多向模锻液压机设计（含全套CAD图纸） .pdf

多向模锻液压机设计 i 摘 要 本设计为中小型多向模锻液压机 最大工作负载设计为 8mn 主机主要由 上梁 导柱 工作台 移动横梁 主缸 顶出缸 水平梁 水平缸等组成 本文 重点介绍了机械及液压系统的设计 通过具体的参数计算及工况分析 制定总体 的控制方案 为解决缸快进时供油不足的问题 顶部设置补油油箱进行补油 缸 的速度换接与安全行程限制通过行程开关来控制 为了保证工件的成型质量 液 压系统中设置保压回路 通过保压使工件稳定成型 为了防止产生液压冲击 系 统中设有泄压回路 确保设备安全稳定的工作 此外 对重要液压元件进行了结 构 外形 工艺设计 对部分液压元件进行了合理的选型 控制系统的设计 它 包括 plc 的选型与程序设计 关键词 多向模锻液压机 机械设计 液压系统 可编逻辑控制器 多向模锻液压机设计 ii abstract this paper design for the multi forging of hydraulic the mainframe s largest work load design for 8000kn mainframe mainly by the beam guided worktable mobile beams master cylinder level cylinder cylinder head out of components etc this paper focuses on the machine and hydraulic system design through analyzing specific parameters and hydraulic mechanic situation to formulate a master control project to solve the cylinder express entered the shortage of oil supply in the top of the mainframe installed oil tank cylinder for the speed of access restrictions and security through the limit switch to control switches to ensure the quality of the work piece molding the hydraulic system equipped with packing loop through packing work piece stability molding to prevent hydraulic shocks pressure relief system with a loop to ensure that this equipment can be a safe and stable work in addition the paper hydraulic station on the overall layout of the key components of the hydraulic structure shape process technique for a specific design the design of control system this part include choose the type of plc and design the program keywords multi forging of hydraulic machine design of machinary hydraulic system programmable logic controller 多向模锻液压机设计 iii 目录 1 绪论 1 1 1 液压机行业概要 1 1 2 多向模锻的优缺点及发展方向 3 2 机械总体设计 4 2 1 多向模锻压机主要技术参数 4 2 2 多向模锻液压机的基本工作原理 4 2 3 总体布局方案的拟定 5 2 4 液压机设计 6 2 5 立柱设计 15 2 6 上横梁设计 16 2 7 下横梁工作台的设计 17 2 8 活动横梁设计 19 2 9 水平梁的设计 19 3 液压系统设计 20 3 1 液压机主缸工况分析 20 3 2 液压机水平缸工况分析 21 3 3 液压机顶出缸工况分析 21 3 4 液压系统方案的设计 22 3 5 液压系统控制过程分析 23 3 6 液压系统的计算和选择液压元件 24 4 plc 控制系统设计 31 4 1 传感器的选择 31 4 2 位置检测装置 31 4 3 控制系统 plc 的选型及控制原理 32 4 4 plc 种类及型号选择 32 4 5 plc 程序设计 33 参考文献 36 致谢 37 多向模锻液压机设计1 1 绪论 1 1 液压机行业概要 液压机发展史 1795 年 英国人 bramah 取得了第一个手动液压机的专利 但真正的液压机的发展历史不到 200 年 近些年来 7000kn 10000kn 12000kn 的液压机相继问世给工业带来了巨大的效益 1884 年在英国曼彻斯特 首先使用了锻造钢锭用的锻造水压机 它与锻锤相比具有很多优点 运动部分不 必那么重 震动又小 因此发展很快 在 1887 1888 年间 制造了一系列的锻造 水压机 其中包括 40000kn 的大型水压机 到 1893 年 当时最大的 120mn 锻造水压机 大钢锭的锻造工作全有锻造水压机来完成 19 世纪晚期到 20 世纪 资本主义发展到帝国主义除段 由于军备扩张 锻造和模锻液压机有了很快发 展 1934 年 德国 70000kn 模锻水压机 1938 1944 年德国又造出 150mn 和 300mn 的大型模锻水压机 二次大战后 为了迅速发展航空工业 以及后来发展 宇航工业 美国在 1955 年左右 先后制造了两台 315mn 及 450mn 的大型模 锻水压机 苏联在 1950 1965 年生产了几台 300mn 和 750mn 的世最大模锻水 压机 液压机发展到现在 已经广泛地应用到国民经济的各个部门 种类繁多 发展迅速 成为机床行业的一个重要组成部分 在 1934 年 德国人最早制造出 70mn 的大型模锻水压机 用于生产航空复 杂锻件 后来又相继生产出 150 mn 巨大的模锻液压机 主要用于模锻生产铝合 金 钛合金航空锻件 前苏联在二次大战后也建造了多台大型模锻水压机 其中 有 100 mn 150 mn 300 mn 750 mn 等 750mn 是目前世界上最大的模锻 水压机 无论是中小型还是大型多向模锻机 其应用范围及其工艺 是金属材料 成型及加工的重要技术 我国由于工业发展较慢与世界各个机械行业大国的技术 相比还有很大的差距 所以我们应该强这方面的技术研究与开发工作 争取早日 达到世界先进水平 12 图 1 1 是上海电气集团制造的液压机 多向模锻液压机设计2 图 1 1 165mn 液压机 典型的大型液压机结构型式有下面几种 24 1 三梁四柱式三梁四柱式液压机是最常见的一种结构型式 尤其是大型自 由锻造液压机通常采用的一种结构型式 如上海重机厂120 mn 富拉尔基第一 重机厂120 mn 四川德阳第二重机厂125 mn自由锻造水压机 2 整体框架式压机主机架为整体焊接或整体铸造 如四川长城钢厂从日本 引进的20mn下拉式自由锻造液压机 3 三梁多柱组合式对于大型模锻液压机 其大吨位使得本体结构设计变得 复杂 受制造 安装 运输等条件的限制 本体往往采用分体组合结构 我国自 行设计制造的300 mn模锻水压机采用的是三梁多柱组合结构 4 多板组合框架式对于大型多向模锻液压机 其大吨位和对压机刚度的更 高要求使得本体结构设计变得更加复杂 美国cameron公司制造的300 mn多向模 锻液压机和第一重机厂设计的200 mn多向模锻挤压液压机 主机架采用的是叠 板组合结构 5 钢带缠绕框架式用钢带缠绕方式制成的预应力液压机机架 具有结构轻 巧 尺寸小 抗疲劳性能好及造价低廉等特点 瑞典曾用于制造冷锻液压机 前 苏联则设计并制造了从10 mn到150 mn的有色金属模锻液压机系列 多向模锻的工艺特点为 除了像常规模具具有水平分模面外 模具还可以有 垂直分模面 并且在完成模锻工序的同时 可以方便的完成冲孔工序 4 因此 多向模锻可以产生复杂形状的具有内孔的模锻件其过程如图 2 多向模锻液压机设计3 图 1 2 多向模锻加工具有内孔的模锻件 1 2 多向模锻的优缺点及发展方向 1 材料利用率高 多向模锻大多采用闭式模锻 锻件可设计成空心的 可以取消或设计很小的模锻斜度 借助卸料器锻件也易于取出 因而可以节约大 量材料 与一般模锻工艺相比较可节约金属 50 左右 材料利用率可达 40 90 2 锻件性能好 多向模锻属闭式模锻 一般没有毛边 金属流线沿锻件 外形分布 可提高锻件的机械性能和抗应力腐蚀的能力 一般可提高强度 30 以上 3 生产率高 多向模锻只需毛坯一次加热和压力机一次行程便可成形锻 件 生产率高 同时最大限度避免了由于加热带来的缺陷和损失 这一点对于高 合金钢 镍基合金 钛合金是极为重要的 这些材料价格昂贵 锻造温度范围狭 窄 减少了加热次数和氧化损失 便能降低成本 提高质量 有利于实现机械化 若配备机械手可大大降低劳动强度 4 应用范围广 多向模锻时 毛坯处于强烈的压应力状态下变形 可使 金属塑性大大提高 有利于低塑性材料的成形 多向模锻不仅可以加工各种复杂 形状的锻件 而且对锻件尺寸大小 材料限制也较少 除一般有色金属 黑色金 属外 也可模锻高合金钢 镍铬合金等 因为在多向模锻时能提高材料的塑性 多向模锻也存在一些缺点 首先是要求毛坯具有较高的剪切质量 坯料尺寸 与重量要求精确 其次是毛坯加热后应尽量避免氧化皮 要求对毛坯进行少无氧 化加热或设置去氧化皮的装置 要求使用刚性好 精度高的专用设备或在通用设 备上附加专用的模锻装置 多向模锻液压机的未来发展趋势可总结如下 12 1 机架应具有足够的刚度 以便能够得到很好的尺寸的公差 2 应具有很好的抗偏心载荷 以便能再有偏心载荷的时候得到较准确的尺 寸公差 3 滑块的导向机构要保证水平方向的尺寸精度 4 控制系统应具有有控制活动横梁的停位精度 保证垂直方向的尺寸精度 多向模锻液压机设计4 2 机械总体设计 液压机是一种广泛使用的压力加工设备 具有多种型号 系列产品 本设计 的液压机主要用于可塑性材料的压制工艺 多用于形状对称结构相对较复杂制品 的压制成型工艺 2 1 多向模锻压机主要技术参数 根据任务书给定的技术参数及查阅的资料 确定了本设计主要技术参数见表 2 1 表表 2 12 1 液压机设计参数液压机设计参数 2 2 多向模锻液压机的基本工作原理 多向模锻的除了像常规模具具有水平分模面外 模具还可以有垂直分模面 并且在完成模锻工序的同时 可以方便的完成冲孔工序 因此 多向模锻可以产 生复杂形状的具有内孔的模锻件 结构设计包括对液压机各个横梁 立柱 液压缸和液压缸辅助部件和零件的 设计 并对所设计出的结构进行分析 校核 1 上下横梁的设计 首先结构设计要合理 既要保证在强度和刚度都满足 时又要保证质量够轻 所以设计横梁应考虑用合理的结构 如采用薄壁结构加筋 参数名称数值 竖直缸公称压力8000kn 最大工作压力32mpa 主缸回程力500kn 顶出缸顶出力500kn 主缸滑块行程800mm 顶出活塞行程250mm 主缸滑块下平面距工作台最大距离2000mm 主缸快进速度0 25m s 主缸滑块工进最大速度0 125m s 主缸快退速度0 25m s 顶出缸顶出速度0 3m s 顶出缸退回速度0 3m s 水平缸行程500mm 水平缸压力32mpa 水平缸开口距离2000 水平缸工称压力5000kn 水平缸快进速度0 25m s 水平缸工进最大速度0 125m s 主缸快退速度0 25m s 多向模锻液压机设计5 板来提高横梁的强度等等 2 立柱的设计 立柱的主要作用是对横梁进行支撑和导程 设计时要考虑 各机械精度 如直线度 表面加工精度等 还要通过它们受力的特点设计合理的 截面形状 3 有关螺母的设计 螺母的主要作用是对紧固 横梁的固定主要由螺母来 实现 设计时要考虑其工作条件来选择螺母的防松方法等 4 液压缸的设计 设计过程中注意机械设计手册的国标选用 设计一国标 为准 如油口尺寸 密封零件的尺寸 2 3 总体布局方案的拟定 设计如图 2 1 所示总体布局方案 液压机总体包括各个横梁 立柱 和四 个液压缸三大部分 多向模锻液压机设计6 图2 1液压机总体布置图 2 4 液压机设计 2 4 1 工作主缸的设计计算 根据任务书给定的技术参数及查阅的资料 确定了液压机主要技术参数 由 工作压力的确定 查 液压系统设计简明手册 液压机的工作压力的范围是 20 32mpa 由 于液压机的工作负载比较大 为 8000kn 则取主缸的工作压力为 p 31 5mpa 1 计算主缸内径和活塞杆直径 多向模锻液压机设计7 主缸的最大负载为工进时的负载 即 8000kn 查 液压系统设计简明手册 可知液压机的背压在初算时可忽略不计 取液压缸的机械效率 0 95 图 2 2 液压机主缸受力 由图2 2得 2 22 1 2 44 pddfpd d 1 1 4 2 1 2 1 d d p p p f cm 2 1 式中 p1 液压缸工作压力 p2 液压缸回路背压 对于高压系统初算时可以不计 f 工作循环中最大负载 cm 液压缸机械效率 一般 cm 0 9 0 95 将参数代入公式 2 1 p2忽略不计 可求得液压缸内径 即 d 95 0105 3114 3 1084 6 6 pa n mm 590mm 查表 将液压缸的内径圆整为标准系列直径 取 d 590mm 那么由 d d 0 7 可以求得活塞杆直径 即 d 0 7d 0 71x590 420mm 同理查表 将活塞杆直径圆整为标准系列直径 取 d 420mm 经过计算液压机主缸的内径 活塞杆直径分别为 d 590mm d 420mm 主缸缸体材料的选择 液压缸的制造材料一般有锻钢 铸钢 高强度铸铁 灰铸铁 无缝钢管等 对于负载大的机械设备缸体材料一般选用无缝钢管制造 主缸缸体材料选用 45 钢 5 多向模锻液压机设计8 2 主缸壁厚的确定 液压缸壁厚 2 dpy 2 2 式中 液压缸壁厚 m d 液压缸内径 m y p 实验压力 一般取最大工作压力的 1 25 1 5 倍 缸筒材料的许用应力 锻钢 110 120mpa 铸钢 100 110mpa 高强度铸铁 60mpa 灰铸铁 25mpa 无缝钢管 100 110mpa 主缸壁厚 计算 将 d 0 59m 110mpa y p 1 25 32mpa 40mpa 代入公式 2 2 中 即 m mpa mmpa 105 0 1102 59 040 液压缸缸体的外径 d 外计算公式如下 d外 d 2 2 3 将参数代入公式 即 d 外 0 59m 0 21m 0 8m 外径圆整为标准直径系列后 取主缸缸体外径 d 外 800mm 3 主缸缸盖材料 厚度的确定 缸盖常用制造材料有 35 钢 45 钢 铸钢 做导向作用时常用铸铁 耐磨铸 铁 缸盖材料选用 45 钢 缸盖厚度计算公式如下 433 0 2 y p dt 2 4 式中 t 缸盖的有效厚度 m 2 d 缸盖止口直径 缸盖材料许用应力 即 m mpa mpa t15 0 100 40 800433 0 圆整后取缸盖厚度 t 150mm 4 主缸最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时 从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离称为 最小导向长度 用 h 表示 如果导向长度太小 会因为间隙引起的挠度而使液 多向模锻液压机设计9 压缸的初始挠度增大 影响液压缸的稳定工作 一般而言 液压缸的最小导向长 度应该满足如下要求 5 220 dl h 2 5 导向长度如图 2 3 所示 活塞隔套 图 2 3 主缸导向长度原理 式中 l 液压缸的最大行程 d 液压缸的内径 可知主缸的最大行程 h 800mm 液压缸内径 d 590mm 代入公式 2 5 中 求主缸的最小导向长度 即 mm mmmm h335 2 590 20 800 为了保证最小导向长度 h 不应过分增大 1 l 和 b 的大小 必要时可以在缸盖 和活塞之间增加一个隔套来增加最小导向长度 隔套的长度 c 可有公式 2 6 求得 即 2 1 1 blhc 2 6 式中 b 活塞的宽度 一般取 b 0 6 1 0 d 1 l 缸盖滑动支承面的长度 根据液压缸内径的不同有不同的算法 当 d 80mm 时 取 1 l 0 6 1 0 d 当 d 80mm 时 取 1 l 0 6 1 0 d 5 主缸活塞材料 技术要求 外形尺寸及密封方案的确定 活塞制造材料一般选用灰铸铁 ht150 ht200 当缸体内径较小时 整体 多向模锻液压机设计10 式结构的活塞选用 35 钢 45 钢 主缸活塞选用灰铸铁 ht200 活塞制造时外圆柱表面的粗糙度为 ra0 8 1 6 m 外径圆度 圆柱度不 大于外径公差的一半 外径对内孔的径向跳动不大于外径公差的一半 端面对轴 线垂直度在直径 100mm 上不大于 0 04mm 内孔与活塞杆的配合取 h7 k6 活塞宽度系数取 0 8 即活塞的宽度 b 0 8d 0 6 590mm 354mm 圆 整后取活塞宽度 b 360mm 液压机主缸工况时的压力大 泄漏量也会随压力成正比升高 因此密封圈选 用 yx形密封圈 这种密封圈能承受的大的工作压力 泄漏量小 6 主缸活塞杆材料 技术要求及长度确定 活塞杆有空心和实心两种结构形式 空心时一般选用 35 钢 45 钢的无缝钢 管 实心结构选用 35 钢 45 钢 主缸活塞杆选用 45 钢 5 活塞杆制造时外圆柱面粗糙度为 ra0 4 0 8 m 热处理要求调质 20 25hrc 外径圆度 圆柱度不大于直径公差的一半 外径表面直线度在 500mm 上不大于 0 03mm 活塞杆与导向套之间的配合公差采用 h7 f7 与活塞连接的 配合公差采用 h7 h6 由行程 确定活塞杆的长度 l 杆 1570mm 7 主缸长度的确定 液压缸缸体内部长度等于活塞的行程与活塞的宽度之和 缸体的外形尺寸还 应考虑两端端盖的厚度 总体而言 液压缸缸体的长度 l 不应该大于缸体内径 d 的 20 30 倍 即 l 20 30 d 由主缸行程为 800mm 活塞宽度为 360mm 缸盖厚度为 150mm 通过计 算可知 主缸的长度取 l 缸 1970mm 8 活塞杆稳定性校核 活塞杆工作中主要受压 当液压缸的支承长度 lb 10 15 d 时 必须对活 塞杆的弯曲稳定性进行校核 d 为活塞杆直径 通过计算可知 lb 的最大值不可 能大于 l 杆 l 缸 3540mm 而 10 15 d 5900 8850mm 将参数代入 lb 10 15 d 中 比较后 lb 10 15 d 活塞杆满足使用要 求 工作时不会失稳 9 主缸结构设计 1 缸体与端盖的连接形式 缸体与端盖的连接形式通常有法兰连接 螺纹连接 外半环连接 内半环连 接等形式 由于液压机工况时缸体内的压力很大 所以缸体与端盖的连接方式选 用法兰形式 2 活塞杆与活塞的连接形式 活塞与活塞杆的连接结构有整体式结构 螺纹连接 半环连接 锥销连接等 连接形式 由于活塞杆直径较大 所以主缸活塞与活塞杆的连接选用端盖加螺钉 多向模锻液压机设计11 连接形式 3 活塞杆导向结构形式 活塞杆的导向部分包括端盖 导向套 密封 防尘和锁紧结构 工程机械中 导向套一般安装在密封圈的内侧 有利于导向套的润滑 导向套选择常用的黄铜 材料 4 缓冲装置 液压机运动时的质量大 快进时的速度快 这样活塞在到达行程中点时 会 产生液压冲击 甚至活塞与缸筒端盖会产生机械的碰撞 为防止这种现象的发生 在行程末端要设置缓冲装置 一般缓冲装置有环状间隙式节流缓冲装置 可调节 流缓冲装置 三角槽式节流缓冲装置 2 4 2 水平液压缸的设计 计算水平缸内径和活塞杆直径 水平缸有两个 设计过程和主缸大体相同故 简略将其设计尺寸进行说明 1 缸和活塞的尺寸设计 水平缸的最大负载为工进时的负载 即5000kn 查 液压系统设计简明手 册 可知液压机的背压在初算时可忽略不计 取液压缸的机械效率cm 0 95 将参数代入公式 2 1 p2忽略不计 可求得液压缸内径 即 d 461mm 将液压缸的内径圆整为标准系列直径 取 d 500mm 那么由 d d 0 7 可以 求得活塞杆直径 即 d 0 7d 360mm 将活塞杆直径圆整为标准系列直径 取 d 360mm 经过计算液压机主缸的 内径 活塞杆直径分别为 d 500mm d 360mm 水平缸缸体材料的选择 水平缸体材料选用 45 钢 2 水平缸壁厚的确定 水平缸壁厚 计算 将 d 0 5m 110mpa y p 1 25 32mpa 40mpa 代入公式 2 2 中 即 m mpa mmpa 09 0 1102 5 040 3 缸体外径的设计将参数代入公式 2 3 即 d 外 0 5m 0 18m 0 68m 外径圆整为标准直径系列后 取主缸缸体外径 d 外 800mm 4 主缸缸盖材料 厚度的确定 多向模锻液压机设计12 缸盖常用制造材料有 35 钢 45 钢 铸钢 做导向作用时常用铸铁 耐磨铸 铁 缸盖材料选用 45 钢 缸盖厚度计算公式 2 4 即 m mpa mpa t129 0 100 40 68 0433 0 圆整后取缸盖厚度 t 130mm 5 水平缸最小导向长度的确定 液压缸的最小导向长度应该满足如下要求 220 dl h 可知缸的最大行程 h 500mm 液压缸内径 d 500mm 代入公式 2 5 中 求主缸的最小导向长度 即 mm mmmm h590 2 680 20 500 6 水平缸活塞材料 技术要求 外形尺寸及密封方案的确定 活塞制造材料一般选用灰铸铁 ht150 ht200 当缸体内径较小时 整体 式结构的活塞选用 35 钢 45 钢 主缸活塞选用灰铸铁 ht200 活塞制造时外圆柱表面的粗糙度为 ra0 8 1 6 m 外径圆度 圆柱度不 大于外径公差的一半 外径对内孔的径向跳动不大于外径公差的一半 端面对轴 线垂直度在直径 100mm 上不大于 0 04mm 内孔与活塞杆的配合取 h7 h6 活塞宽度系数取 0 8 即活塞的宽度 b 0 8d 0 6 500mm 300mm 液压机主缸工况时的压力大 泄漏量也会随压力成正比升高 因此密封圈选 用 yx 形密封圈 这种密封圈能承受的大的工作压力 泄漏量小 并由 yx 型圈 的安装方式确定活塞的结构形式 7 水平缸活塞杆材料 技术要求及长度确定 活塞杆有空心和实心两种结构形式 空心时一般选用 35 钢 45 钢的无缝钢 管 实心结构选用 35 钢 45 钢 主缸活塞杆选用 45 钢 活塞杆制造时外圆柱面粗糙度为 ra0 4 0 8 m 热处理要求调质 20 25hrc 外径圆度 圆柱度不大于直径公差的一半 外径表面直线度在 500mm 上不大于 0 03mm 活塞杆与导向套之间的配合公差采用 h7 f7 与活塞连接的 配合公差采用 h7 h6 由行程 确定活塞杆的长度 l 杆 1190mm 8 水平缸长度的确定 液压缸缸体内部长度等于活塞的行程与活塞的宽度之和 缸体的外形尺寸还 应考虑两端端盖的厚度 总体而言 液压缸缸体的长度 l 不应该大于缸体内径 d 的 20 30 倍 即 l 20 30 d 多向模锻液压机设计13 由水平缸行程为 500mm 活塞宽度为 300mm 缸盖厚度为 130mm 通过 计算可知 水平缸的长度取 l 缸 1440mm 9 活塞杆稳定性校核 将参数代入 lb 10 15 d 中 比较后 lb 10 15 d 活塞杆满足使用 要求 工作时不会失稳 9 缸结构设计 1 缸体与端盖的连接形式 缸体与端盖的连接方式选用法兰形式 2 活塞杆与活塞的连接形式 由于活塞杆直径较大 所以缸活塞与活塞杆的连接选用端盖加螺钉连接形 式 3 活塞杆导向结构形式 活塞杆的导向部分包括端盖 导向套 密封 防尘和锁紧结构 工程机械中 导向套一般安装在密封圈的内侧 有利于导向套的润滑 导向套选择常用的黄铜 材料 2 4 3 顶出缸工作压力 内径 活塞杆直径的确定 顶出缸工作负载与主缸相比要小很多 取顶出缸的工作压力 p 12mpa 1 计算顶出缸内径和活塞杆直径 最大负载 f 500kn 缸工作压力为 12mpa 选取 d d 为 0 7 取液压缸的机械效率 cm 0 95 将参数代入公式 2 1 p2 忽略不计 可求得液压缸内径 即 d 95 0105 3114 3 105 04 6 6 pa n mm 146mm 将液压缸的内径圆整为标准系列直径 取 d 160mm 那么由 d d 0 7 可 以求得活塞杆直径 即 d 0 7d 0 7x160 112mm 将活塞杆直径圆整为标准系列直径 取 d 110mm 经过计算液压机顶出缸的内径 活塞杆直径分别为 d 160mm d 110mm 2 液压缸壁厚 缸壁厚 计算 将 d 0 16m 110mpa y p 1 25 32mpa 40mpa 代入公式中 即 mm6 28 取 35mm 液压缸缸体的外径 d 外计算公式 d 外 d 2 多向模锻液压机设计14 将参数代入公式即 缸底厚 h 0 443d 42 8mm 取 45mm d 外 0 15m 0 07m 0 22m 外径圆整为标准直径系列后 取主缸缸体外径 d 外 220mm 3 顶出缸缸盖材料 厚度的确定 缸盖常用制造材料有 35 钢 45 钢 铸钢 做导向作用时常用铸铁 耐磨铸 铁 缸盖材料选用 45 钢 缸盖厚度计算公式代入数据 即 mmt6 43 圆整后取缸盖厚度 t 45mm 4 顶出缸活塞材料 技术要求 外形尺寸及密封方案的确定 21 活塞制造材料一般选用灰铸铁 ht150 ht200 当缸体内径较小时 整体 式结构的活塞选用 35 钢 45 钢 主缸活塞选用灰铸铁 ht200 活塞制造时外圆柱表面的粗糙度为 ra0 8 1 6 m 外径圆度 圆柱度不 大于外径公差的一半 外径对内孔的径向跳动不大于外径公差的一半 端面对轴 线垂直度在直径 100mm 上不大于 0 04mm 外径用橡胶密封圈密封的公差配 合取 f7 f9 内孔与活塞杆的配合取 h8 f7 活塞宽度系数取 0 9 即活塞的宽度 b 0 9d 0 9 110mm 100mm 液压机顶出缸工况时的压力不大 泄漏量也会很小 因此密封圈选用 o 形 密封圈 并采用加双挡片的结构 5 顶出缸活塞杆材料 技术要求及长度确定 活塞杆有空心和实心两种结构形式 空心时一般选用 35 钢 45 钢的无缝钢 管 实心结构选用 35 钢 45 钢 主缸活塞杆选用 45 钢 活塞杆制造时外圆柱面粗糙度为 ra0 4 0 8 m 热处理要求调质 20 25hrc 外径圆度 圆柱度不大于直径公差的一半 外径表面直线度在 500mm 上不大于 0 03mm 活塞杆与导向套之间的配合公差采用 h8 f7 与活塞连接的 配合公差采用 h7 h6 由行程和下横梁尺寸和工作效果 确定活塞杆的长度 l 杆 1170mm 6 顶出缸长度的确定 液压缸缸体内部长度等于活塞的行程与活塞的宽度之和 缸体的外形尺寸还 应考虑两端端盖的厚度 总体而言 液压缸缸体的长度 l 不应该大于缸体内径 d 的 20 30 倍 即 l 20 30 d 由顶出缸行程为 活塞宽度为 缸盖厚度为 通过计算可知 主缸的长度取 l 缸 560mm 7 活塞杆稳定性校核 将参数代入 lb 10 15 d 中 比较后 lb 10 15 d 活塞杆满足使用 多向模锻液压机设计15 要求 工作时不会失稳 8 缸结构设计 1 缸体与端盖的连接形式 缸体与端盖的连接方式选用法兰形式 2 活塞杆与活塞的连接形式 缸活塞与活塞杆的连接选用圆螺母螺纹连接形式 3 活塞杆导向结构形式 活塞杆的导向部分包括端盖 导向套 密封 防尘和锁紧结构 工程机械中 导向套一般安装在密封圈的内侧 有利于导向套的润滑 导向套选择常用的黄铜 材料 2 5 立柱设计 液压机的最大负载约为 8000kn 通过力传递后 最后由四根立柱承受 8000kn 的拉力 作用在每根立柱上的拉力为负载的 1 4 即 2000kn 受力如 图 2 4 横梁 导柱 f 负载t 导柱拉力 图 2 4 立柱受力图 立柱的安全直径 d 可由许用拉应力公式 4 1 计算 a f 2 7 式中 许用应力 取 45 钢 80 100mpa f 轴向拉力 a 横截面积 即 多向模锻液压机设计16 m pa nf d178 0 108014 3 1024 4 6 6 为了防止四根导柱因瞬间的受力不均而被破坏 导柱直径可适当加大 取 d 200mm 由工作台有效尺寸已知 左右1300 前后1100mm 取立柱中心距 左右 b 1500mm 立柱在工作过程中的主要受力如图4 1所示 因此材料必须具备较高的抗拉 强度 立柱材料选择45钢 立柱除了承受拉力之外 外圆柱表面与滑块之间还存 在摩擦力 为了减少立柱表面的磨损 通过表面热处理提高表面硬度增加表面耐 摩性 总的热处理工艺为调质和表面淬火 2 6 上横梁设计 上横梁位于立柱上部 用于安装主缸 承受主缸的反作用力 材料选择 采用zg270 500铸钢件 热处理要求 必须进行必要的内处理 消除其内应力 由 中小型液压机设计计算 主机的设计计算 可知 上横梁的高度 0 4 0 7 b 600 1050 mm 确定上横梁的长 宽 高尺寸分别为1600 1600 800mm 截面米字型空心 筋板强化 理论计算校核 横梁受力可以简化为简支梁 中间受载的情形 如图2 5所示 截 面1 1 图 2 2 梁受力分析图 由 中小型液压机设计计算 主机的设计计算 可知 max 1 4 mpb 2 8 其中 p 公称压力 n 多向模锻液压机设计17 b 立柱中心距 m 将 p 8000000n b 1 5m 代入公式 2 8 max3000000 初步确定上横梁的长 宽 高尺寸分别为 1600 1600 800mm 截面可 以相似为矩形 在负载作用下的剪力和弯矩在中心处为最大 已知中间截面弯矩最大 该截面是危险截面 为了保证横梁能够正常工作 必须对该截面进行强度校核 正应力计算公式为 9 w mmax max 2 9 式中 max 最大弯曲正应力 max m 最大弯矩 w 抗弯截面系数 3 m 矩形截面抗弯系数 w 计算公式为 6 2 bh w 2 10 式中 b 矩形截面的宽 h 矩形截面的高 即 3 2 175 0 6 8 06 1 mw mpa m mn 15 17 175 0 103 3 6 max 铸钢 zg270 500 的弯曲许用应力 60mpa 而横梁的最大弯曲应力 max 17 2mpa 远小于材料的许用应力 经过校核 设计尺寸满足要求 确定 上横梁的长 宽 高尺寸分别为 1600 1600 800mm 截面积为米字型厚度 取 90mm 2 7 下横梁工作台的设计 工作台承受液压机总吨位 工作时压力通过模具作用于制件 由于大多数的 制件和模具有对称的形状 并且模具应居中安装 因此可以认为工作台是一个中 间部分承受均布载荷的梁 如图 2 3 多向模锻液压机设计18 a 剪力图 b 弯矩图 图 2 3 工作台受力分析与弯矩图 材料选择 工作台主要受压 材料选用铸钢 zg270 500 由 中小型液压机设计计算 主机的设计计算 可知 工作台的高度 0 4 0 7 b 600 1050 mm 确定上横梁的长 宽 高尺寸分别为 2100 1425 860mm 其中心截面处 地弯矩为最大弯矩是 1 max 42 bp mb 2 11 其中 p 公称压力 n b 立柱中心距 m 9 1 b 下模与工作台接触面左右宽度 受分布载荷长度 m 一般取 1 b 0 35 0 6 b 这里取 1 b 0 6b 将 p 8mn b 1 5m 代入公式 2 11 mnm 6 101 2max 3 258 0 mw 代入公式2 9 得 mpa14 8 max 铸钢 zg270 500 的弯曲许用应力 60mpa 而横梁的最大弯曲应力 max 8 14mpa 远小于材料的许用应力 经过校核 设计尺寸满足要求 多向模锻液压机设计19 为了固定模具 一般在工作台台面上设有 t 形槽 由于工作台尺寸较大 采 用平行布置 2 8 活动横梁设计 活动横梁的主要作用为 与主缸活塞杆联接传递液压机的压力 通过导向套 沿立柱导向面上下往复运动 安装与固定模具及工具等 因此需要有较好的强度 刚度及导向结构 活动横梁仅受挤压及较小的弯曲 因此对活动横梁的计算可 从略 根据液压机形状尺寸可初步设计活动横梁的尺寸为长 宽 高尺寸分别为 1900 1600 500mm 截面积为米字型厚度取 90mm 具体细节根据设计灵活 改动 活动横梁下平面同工作台台面相同 设有 t 形槽 根据国标设计尺寸 各 个梯形槽间距取 180mm 采用 zg270 500 铸钢件 2 9 水平梁的设计 水平梁的设计根据以设计好的立柱和各个横梁 设计过程中拉杆的位置要注 意 不能和其他部件有接触 水平梁形状设计为直角梯形 钣金结构厚度同样设 计为 90mm 因为水平方向的力比竖直方向的要小所以强度和刚度校核通过 材 料同样为 zg270 500 铸钢件 多向模锻液压机设计20 3 液压系统设计 3 1 液压机主缸工况分析 液压机启动时 主缸上腔充油主缸快速下行 惯性负载随之产生 此外 还 存在静摩擦力 动摩擦力负载 由于滑块不是正压在导柱上 不会产生正压力 因而滑块在运动过程中所产生的摩擦力会远远小于工作负载 计算最大负载时可 以忽略不计 液压机的最大负载为工进时的工作负载 通过各工矿的负载分析 液压机主缸所受外负载包括工作负载 惯性负载 摩擦阻力负载 5 即 f fw ff fa 3 1 式中 f 液压缸所受外负载 fw 工作负载 ff 滑块与导柱 活塞与缸筒之间的摩擦阻力负载 启动时为静摩擦 阻力负载 启动后为动摩擦力负载 fa 运动执行部件速度变化时的惯性负载 1 惯性负载 fa 计算 计算公式 fa t v g g 3 2 式中 g 运动部件重量 g 重力加速度 9 8m 2 s v t 时间内的速度变化量 t 加速或减速时间 一般情况取 t 0 01 0 5s 21 查阅相同型号的四柱液压机资料 初步估算横梁滑块的重量为 30kn 由液 压机所给设计参数可及 v 0 25m s 取 t 0 05s 代入公式 3 2 中 即 fa s sm sm n 05 0 25 0 8 9 30000 2 4898n 2 摩擦负载 ff 计算 滑块启动时产生静摩擦负载 启动过后产生动摩擦负载 通过所有作用在主 缸上的负载可以看出 工作负载远大于其它形式的负载 由于滑块与导柱 活塞 与缸体之间的摩擦力不是很大 因而在计算主缸最大负载时摩擦负载先忽略不 计 多向模锻液压机设计21 3 主缸负载 f 计算 将上述参数 fa 4898n fw 8000kn 代入公式 3 1 中 即 f 8000000 4898 8004898n 主缸工作循环各阶段外负载如表 3 1 表表 3 13 1 主缸各阶段负载主缸各阶段负载 工 作 循 环外 负 载 启 动f f 静 fa 5 kn 横梁滑块快速下行f f 动忽略不计 工 进f f 动 fw 8000 kn 快速回程f f 回 f 背 500 kn 注 f 静 表示启动时的静摩擦力 f 动 表示启动后的动摩擦力 3 2 液压机水平缸工况分析 1 水平缸负载分析 主缸运动过程中 水平同时工作 活塞运动 这时会产生惯性 静摩擦力 动摩擦力等负载 由于水平方向惯性负载很小 计算时可以忽略不计 计算水平 缸的最大工作负载时可以近似等于 5000kn 将参数代入公式计算水平缸的最大 负载 水平缸工作循环各阶段外负载如表 3 2 表表 3 23 2水平缸工作循环负载水平缸工作循环负载 工 作 循 环外 负 载 启 动f f 静 fa忽略不计 快进f f 动 fw0 工进f f 动 fw 5000 kn 快退f f 动 f 背 500 kn 注 f 静 表示启动时的静摩擦力 f 动 表示启动后的动摩擦力 3 3 液压机顶出缸工况分析 顶出缸负载分析 主缸回程停止后 顶出缸下腔进油 活塞上行 这时会产生惯性 静摩擦力 动摩擦力等负载 由于顶出缸工作时的压力远小于主缸的工况压力 而且质量也 比主缸滑块小很多 惯性负载很小 计算时可以忽略不计 同理摩擦负载与顶出 力相比也很小 也可不计 工件顶出时的工作负载比较大 计算顶出缸的最大工 作负载时可以近似等于顶出力 将参数代入公式 3 1 计算顶出缸的最大负载 即 f fw 500000n 式中 fw 顶出力 多向模锻液压机设计22 顶出缸工作循环各阶段外负载如表 3 2 表表 3 23 2顶出缸工作循环负载顶出缸工作循环负载 工 作 循 环外 负 载 启 动f f 静 fa忽略不计 顶出缸顶出f f 动 fw 500 kn 快速退回f f 动 f 背 8 kn 注 f 静 表示启动时的静摩擦力 f 动 表示启动后的动摩擦力 3 4 液压系统方案的设计 3 4 1 液压油缸的选择 液压缸按其结构形式 可以分为活塞缸 柱塞缸和伸缩缸等 查阅相关的液 压机资料 液压缸选用双作用单杆活塞缸 该种活塞杆完全可以满足液压机的工 作要求 且安装方便使整体结构简单 3 4 2 供油方式的确定 考虑到液压机在工进时负载较大 速度较低 而在快进 快退时负载较小 速度较高 从节省能量 减少发热考虑 泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油 液压机主油路采用变量泵供油 由于液压机的负载压力会随着工作方式变化 为 了使液压机处于安全的工作状态 采用压力补偿变量泵 3 4 3 基本回路的选择 1 调压回路 调压回路的功用是使液压系统整体或部分的压力保持恒定或不超过某个数 值 在定量泵系统中 液压泵的供油压力可以通过溢流阀来调节 在变量泵系统 中 用安全阀来限定系统的最高压力 防止系统过载 21 2 保压回路 由于液压机主要进行锻造压制工艺 所以在行程终止时要求有一段保持压力 的时间 这时就必须采用保压回路 3 卸压回路 液压机由于保压一段时间后 如果马上进行快退会产生很大的液压冲击 4 速度换接回路 液压机主缸的工作循环为 快速下行 慢速加压 保压延时 快速返回 停 止 顶出缸的工作循环为 向上顶出 向下返回 停止 的工作循环 速度的变 化快 选择用行程开关来进行速度的换接 这种回路的快慢速换接过程比较平稳 换接点的位置比较准确 多向模锻液压机设计23 3 4 4 控制系统的选择 采用柱塞泵来提供控制油压 该类泵的效率较高 提供压力大等优点 3 4 5 液压原理图的拟定 根据前面的内容 拟定液压系统控制原理图 3 5 液压系统控制过程分析 液压机的液压系统实现空载启动 按下启动按钮后 液压泵启动 此时所有 的电磁铁处于失电状态 按系统启动按钮液压机开始工作 液压机的各部功用如 下 1 f1 f2组成进油调压回路 f1为单向阀 用于防止系统油液倒流 f2 的压力先导阀2用来调整系统压力 压力先导阀1 用于限制系统最高压力 缓冲 阀3 与电磁换向阀4配合 用于泵卸载 升压缓冲 3 2 f3 f4组成主缸上腔油液三通回路 压力先导阀6 为主缸上腔安全阀 缓冲阀7 与电磁换向阀8 配合 用于主缸上腔泄压缓冲 3 f5 f6 组成主缸下腔油液三通回路 压力先导阀11 用于调整主缸下 腔平衡压力 压力先导阀10 为主缸下腔安全阀 4 f7 f8 组成下缸上腔油液三通回路 压力先导阀15 为下缸上腔安全 阀 单向阀14 用于下缸作液压垫时 活塞浮动下行上腔补油 5 f9 f10 组成下缸下腔油液三通回路 压力先导阀18 为下缸下腔安 全阀 6 f3 f5 f7 f9 的控制油路都有一个压力选择梭阀 用于保证锥阀 关闭可靠 防止反压时开启 水平缸的控制及个阀的工作情况和主缸一样故不多介绍 表表 3 33 3 液压机液压系统电磁铁动作顺序表液压机液压系统电磁铁动作顺序表 多向模锻液压机设计24 注 表示电磁铁处于得电状态 空着表示电磁铁处于失电状态 3 6 液压系统的计算和选择液压元件 3 6 1 液压系统流量计算 1 主缸所需流量计算 参考表 2 1 及主缸的尺寸 对主缸各个工况所需流量进行计算 已知主缸的 快进速度为 0 25m s 工进速度为 0 125m s 快速回程速度为 0 25m s 主 缸内径为 590mm 活塞杆直径为 420mm 由流量计算公式 aq 3 3 快进时 快进快进 aq smsmm 0683 0 25 059 0 4 32 4100l min 工进时 工进工进 aq smsmm 03416 0 125 059 0 4 32 2050l min 快退时 快退快退 aq smsmmm 0337 0 25 0 42 0 59 0 4 322 2020l min 2 水平缸所需流量计算 已知水平缸的快进速度为 0 25m s 工进速度为 0 125m s 快速回程速度 为 0 25m s 缸内径为 500mm 活塞杆直径为 356mm 由流量计算公式 aq 3 4 快进时 快进快进 aq smsmm 049 0 25 050 0 4 32 2945l min 工进时 工进工进 aq smsmm 0245 0 125 050 0 4 32 1470l min 快退时 多向模锻液压机设计25 快退快退 aq smsmmm 0242 0 25 0 356 0 50 0 4 322 1451l min 3 顶出缸所需流量计算 参考表 2 1 及顶出缸的尺寸 对顶出缸各工况所需流量进行计算 已知顶出 缸的顶出速度为 0 03m s 快退速度为 0 03m s 顶出缸内径为 160mm 活 塞杆直径为 110mm 代入公式 3 4 即 顶出时 顶出顶出 aq smsmm 1060 0 03 016 0 4 332 36 2l min 快退时 快退快退 aq smsmmm 1032 0 03 0 11 016 0 4 3322 20l min 3 6 2 液压泵额定压力 流量计算及泵的规格选择 1 泵工作压力确定 实际工作过程中 液压油在进油路中有一定的压力损失 因此在计算泵的工 作时必须考虑压力损失 泵的工作压力计算公式为 pppp 1 3 5 式中 pp 液压泵最大工作压力 p1 执行部件的最大工作压力 p 进油路中的压力损失 对于简单的系统 取 0 2 0 5mpa 对 于复杂系统 取 0 5 1 5mpa 本液压机执行部件的最大工作压力 p1 31 5mpa 进油路中的压力损失 取 p 0 5mpa 代入公式 3 5