单臂液压铸造机设计

摘 要 作为现代机械设备实现传动与控制的重要技术手段，液压技术在国民经济各领域得到了广泛运用。作为世界加工中心 ,我国机械工业在国民经济中的基础作用越来越明显。液压机技术水平的高低直接影响到国家机械工业的发展水平。单柱式液压机是液压机产品的一个重要组成部分 , 8000KN以下的小型锻造液压机常采用 C型单臂机架，主要用于轴类零件、型材的校正和轴套类零件的装配，也可用于板材的弯曲成型、拉伸等工艺过程。配置一定的附件式模具后可进行粉末压制成型和固型塑料的成型压制，拥有自主的液压机设计技术是使国家机械工业能在世界 竞争中取胜的重要保证 ,对其展开研究有重要的理论和实际意义。本文完成了 160KN单柱式液压机本体的设计 ,并采用二维制图软件 AutoCAD对其进行研究。论文提出了 160KN单柱式液压机的技术参数 ,拟定了机器的结构形式，着重对工作缸做了结构设计和数据计算。根据液压机设计理论完成了整体机 架结构及主要结构部件的设计与理论计算。对液压机本体的总体结构和 关键部件进行了强度计算与分析 ,主要内容包括 :结构中应力集中情况分析 ,初始设计方案修正 ,最终获得了满足强度和刚度要求的机架设计。最后利用 AutoCAD软件对 160KN单柱式 液压机总装配图及主要零部件进行了设计，完成了液压机的整体结构设。 关键词 ： 液压机；工作缸；强度 Abstract As one of the important technical means to achieve the modern machinery equipment transmission and control, hydraulic technology has been widely used in the field of the national economy. As a processing center in the world, Chinas machinery industry foundation function in the national economy is more and more obvious. Hydraulic machine technology level directly affects the development level of the national machinery industry. Single column hydraulic machine is an important part of the hydraulic machine, small forging under 8000KN hydraulic press often uses the “C” type single arm frame, mainly used for shaft parts profile correction and sleeve parts assembly, can also be used for such as tensile plate bending forming process configuration must be the attachment type of mold powder can be suppressed after molding and plastic molding repression, hydraulic machine design technology with independent is an important guarantee to make the national machinery industry can win in the international competition, the expansion has important theoretical and practical significance to study. The design of the 160KN bulk single column hydraulic machine, and the use of 2D drawing software AutoCAD to study the. This paper presents the technical parameters of 160KN single column hydraulic machine, the structure of machine, the working cylinder structure design and calculation of the data. Design and theoretical calculation of the whole frame structure and the main part of the structure was completed according to the design theory of hydraulic machine. The key components of overall structure of the hydraulic machine body and gives the calculation and analysis of the strength, the main contents include: the stress concentration analysis of structure, modify the initial design scheme, finally satisfied frame design strength and stiffness requirements. At the end of the 160KN single column hydraulic machine assembly drawing and the main parts were designed by using AutoCAD software, completed the overall structure design of hydraulic machine. Keywords: hydraulic machine； hydraulic cylinder； strength V 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 课题背景及目的与意义 . 1 1.2 液压机的发展概况 . 1 1.2.1 液压机在现代工业中的地位 . 1 1.2.2 我国液压机的现状及发展趋势 . 1 1.2.3 国外液压机的发展状况 . 3 1.2.4 液压机的总体发展趋势 . 4 1.3 液压机的工作原理和结构特点 . 4 1.3.1 液压机的工作原理 . 4 1.3.2 液压传动的优缺点 . 5 1.4 液压机的分类 . 6 2 液压机本体结构设计 . 8 2.1 液压机的结构特点及设计参数 . 8 2.1.1 液压机本体结构特点 . 8 2.1.2 160KN 液压机的设计参数 . 8 2.2 上横梁结构的设计 . 9 2.3 工作台结构的设计 . 9 2.3.1 结构形式 . 9 2.3.2 加工技术要求 . 10 2.3.3 固定模具的结构 . 10 3 液压机液压系统原理图设计 . 12 3.1 明确设 计要求，制定基本方案 . 12 3.1.1 设计要求 . 12 3.1.2 确定液压执行元件的形式 . 12 3.1.3 确定液压执行元件运 动控制回路 . 13 3.1.4 液压源系统 . 13 3.2 液压系统各液压元件的确定 . 13 3.2.1 液压介质的选择 . 13 3.2.2 拟定液压系统图 . 14 3.3 液压系统主要参数计算 . 16 3.3.1 选系统工作压力 . 16 3.3.2 液压缸设计中应注意的的问题 . 16 3.3.3 液压缸主要参数的确定 . 16 3.3.3 液压缸强度校核 . 17 3.3.4 液压缸稳定性校核 . 18 3.4 液压阀的选择 . 21 3.4.1 液压阀的作用 . 21 3.4.2 液压阀的基本要求 . 21 3.4.3 液压阀的选择 . 21 3.5 液压泵的选择 . 22 3.6 电动机功率的确定 . 22 3.7 液压管件的确定 . 23 3.7.1 油管内径确定 . 23 3.7.2 管接头 . 23 3.8 本章小结 . 23 4 液压机的强度与刚度计算 . 25 4.1 上横梁结构的强度与刚度计算 . 25 4.1.1 受力分析 . 25 4.1.2 主截面（ ）强度计算 . 26 4.1.3 主截面（ ）强度计算 . 26 4.2 本章小结 . 27 结 论 . 28 致 谢 . 29 参考文献 . 30 单臂液压制造机 1 1 绪论 1.1 课题背景及目的与意义 通过 160KN 单柱液压机设计与计算，了解液压机的结构与工作原理，掌握液压机的设计计算步骤，以及液压缸和横梁的设计与计算方法。 设计液压机的意义在于其不但具有较大的通用性，适用于塑性材料的成形如簿板件的落料、拉伸、压印等；轴类件的校正；零部件的压装；粉末制品的压制。还具有点动、手动和半自动等操作方式，可按工艺需要任选定时或定位控制，压力和行程可调，操作灵 便、工作可靠。 1.2 液压机的发展概况 1.2.1 液压机在现代工业中的地位 流体传动与控制技术的主要代表液压技术自上世纪初面世以来，即“融合”到装备制造业中，成为其一个十分重要的基础领域，同时，液压技术将装备制造业作为其主要的应用领域，曾经引领着装备制造业一系列的技术进步 8。因此液压技术对装备制造业而言，从来就有着较强的推动和影响作用，对装备制造业等诸多领域有着前置和后置效应，扮演着重要而关键的角色。 21 世纪初，中国装备制造业得益于国民经济持续发展的历史机遇，在诸多领域取得了重要的发展和技术进步，其 中中国液压技术也扮演了重要的角色，并反映了它与时俱进的技术进步 5。 液压机是利用液压传动技术进行压力加工的设备。它与机械压力机相比，具有压力和速度可在广泛的范围内无级调整，可在任意位置输出全部功率和保持所需压力，结构布局灵活，各执行机构动作可很方便地达到所希望的配合关系等等很多优点。同时液压元件具有高度的通用化、标准化特点，设计及制造均较为简单，所以液压机在国民经济各部门得到了日益广泛的应用 15。 1.2.2我国液压机的现状及发展趋势 我国液压机的现状 :我国液压技术的发展始于 20 世纪 50 年代，最初主 要应用于机床和锻压设备上； 20 世纪 60 年代，我国从国外引进了一些液压元件生产技术，同时自行设计开发出了液压产品； 20 世纪 80 年代初期，我国又从美国、日本、德国引进了一些先进的技术和设备，是我国的液压技术水平有了很大的提高。目前，我国的液压元件已从低压到高压形成了系列产品，并开发生产出了许多新型的液压元件；在精度、重载大型设备的液压系统中，国产元件的应用也越来越多；行走机械液压系统中的专用液压元件也在大力开发。液压技术在我国经济建设和社会发展中将发挥越来越大的基础性和关键性的支撑作用16。下图 1.1 是滕州 机械厂生产的单臂液压铸造机。 无锡太湖学院 学士学位论文 图 1.1 滕州机械厂生产的单臂液压铸造机 1.2.2.2 发展趋势 1.板材加工设备： 进入 21 世纪，我国的汽车制造业飞速发展，面对这一形势，我国的板材加工工艺及设备有了长足的发展。 (1) 重型机械压力机及覆盖件生产线、大型多工位压力机 单机连线自动化冲压生产线； 大型多工位压力机 (2) 数控板冲、剪、折机床及柔性加工生产线 数控冲床； 数控冲剪复合机及柔性加工线； 数控折弯机 (3) 板材无模多点成形压力机 (4) 高速压力机 (5) 数控激光切割机 2.大重型锻造装备： (1) 水锻机 (2) 热模锻压力机 (3) 大吨位螺旋压力机 (4) 大型弯曲校正设备 3.特种锻造设备： 单臂液压制造机 3 (1) 特种轧制设备 辊锻机； 楔横轧机； 控辗环机 (2) 摆动辗压机 (3) 冷挤压机 (4) 数控弯管机 1.2.3 国外液压机的发展状况 美国、德国、日本的汽车工业如此发达，得益于其塑性加工技术及装备的领先地位。当前的世界塑性加工技术及装备向以下几个方面发展： 1.金属塑性成型设备及自动化 (1) 冷冲压设备 单机联线自动化； 大型多工位压力机 (2) 锻造设备 2.高速化复合化相结合，提高设备加工效率 在追求高速化加工的同时，还必须尽可能缩短生产辅助时间，以取得良好的技术经济效益。在数控压机上配备伺服电机驱动的三坐标上下料装置，可使冲压中心实现高效板材加工。 3.设备控制系统的发展趋势 具有现场通信网络、现场设备互联、互动操作性、分散功能模块、开放式互联网络的现场总线技术，是压力机控制技术的发展方向，对实现自动化具有明显的推动作用 6。 4.注重环境保是当今世界性的潮流 许多国外技术塑性成型设备愈来愈重视环保问题，如在数控转塔压力机上，工作台普遍 采用柔性的尼龙刷支撑代替传统的滚珠支撑，以减少噪声污染；变速压机实现快速下降，慢速冲裁工件，快速回程，使振动和噪声大大降低。特别是欧洲市场，已基本贯彻 ISO14000系列标准，金属塑性成型设备必须通过 CE 认证 1。图 1.2 是美国生产的单臂液压铸造机。 无锡太湖学院 学士学位论文 图 1.2 美国生产的单臂液压铸造机 1.2.4 液压机的总体发展趋势 液压机是材料成型设备中的重要一员，在现代化工业生产中有着举足轻重的地位，其发展趋势也倍受关注。 20 世纪 60 年代以后，金属塑性成型设备改变了从 19 世纪开始的向重型和大型方向发展的趋势。 近 年来，随着电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术的不断发展和进步，随着新工艺、新材料技术的不断出现，液压技术也在不断的发展创新，液压技术在工农业生产及国防工业中占有举足轻重的地位。目前，液压技术正朝着高压、高速、大功率、高效率、低噪声、节能高效、环保、小型化及轻量化等方向发展；同时，液压系统的计算机辅助测试、计算机实时控制、机电一体化技术、计算机仿真和优化设计技术、可靠性研究及污染控制等，也是当前液压技术发展和研究的一个重要方向 16。 1.3 液压机的工作原理和结构特点 1.3.1 液压机的工作原 理 液压机是一种以液体为介质用来传递能量以实现多种锻压工艺的机器。 液压机是根据帕斯卡原理制成，其工作原理如图 1.3 所示。两个充满液体具有柱塞的封闭容腔由管道相连通，当柱塞 1 上作用有力 P1 时，液体的压强为 p=P1/A1,A1 为柱塞 1的横截面积。根据帕斯卡原理：在密闭容器中液体压力在各个方向上完全相等，压强 p 将传递到容腔内的每一个点，大柱塞 2 上将产生向上的作用力 P2，使工件 3 变形，且 P2=P1(A2/A1) 式中 A2 柱塞 2 的横截面积。 单臂液压制造机 5 液压机一般由本体（主机）及液压系统两部分组成 2。 图 1.3 液压机工作原理 图 1.4 液压机本体结构图 1-小柱塞 2-大柱塞 3-工件 1-上横梁 2-立柱 3-下横梁 4-回程缸 5 工件 6-回程柱塞 7-活动横梁 8-工作柱塞 9-工作缸 最常见的液压机本体结构见图如图 1.4 所示。它由上横梁 1，下横梁 3，四个立柱 2 和16 个内外螺母组成一个封闭框架，框架承受全部工作载荷。工作缸 9 固定在上横梁 1 上，工作缸内装有工作 柱塞 8，它与活动横梁 7 相连接，活动横梁以 4 根立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动，活动横梁下表面一般固定有上模，而下模则固定于下横梁 3 的工作台上。当高压液体进入工作缸并作用于工作柱塞上时，产生了很大的作用力，推动柱塞，活动横梁及上模向下运动，使工件 5 在上、下模之间产生塑性变形。回程时，工作缸通低压液体，高压液体进入回程缸，推动回程活塞 6 及活动横梁向上运动，回到原始位置，完成一个工作循环。 液压机的工作循环一般包括停止、冲液行程、工作行程及回程。上述的不同行程是由操纵系统控制液压系统中各种功能的阀门动作来实现 的。 液压机的液压系统包括各种高低压泵、高低压容器（油箱、冲液罐、蓄势器等）、阀门及相应的连接管道等。其传动方式可分为泵直接传动和泵 -蓄势器传动两种 15。 1.3.2 液压传动的优缺点 液压传动系统与机械传动、电气传动等系统相比，具有如下主要优、缺点 16。 优点： (1) 液压传动借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这比机械传动优越 (2) 液压传动装置重量轻、结构紧凑、惯性小。 (3) 可在大范围内实现无级变速。 (4) 传递运动 均匀平稳，负载变化时速度较稳定。正因为此特点，金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。 (5) 液压装置借助于设置溢流阀等易于实现过载保护，同时液压件能自行润滑，因此无锡太湖学院 学士学位论文 使用寿命长。 (6) 液压传动容易实现自动化。 液压元件以实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和推广应用。 缺点： (1) 液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间很难避免漏油等因素，同时油液又是可以压缩的，因此使得液压传动不能保证严格的传动比。 (2) 液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体黏度变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环 境下工作。 (3) 为了减少泄露，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。 (4) 液压出动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。 (5) 液压系统发生故障不易检查和排除。 (6) 由于采用油管传输压力油，距离较长，沿程压力损失大，故不宜远距离输送动力。 1.4 液压机的分类 液压机有如下几种分类方法 2： (1) 按传递压强的液体种类分类：可分为油压机和水压机两大类。 (2) 按机身结构形式分类： 可分为梁柱式（如三梁四柱式）、单臂式（ C 型）、框架式和卧式等。 (3) 按工艺用 途分类： 可分为如下几种： 铸造 液压机：用于自由锻造、钢锭开坯以及有色与黑色金属模锻； 冲压液压机： 用于各种板材冲压，其中有单动、双动等结构形式； 一般用途液压机：如各种万能式通用液压机； 校正压装液压机：用于零件校形及装配； 层压液压机：用于胶合板、刨花板、纤维板、绝缘材料板、等的压制； 挤压液压机： 用于各种有色金属和黑色金属的线材、管材、棒材及型材挤压； 压制液压机：用于粉末冶金、塑料制品压制成型； 打包、压块液压机：用于将金属切屑及废料的压块与打包； 手动液 压机：一般为小型液压机，用于试压、压装等要求力量不大的手工工序。 (4) 按活动横梁的运动方式分类 可分为： 压式液压机：该类液压机 的工作缸安装在机身上部，操作方便，容易实现快速下行，应用最广； 双动式液压机：上活动横梁分为内、外滑块，分别由不同的液压缸 驱动，压 力为内外滑块压力的总和。工作方式灵活，适合 金属板料的拉伸成型，在汽车制造业应用广泛； 下拉式液压机 ：该类液压机的工作缸装在机身下部，重心位置较低，稳定性好，制品可避免漏油污染； 单臂液压制造机 7 (5) 按传动形式分类 可分为： 泵直接传动液压机：每台液压机单独配备高压泵，中小型液压机多为这种传动形式； 泵 -蓄势器传动液压机：高压液体采用集中供应的办法，可节省资金，提高液压设备的利用率，但需要高压蓄能器和一套中央供压系统，以平衡低负荷和负荷高峰时对高压液体的 需要。 无锡太湖学院 学士学位论文 2 液压机本体结构设计 2.1 液压机的结构特点及设计参数 液压机的本体是液压机的两大组成部分之一，一般由机架、液压缸部件，运动部分及其导向装置所组成 14。 2.1.1 液压机本体结构特点 液压机本体结构最显著的特点是工作空间宽敞、便于四面观察和接近模具。整机结构简单，工艺性较好，但立柱需要大型圆钢或锻件。 液压机最大的缺点是承受偏心载荷能力较差，最大载荷下偏心距一般为跨度（即左右方向的中心距）的百分之三左右；由于立柱刚度较差，在偏载 下活动横梁与工作台间易产生倾斜和水平位移；同时立柱导向面磨损后不能调整和补偿。这些缺点在一定程度上限制了它的应用范围 13。 2.1.2 160KN液压机的设计参数 主要技术规格是表述机器工作性能的指标。通常包括以下部分：第一，主要规格，又称主参数，它是表示液压机主要特性的参数。第二，各执行机构各工艺动作的压力。第三，工作空间，包括各执行机构固定模具的工作表面对主机工作台面的最大距离和最小距离、工作台尺寸等。第四，各工艺动作的速度。第五，机器外形尺寸、总功率和总重量。设计模型如图 2.1 图 2.1 设计 模型 本设计为 160KN 单柱液压机，其主要技术规格为： 1.公称压力： 160KN 2.液体最大工作压力： 13MPa 3.操纵方式：电 动 4.压头距下工作台最大距离： 500mm 5.压头最大行程： 350mm 6.压头下行最大速度： V 下 MAX =50mm/s 单臂液压制造机 9 7.压头回程最大速度： V 回 MAX=100mm/s 8.喉深： L0=300mm 9.工作台尺寸 (左右前后 )： 600 500mm 10.工作台距地面高度： 710mm 11.落料孔孔径： 100mm 12.满负载时允许变形： 1 mm 2.2 上横梁结构的设计 上横梁位于整机的上部，用于安装工作缸，承受工作缸的反作用力，亦可安装回程缸及其他辅助装置。 对于中小型液压机，其结构形式有：铸造及焊接两种 1。 本设计为 160KN 单柱液压机，上横梁采用焊接结构，材料为 Q235，其结构形式如图2.2 所示。 不论采用铸造或焊接形式的上横梁，都应进行必要的热处理，消除其内应力。 上横梁结构无论采用铸造或是焊接形式，都应尽可能设计成上、下封闭的箱式结构，以便受力后使应力分布较合理 9。 图 2.2 焊接上横梁结构图 2.3工作台结构的设计 2.3.1 结构形式 工作台是 主机的安装基础，台面上固定模具，工作中承受机器本体的重量及全部载荷。无锡太湖学院 学士学位论文 亦可安装顶出缸，回程缸及其他辅助装置。 本设计为 160KN 单柱液压机之工作台，采用铸造结构，材料选用生铁。中间的孔为卸料孔，其结构如图 2.3 所示。 图 2.3 工作台结构 2.3.2 加工技术要求 工作台是整机的基础性零件，是安装模具的基准。此外，在工作台上还要安装顶出缸和其他零部件。因此，对工作台面的不平度、各部件安装定位基面均应有必要的技术要求12。根据生产情况，具体要求为： (1) 工作台台面不平直度，按 JB293-73 标准允差 0.05/1000mm。 (2) 安装顶出缸孔的轴线与顶出缸台肩贴合平面间不平行度允差小于 0.03/300mm。 (3) 顶出油缸台肩之贴合面与工作台面间不平行度允差小于 0.05/300mm。 (4) 立柱锁紧螺母之贴合平面与工作台台面间不平行度允差小于 0.16/300mm。 (5) 立柱孔尺寸一般比立柱插入端