机械毕业设计（论文）-连铸连轧机组的取样剪切机的改进设计【全套图纸】 .doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）前言毕业设计是学生在老师的指导下综合运用所学的过的全部理论知识与实践相结合的重要实践性教学环节。通过毕业设计使学生建立正确的设计思想，初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段，从而使学生受到一次工程师的基本训练。用于将坯件剪切成规定尺寸的机械叫做剪切机，按照刀片的形状与配置以及轧件情况的不同，剪切机分为以下四类：1，平等刀剪切机。2，斜刀片剪切机。3，圆盘式剪切机。4，飞剪机。由于工况以及是在原有基础上的改进设计所限我所设计的是采用上切式剪切机，它属于第二类。由于机电一体化的不断进步，液压元件的不断应用，液压传动以其自身的优越性得到广泛应用，因而液压剪切机应用不断增加，它有以下优点：机构简单，紧凑，重量轻，制造方便；剪切时震动小，工作平稳，刀具寿命可延长；刀片的行程可以根据剪切钢板的厚度来调节，减少了空行程时间，同时可实现单次行程，连续形成，点动和中途停止反程等动作，因此易于实现单机自动化和用于流线上；最大剪切机受液压系统工作压力的限制，因此工作安全可靠，能自动防止因过载所引起的机器事故。在有如此多优点的同时，它也存在着缺点，例如剪切次数较低，较大功率的油架，液压元件易损坏，不易及时更换等等。随着液压技术的进步，设计方案的优化，这些缺点正在不断被克服，液压剪切机在连铸工艺中的应用也将不断增加。我这次设计的这台取样剪切机，由于生产的需求，以前设计的最大剪切厚度17mm已经不能满足客户的要求。所以我的目标是将其改为可以剪切20mm钢板的剪切机。在考虑到生产与经济等各个方面因素，衡量各种方案后，决定对它的机械部分进行重新改进设计，从而实现剪切目的。对于液压部分不做改动。摘要本设计说明书的题目是“连铸连轧机组的取样剪切机的改进设计”，是在乔文刚老师的悉心指导下完成的。液压剪切机有了两部分组成：机械部分和液压部分，我主要进行机械部分的设计、说明，设计过程以及各个部分的分析、计算都将在本设计说明书中做详细说明。本设计说明书阐述了连铸连轧工艺、设备及发展前景，并介绍了剪切机的运转特点、结构特征和改进设计的计算方法。其中包括剪切力和剪切功的计算、机架和销轴的受力分析、强度和刚度的验算及改进。由于个人能力的有限，此设计说明书难免存在问题和错误，希望各位参阅老师批评指正。关键词：剪切机；机架；薄板坯；力。abstractthe topic of this design is “desing and improve the hydaulic pressure shear of continuous casting”,and i completed this design with the help of mr.qiao.the hydaulic pressure shear machine concludes two parts:the machanical part and the hydaulic part.and the machanical part will be the center part in this design,analysis and calculation also will be given in detail.this book elaborates on the characteristics of the operation,of the structure and the improvement of shear machine of continuous casting.it contains calculation of the dint of the shear and the analysis of the dint of the frame and the pin the improvements.because of my personal ability is limited, it is unavoidable that there will be some problems in my design.so ,every teacher,give me critic to my design and correct them,please!key words:the shear machine;the frame;the thin slab;the forces绪论一.取样剪设计简要取样剪切机是连铸连轧设备中的一部分，作用是把生产出来的钢板剪取一部分，作为样本进行检验，看是否合格。取样剪切机属于剪切机的一种。用于将轧件剪切成规定的尺寸的机械称为剪切机，按照刀的形状与配置以及轧件情况的不同，剪切机分为以下四类：1，平行刀剪切机。这种剪切机的两个刀片是彼此平等的，通常用于横向热剪切初轧坯（方坯，板坯）和其他矩形断面的钢。2，斜刀片剪切机。这种剪切机的两个刀片中的一个相对于另一个刀片成某一角度，一般上刀是倾斜的。3，圆盘式剪切机。这种剪切机的两个刀片作成圆盘状的。4，飞剪机。这种剪切机用于横向剪切运动着的轧件。用来剪切轧件头，尾部及将轧件剪成定尺长度。我所设计的剪切机是斜刀片剪切机。按照传动方式的不同，大型剪切机可分为：电机传动式、机械传动式和液压传动式。我所设计改进的这台取样剪切机是以机械传动方式，用液压作为动力的平行四连杆机构传动的。以液压为动力可实现较大的剪切力，且容易控制，结构简单。平行四连杆机构传动可实现剪切平稳，而且效率较高。我之所以选用上切式剪切机的原因在于：上切式剪切机是钢坯剪切机中最简单的一种，其剪切机构是由最简单的曲柄滑块机构组成，下刀是固定不动的。剪切钢坯的动作由上刀架完成。而下切式剪切机在剪切钢坯时是将钢坯抬离辊道面，因而不需要升降台或摆动辊道，这类剪切机在工作过程中上下都运动，故结构上比上切式剪切机复杂。由于本设计是针对包钢薄板厂取样剪的改进设计，考虑到现有的设备及环境情况，经济条件，故采用上切式剪切机更符合现实情况。二. 取样剪切机的设计过程和参数 本设计是针对包钢连铸连轧机组的取样剪切机，其主要功能是对热轧后的的薄板坯进行取样检验。主要任务是对剪切机能力进行改进，使该剪切机的最大剪切厚度达到20mm。根据设计要求，所设计内容大致可为以下几部分：（1） 连铸连轧和取样剪切机的基本概述（2） 取样剪切机机械部分的设计计算（3） 设计综述及技术经济分析 三. 剪切机参数情况 一、基本要求：上切式斜刀片液压剪切机。二、被剪切的板坯最大断面尺寸1800x20mm。三、代表钢种：16mn四、剪切温度：900。第一章 概述我所设计的是薄板厂的取样剪切机的改进，在设计之前我们应该对其各个部件及其工作原理有所了解，同时也应该对连铸连轧生产线有一定的认识。1.1 连轧技术的发展概况轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制成钢材的生产环节。轧钢机的发展代表了轧钢技术的发展。首先是初轧机的发展，至1970年止，世界上有初轧机200多台，其中美国最多，占130台，日本42台。绝大部分为二辊可逆式轧机，开坯能力为3x108t以上。七十年代的初轧机辊道直径增大到1500mm，电机功率2x6780kw。新建初轧机具有以下特点：1）万能式板坯初轧机得到迅速发展，六十年代后新建的初轧机60%是万能式板坯初轧机。这种轧机带有立辊，可以减少轧件翻钢道次。轧制时间比方坯板初轧机减少39%;2）向重型化方向发展。轧制钢锭重量达4570t，最高年产量达500600x104t;3）提高自动化程度。从均热炉到板坯精整均已经实现自动化控制；4）提高钢坯质量是改进精整工序，采用大吨位板坯剪切机及再线火焰清理机。八十年代以来，连续铸锭技术迅速发展。连铸比将达到80%或更高。这种初轧机将不会有更大的发展，只能起到配合和初步连铸生产的作用。5）板带轧机的发展。带钢热连轧机自五十年代起在世界范围内已成为带钢生产的主要形式。1976年，全世界共有带钢连轧机150多套。年生产能力为3.5x108t，其中七十年代新建的有31套，年生产能力9000x104t。带钢热连轧具有轧制速度快、产量高、自动化程度高的特点，轧制速度五十年代为1012m/s，七十年代已经达到1830m/s。产品规格也由生产厚度为28mm,宽度小于2000mm的成卷带钢,扩大到生产厚度1220mm,宽度2500mm的带钢.带卷和坯料重量的加大和作业率的提高,使现有的带钢热连轧年生产量达350600x104t.最大卷重也由15t增加到45t.坯料尺寸及重量加大,要求设置更多的工作机组。过去粗轧机组和精轧机组的机座分别为24架和56架。现以分别增加到46架和78架，轧机尺寸也相应增加。现代的带钢热连轧除了采用厚度自动化控制外，还实现了电子计算机控制。从而大大提高了自动化水平，改善了产品的质量。冷轧钢板及带钢今年来得到较大的发展。七十年代国外带钢冷连轧机共196套，冷连轧机架出口可达2541.7%，窄薄带厚度仅0.001mm。为提高产量，冷卷卷重已经达到60t。一套冷轧机年产量可达250x104t。在带钢冷连轧机上，广泛地采用液压弯辊装置或抽动工作概念装置来改善板形。由于冷轧带钢厚度公差要求高，为了增加轧机压下装置的响应速度，在冷轧机上采用了全液压压下装置及厚度自动化控制装置，对于高速高产量的带钢冷轧机，实现了计算机控制。应该指出，自1979年开始，出现了全连续冷轧机。这种轧机只要第一次引料穿带后，就可以实现连续轧制。后续带卷的头部通过焊接机与前有带卷尾部焊接在一起，轧制后用飞剪距分卷，并由两台卷取机交替卷取带钢。全连续冷轧机即使在换辊时，带钢依然停留在轧机内，换辊后可以立即进行轧制。采用全连续冷轧机，可以提高生产率3050%，产品质量和回收率也都得到提高。1.2 连轧生产工艺及设备轧钢生产是将钢锭或钢坯制成钢材的生产环节。用轧制方法生产钢材具有生产率高，品种多，生产过程连续性强，易于实现机械化自动化等优点。轧钢生产的成品根据钢材断面的形状主要分为三类：钢板，钢管和型钢（包括线材）。其中板带材应用最为广泛，工业先进的国家钢板总产量占钢总产量的5060。板带钢按制造的方法可以分为热轧板带和冷轧板带。按用途分为锅炉板，桥梁板，造船板，汽车板，电工钢板等。习惯按产品厚度分类：中厚板：2060mm，长度可达25mm，一般成块供应；薄板：厚120mm，宽至2800mm，可剪切成定尺长度，也可成卷供应；箔材：厚10.001mm或更薄，宽度20600mm，一般成卷供应。 下面以板带生产为例介绍一下连轧生产工艺。钢坯首先要经过矫正机矫正以后进入辊道，然后进入轧钢机。轧钢机一般有45台，经过逐层轧制后，钢坯就变成需要的各种钢板，再出卷、取卷、成卷。然后被送到取样剪切机取样检验。检验合格以后再送到打捆机上进行打捆包装。这就是板带连轧生产的整个生产工艺。轧钢设备主要指完成由原料到成品整个轧钢工艺过程中使用的机械设备。一般包括轧钢机及一系列辅助设备组成的若干个机组。通常把使轧件产生塑性变形的机器称为轧钢机。轧钢机由工作机座、传动装置及主电机组成。这一机器系统称为主机列，也称轧钢车间主要设备。除了轧钢机以外的各种设备，统称为轧钢车间辅助设备。辅助设备数量大、种类多。例如，在大型轧钢车间中，有表面清理、加热、轧制、锯切和矫正等工序。在冷轧带钢车间中，有酸洗、冷轧、电解清洗、退头、平整、横切、纵切和表面镀层等工序。根据设备的用途和工作原理，常见的辅助设备分别列于下表中： 附表 常见的轧钢辅助设备 轧钢生产的发展，不仅决定了轧钢主要设备（轧钢机）速度的提高和轧制周期的缩短，也在很大程度上决定于轧钢辅助设备的不断完善和改进。轧钢辅助设备机械化和自动化程度以及生产能力的高低，直接影响着轧钢生产现代化的发展和生产率的提高。轧钢辅助设备在轧钢生产中起着十分重要的作用。1.3 连铸连轧生产线简介及改进连铸连轧是全新的短流程生产热带生产工艺，取消了加热炉区和粗轧区，由薄板坯连铸机直接浇注出50mm板坯，通过近100mm的隧道炉进入精轧机，精轧机的后续布置类似于传统热连轧。csp技术使钢带热连轧的初始投资及生产成本大为降低，仅需要建造一套电炉-连铸-热带轧机即能生产出80180万吨热轧卷，但是csp技术也存在以下缺点：薄伴坯连铸拉漏率高于常见连铸；连铸及连轧任一方的故障都将引起全线的停产；品种受到限制；产品边面质量稍差。当然这些缺点随着csp技术的不断发展逐步得到克服。目前已有许多条csp生产线在各国投产，我国也相继建成了生产线。早在二十世纪九十年代初期到中期各个公司就推出了许多的连铸连轧方案。这些公司的方案归纳起来可以分为以下三类工艺方案：薄板坯连铸机浇注出50mm或70mm通过软压下获得50mm左右带坯，通过隧道炉直接进入精轧。薄板连铸连轧浇注出90mm板坯，通过软压下获得70mm板带，经隧道炉后进行不可逆粗轧，在经保温罩或“中间加热炉”进行精轧，也可从粗轧出来后进入热板卷箱，再进精轧。中厚板坯连铸浇注出100150mm连铸坯，装入宽体步进式加热炉，出炉后通过粗轧，精轧。这三种方案各有优缺点，对生产成本（包括设备维护，热能电能消耗，生产作业率等多方面）各公司艘认为自己的方案较低，这三种方案艘在不断地发展，所以应该说他们各有优点。连铸连轧除了加热及粗轧有其特点外，其主要设备-精轧机，热输出辊卷及卷曲区设备与传统带钢热连轧基本相同，只是由于轧机速度受连铸机拉速的制约，一般不采用高速轧制及加速轧制。下面以我国的邯钢来具体说明：下图就是邯钢薄板坯连铸连轧生产线：图： 邯钢csp工艺流程示意图其中他的主要技术参数如下： 1）薄板坯连铸机 该连铸机为立弯式结构。中间包容量36t，结晶器出口厚度70mm，结晶器长度1100mm，铸坯厚度6080mm，铸坯宽度9001680mm，坯流导向长度93259705mm，铸速(坯厚70mm)低碳保证值最大4.8m/min、高碳保证值最大4.5m/min、最小2.8m/min，弯曲半径3250mm。 2）加热炉 该生产线包括两座辊底式加热炉，位于粗轧机前后。1号加热炉炉长178.8m，由加热段、输送段、摆动段、保温段组成，炉子同时具有加热、均热、储存(缓冲)的功能，可容纳4块38m长的板坯，单机生产的缓冲时间2030min，最高炉温1200，铸坯入炉温度8701030，出炉温度11001150。2号加热炉炉长66.8m，由一段构成，主要起均热、保温作用，最高炉温1150，铸坯最高入炉温度1120，最高出炉温度1130。加热炉燃料为混合煤气，烧嘴型式为热风烧嘴。3）粗轧机机为单机架四辊不可逆式轧机，其作用是将铸坯一道轧成所需坯厚。最大轧制力42000kn，工作辊尺寸880/790mm1900mm，支撑辊尺寸1500/13501900mm，主电机功率8300kw，轧出坯厚33.052.5mm。4）精轧机组精轧机组有五架四辊不可逆式轧机(f1f5)，剪机为液压曲柄连杆式，除鳞为高压水除鳞，最大轧制力为4200kn，主电机功率均为8300kw，机架间距5500mm，f5最大出口速度12.6m/s，板带厚1.220mm，板带宽9001680mm，终轧温度900950。 5）冷却区冷却方式为层流冷却，在一定时间内将带钢由终轧温度900950冷却到550650。冷却区长度为43200mm，另有一个4800mm的空冷段。最大水量约为5240m3/h，水压为0.07mpa(喷淋区水压为1mpa)。 6）卷取机卷取机为液压三辊卷板机，卷取温度一般在550650，最大卷取速度15m/s，芯轴驱动电机功率为800kw，最大卷重33.6t。1.4 剪切机的分类、特点及工艺要求剪切机按照切割装置可分为火焰切割机和机械剪切机，各有其自身的应用价值。1）火焰剪切机：它是利用氧气和可燃气体产生的火焰来切割钢板。可燃气体可有乙炔、丙炔、天然气和焦炉煤气等。多用乙炔气体，有时还需要喷射助燃物质。 火焰切割机的优点：设备轻、加工制造容易、切缝质量好，且不受温度和断面大小的限制，设备的外形尺寸小，对多流连铸机尤为适合。缺点：金属损失大、速度慢、切割时产生氧化铁、废气和热量的传递需要必要的运渣设备和通气装置，当切割短尺寸时，需要增加二次切割，消耗大量的氧和燃气。2）机械剪切：机械剪切又可分为机械剪和液压剪。机械和液压剪都是通过上下刀片做相对运动来完成钢坯的剪切，只是控制刀片上下运动的方式不同。机械剪通过电机，齿轮减速器等机械系统控制。液压剪是通过液压系统控制的。随着钢板断面的加大，机械剪所需要的动力也增大，液压剪则可减轻重量。随着液压技术的不断进步，液压剪切机应用就越来越广泛。一般步进剪切只应用于特定设备中。 机械剪的优点：剪切时间短，便于剪切短定尺。剪切时，金属损失少，操作安全可靠，劳动强度底，工作环境好，维护容易，生产成本底。由于机械剪切所具有的突出特点，机械剪切机日益增加。 剪切机还可分为上切式和下切式。上切式剪切机是钢坯剪切机中最简单的一种，其剪切机构是由最简单的曲柄滑块机构组成，下刀是固定不动的。剪切钢坯的动作由上刀架完成。而下切式剪切机在剪切钢坯时是将钢坯抬离辊道面，因而不需要升降台或摆动辊道，这类剪切机在工作过程中上下都运动，故结构上比上切式剪切机复杂。因此我在设计中采用上切式剪切机。 综合以上各种特点及应用需要，我采用液压上切式剪切机，它既能满足设计要求，又有足够的优点。第二章 液压剪切机机械部分的设计2.1 剪切钢板的过程分析钢板剪切的整个过程可以分为两个阶段：刀片压入金属和金属的滑移。压入阶段作用在轧件上的力如下图所示： 其中：h-薄板厚度b-轧件的宽度 e-压入深度当刀片压入金属时，上下刀片的作用力p组成力矩pa，此力矩使轧件沿图示方向转动，而上下刀片侧面对轧件的作用力t组成的力矩tc将力图阻止轧件的转动。随着刀片的逐渐压入，轧件转动角度不断增大，当转过一个角度后便停止转动，此时两个力矩平衡，即转件停止转动后，刀片压入达到一定深度时，力p克服了剪切面上金属的剪切阻力。此时剪切过程由压入阶段过度到滑移阶段，金属沿剪切面开始滑移，直到剪断为止。假设刀片与金属在及的接触面上单位压力是均匀分布而且相等的。即根据公式，p与t的关系为：由上面的图中的几何关系可以得到：把上式代入，得：由此可知，压入深度越大，就愈大，侧向推力t也就愈大。为了提高剪切质量，减小角，一般在剪切机上均有压板装置，把轧件压在下刀台上。图中的力q，即表示压板给轧件的力，有关文献给出了和侧向推力t的经验数据。无压板剪切时有压板剪切时从上面列出的数据可以看出，增加压板后，不仅提高了剪切质量，使剪切断面平直，而且大大减少了侧向推力t，从；而减小了滑板的磨损，减轻了设备的维修工作量，提高了设备的作业率。根据现场工况及有关文献的推荐，取侧向推力为t=0.2p。在中小型剪切机上多半采用弹簧压板，利用弹簧的变形产生所需要的压板力，在大型剪切机除了弹簧压板外，采用液压压板较多，利用液压缸的力量把轧件压住。确定压板力的原则是使压板力对剪切面处产生的弯曲力矩等于或大于轧件断面塑性弯曲力矩，根据设计部门和有关文献的推荐，压板力一般取最大剪切力的左右。在利用固定弹簧压板时，由于机构上的限制，压板力只能按最大剪切力的来考虑。在刀片压入阶段的剪切力p为 将代入上式， 滑移阶段的剪切力 其中：p-单位压力 =e/h-相对切入深度-轧件被切断面上的单位剪切阻力根据式 力p随着e的增加而将按下图所示抛物线a增加，一直增加到由式决定的金属开始沿整个断面产生滑移的数值为止。若为常数，则力p将根据式沿直线b减少，但实际上是随e的增加而减少的，因而力p将按曲线c更剧烈地减少。当切入一定深度时，轧件断裂。图2-1剪切过程可更加详细地分为以下几个阶段：刀片弹性压入金属，刀片塑性压入金属；金属滑移；金属裂纹萌生；金属裂纹扩展和断裂。热剪时，刀片弹性压入金属阶段可以忽略。在刀片塑性压入金属阶段，刀片和轧件接触面处产生宽纹现象，常给继续轧制带来困难或缺陷。金属滑移阶段开始后，宽纹现象才停止。由于热剪时金属滑移阶段较长，轧件断裂时的相对切入深度就较大。不同阶段被切轧件剪切区的应力状态是不同的，在整个过程中，剪切力也是不断在变化的。2.2 基本参数的确定斜刀片剪切机的基本参数包括两大类：一类为机构参数，即剪刃行程，剪刃长度，剪切次数，剪刃倾斜角及剪刃倾向间隙；第二类为力能参数，即剪切力，剪切功等。2.2.1 剪切机剪刃长度的确定对剪切方坯的剪切机，剪刃长度分两种情况计算：在小型剪切机上，考虑经常是同时剪切几个小断面钢坯，此时在大，中型的剪切机上，剪刃长度按下式计算对剪切板坯的剪切机，剪刃长度按下式计算mm而我所设计改进的剪切机属于第二种情况，所以按公式mm来计算，其中-被剪切板坯的最大宽度，取=1800mm。，得：mm 取mm2.2.2 剪刃倾斜角的确定剪刃倾斜角对板坯剪切质量有很大的影响，的增大会造成板坯的弯曲和变形增大，使剪切质量降低，过大，在剪切时会产生侧向推力，有可能使剪切过程不稳定，但剪切时剪切力会减小，设备重量减轻。反之减小，剪切力增大，设备总量增大，造价高。小的角，使变形和尺寸不准确性减小，有利于改善剪切质量，因此，目前斜剪刃的倾斜角趋向于取小的值，一般。为了保证剪切质量，在有的剪切机上，根据剪切板材的厚度，将倾斜角制成可调的。依据上诉原则和现有设备的情况：原取样剪刃倾斜角，考虑到剪切厚度加厚可取。2.2.3 剪切刃侧向间隙的确定剪刃的侧向间隙是影响板材剪切质量的重要因素，同时也关系到剪切力的大小及剪刃的寿命。太小会使剪切力增加，同时增加了刃口与板边的摩擦，加快了刃口的磨损。太大会使塑性材质的板坯产生毛刺，脆性材质的板坯断口粗糙。的取值同板材的机械性能及板材的厚度有关。根据工厂的实际使用情况，推荐：mm式中 h-板坯的厚度可取=0.20.6mm之间的一个值。2.2.4 剪刃行程的确定剪刃行程是剪切机最主要的结构参数，也是剪切机的特征参数。在剪切能力允许的范围内，它决定了所能剪切钢坯断面的高度。剪刃行程参数决定于钢坯断面高度，剪切终了时刀片的重合以及下刀片与辊道表面的距离等。斜刃剪剪刃行程的确定，除了考虑平行剪剪切的各种因素外，还应该考虑由于剪刃的倾斜所引起的行程增加，即的值。 其中：；h-被剪切钢坯断面的最大高度，5070mm是为了保证钢坯有一些翘头时，仍能通过剪切机的必要储备量（此时，被剪切钢坯断面应取最大断面高度）；s-上、下刀片的重叠度，可取s=525mm；j-为了避免上下刀片受钢坯冲撞，而使压板低于上刀刃的距离，取j=550mm；q-为了使轧件能顺利通过剪切机，下刀刃不被轧件磨损，使下刀低于辊道表面的距离，取q=520mm；h-剪刃倾斜引起的行程增加，可按轧件的最大宽度来计算，即mm；由于原来的取样剪切行程是240mm，故在改进的基础上剪切行程可保持不变，所以取h=240mm。2.2.5 剪切是 p及a的确定斜刃剪切机是用来剪切宽而薄的金属薄板，因而需要把剪刃作成有一定倾斜角的刀片，使剪切力降低从而使框架等的受力减小。总剪切力有三部分组成，即：式中：-纯剪切力-剪切时，上剪刃已经被切下部分金属的弯力-弯曲刃口附近金属所需的弯曲力，在剪切时由于剪刃的压力，使切口附近的金属形成凹坑。根据系列的理论推导可以得到纯剪切力的计算公式： 式中： -纯剪切力 h-板坯的厚度 -斜刀片的倾斜角由式可知，随着的增加而减少，随 的加大而加大，随h的平方关系而变化。其中由于该剪是属于冷剪，对值可用下式来确定： 其中：，-一般取；，-被剪切钢板的强度极限和延展性。将，代入上式，可以得到为：根据轧钢机械，用斜刃剪冷剪切金属时，总剪切力公式如下： 式中： -总剪切力 -纯剪切力 -材料的延伸率-材料的强度极限-，其变化规律如下图 图2-2 系数的变化规律由图可以看出当12时，z趋于0.95，所示，我们取=0.95；剪切机经常剪切的材料为合金钢、低碳钢、高碳钢。表2-1即为这几种材料的性能参数表。 y-刀片相对侧间隙，即为刀片侧间隙与钢板厚度h的比值，由上计算知道，可取=0.20.6mm之间的一个值，先假设取=0.5mm x-压板相对距离，即为压板中心距离下刀侧边缘距离c与钢板厚度h的比值， 材料名称材料牌号强度极限b mpa延展性 %普通碳素钢 a3a5 37346149060825271921优质碳素钢40455695981916普通低合金碳素钢16mn15mnv47151049054919211719合金结构钢20cr40cr834981109在进行初步计算时，可取x=10。根据公式：、，从常用性，经济性等综合比较取a5普通碳素钢，性能为、。表2-1 材料的性能参数当时，将上数据代入得：因为当刀刃变钝时，剪切力会增大，所以实际的剪切力应在计算值的基础上增加10%20%，在这我先假定取12%，即为：所以侧向推力而斜刀片剪切机的剪切功a等于剪切力p与刀片行程的乘积，即： 式中的b为钢板的宽度，所以可得剪切功a为：2.3 各部分强度和刚度的验算由于剪切厚度的加大，使剪切力增大。所以该设计的验算主要针对机架的和各个销轴强度的校核验算。对于机架而言，只要其刚度能够满足要求，它的强度就一定能满足要求，所以只需要计算它的刚度就可以了。该剪切机的机械部分是一个平行四连杆机构，平行四连杆机构通过一个三角架与液压缸连接在一起，各连接点销轴连接，由于剪切负载的加大，所以还要针对各销轴的剪切和挤压强度进行验算以及对四连杆机构中的水平连杆进行拉伸强度的验算，通过计算，保留原有满足要求的部分，对不满足设计要求的地方进行改进。2.3.1 机构自由度的确定为了使机构具有确定的运动，机构的原动件的数目应等于机构自由度的数目。本机构属于平面机构，在平面机构中，各构件只做平面运动，所以每个自由构件具有三个自由度属于平面机构，而每个平面低副各提供两个约束，每个平面高副只提供一个约束，设平面机构中共有n个活动构件，在各构件尚未构成运动副时，他们共有3n个自由度。而当构件构成运动副之后，设共有个低副和个高副，它们将提供个约束，故机构图（2-3）自由度为：在此机构中，没有高副的存在，故机构自由度为：f=37-210=1机构中，原动件只有一个，由油缸驱动的，与自由度的数目相等，故机构具有确定运动的条件。2.3.2 受力分析 剪切机总体受力简图如下图所示：图2-3 剪切机机构简图-油缸推力；-b点销轴所受的水平分力；-b点销轴所受的竖直分力；-连杆ck对节点k销轴的作用力；-连杆gd对节点g销轴的作用力；-连杆cd对节点销轴c的作用力；-连杆ed对节点d销轴的作用力；n-机架对刀的作用力。2.3.2.1 各参数的确定该剪切机的主要工作油缸为中部摆动式液压缸，通过耳轴悬挂在机架上，对于初始参数的确定应当包括角初始值及油缸的初始位置。根据油缸工作受力情况和现场维护的需要，初步设定当活塞处于油缸底部时，油缸处于竖直位置。当连杆处于如图2-3所示位置时，该位置即为初始位置；设连杆kc与上刀架平面之间的夹角为，当油缸位于竖直位置时，初始值设为，以下可以通过油缸的行程和上刀架行程来计算出。当=时，上刀架位于最上部，当时，上刀架位于最下部，由此可得： 式中：h-上刀架行程，由前面得h=240mm 可求出为：所以角的取值范围是：2.3.2.2 各点受力分析经分析认为刀片和机架为刚性体（剪切过程不考虑其弹性变形），由此推知，连接上刀架的两连杆kc和gd，两者受力相同，由于两者和水平连杆及上刀架组成平行四连杆机构，所以二者受力方向也一致。从图2-3中得出上刀架受力分析图，如下所示：图2-4 上刀架受力图n-机架对上刀架的侧向压力；f-机架对上刀架的摩擦力；-连杆kc对刀架的作用力；-连杆gd对刀架的作用力；p-轧件对上刀片作用力根据平衡条件，可得：式中，为上刀片的倾斜角，=。为上刀架与机架之间的摩擦系数，根据二者的材料和润滑状况，取由以上四式可得：由前面对斜刀剪剪切过程的分析可知：剪切力p随着剪切面积的变化而变化：如图2-5所示，当上剪刃达到图示位置时，剪切力初次达到最大值，并随后进入稳定剪切阶段，在稳定剪切阶段剪切力p保持不变。图2-5 剪切过程因角随剪切过程的深入而逐渐增大，根据上式可得知，当剪切力p刚刚达到最大值的瞬间，、达到最大值。根据上刀片的行程h，上、下刀片的重叠量 s和轧件的最大宽度估算出当、达到最大值时角的取值，确定、的最大值。图2-5所示，设上刀片由初始位置移动到该位置所移动的距离为。式中：h-上刀片行程，由前面已分析的结果得知h=240mm： -考虑由于上刀片倾斜所引起的行程增加量，由前式中已知：取s-上下刀片重叠量，一般取s=525mm；原剪切机取s=20mm，因为要切20mm的板坯，所以取s=25mm。l-斜刀片剪切机刀片长度，取l=2000mm；-轧件最大宽度，取=1800mm；-上刀片倾斜角，。将数据代入，的=125.24mm此时，角为：得出 将代入，得通过机构简图对整个机构进行受力分析，如图2-3所示：其中：-油缸推力-b点销轴所受的水平分力-b点销轴所受的竖直分力-连杆ck对节点销轴的作用力-连杆gd对节点销轴的作用力-连杆cd对节点销轴的作用力-连杆ed对节点d销轴的作用力根据力平衡原理，对节点d有：可得： ； 而所以当、达到最大值时，也可能达到最大值；而随也与成正比，所以当达到最大值时，也达到最大值。得到：2.3.2.3 油缸最大推力的确定油缸的最大负载是一个重要的技术参数，是对油缸进行设计的主要理论依据。所以要对其进行估算。油缸的最大推力可能会出现两个位置，即稳定剪切阶段的始末：第一个位置是在剪切力刚刚达到最大值的瞬间；第二个位置是在剪切力即将由最大值开始减小的瞬间，下面对这两个位置进行验算，以确定油缸的最大推力。1，当、达到最大值时的推力图2-3中，当时，连续油缸和三角架的销轴处于a点，此时，设ab与水平线夹角为；当时，即液压缸走完其余全部行程时，连接销轴处于a点，设此时ab与水平线夹角为；由前面的分析及三角架的结构可知：图2-6 三角架结构可得油缸推力对支撑点b力矩力臂的范围： 将 代入得： 如图2-7所示：abc为初始位置，为剪切力达到最大时的位置，根据图示角度关系可以得到bc边转过的角度为：图 2-7 示意图根据余弦定理可得：在中，应用正弦定理：即当剪切力刚刚达到最大值的瞬间，油缸推力的方向与竖直方向夹角为，此时，对b点取力矩为：根据平衡条件，、三力对b 点的力矩应该平衡；将代入上式得： 对三角架进行整体受力分析： 将、数值代入上两式，可以求得：2，第二个位置即剪切力即将由最大值开始减小，稳定剪切阶段即将结束的瞬间。图2-8 第二个位置示意图此时，角的取值为：由上式可得：根据第一个位置的计算方法，同理可得：如下图所示图2-9 油缸推力对b点的力臂为：再将代入式2-16，2-20可求出：、对b点取力矩：将代入式2-25中得：综上，经过对两个位置的分析和计算可知，在第一个位置时，即当、均达到最大值时，所需要的油缸推力也达到最大值。所以最终确定力能参数如下：2.3.2.4 销轴连杆强度计算校核销轴上加工有螺纹孔和油孔，现有设备的销轴的螺纹尺寸为 g1/4，管螺纹的特点是在压力越来越大时，其封闭性就会越来越好而且比较耐用，易装配，不易损坏，故可经常装卸。考虑该螺纹孔的功能是接油管对销轴进行润滑，其密封性要求较高，经查表可知， g1/4管螺纹所对应的大径d=13.158mm,小径。2.3.2.5 b点销轴强度验算该处销轴所受应力为：销轴尺寸如图2-11所示，图2-11 b点销轴油口螺纹依然是 g1/4，大径d=13.158mm，小径，故该销轴最薄弱处所受剪切强度为：式中-销轴最薄弱处的受剪切面积，；将代入式中，得该处销轴所受挤压强度为： 式中：d-销轴直径。d=120mmh-受挤压长度，根据零件尺寸，去h=200mm.将代入式中，得：该处销轴许用应力的确定：销轴材料为，参照材料30crni3mo，取其屈服极限；根据表2-2中的公式，可计算出许用值为：由前面计算已知：所以该销轴的挤压强度足够，但是剪切强度不够，要对其进行改进。考虑到该销轴的材料已经很好，按照设计指导原则：改进方案一定要经济合理；所以，采取加大半径的方案。根据式和许用应力可得：即： 为了使工作时更安全可靠，取销轴直径d=140mm,即可满足强度要求。2.3.2.6 连接油缸处销轴强度校核该销轴尺寸如图2-10所示：图 2-10 a点销轴由此可得该销轴最薄弱处的受剪切面积为：销轴受剪切强度为：挤压强度为： 式中：-销轴受剪切挤压面的直径；取=110mm；h-销轴的受压长度；取h=70mm。将以上数值代入式，则可求出挤压强度为；强度条件满足：式中-销轴材料的许用剪切应力，mpa,见本节表2-2表2-2 销轴连接处的许用应力及安全系数-销轴材料的许用挤压应力，见本节表2-2。考虑到零件的材料和受挤压长度可能不同，应取h与乘积小值为计算对象。该销轴材料为，屈服极限；因其受变化载荷，安全系数取为s=4.5，销轴许用剪切力为：许用挤压应力为：综上，可以推得：，所以，a点销轴的强度能够满足要求。2.3.2.7 e点销轴强度校核根据式可求出所受剪切应力为：所受的挤压应力为：该处销轴材料为30crnimo6v，与b点销轴的材料一致，所以其许用应力为：可推出，强度要求满足。2.3.2.8 平行四连杆销轴的验算在这四个销轴中，因原有直径大小一样，且受力情况一致，所以只需对其中一个进行校核。选择k点销轴来验算。剪切应力为：挤压应力为：销轴材料均为30 crnimo6v，与b点销轴材料一致，其许用应力为：所以有，强度要求2.3.3 水平拉杆的验算平行四连杆机构的中间水平连杆主要用来承受拉力，因剪切负载的加大，所以有必要对其进行强度校核。该连杆的形状尺寸如图2-12所示； 图2-12 水平连杆剖图其最薄弱处受拉面积:sl=100x130=13000其受拉强度为：该连杆的材料为球墨铸铁qt700-2，该材料的许用拉伸应力为根据式的结果，可知，拉伸强度满足要求，即不需要改进。2.3.4 机架刚度验算及改进措施机架受力简图如图2-13所示： 图2-13 机架受力简图图中-b处销轴对机架的水平作用力；-b处销轴对机架的竖直作用力；- e处销轴对机架的水平作用力；- e处销轴对机架的竖直作用力；n-上刀架对机架的侧压力；f-上刀架对机架的摩擦力；p-通过下刀架传到机架的作用力；-摆动油缸通过轴对机架的作用力；-油缸推力最大时，油缸的摆动角度。由前面的计算及平衡条件可得：在各点受力达到最大值各力值为机架总体受力分析：在水平及竖直方向和力矩都应平衡，最初机架的设计出发点是连接机架与地基的四个销轴仅仅承受重力或仅承受非常小的工作附加力。由此可知，下刀架与机架连接点以下不再进行受力分析。对作用点k取力矩：将数值代入以上三式，可得机架受力平衡。2.3.4.1 画机架立柱与横梁受力图将悬挂轴的立柱与机架分离，单独对其进行受力分析：右力柱受力简图如图2-14所示： 图2-14 右立柱受力简图由以上三式可得： 立柱是与机架焊接在一起的，焊缝处有转矩，但考虑到焊接面积很大，不需考虑焊接强度。列该立柱的弯矩方程：m= = = 得弯矩图：图2-15 右立柱弯矩图2.3.4.2对剩余部分的分析：由图2-13和图2-14可得： 其弯矩方程为：m= = 由以上横梁的弯矩方程可以做出它的弯矩图；如图2-16所示。 图2-162.3.4.3 进行挠曲变形计算并对不合理的地方提出改进措施。由上述计算可知，横梁的最大弯曲变形发生在段内。根据材料力学有：从而可得挠性的微分方程为： 式中： e-横梁的弹性模量i-横梁横截面的惯性矩v-横梁弯曲挠度m-横梁弯矩当时，由式所得；对上式积分得：当时，挠度最大，转角为零即：由式推出c=439863当时，将其代入式和式可得：当时，两式表示的挠度相同；所以可以推出以下等式：将代入式2-31，则可求出横梁的最大挠曲变形为：式中：e-机架横梁材料的弹性模量，gpa；机架的材料选用ht300，壁厚为3050mm，灰铸铁的弹性模量在（78.5157）gpa中选取，本设计中应当考虑最坏的情况，故取e=78.5gpa；2.3.4.5横梁截面惯性矩的计算简化后的截面形状如图2-17所式；由于该截面左右对称，所以截面的形心 c的位置在其对称轴线上，在图2-17中设立坐标系，设形心c的坐标为（）； 图2-17 横梁截面简化图根据材料力学中组合图形形心坐标的计算公式：式中和分别表示任一组成部分的面积及其形心的坐标。根据对称性可直接得出：=0根据式来计算：所以形心c的坐标为（0，233.4），形心位置确定后，使用平移轴公式分别计算出各矩形对轴的惯性局，轴是通过形心的坐标轴。 式中：-横梁截面对形心轴的惯性局；-各组成图形对各自形心的惯性局；a-组成图形形心对截面形心的距离，有正负；a-组成图形的面积。根据式分别计算出各部分对轴的惯性局；所以整个截面图形对轴的惯性局为：将e=78.5gpa=78.5x代入式，则可求出横梁最大挠曲变形为： 对于剪切机来说，横梁的上下弯曲变形对剪切过程影响并不是太大，根据技术要求，可取横梁许用弯曲变形f=0.40.8mm，考虑到计算过程中的简化和安全系数的要求，应对机架进行加强。将中间支撑板厚度由原来的40mm加到45mm。2.3.4.6 验算机架当机架在竖直方向的刚度满足要求后，最主要的关键的是要控制上刀片与下刀片之间的侧向间隙；如果机架变形过大而导致上下刀片之间的侧向间隙过大从而影响剪切过程；所以必须验算机架在水平面内垂直与刀片方向的弯曲刚度。受力情况分析：由前面对斜刀剪的剪切过程分析可知，斜刀片剪切过程与平行刀片剪切机的剪切过程主要不同点是：斜刀片剪切机剪切时，作用在刀片上的不是以被剪切钢坯全部断面来计算。因为侧向推力，而侧向推力t通过上、下刀架在导轨中的移动作用于立柱上。即上、下刀架各受力为t/2，相距离455mm，受力分析如下：t/21740=m+t/21285m=t/2455 =0.27/2 =61.425列弯矩方程m= = 在1285x段内，挠曲微分方程为：在0段内，挠曲方程为：当x=0时，代入得当x=12