兰连接,动泄漏点少。该技术特点是无锡太湖学院学士学位论文A密封可靠,在较长时间使用中不会泄漏B使用寿命长,静环和动环高耐磨材料比旋转式密封多用半年C摩擦功率损失小D适用范围广,能用于低温、高温、高压、各种转速及各种耐腐蚀、易燃、易爆、有毒介质的密封E弹簧强度大,抗震能力强,稳定性好。大庆油田天然气分公司与有关单位共同研制和使用DBM40A1、DBM35B1等20多种波纹管机械密封,密封良好,寿命长。得到了广泛应用,并取得了显著效果。图1.1波纹管机械密封图1.2波纹管密封截止阀柴油机排气系统温度补偿器的研制,应用了新结构、新工艺,其特点是精密性和可靠性高。该产品的研究开发,将提高国产波纹补偿器的设计、工艺、装备和检测水平,并能最终替代进口的产品。而且由于金属波纹补偿器具有各种优异的性能,其应用范围与日俱增,随着先进技术的进一步推广应用,必将取得较大的社会效益和经济效益。除满足大功率高可靠柴油发动机的配套需要外,也为其他军工配套打下良好的基础。图1.3汽车排气波纹管图1.4通用型波纹管补偿器浙赣铁路九标管段共有14座公跨铁立交桥,为了争抢工期,全段公路跨线桥梁的施工由现浇变为提前预制,由于桥梁工点分散,设置了10处桥梁预制场地,共预制梁56片。公路桥梁采用箱形梁,后张法张拉,预应力孔道采用扁波纹管。从施工一开始,就得赶快研究图纸,打每一片梁都坚持检查施工质量,从钢筋数量、尺寸及波纹管的安装和混凝土浇筑、预应力张拉、压浆、封锚等各方面都不错过,但在施工过程中,还是偶尔会有波纹管孔道堵塞现象发生,一旦堵塞发生,只能对混凝土结构做开刀处理,然后嵌补,这样波纹管成型机的设计3的结果是,堵孔多了必然影响结构的质量,严重会造成质量事故。在施工中人们大多使用波纹管成孔,所以防止这种现象的发生就显得十分重要了。其实堵孔现象并不是不能避免的。从对造成堵孔的原因分析人手,人们采取了相应的措施,取得了良好的效果。波纹管已经应用到各个领域,它广泛应用于通信光电缆护套、建筑排水、市政排水农田低压灌溉等等,双壁波纹管在通讯电缆护套管领域,也基本取代了水泥管,波纹管自引进以来,其发展很快,应用领域不断扩大,管材规格也从小到大不断发展。生产厂家不断增多,设备也由全部从国外引进,到目前基本国产化,其所用原料也不断增多,从PVC到PE、HDPE、PP等。近几年来,其发展更快,生产量逐年增多,已成为塑料管材领域的一支重要力量。1.1.3波纹管成型机简介波纹成型机是生产波纹管的核心设备,由成型模具、传动系统,控制系统三部分组成。成型模具一般由3040对上下(或水平)对开的模片组成,沿一定的轨迹移动,模具闭合成圆形管子的成型腔,模具打开,使制品脱模,模具可由水或空气冷却。其成型过程为从挤出机挤出管坯在一定的水压下,经过吹胀(或真空吸附),使内外壁分别贴合在成型模具和内定径棒上成型。波纹成型机同时具有牵引管材的作用。波纹成型机有立式和水平式两种,立式波纹成型机其模具上下开合,占地面积小,结构紧凑,但模具更换较困难,特别是大口径模具的更换。水平式波纹成型机其成型模具水平开合,占地面积较大,但更换模具比立式方便得多,因比其应用更广泛。一般小口径管材,采用的是整体式模具,而大口径管材考虑到其模具重量大,更换时不方便,故一般采用托架式模具,换口径时,只需更换托架内的芯模即可,节省了模具制造成本。波纹成型机的关键就是成型模具运行轨道的确定,需先建立模具运行的数字模型,然后印出其轨迹,最后按照这一轨迹组合模具。双壁波纹管的成型方法一般有真空成型法和壁间充气成型法两种,也有同时使用这两种方法的。真空成型法是通过成型模具上的真空孔使管坯外壁靠负压作用吸附在成型模具上,其内壁靠伸出芯模的定径棒定型。这种方法生产的管子的外观质量较好,但其内外径尺寸稳定性较差,且真空孔易堵塞,造成产品外壁波纹缺陷。壁间充气成型法是在两层料坯中间通压缩空气,把管坯外壁吹胀入成型模具,同时使管内壁贴附在内定径棒上。并可根据管口径,壁原的大小来调气压。应用这种方法生产的管材。尺寸稳定性好。国内生产的波纹管成型机,一般为水平式结构,大口径管材也采用托架式模具。但受其加工设备的限制,其模具的加工精度和同一性与国外同类产品相比还有差距,在生产中机器故障较多,有时还可能造成模具运行轨道的损坏。近年来上海金纬机械制造有限公司开发了一系列大口径双壁波纹管生产线,其波纹成型机采用立式结构,由于模具的加工采用了大型加工中心生产,其同一性和精度均达到较高的水平。同时,模具采用快速冷却系统,可较大程度地提高生产速度。虽然国产的波纹成型机质量不如国外进口产品,但由于其价格比国外同类产品低很多,且其生产的管材能达到要求,故近年来国内大部分波纹管生产厂家还是采用国产生产线。故国产设备的生产厂家这几年发展较快,但还应致力提高加工水平,开发新产品,缩小与国外产品的差距。最近几年,国外研制出了模具速回转系统,即利用机械或气动搬运系统,把最后一对无锡太湖学院学士学位论文模片重新快速带回开始的工作位置。它的优点是模片数可减少,一般仅需1218对模片,在生产大口径管材时,可极大地降低波纹成型机的生产成本。图1.5波纹管成型机设备1.2课题的提出与意义近几年是波纹管发展的黄金时期,它的应用范围已扩大到各个工业领域。本课题是完成波纹管成型过程的总体设计,对该机的机械系统、液压系统和控制系统进行了全面设计。在设计中还须设计液压电控原理及程序,对于进行模具、油缸等进行结构设计以及油缸中重要零件的优化设计并做出必要的有限元分析和运动仿真。本课题使我在设计过程中,能掌握较强的实际工作经验,完成从设计到实际生产及运行调试的整个过程,这样一来就能很好的掌握机电液一体化技术,提高解决实际工作问题的能力,为以后工作打下极好的基础。1.3课题的主要内容本课题的主要内容是完成波纹管成型的总体设计。最后,将它们转化为能供指导制造、装配、安装、调试和维修用的设计图纸及各类说明书等技术文件。总之,设计的主要内容分为机械系统、液压系统和控制系统三部分。按照用户提出的完整技术要求,写出液压及电气的技术数据,并经用户确认。本设计需满足的要求如下A达到技术指标所规定的要求,满足实际工作需要。B整机机构实用,加载部件需做应力应变分析。C整个机械装置需要做运动学分析。DPLC全自动控制,要有较高的工作可靠性、安全性。E.工作安全,操作方便根据技术要求,我们需要在搞清设备工作原理的基础上,经改进设计,进行正式图纸波纹管成型机的设计5绘制。在设计中还需对现有的机构进行分析,如充分利用UG和LINGO等软件进行有限元应力分析、运动分析和优化设计。且设计液压原理图、电气原理图,主机等部件。在自动化生产软件的使用编程逻辑方面用PLC控制。因类似设备已投入生产,故我在设计过程中,可获得并掌握较强的实际工作经验。最终完成从设计到实际生产及运行调试的整个过程,这样一来就能很好的掌握机电一体化技术,提高了解决实际工作问题的能力,为以后工作打下极好的基础。尤其这几个软件的使用对以后的研究生课程有莫大的帮助和指导性的方向。在设计的时候,课本知识和实际生产经验的结合是我最想拥有的经历。期间充分利用已有的资源在搞清设备工作原理的基础上,调研工厂实际情况包括设备的调试(主要是液压部分和电控部分)以及制造过程遇到的难题和解决方案,因而形成了对设备的机械部分,液压部分,电气部分技术观念和感性认识,为改进,完善设备打下坚实基础。本课题为机电液综合设计,对本科的机械工程学生而言,已经是能够接受和有所创新地完成的项目了。而且整个设备制造技术路线清晰明了。最后在设计完成交付,并实现功能的整个流程中,学习并收获有限元应力优化设计及运动分析等先进设计方法在设计中的作用。综合机电液,加强巩固和糅合这三方面知识结构,为以后的发展打好基础。课题结束后,希望能达到锻炼设计能力,而又能熟悉如何从图纸到设备实际工作调试完成交付使用的整个过程,并经实际的动手完成真正能正常工作的设备。无锡太湖学院学士学位论文2总体方案的确定2.1设计依据本课题是对无锡市永兴金属软管有限公司波纹管成型机上所有液压元件进行综合系统的设置,以满足工厂质量控制的要求。经过与厂方代表的协商决定,该成型机能够对以下液压元件进行检测并完成相应的检测项目。A本套设计依据汽车消声器等特性设计。B本套设计以满足汽车波纹管一次成型要求设计。C本套设备以符合相关管材的规范要求设计。D本套设备的制造、检验、安装、使用均以满足设备投资少、生产易控制。2.2确定模具结构设计方案成型模具由16对水平对开的模块组成,沿一定的轨迹移动,模具闭合成圆形管子的成型腔,模具打开,使制品脱模,模具可由水或空气冷却。其成型过程为从挤出机挤出管坯在一定的水压下,经过吹胀,使内外壁分别贴合在成型模具和内定径棒上成型。波纹管成型机的关键就是成型模具运行轨道的确定,需先建立模具运行的数字模型,然后印出其轨迹,最后按照这一轨迹组合模具。2.3确定液压系统设计方案波纹管成型机的液压系统属于很典型的液压系统,利用成型机可以方便的使波纹管一次性成型。在液压系统的设计方案中,通过设置调压回路、增压回路、换向回路、进、出节流回路实现不同的目的,例如合模、分模等。高低压油泵以及控制油泵的配合使用,使得成型的效率大大提高。油推水油缸用水代替了油,除了减少污染,有利于环保以外,还方便于清洗。本公司波纹管成型机生产出的不锈钢波纹管主要用于汽车的消声器。本液压系统是无锡南方液压气动成套有限公司波纹管成型机装置机设计、制造的专用液压传动设备。该系统精选了国内外优质液压元、附件。液压回路采用了集成油路块式结构,液压系统总体结构先进、合理、可靠、易于维修。符合GB376687液压系统通用技术条件中的各项技术要求。本液压系统由于采用了开式油箱结构,所以不允许在粉尘大的恶劣环境下工作,使用时应注意经常清扫液压设备上的粉尘,以保证液压系统具有良好的散热性。所有液压阀控制回路均采用了集成油路块式结构,使本系统具有泄漏少,结构紧凑,便于维修的特点。本液压系统在工作原理上具有以下特征具有吸油滤油器,使本系统工作介质的清洁度得到有效的保证,降低系统的故障率,延长系统各元、附件的使用寿命。2.4确定控制系统设计方案传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良,容易出现故障,所以应时代之要求,需要对系统进行PLC控制。现决定采用日本三菱公司生产的FX系列PLC进行编程。可编程序控制器根据操作者的指令,完成对换向阀等元件的控制,以控制每个执行元件。可编程控制器具有很高的柔性和通用性,同时采用传统的梯形性能可靠,操作维护直波纹管成型机的设计7观、方便,具有以下特点油缸油压控制采用压力控制,因而调节方便、可靠因而调节操作简单,控制精确显示和操作采用高性能和易操作的控制面板,操作、调节、简单直观可实现手动、单动、自动等工作状态,参数范围大。当故障发生时,PLC做出相应保护措施。PLC在满足同样控制要求的情况下,又不像计算机控制系统那样复杂、难以掌握。有利于控制系统的标准化、通用化和柔性化,缩短控制系统的设计、安装和调试周期、降低测试产费用。无锡太湖学院学士学位论文3模具结构的设计3.1概述波纹管成型机生产出的波纹管主要用于汽车的消声器。模具是成型过程的主要装备,也是整个装备的重中之重。波纹管的几何形状、尺寸和精度是由成形模具来保证的。根据金属变形规律、波纹管几何形状、尺寸、精度、成形力的大小和波纹管轴向弹性回弹等,设计成形模具。除设计因素之外,波纹管很大程度上依赖于制造工艺,先进的制造工艺是提高波纹管性能和质量的重要保证。整个模具装备主要由模片、链条等部分组成。3.2设计依据A本套设计依据汽车消声器等特性设计。B本套设计以满足汽车波纹管一次成型要求设计。C本套设备以符合相关管材的规范要求设计。D本套设备的制造、检验、安装、使用均以满足设备投资少、生产易控制。图3.1波纹管成型机模具3.3设计范围及其设计方案过去双壁波纹管的直径比较小,双壁波纹成型机都采用履带式设计把成对的成型模片一对接一对地固定在同步相对循环移动的两履带上,形成一排移动中的成型模片。有的两履带水平配置,如UNICOR有的两履带上下配置,如CORMA。热熔态的外壁就在压力或真空的作用下形成波纹外管。波纹外管再和平直的内管熔接成双壁波纹管。最近的技术发展是生产双壁波纹管用成型机的梭式设计。成对的成型模片不再固定在履带上,而是沿矩形轨迹循环移动。在成型工作区,成对模片是慢速移动在离开工作区后模片沿外侧轨道快速度返回。本套设备设计的范围如前述组成部份,其间还包含了较多的项目。下面按各部件分述如下3.3.1模具的工艺分析工艺设计是一项复杂的、多层次、多任务的设计过程,它涉及的面较广,影响着工艺波纹管成型机的设计9决策的因素也很多,金属波纹管的试制涉及材料的精密塑性成形、热处理、表面处理、焊接、切削等多种工艺。根据研制的需要,对上述各工艺做出合理的设计,设计出技术上先进可行的工艺。我设计的是双壁不锈钢波纹管,内外层的钢壁都是焊接而成,但是焊缝不是在同一直线上,其成形工艺为油推水压制成形。模具由凸模与凹模2部分构成,对于同一件不锈钢制品,可设计出各种不同结构形式的压模,压模的结构形式直接关系到制品质量、模具制造成本及其使用寿命。波纹管在使用中被密封的构件有一定的工作行程,构件的最大行程和最小行程是模具充分伸张和紧合的长度。当工作压力较低时,波纹管的波褶要求深而窄对于较高的工作压力,设计时其波褶最好是圆而宽些。由于波纹管形状结构比较复杂,模具设计时要充分考虑其脱模的问题。我设计的波纹管模具由16对水平对开的模片组成,模片之间用一个个小的链条连接,沿一定的轨迹移动,模具闭合成圆形管子的成型腔,模具打开,使制品脱模,模具可由水或空气冷却。其成型过程为从挤出机挤出管坯在一定的水压下,经过吹胀,使内外壁分别贴合在成型模具和内定径棒上成型。模具伸张状态为414mm,模具紧合状态为284mm。图3.2模片3.3.2模具的结构设计3.3.2.1成型腔的设计成形波纹管部的工艺比较简单,可采用通用的模体与芯轴式型腔,但芯轴的设计是不锈钢零件成形后能否顺利脱模的关键问题。双壁不锈钢波纹管成型后,不再进行机械加工。因此,模具中形成波纹管径向及轴向定位尺寸的模具尺寸必须十分精确,其尺寸可由下式确定DA1+K式中D模具内腔尺寸,mmA波纹管尺寸,mmK材料的收缩如果设计资料中没有材料的收缩率,可先按波纹管零件尺寸设计模具内腔尺寸,试模后精确测量制品尺寸,得出材料的收缩率后再按上式重新设计模具内腔尺寸。无锡太湖学院学士学位论文我设计的波纹管模具长度的伸张状态为414mm,模具紧合状态为284mm。也就是零件长度为414mm,制品长度为284mm,而零件直径为47mm,制品直径为60mm。所以材料纵向的收缩率为K284/4140.686所以材料横向的收缩率为K47/600.783由此可以得出模具成型腔长度尺寸D28410.686479mm模具成型腔直径尺寸D6010.783107mm图3.3波纹管制品图3.4波纹管零件3.3.2.2芯轴的设计由于波纹管的形状复杂,波褶相对较深,因此给模具设计造成困难,这里的关键就是为了更好地解决脱模困难的问题。从图3.2可知,波纹管的最大直径峰径与最小直径谷径之比为1.28,对于不锈钢双壁波纹管零件而言,当峰谷比为1.2~1.5,通常采用强制脱模方式,可以设计为整体式芯轴。芯轴定位采用芯轴两端柱面周向和台阶轴向定位,在下模片的前后侧加2块定位板。由压制成形工艺可知,装模过程是在合模前先将零件放入型腔中,然后放上芯轴,上模下压,进而合模成形。上述设计的型腔只是零件成形时的型腔,零件放入后,芯轴必然会抬起,在随后的合模成型过程中才能逐步复位至最终尺寸。因此,芯轴的初始定位必须充分考虑合模过程中其位置的变化,为保证成型结束时芯轴的准确定位,将两侧的波纹管成型机的设计11定位板设计为高出下模片一定距离。另外,上下模片的定位采用简单的导正定位销定位,模片之间采用一个个小的链条联接。考虑芯轴通常在高温环境下使用,结合其使用寿命和热处理变形程度要求,芯轴选用Cr12钢,车削加工完成,调质处理3.3.2.3模头的设计目前国内外生产双壁波纹管大多采用旋转模头,旋转模头的特点是体积小,流道清洁,可以消除管材的内应力和清除管材的熔接痕。但由于双壁波纹管生产工艺的原因,其模头与生产实壁管的模头有很大区别。生产波纹管时,一方面要求模头是双流道结构,同时还受到管材内径的限制,因此,模头的内、中、外三种流道套比较薄另一方面,由于波纹管成型模块回转半径的限制,要求模头的长度很长,所以波纹管挤出模头实际上是一个很长的悬臂梁。在生产较小管径波纹管时,模头相对较小,由于悬臂而产生的挠度并不是很大,其对挤出波纹管壁厚均匀性的影响可以通过机头口模调整得以校正而在生产大口径双壁波纹管时,模头对管材壁厚分布的影响已经非常显著,常规的口模调节已无能为力。为此,采取盘式模头,使得复合模头减小了80的重量,减少了65的能耗。国内研制大口径波纹管时如果也采用类似的盘式模头显然会涉及到专利侵权问题,不过,通过改进现有双壁管模头的设计方法可以消除由于挠度给管材壁厚分布带来的影响,即逆向修正法。逆向修正法的基本原理是在设计前就计算好模头挠度的大小及其分布,在其后的设计中采用相应的逆向修正。由于逆向修正的模头形状不规则,所以必须使用数控机床加工,采用这种方法设计的模头在实际工作中口模无需调整或少调整。3.3.3模具环刚度的计算双壁波纹管一个最重要的参数是环刚度。在达到使用要求的环刚度下如何使得单位长度管材的重量最小是问题的关键,也是各国研究双壁波纹管的核心点。波纹管性能的优劣是由成型模具决定的,所以必须掌握环刚度的计算方法并有一套切实可行的计算手段才能确保成型模具的优化设计。环刚度的定义为SEI/D3其中E材料的弹性模量I管材的转动惯量D管材的有效直径。材料的弹性模量是由材料本身性能决定的,而作为设备供用商可能更关注于管材的转动惯量的研究。实壁管的转动惯量的计算已有资料给出,但关于结构壁管转动惯量的计算各国研究者都密而不谈,因为它是双壁波纹管技术的核心之核心。目前国内双壁波纹管设计人员对环刚度的影响因素知之甚少,更别说是精确计算了。很显然,如果没有一套可以实际应用的计算方法,开发国内的大口径双壁波纹管只能是一个美好愿望而已。实际上转动惯量的计算和有效直径D的确定是一个非常复杂的过程,绝不能和一些作图软件所提供的惯性矩混为一谈,以免被误导。中云集团武停启博士耗时2个多月潜心研究,现已能提供一套非常实用的双壁波纹管环刚度的计算方法,并编制成了计算机程序。采用该程序,可以快速计算出结构壁管的环刚度和相应米重,并能对双壁波纹管的设计实现优化。有了这套计算机程序,国内的设备制造商在双壁波纹管的开发方面就可以依靠自己的理论依据,而不再是对国外产品的简单跟进,中云集团已经利用这一成果开发了外径1500毫米双壁波纹管的波纹成型系统。无锡太湖学院学士学位论文3.3.4模具的加工鉴于该零件的工艺分析及设计要求,需要合理地确定模具各部分的加工工艺。对于成形波纹管部的型腔和芯轴结构,主要采用线切割配合电火花成形加工。为了便于加工操作,同时减少加工量和加工成本,最终采用先整体加工,再一分为二分开加工的方案。由于模具在工作过程中,内、外压力较大,因此模具必须有足够的强度和刚度,从成本及加工性能方面考虑,模体材料选用45碳素钢经热处理后硬度为HRC28~32。
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