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压铸机自动浇注机械手设计图
压铸机自动浇注机械手设计
压铸机自动浇注机械手
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压铸机自动浇注机械手设计目录摘要Abstract1 绪论11.1国内外发展状况11.2 机械手的组成11.2.1执行机构11.2.2驱动机构21.2.3控制系统41.3 应用机械手的意义42 总方案设计52.1原始数据52.2 工作要求52.3 系统组成52.3.1工作原理52.3.2工作过程：52.3.4各个动作时间设定：62.3.5液压系统原理图：62.3.6液压系统的特点：72.4 总体技术方案72.4.1手部83 手部结构设计93.1 手部结构93.1.1手指的形状和分类93.1.2 设计时考虑的几个问题93.2 手部夹紧液压缸的设计103.2.1夹紧力的计算：103.2.2夹紧缸的设计与计算：114 手腕结构设计144.1 手腕的自由度144.2 手腕的驱动力矩的分析144.2.1手腕转动时所需的驱动力矩145 升降，回转液压缸的尺寸设计与校核175.1 平衡装置175.2 手臂升降液压缸的尺寸设计与校核175.2.1概述：175.2.2分类：175.2.3结构：175.2.4工作原理：175.2.5结构图：185.2.6本设计选用液压缸类型：185.3 尺寸设计185.4 尺寸校核195.5 手臂回转液压缸的尺寸设计与校核195.5.1工作特点：195.5.2分类：195.5.3单叶片结构：205.5.4工作原理：205.5.5设计计算：205.6 尺寸设计205.7 尺寸校核216 总体装配图23结论：24参考文献：25致谢27附录：外文翻译28附录：外文原文40摘要机械手作为一个代表整个工业的结合体，综合利用机电液三位一体的新系统，超越各自的性能，已经成为各行各业广泛应用的代表。本文针对通用性压铸机机械手进行设计，涉及到机械手零部件的设计，回转机构，升降机构，以及液压系统的设计。并进行液压系统的设计以及动作顺序表的设计，对回转油缸的设计和校对做出了详细的计算与分析。最后利用CAD与SolidWorks分别进行二位与三维设计，目的是更加直观的看到机械手工作的特性，能够参与到实际应用中。关键词：机械手，浇注，液压系统AbstractAs a combination of the whole industry, the manipulator has become a representative of the wide application of various industries.In this paper, the design of the mechanical hand of the universal die-casting machine involves the design of the mechanical hand parts, the rotary mechanism, the lifting mechanism, and the hydraulic system design. The design of the hydraulic system and the design of the sequence table are carried out, and the design and proofreading of the rotary oil cylinder are calculated and analyzed in detail.Finally, CAD and SolidWorks are used to perform two and three dimensional design respectively. The purpose is to see the characteristics of manipulator work more directly and to automate production.Keywords: manipulator, pouring, hydraulic system.1 绪论1.1国内外发展状况我国相比较与工业起步较早的国家，在机械手方面的实力显然时不如他们的，体现在金属加工制造，材料种类，以及控制系统的设计等等，但可喜的是近年来，国家陆续发布工业4.0，以及到2025年实现工业大国的进步等等一系列措施让我们看到，虽然我们在技术方面有落户，但我们仍然在迎头赶超美英日等制造业强国，总有一天会形成我们自己的核心技术。1.2 机械手的组成机械手在机械结构上主要由控制系统，驱动控制，执行机构1这几部分组成。之间相互的关系如下图1所示：1.2.1执行机构图1（1）手部按照本设计，机械手手爪装配在与升降液压缸相连横臂的另一端。手抓内部结构有夹紧缸，铰链杆，手指杆，手指杆后连接接触面，接触面相互平行，用于夹紧工件，完成指定动作的移动。之所以叫机械手，是因为整个设计是参考人手的工作原理设计的，因此使设计者对机械手结构的设计有很多种选择，可以使自有关节的，也可以是无关节的，还可以是固定关节的，总之可以根据设计者的偏向去设计。但由于机械手不可能设计的像人手指一样复杂，可以简化为两指或者三指，考虑到设计制造的便捷，在本设计中采用两指手指设计，经实际计算是可以完成这一功能的，因此完全可以采用这个方案。（2）手臂手臂的设计可以参考设计手抓一样，根据人手臂去设计2，因此可以设计为无关节的或者有关节的。但是由于本设计的目的是要求机械手完成某一特定重量的浇包运送到指定位置，因此必须要考虑到横臂强度问题。显然多关节的设计可以增加手臂的使用灵活，但是降低了横臂的强度，不符合设计的初衷，因此选择使用无关节的设计，接下来的所有设计都是按照这个原则去设计的。机械手自由度可以分解为机身，机械手臂，手抓这三个部分的自由度3。第一部分里，机身要完成回转功能，没有各个方向的移动，因此只有一个自由度。第二部分里，手臂自有度由升降液压缸控制，只完成上升或者下降这个位移，因此有一个自由度。第三部分里，手抓要完成夹紧或放松，以及夹紧缸的伸长与回缩，因此有两个自由度。所有的机身，手臂以及手抓都是安装在躯干上的，也可以理解为，这些活动件按照设计要求装配在固定件上，完成特定功能。1.2.2、驱动机构驱动机构主要有几种：液压驱动、气压驱动、机械拖动和电气驱动4。在这里主要分析液压与气压传动的特点以及优缺点。一，优点：1.安装位置不受基座整个平面的面积限制，可根据设计与安装要求形成庞大的系统。2.在缸工作过程中可以实现无级调速，调速上下限很大。3.可以与其它电子，电气系统相互配合使用，使控制精度与安全度极大的提高。4.在液压与气压系统广泛使用的今天，各部分传动原件已有标准，这样使设计工作者可以更方便的设计满足某一特定功能的传动系统。缺点：1.机械效率低。具体体现在传动过程中能量的损耗。2.不能保持设计时的压力保持。具体体现在介质的可压缩性，空穴，泄露以及比热容变化等。3.液压缸与气压缸的制造与密封严密，这样使维修工作变得很困难，某一部分损坏以后需要成套更换，增加的使用成本。二，各自的特点：液压：1.液压传动可以在两端的一端中施加很大的压力，在油管壁满足内部压力的情况下，输出的压力可以接近理论值，这一特性可以完成大型机械设备的升降功能。2.瞬时响应快，工作过程系统运行平稳，或出现微小压力波动，具体取决于施加压力的一端。3.由于液压缸的工作介质是液压油5，因此在运行过程中可以完成对自身部件的润滑工作，但应避免液压油泄露造成工作表面的破坏。4.由于液压油的特性，液压油输送过程中存在压力损失，因此避免长距离的压力传动。5.由于液压缸的工作介质是油。而油是对工作环境和温度很敏感的介质，因此根据不同的使用环境和空间温度及时做出调整。气压：1.工作介质为空气，没有使用成本，在工作行程中进出气体不会对周围环境造成污染，可以理解为清洁绿色介质。2.与液压系统相比较有较小的压力损失6。这样便可以进行更远距离的传送压力或者介质，但要注意管路连接处的密封，因为气体泄露不容易检查到。3.与液压油相比较，可压缩性大，稳定，也就是说空气的压缩压力低，这样使整个系统的压力不会比较低。总的来说，液压与气压传动的优势是明显的7。另外我们也可以看到现在很多传动系统都是多个复杂系统的集成，既有液压也有气压，更有机械传动，还有电力拖系统等。这样系统集成的目的只有一个，完成更加复杂的控制，实现便捷操作，灵活控制，运行准确。相信在不久的将来，我们薄弱的机械加工制造业因为有了更高水准的传动系统而受益。本文设计中，它要求机械手能够比较灵活准确的抓到浇包，准确的运送的指定位置，整个运行过程不能太长。另外可以根据生产标准调节整个过程的响应时间，使生产效率提高，在当前主流的传动系统中选择液压传动。1.2.3、 控制系统控制系统的设计可以将机电结合起来完成特定功能8。可以使用PLC编程，将本设计中的升降油缸，回转油缸，夹紧油缸有机的结合起来，组合为一个整体。完成机械手的可控制性。因此最后可以达到可控性，便捷性，综合性的特点。1.3 应用机械手的意义作为一个近几年兴起的代表机械，电子，电气等行业的标志性进步的产物机械手，因能满足各个行业的使用要求，因此被广泛的应用的各个生产，运送，物流等行业中，因此接下来详细分析一下它的意义。1.提高机械加工的工业化进程机械手最初引入的根本性目的就是代替人力，让机械部件直接参与生产，流通等过程，这样做就是为了完全发挥机械特性所带来的确定性，减少了因为人力所带来的不可控性因素，提高了整个工业制造的水准，使得整个有机械手参与的流程成为一个完整的生产链。2.适应各种工作条件，避免人力的不可控整个机械行业的加工条件都不是无尘无污染无害的工作环境，会有很多复杂的工作环境，当人力直接参与这些生产，会对人身造成很大的身体伤害，而使用机械手可以代替在更加复杂的工作环境里工作，既是对人力的保护，又是对整个机械工业的发展做出实际的引用。因此，我们可以结合压铸，机械，机电等各个行业的技术于一体，形成一个优于单项系统的工作的复杂系统，获得我们想要的工作效率。2 总方案设计2.1原始数据浇包标准重量 40kg机身回转角度范围0-180度手臂升降范围200mm底座滑行距离1000mm2.2 工作要求整个机械手机身，横臂以及手抓有回转副和移动副，因此对整个机械手工作的范围相比于众多运动副的机械结构需要更小的工作空间。表1动作回转手臂上升/下降夹紧/放松底座移动运动副回转副移动副移动副移动副2.3 系统组成 2.3.1工作原理图2 2.3.2工作过程：1.1YA两位两通继电器通电，液压系统启动，3作为泄压阀保护整个系统。2.手臂前伸由螺旋丝杠控制，所以还是1YA继续带电。3.1YA失电，两位两通继电器关闭，2YA两位四通带电，液压油进入夹紧缸8，推动活塞向右运动，使夹紧缸抓住工件。4.4YA通电，四位两通电磁换向阀右移。液压油从左侧通过进入液压缸，推动活塞向下运动，活塞杆向下运动，完成手臂抬伸工作过程。5.5YA通电，液压油进入液压缸推动活塞杆向右运动，完成回转工作。6.3YA通电，电磁阀9左移，液压油从右侧进入，推动活塞杆向上运动，使手臂下降。7.2YA失电，电磁阀7左移，液压油从右侧进入，推动活塞杆向左运动，手指松开，放下工件。8.手臂后退也是由螺旋丝杠控制回到原位置。9.5YA失电，电磁阀13向左移动，液压油从右侧进入，推动活塞杆向左移动，完成机械手整体机身反向回转工作。92.3.3液压系统工作表：“+”表示带电。“-”表示失电 表2 动作电磁铁1YA2YA3YA4YA5YA空载启动+-机械手手臂前伸+-手指夹紧-+-手臂抬伸-+-机械手回转到位-+手臂下降-+-手指松开-手臂上升-+-手臂后退-反向回转到位-2.3.4各个动作时间设定：表3动作空载启动手臂前伸手指夹紧手臂抬伸回转到位手臂下降手指松开手臂上升手臂后退反向回转时间（秒）4222322223 2.3.5液压系统原理图： 图31滤油器 2定量油泵3，4电磁溢流阀 5单向阀 6减压阀 7二位四通电磁换向阀8夹紧缸 9三位四通电磁换向阀 10单向调速阀 11直控平衡阀 12升降油缸13二位四通换向阀 14回转液压缸 2.3.6液压系统的特点：1.电磁溢流阀的作用。使系统空载启动，避免因刚启动时的不稳定造成机械手的不正常工作，使用它就可以很好的避免这个问题。2.夹紧力大小的调节方式。可以通过增压阀或者减压阀来完成，在本系统中使用6减压阀来完成这一特定功能的设计。3.如何提高机械手回转的精度。在本系统设计中，采用了最简洁的梅花式联轴器，另外还可以使用齿轮啮合，蜗轮蜗杆啮合等多种方式，都可以提高精度设计。4.如何保证机械手在抓取完工件以后能够平稳的运送到指定位置。完成这一工作除了保证夹紧力大小的因素之外，还要保证，升降油缸不会有移动，因此在此系统设计中加入了直控平衡阀，目的就是能够使手臂能够平稳的将工件运送到指定位置，不会因为手臂本身及其工件的重量而使手臂下落。5.如何使整个系统作用。因为本设计是液压系统，并且由电磁换向阀，也就意味着可以使用PLC可编程控制器对整个机械手液压系统进行实时控制，极大的提高了可操控性。6.如何保证机械手回转过程中的最终位置。为了保证机械手在工作过程中越过安全线，应在实际操作中设计止动结构。当机械手因故障运动到此位置时自动停下，减少不可控因素。2.4 总体技术方案整个技术方案包含，控制系统设计，液压系统设计，液压缸部分设计，可以说，本设计将机电，机械，液压等系统相互组合，形成一个有机的可控制性系统，可以根据实际需要进行改变控制系统，让同一个机械手还能继续完成不同工作需要的结果。对于底座的移动，这里选择滚珠丝杠副，因为可以满足实际运行过程中的运行精度，这一特点可以完全满足设计要求。另外为了精确的完成实际操作，还需要以下几个要求：1.可控制性因为整个控制系统是整个液压系统能够正常工作的关键，因此，优化可编程控制系统的设计，就是间接的提高液压系统的工作精度，进而提高工作效率，提高可控制性。2.运行平稳手臂是一个独立的横臂所组成的支撑系统，运行过程中的波动会影响到位以及定位的精度3.便于维修和人工作环境不同的是，机械手可以全天不间断的高精度工作，同时随着时间的推移，磨损严重，因此需要更换磨损部件，但良好的设计方案可以为将来解决维修问题提供便捷。4.产生负面效果小工作环境我们应当尽量避免出现比较大的噪音污染，废料污染等，因此在设计过程中都应当考虑到这个问题。2.4.1手部整个机械手分为机身，手臂，手抓三个关键部位。当工作时，通过夹紧缸的压力使活塞拉动柱塞，和柱塞相互连接的铰链柱进而使手指合并，夹紧浇包，完成一个动作过程。1手臂的前后伸退部分通过底座的运动带动手臂的前伸和后退，而底座的运动方式是由滚珠丝杠副带动的。2手臂的上下升降部分手臂一端相连的是一个通孔液压缸，当液压缸的升降带动横臂绕着中间支点进行转动。3腰转部分通过一梅花联轴器传输回转液压缸的产生的机械能，改变机身的运动，进而达到机身的左右回转，或者确定的转动角度。3 手部结构设计3.1 手部结构手部结构有多种设计方式，取决于受力机构和手抓的类型，本设计采用的是夹紧缸中间连接链接机构，再接夹紧手抓。3.1.1手指的形状和分类在手指设计中，可以参考人的手部设计，可以有无关节的，两关节的，或者特殊场合使用的多关节的，总之按需要设计。在生活常用的是手抓可以在传力机构的作用下围绕着某一个指点就行转动，进而夹紧浇包，完成预定功能，但也可能手抓张开的角度受手部具体结构的影响，因此此部分需要更加精密的设计，此部分设计也算是整个设计中最困难的一部分。手抓可以根据不同的需要，通过液压系统的控制来完成不同重量的浇包的浇注工作，这才是一种理想性的设计要求。3.1.2 设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)夹紧力是保证横臂在转动或者回转过程中，浇包能够准确的运送到指定位置，在整个过程中，必须要保证浇包不能掉落或者任何微小的移动。(二)手指间应具有一定的开闭角开闭角的确定是为了保证当前所设计的机械手能够适用于不同工作条件下的浇包，依然能够继续和之前一样能够完成工作，准确的将浇包运送到指定位置，因此，手抓间的张开角能够决定以后在不同环境的上限。(三)保证工件准确定位由于本设计里浇包没有不规则形状，因此不需要特定型号的手抓，只需要平稳将浇包运送到指定位置。(四)具有足够的强度和刚度强度和刚度的设计要求是为了保证在回转以及手臂上升或者下降过程中横臂始终都能够保持平稳，这样做的目的除了保证横臂的正常工作特性外，更主要的目的是为了提高运动的精确性。因此在设计时，务必将横臂的强度和刚度作为重要特性来约束横臂的工作条件。(五)考虑被抓取对象的要求被抓取的对象是一个浇包，因此形状是特定的，按照前面的两手指设计，只需要能够抓紧不会有任何位移即可。3.2 手部夹紧液压缸的设计图4图为机械手手指夹紧部分示意图，受力如图所示，在手臂所构成的力三角里面。有整个水平方向的拉力F，有沿着手臂方向的拉力，还有垂直于工作表面的反作用力，这三个力构成了三角形力的平衡。3.2.1夹紧力的计算：夹爪和工件之间的夹紧力可按下式计算：为安全系数为工况系数，主要由惯性力决定，可以用近似公式计算因为本设计不仅仅只有水平方向的运动，还有重力方向的运动，因此，因此a为工况下向上的加速度，g为重力加速度。为方位系数 为工件在竖直方向所受的重力所以得到：由上图分析可得： 得 得 所以 当手指夹紧工件时，两接触表面互相平行，握力大小相同，方向相反，是一对相互作用力，在这里忽略掉方向问题，按标量进行计算。由于前面已经计算过了力平衡，因此只需再计算力矩平衡即可。所以由 得 因此得 上式中：a手臂回转中心到接触轴线的距离b铰链到回转中心的距离铰链与水平轴线的夹角夹紧缸处拉力在本设计里为2200N，a为150mm，b为200mm，为，理论上是无限接近0度，但是到不了0度。因此由以上公式分析可得：3.2.2夹紧缸的设计与计算：通过前面液压缸的分类及特点，本设计选择的液压缸类型为：双作用单活塞式液压缸，缩进时速度为，伸长时速度为。3.2.2.1设计结构图51缸壁 2活塞 3注销 4连接孔3.2.2.2工作特点如图所示，当带有压力的液压油从进油口进入时，推动活塞向内运动，进而拉着手抓进行夹紧浇包运送，此过程运行速度较伸长时要慢，但作用力大。3.2.2.3计算此液压缸的二维模型如图所示：图6当液压油进入无杆腔时：当液压油进入有杆腔时：这里取机械效率为0.9 情况一：情况二：因此，按标准，取标准值。4 手腕结构设计4.1 手腕的自由度手腕的作用：一端连接升降液压缸，另一端连接手抓，同时它本身在工作时可以围绕着回转液压缸上的法兰盘随着液压缸一起旋转，当然还可以通过升降液压缸的牵引上下摆动，使手抓部分摆动。因此，在设计时，横臂手腕的作用相当的重要，不可以太重，太重会使液压缸的直径加大，增加工作压力，也不可以太轻，太小会使横臂在回转时由于强度不够造成横臂摆动，影响最后定位的精度，所以合理的设计才是关键。另外手腕的旋转精度会严重的影响最后浇包的定位角度，因此要保证输送的液压油能够稳定，压力稳定，工作环境稳定，可以在后续设计中加入传感器检测这一数据，或者安装行程检测装置，都可以完成这一个工作。由分析可以得到，横臂只有绕着某一个轴的转动，因此只有一个自由度，完成回转工作可以使用回转液压缸，或者伺服电机，但是考虑到工作特点，最后选定为回转液压缸。4.2 手腕的驱动力矩的分析4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩当机械手完成一次浇包运送时，在几个工作过程中，必须要要克服回转液压缸里产生的阻力，升降油缸里面的阻力，支撑点的阻力，以及夹紧缸作用时产生的阻力，同时有横臂的自重，浇包的重量，回转时浇包和横臂的所产生的惯性力，这些力都需要考虑在内。因此力矩的计算可以按照下列公式计算： 式中: - 能够使手腕转动的力矩();- 横臂所产生的惯性力矩();- 其余部件的重量所产生的力矩().- 液压缸回转时产生的力矩();因此根据手腕受力情况，可以分析得到所需要的力矩手腕加速运动时所产生的惯性力矩10 式中:- 其余部件的转动惯量;- 工件的转动惯量。还有一种情况是，工件因为某些特殊原因不能和横臂工作轴线不在一起，则转动惯量为:式中:- 浇包重量(N)，- 浇包重心到手臂回转中心的偏心距(cm),-回转到位需要的时间(s)，2、横臂和工件对于重力随着横臂回转时所产生的力矩M偏： + ()式中: - 横臂以及其余部件的重力(N);- 横臂以及其余部件对机身中心轴的偏心距(cm)如果在转动过程中，浇包的中心经过机身的回转中心，则有：.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 ()式中: ，-旋转液压缸的内径(mm);- 可以具体查不同轴承的摩擦系数而确定根据机身在回转时所受力的分析可以得到：,得:另外由,得:式中:- 手抓的重力(N), 分别为手腕各个部分的长度.4.回转液压缸，升降液压缸，以及夹紧缸在工作时都会因为缸内活塞的运动下产生能量损失，都会受到缸壁的阻力，反向于运动方向，把这一部分定义为，由于很小，可以忽略不计。5 升降，回转液压缸的尺寸设计与校核5.1 平衡装置为了保证在机械手臂在手抓夹紧浇包回转过程中，由于机身在水平方向的移动以及升降油缸的升降都会使浇包所在端的力矩发生变化，造成横臂的波动，因此在升降液压缸这边增加一个平衡装置，目的是能够保证在横臂在回转以及升降过程中，尽量保持横臂稳定，减少不可控因素5.2 手臂升降液压缸的尺寸设计与校核5.2.1概述：升降液压缸由液压油作用，拖动活塞运动，进而使活塞杆运动，将压力能转化为机械能，与活塞杆相连的横臂可以在活塞杆的力作用下绕着支点进行转动。5.2.2分类：按结构分：柱塞式，活塞式，摆动式，组合式按作用分：单作用式，双作用式表4分类形式特点单作用液压缸双活塞两侧都有活塞杆，只能由一侧供给压力油单活塞活塞仅单向运动，回城利用自重或者外力柱塞式柱塞仅单向运动，由外力使柱塞反向运动差动可以使活塞运动速度加快，但作用力减小伸缩短液压缸获得长行程，靠外力逐渐缩回双作用液压缸双活塞两边有活塞杆，双向液压驱动，双向速度相等单活塞单边有杆，双向液压驱动伸缩双向液压驱动，由大到小逐节推出，由小到大逐节缩回11组合液压缸弹簧复位单向由液压驱动，回城弹簧复位串联用于液压缸直径受限制，长度不受限制的场合，可获得较大的推力12增压由活塞缸和柱塞缸组合而成，低压输入，高压输出齿条活塞的往复运动变成齿轮的回转运动摆动液压缸单叶片压力能变为回转机械能，输出轴摆动角小于300度双叶片压力能变为回转机械能，输出轴摆动角小于150度5.2.3结构：通常由后端盖，缸筒，活塞杆，活塞组件，前端盖等组成13。另外在缸壁与活塞的接触面虽然也液压油自身的润滑，但还是需要密封装置。在前端盖外侧还需要防尘装置。为了防止活塞在运动到终止行程时，不能撞到缸壁，还需要缓冲装置。还需要排气装置14。5.2.4工作原理：以油液作为工作介质，通过密封容积的变化来传递运动，通过油液内部的压力来传递动力15。动力部分-将原动机的机械能转换为油液的压力能(液压能)。例如：液压泵。执行部分-将液压泵输入的油液压力能转换为带动工作机构的机械能。例如：液压缸、液压马达。控制部分-用来控制和调节油液的压力、流量和流动方向。例如：压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。辅助部分-将前面三部分连接在一起，组成一个系统，起贮油、过滤、测量和密封等作用。例如：管路和接头、油箱、过滤器、蓄能器、密封件和控制仪表等。16在一定体积的液体上的任意一点施加的压力,能够大小相等地向各个方向传递.这意味着当使用多个液压缸时,每个液压缸将按各自的速度拉或推,而这些速度取决于移动负载所需的压力.在液压缸承载能力范围相同的情况下,承载最小载荷的液压缸会首先移动,承载最大载荷的液压缸最后移动.为使液压缸同步运动,以达到载荷在任一点以同一速度被顶升,一定要在系统中使用控制阀或同步顶升系统元件。175.2.5结构图：图71拉杆 2活塞杆 3活塞 4活塞圈 5进出油口5.2.6本设计选用液压缸类型：本设计选择的是，双作用液压缸双活塞杆液压缸，设定活塞双向运动速度为。185.3 尺寸设计升降液压缸活塞工作运行长度设计为=118mm,液压缸内径为=110mm, ,活塞在升降液压缸内工作时的速度，活塞行程的运行时间=0.1s,进油口压强为p=0.4MPa,则驱动力为： 5.4 尺寸校核1手腕重量等效以后估测为40kg,则有重力： 2机身回转时初步加速度，则所产生的力为： 3.轴承以及液压缸活塞在行程工作时都会产生阻力，这里设定阻力系数， 则受到的总力 由计算结果可以看到符合设计。5.5 手臂回转液压缸的尺寸设计与校核机械手整个机身的回转所采用的构件是回转液压缸，来达到整个机身的按需转动，使浇包从一侧通过机械手的旋转运动完成浇注工作。5.5.1工作特点：又称作为液压马达或者回转液压缸，可以把压力能转变为机械能，发生了能的转化。5.5.2分类：单叶片 输出轴摆动角度小于300度双叶片 输出轴摆动角度小于150度由于本设计的机械手整体机身旋转角度超过150度，所以选择单叶片回转液压缸图85.5.3单叶片结构：1动片封圈2动片3回转轴4定片5缸体5.5.4工作原理：假设图左侧为进油口，右侧为出油口。第一过程：当左侧带有压力的液压油进入左侧腔体时，由于受到2动片阻挡以及1动片封圈的密封，会使左侧腔体压力增大，作用在动片2上的压力驱使动片逆时针转动。第二过程：当左侧压力油的压力消失，此时从右侧进入右腔体的液压油压力大于左侧的，作用在动片上，驱动动片顺时针转动，同时使左侧腔体的液压油按原路返回。第一与第二过程合起来就是一个完整的回转液压缸的工作过程。5.5.5设计计算：或上式中：M 回转气缸驱动力矩（牛/米） P 回转气缸工作压力（牛/米）R 缸体内壁半径（米）b 动片宽度（米）r 输出轴半径（米）5.6 尺寸设计回转液压缸动片的工作行程长度设计为,液压缸内径为,回转轴径,回转液压缸动片运行角速度=，动片运动时的加速度时间0.1s,压强设定为, 则力矩： 5.7 尺寸校核1横臂以及其余部件的重量为,将整个部分的质量运用等效质量分析等效在一个半径为高为的圆柱体，则转动惯量： 所以：L为其余部件重量到机身轴线的距离为启动瞬时角速度，为。轴承以及液压缸活塞在行程工作时都会产生阻力，这里设定阻力系数, 驱动力矩为： 由计算结果可以看到满足设计要求。6 总体装配图经过一系列的设计与计算，最终得到的三维建模图像如下：图969结论：通过对本次通用性压铸机机械手进行设计，涉及到机械手零部件的设计，回转机构，升降机构，以及液压系统的设计。并进行液压系统的设计以及动作顺序表的设计，对回转油缸的设计和校对做出了详细的计算与分析。认识并且了解到工业机械手目前的技术状况，能对整个机械手发展的未来可以客观性的预测。最后利用CAD与SolidWorks分别进行二位与三维设计，使得可以直接让设计的假想展现出来，机身可以回转，手臂可以升降，手抓可以夹紧与放松的实现。、参考文献：1. 蔡奇善数控车床气压机械手臂的PLC控制系统科学大众（科学教育）2015-03-012. 梁小波仿人机器人双臂结构优化设计与协同作业 西南科技大学2014-01-013. 张兴国基于SolidWorks和ANSYS的五自由度关节式机械手结构设计及分析（C）2014-09-014. 邱东苑基于混合驱动多关节机械臂的控制研究 （C）上海交通大学2014-01-015. 周建军探讨如何提高机械液压缸使用寿命初探（J）中国新技术新产品2012-09-016. 王光磊五自由度液压机械手的液压系统设计与动态分析（J）2012-01-017. 梁永江液压与气压传动技术及应用探析（J）信息系统工程2013-12-018. 张兵阳机电控制系统自动控制技术与一体化设计研究（J）低碳世界2014-11-019. 陈佳基于PLC控制的多功能液压实验台的开发 （C）轮机工程2010-06-0110. 李涧青, 高长生, 荆武兴,等. 俯控式单滑块变质心飞行器控制问题J. 中国科学:技术科学, 2016, 46(10):1048.11. 肖定国. 多节伸缩式液压缸的探讨J. 液压与气动, 2005(3):61-62.12. 张国勇, 叶邦正, 任小鸿,等. 一种双向三级等推力液压油缸的设计C. 机床与液压, 2017, 45(16):131-134.13. 黄海波回转窑挡轮液压缸的改进设计及其数值分析（C）机械电子工程2009-05-0114. 张安裕双活塞串联液压缸的理论研究与设计（C）机械电子工程2014-01-0115. 吴进,陈小平闭式冷却塔在液压设备上的应用前景分析（J）机械工程师2014-07-0116. 肖来利基于液压传动“任务驱动教学”的探究新课程学习中旬）（M）2014-04-0117. 王荣成开体式挖泥船液压缸及甲板铰链的设计分析建筑工程技术与设计（J）2015-08-0118. 王成东模拟风力机载荷的电液加载装置的设计研究（C）机械电子工程2016-01-0119. 孙龙跃,张海鸥,王桂兰.面向压铸送料机械手的平面五杆机构优化设计J.机电工程技术 . 2015(10) 57-6220. 压铸机送料机械手的开发研究C. 孙龙跃.华中科技大学. 201521. Xiao Fei Wei.The Design of Pneumatic Control System for CHT Hydrolysis DeviceJ . Advanced Materials Research . 2012 (538)22. Zong Zhang. Rapid Design Platform of Gear Box Based on Modern Design Methods of Pro/EJ . Applied Mechanics and Materials . 2014 (442)23. Xiao Fei Wei,Li Sheng Zhang,Pei Jie Wang,Yan Fang. The Design of Pneumatic Control System for CHT Hydrolysis DeviceJ . Advanced Materials Research . 2012 (538)致谢首先感谢老师给我选择此题目，让我通过做此次毕业设计，看到了整个机械手行业发展的状况。在此过程中，遇到了很多问题，我会及时与同学室友沟通，不会的地方及时请教，最后比较圆满的完成了论文工作。其次，作为一次毕业设计，让我知道了自己所学的知识是很浅薄的，这对我以后对我自己的定位会有很好的认识。在未来的相关工作中，我一定虚心学习，在本专业有所深入。最后，感谢老师们对我的指导，真心希望老师接下来的工作顺利，也祝同学们前程似锦，未来生活美满。附录：外文翻译冷轧厂工作轴过早发生故障的分析澳大利亚，新南威尔士州2522，Wollongong，Wollongong大学，机械学院，材料和机械电子工程概述在本文中，对几个冷连轧机工作轴过早失效进行了调查。为了研究工作轴表面特性和破坏机理，化学成分，微观结构和轧轴材料的硬度进行了研究。已计算在工作轴剥落面积的压力，确定应力状态。在研究中，轧轴磨损和损坏的原因已经查明。对工作轴表面图像进行了研究，发现了已损坏的轧轴磨损特性的特点。人们已经发现，经营的因素和冶金缺陷将影响在冷轧带钢轧轴的使用寿命。关键词：穿；工作轴冷轧；应力分布1.介绍目前，冷轧带钢生产上的冷连轧带钢轧机或倒车的冷连轧机工作轴破坏为1非圆形变形2。应用于冷连轧，板形好，型材和平整度3,4得到控制模型的基础上。在冷连轧机工作轴发挥主导作用，使带钢的变形来实现所需的形状，轮廓和尺寸。然而，工作轴在极其恶劣的条件下运作，在经营成本的冷连轧机的最重要环节之一，是有关工作轴5。工作轴磨损的材料，变形，热凸度，氧化铁皮及带钢表面粗糙度等的影响，6-14已查处，并为混合润滑摩擦模型15。工作轴的磨损，影响热轧带钢质量和工作轴使用寿命显着。在轧钢工作轴的过程中，受高循环荷载和水平高的耐磨性。与热轧相比，冷轧钢轧制材料的抗变形能力是非常高。在轧轴咬轧轴表面受到高压力是大于10000 MPa和进一步剪应力产生摩擦16在轴/带接口。工作轴过早失效滚动不仅增加成本，而且还轧机停机时间，生产力显着影响。伪造合金钢工作轴过早失败的原因可能是操作技术和冶金轧轴因素的综合影响。经营的因素，包括轧制负荷，润滑，轧制速度，运营商的经验，如轧制参数的选择。工作轴的质量，包括非金属夹杂物的存在，铸造缺陷和相变16。在本文中，冷连轧机工作轴过早失效。作者对轴的化学成分，显微组织和硬度轧轴材料进行了审查使用收集剥落样品，并进行了拉伸试验。在剥落面积的应力状态也已确定找到的轧轴磨损和剥落损坏的原因。工作轴表面图像进行了研究，并已确定为损坏的轧轴磨损的特点。人们已经发现，冶金缺陷和运行参数的影响在冷轧带钢轧轴使用寿命。2.轧制工艺和参数图1.A2-的立场的汇接寒冷的带钢轧机。 （1）成卷 #2（2）张力计，（3）激光测速仪，（4）测厚仪，（5）支撑2，（6 ）支撑1，（7）卷取机1（8）开卷机。图1概述了2支撑的紧凑型冷轧带钢轧机的原理。热轧带钢是这四轴冷连轧机的初始原料。热轧钢卷厚度约1.5-5.0毫米，宽度和重量35吨，在900-1680毫米。前滚酸洗的热轧带钢氧化铁皮被删除。最大的酸洗速度是60米/分钟和酸浴的温度大约是70-85摄氏度。酸洗过程中不影响随后的结果。在轧制过程中采用的AGC液压控制，厚度上线控制，自动测量速度。 润滑剂使用的是quakeroln680-2-BPD。工作轴锻造铝合金钢含有约4的铬，HSC硬度为83至85。在工作轴CVC的个人资料。表1和表2显示的轧制参数和工作轴。3.结果与讨论3.1 工作轴取样其竞选期间的剥落工作轴的标本，他们被切断，并准备利用扫描电子显微镜和光学显微镜观察。表面缺陷图像被从四个不同的使用的轧轴，金属焊接，绑扎，并在他们的竞选剥落显着。所有的工作轴，用于在不同的立场。轧轴表面粗糙度，Ra，测量的工作轴轧机安装之前和之后。3.2.剥落图2（a和b）显示了被剥落工作轴工作轴缺陷的部分和在D-D轴的情况下，似乎是一条曲线，这是在轧轴表面的长度约18毫米的剥落。然而，裂纹有没有深度，根据超声波测试。然而，对轴的损害可能是在第一阶段的轧轴A.表1轧制参数纸架直径（毫米）冷轧带钢（毫米）减少（）轴分离力（kN）轧制速度（米/分）轧制长度（公里）A14491.3512403419,8908674.515B24480.8515003519,93296013.64C14491.1124028.517,6524985.139D24490.61124028.217,52867911.304表2工作轴参数轧轴化学成分（wt）粗糙度（微米）硬度（HSC）碳锰镍硅铬钼工作前工作后A0.810.360.270.403.970.510.80.72983-85B0.820.32C0.830.55D0.870.47图2.工作轴剥落。 （A）轴剥落A和 （B）轴剥落D.典型的剥落面积大小已剥落面积为1430毫米的长度，周长353毫米和85毫米深度的最大的轧轴A.测量。轧轴过早失效后，4.515公里的连轧服务就是比轧轴四轴材料的微观结构工龄进行了检查，光学显微镜，如图3所示。由此可以看出，有一个深度为75毫米硬化区的工作轴，因此所采取的微观结构的区域与中心的工作轴A.图是从轧轴表面的距离。 3（a）是一个区接近表面，（b）约在深度75毫米从表面上看，和（c）从表面深度约85毫米。可以看出，晶粒尺寸从11.5至20米不等。更重要的是，粗粮底下发现轧轴表面，这是保证最低硬化深度为85毫米少75毫米。图3.工作轴材料的微观结构。 （a）地区靠近面，（b）约75毫米的表面深度（c）表面深度约85毫米。图4.打击轴A.斯特朗试验机上进行拉伸试验与平板标本。对样品进行了削减从大剥落件从英斯特朗试验机轴A.结果表明，抗拉强度和屈服强度低于制造商的要求。图4显示了裂纹工作轴A.正常工作轴的压力和剪切应力，分别由赫兹分析计算。计算的正应力和剪应力17开发与带钢接触的结果显示在图5和图6中可以看出。图5讲的一些组件（SXX =R）和（SZZ =Z，）达成一项在表面的大值。两轴A和D是新轴。穿的工作轴或支承轴后面的个人资料可能不实际的因素，促进轧轴损坏。然而，在领先的边缘或由于折叠带钢的冷轧厚度增加一倍局部高负荷可能超过轧轴表面的剪切强度。这是有可能形成一个或多个压力裂缝，在靠近表面的地方超载领域。裂缝轴轴的方向平行，但在一个非径向方向传播（图2（b）。由于轧机扭转滚动功能，裂缝可能会逐步传播（图4）。因内部不当的微观结构（图3（b），内的工作轴表面裂纹扩展开发。因此，发生大的表面剥落。这样可以减少工作轴使用寿命显着（见图7，热轧带钢轧轴公里长度很短，工作轴前被损坏）。图5.正常讲开发与热轧带钢接触的结果图6.剪应力与热轧带钢接触的结果图7.前滚失败和表面粗糙度的冷轧带钢的长度之间的关系3.3.地带的焊接图8显示了轧制，轧机的第二站，第三遍后，将工作轴B轧轴表面上的金属焊接。坐落在热轧带钢的边缘，损害和它的面积约650毫米，宽度和周长707毫米。不正确的轴形或条状不佳，可能会导致在具体的轧制压力，这反过来又导致当地高轴表面温度。因此增加缩进形式的轧轴表面的塑性变形，甚至剥落，是造成这些超载严重的热开发的地方增加了炽裂或瘀伤。取出后由于去除轧轴表面焊接绑扎部分，工作轴可连续使用。然而，工作轴的磨损是这种情况下，具有重要意义，如图所示。与其他案件相比，7轴表面粗糙度降低显着（见轴B）。 B轴的使用寿命无明显影响，由于其连续使用。3.4.带状重去皮明亮的区域出现的形式与一个非常粗糙的表面圆周方向上工作轴面向，如图9所示。删除层厚度约0.1毫米和0.9毫米之间。它被广泛接受，带是典型的表面损伤，高铬钢工作轴时，他们使用更长的运行时间后，在相同的关键立场和位置。然而，案件发生在第一遍后运动时间短滚动轴。带起源发生交替交替热负荷超过疲劳的表面材料的剪切强度时，组合中的摩擦力。据推测，表面裂缝内主要炽裂发展和传播剪从轴，直到炽裂地区的深度。当轧轴表面局部恶化，峰值剪切力是诱导和领导到周围轴筒去皮带的发展速度非常快，导致轧轴磨损。图8.剥离工作轴的焊接图9.带工作轴图9展出的情况轴使用寿命上有重大影响力和轧轴磨损，这表明，轧轴表面粗糙度的降低在短期公里冷轧带钢长度显着（见图7，轴C）。因此，这一缺陷显着提高了轧轴磨损。4.结论本文3种在冷轧厂工作轴表面缺陷进行了调查。它的结论是讲一些组件达到在表面的大值，这可能会导致工作轴裂纹，降低使用寿命的结果。在此期间，冶金缺陷，如不当编写的微观结构，提高轧轴表面剥落材料的风险。地带焊接轧机操作不正确造成的。提高工作轴温度控制和喂养条状，可避免此类事件。捆扎是第三次在这项研究中遇到的轧轴表面损伤。据认为，更好的轧轴冷却与润滑，可减少损坏的风险，并提高工作轴使用寿命。致谢第一作者想感谢Wollongong大学大学研究生奖（UPA）的当前工作的支持。笔者也想感谢T. Silver博士的协助下，完成了这篇文章。参考文献1 P. Montmitonnet, E. Massoni, M. Vacance, G. Sola, P. Gratacos, Modelling for geometrical control in cold and hot rolling, Ironmaking Steelmaking 20 (20133) 254260. 2 J. Shi, D.L.S. McElwainand, T.A.M. Langlands, A comparison of methods to estimate the roll torque in thin strip rolling, Int. J. Mech. Sci. 43 (2014) 611630. 3 E.N. Dvorkin, M.A. Cavaliere, M.B. Goldschmit, Finite element models in the steel industry. Part I: Simulation of flat product manufacturing processes, Comput. Struct. 81 (2014) 559573. 4 Z.Y. Jiang, A.K. Tieu, X.M. Zhang, C. Lu, W.H. Sun, Finite element simulation of cold rolling of thin strip, J. Mater. Proc. Technol. 140 (2014) 542547. 5 R. Col.rez, I. Sandoval, J.C. Morales, L.A. Leduc, Damage in as, J. Ramhot rolling work rolls, Wear 230 (2011) 5660. 6 S. Iwadoh, H. Kuwamoto, S. Sonoda, Investigation about the mechanism of work roll wear at the cold rolling, J. Iron Steel Inst. Jpn. 75 (11) (2013) 20592066 (in Japanese). 7 N. Koshizuka, T. Kimura, M. Ohori, S. Ueda, H. Wanaka, Influences of microstructure on the wear resistance of high C-5Cr-V steels for work rolls in cold rolling mills, J. Iron Steel Inst. Jpn. 75 (3) (2015) 509516 (in Japanese). 8 J.J. Robinson, G. van Steden, F. ter Lingen, Effect of back-up roll wear on operation and strip shape of a CVC cold mill, Iron Steel Eng. 73 (6) (2016) 1519. 9 X.M. Zhang, Z.Y. Jiang, A.K. Tieu, X.H. Liu, G.D. Wang, Numerical modelling of the thermal deformation of CVC roll in hot strip rolling, J. Mater. Process. Technol. 130131 (2014) 219223. 10 D.-F. Chang, Thermal stresses in work rolls during the rolling of metal strip, J. Mater. Process. Technol. 94 (1) (2013) 4551. 11 S.-E. Lundberg, Evaluation of deterioration mechanisms and roll life of different roll materials, Steel Res. 64 (12) (2014) 597603. 12 C.R.F. Azevedo, J. Belotti Neto, Failure analysis of forged and induction hardened steel cold work rolls, Eng. Fail. Anal. 11 (6) (2014) 951 966. 13 G. 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Anal. 7 (2016) 5567.附录：外文原文Analysis of premature failure of work rolls in a cold strip plantHongchun Li, Zhengyi Jiang, Kiet , Tieu , Weihua SunSchool of Mechanical, Materials and Mechatronic Engineering, University of Wollongong, Wollongong, NSW 2522, Australia Technology Centre, Jinan Iron and Steel Ltd., Jinan 250101, PR China Received 12 September 2006; received in revised form 15 January 2007; accepted 18 January 2007 Available online 23 May 2007 Abstract In this paper, premature failures of several work rolls on a cold strip mill were investigated. In order to study the work roll surface feature and failure mechanism, the chemical compositions, microstructures and the hardness of roll materials were examined. The stresses in the spalled area of the work roll have been calculated, and the stress states identified. The causes for the roll wear and damage have been identified in the study. The surface images of the work rolls have been studied, and the characteristics of wear have also been characterised for the damaged rolls. It has been found that the operating factors and metallurgical defects affected the roll service life in cold strip rolling. 2007 Elsevier B.V. All rights reserved. Keywords: Wear;Work roll; Cold rolling; Stress distribution 1. Introduction At present, the cold rolled strip is produced on a tandem cold strip mill or a reversing cold strip mill where the work rolls are flattened 1 to a non-circular deformed shape 2. Based on the control models applied to the cold strip rolling, a good strip shape, profile and flatness 3,4 was obtained. In a cold rolling mill, the work rolls play the dominant role, making the strip deformation to achieve the desired shape, profile and dimensions. However, the work rolls operate under extremely arduous conditions, and one of the most important segments in operating cost of a cold mill is relevant to work rolls 5. The effects of the material, deformation, thermal crown, oxide scale and strip surface roughness, etc., on the wear of work roll 614 have been investigated, and a tribological model for mixed lubrication was developed 15. The wear of work rolls affects the rolled strip quality and the work roll service life significantly. In strip rolling process, work rolls are subject to high cyclic loading and high levels of abrasion. The deformation resistance of rolled materials is extremely high in cold steel rolling compared with that of hot rolling. The roll surface in the roll bite is subjected to high pressure that is greater than 10,000 MPa and further shear stress generated by friction 16 at the roll/strip interface. The premature failure of a work roll increases not only the cost of the rolling but also the down time of the mill, affecting the productivity significantly. The causes for premature failure of the forged alloy steel work rolls can be the combined effects of operating techniques and the roll metallurgical factors. Operating factors include the choice of rolling parameters such as the rolling load, lubrication, rolling speed, and the experience of operators. Work roll quality includes the presence of nonmetallic inclusions, casting defects and phase transformations 16. In this paper, the authors investigated the premature failures of work rolls on a cold strip mill. The chemical compositions, microstructures and the hardness of roll materials were examined using the collected spalled samples, and tensile tests were conducted. The stress states in the spalled area have also been determined to find the causes of the roll wear and spall damage. The surface images of the work rolls have been studied, and the characteristics of wear have been identified for the damaged rolls. It has been found that both metallurgical defects and operation parameters affected the roll service life during the cold strip rolling. 2. Rolling process and parameters Fig. 1. A 2-stand tandem cold strip mill. (1) Coiling #2, (2) tension meter, (3) laser velometer, (4) thickness gauge, (5) stand #2, (6) stand #1, (7) coiling machine #1 and (8) uncoiling machine. Fig. 1 schematically outlines the 2-stand compact cold strip rolling mills. Hot rolled strip was the initial feedstock for this 4-high cold mill. The hot rolled coil is about 1.55.0 mm in thickness, 9001680 mm in width and 35 tonnes in weight. The oxide scale on the hot strip was removed by pickling before rolling. The maximum pickling speed is 60 m/min and the temperature of acid bath is about 7085 .C. The pickling process does not affect the subsequent results. The AGC hydraulic control, thickness on-line control, and the automatic speed measurement were adopted in the rolling process. Quakeroln 680-2-BPD was used as a lubricant. Work rolls were made of forged alloy steel containing approximately 4% Cr with hardness from HSC 83 to 85. CVC profile was employed in the work rolls. Tables 1 and 2 show the parameters of the rolling and the work rolls. 3. Results and discussion 3.1. Work roll sampling The samples from a spalled work roll during its campaign were obtained, and they were cut and prepared for observation using the scanning electron microscope and optical microscope. Surface images of the defects were taken from the four different used rolls, which were marked by metal welding, banding and spalling during their campaign. All of the work rolls were used in different stands. Roll surface roughness, Ra, was measured from the work roll before and after being installed into the rolling mill. 3.2. Spall Fig. 2 (a and b) shows the defective portion of work rolls that were spalled on work rolls A and D. In the case of roll D, the spall seems to be a curve which is about 18 mm in length on the roll surface. However, the crack has no depth according to ultrasonic test. Nevertheless, the damage on roll D is possibly at the first stage of roll A.Table 1 Rolling parameters Roll Stand Diameter (mm)Rolled strip (mm)Reduction (%)Roll separating force (kN)Rolling speed (m/min)Rolled length (km)A14491.3512403419,8908674.515B24480.8515003519,93296013.64C14491.1124028.517,6524985.139D24490.61124028.217,52867911.304Table 2 Work roll parameters Roll Chemical composition (wt%)Roughness (m)Hardness (HSC)CMnNiSiCrMoBefore workingAfter workingA0.810.360.270.403.970.510.80.72983-85B0.820.32C0.830.55D0.870.47Fig. 2. Spalling of work rolls. (a) Spalled roll A and (b) spalled roll D. Typical size of the spalled area has been measured in the case of roll A. The spalled area is the maximum of 1430 mm in length, 353 mm in circumference and 85 mm in depth. The roll prematurely failed after 4.515 km strip rolling service that is less than the rolling service length of roll D. Microstructure of the roll material was examined by an optical microscope, as shown in Fig. 3. It can be seen that there is a 75 mm of depth of hardening zone in the work roll, so the area of the microstructure taken was with a distance from the roll surface to the centre of the work roll A. Fig. 3(a) is a region close to the surface, (b) approximately 75 mm in depth from the surface, and (c) about 85 mm in depth from the surface. It can be seen that the size of grain varies from 11.5 to 20 m. What is more, coarse grain was found 75 mm beneath the roll surface, which is less than the guaranteed minimum hardening depth of 85 mm. Fig. 3. Microstructure of the material of work roll. (a) A region close to the surface, (b) approximately 75 mm in depth from the surface and (c) about 85 mm in depth from the surface. Fig. 4. Crack on the roll A.Tensile tests were carried out on an Instron testing machine with flat specimens. The samples were cut from the large spalled pieces of the roll A. Results obtained from the Instron testing machine indicate that the tensile and yield strengths are below the manufacturers requirements. Fig. 4 shows the crack on the work roll A. The normal stress and shear stress of work roll A were calculated by Hertzian analysis. The calculated normal stress and shear stress 17 developed as a result of contact with the steel strip are shown in Figs. 5 and 6. It can be seen in Fig. 5 that some of the components of stresses (sxx = r) and (szz = z) reach a large value at the surface. Both rolls A and D are new rolls. Worn profile of either the work roll or the back up roll may not be the actual factor contributing to the roll damage. However, high local loads at leading edges or doubling of the rolled thickness due to folding strip may exceed the roll surface shear strength. It is likely that one or more pressure cracks is formed in an area of local overload near the surface. The cracks are oriented parallel to the roll axis but propagate in a non-radial direction (Fig. 2(b). Due to the reversing rolling feature of the rolling mill, cracks may progressively propagate (Fig. 4). Due to the inner improper microstructure (Fig. 3(b), crack propagation develops within the working surface of the roll. As a result, a large surface spall occurred. This can reduce the work roll service life significantly (see Fig. 7, the rolled strip kilometer length for roll A was short before the work roll was damaged). Fig. 5. Normal stresses developed as result of contact with the rolled strip.Fig. 6. Shear stresses developed as result of contact with the rolled strip.Fig. 7. Relationship between the length of rolled strip before roll failure andsurface roughness.3.3. Strip welding Fig. 8 shows the metal welding on the roll surface of the work roll B after the third pass of rolling, serving on the second stand of the mill. The damage was located at the edge of the rolled strip, and its area is about 650 mm in width and 707 mm in circumference. Incorrect roll profile or poor strip shape can result in high specific rolling pressure which in turn leads to a high roll surface temperature at the local area. Consequently increasing the plastic deformation of the roll surface in the form of indentations, or even spalling, is caused in these overloaded areas where the severe heat development adds fire cracks or bruises. After removing the banding part due to strip welding on the roll surface, the work roll can be used continuously. However, the wear of the work roll is significant for this case, as shown in Fig. 7 the roll surface roughness reduces dramatically (see roll B) compared to other cases. The service life of the roll B was not obviously affected due to its continuous usage. 3.4. Banding Heavily peeled bright areas appear on the work roll C oriented in the circumferential direction in the form of bands with a very rough surface, as shown in Fig. 9. The removed layer has a thickness of between about 0.1 and 0.9 mm. It is well accepted that the banding is typical surface damage to high chrome work rolls when they are used after a longer run time in the same critical stands and positions. However, the case of roll C happened at the first pass of rolling after short campaign times. The origin of banding occurs when alternating friction forces in combination with alternating thermal loads exceed the fatigue shear strength of the surface material. It is assumed that the surface cracks within the depth of primary fire cracks develop and propagate until the fire cracked areas are sheared away from the roll. When the roll surface is locally deteriorated, the peak shearing forces are induced and lead to a very fast development of peeled bands around the roll barrel, and cause the roll wear. Fig. 8. Strip welding on work roll.Fig. 9 Band of work roll.The case exhibited in Fig. 9 has a significant influence on the roll service life and the wear of the roll, which demonstrated that the roll surface roughness reduced dramatically in a short kilometer rolled strip length (see Fig. 7, roll C). Therefore, this defect increases the roll wear significantly. 4. Conclusions Three kinds of surface defects of the work rolls in a cold strip plant were investigated in this paper. It is concluded that some components of stresses reach a large value at the surfac
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