100kN门式校直机的设计.docx

100kN门式校直机设计摘 要机械、汽车、电机等行业大量使用轴类、杆类零件，这些零件的原材料在粗加工或热处理等过程中不可避免的会出现弯曲变形，如果不进行校直处理会直接影响工件的后序加工和使用，甚至可能出现相当数量的废品。所以为了能获得下道工序所允许的最小切削量或通过精密校直保证工件达到严格的最终设计公差要求，校直机成了工件热处理后不可缺少的关键设备。自动校直技术在近些年取得了很大的进步，不少研究学者为校直技术的发展做出了很大的贡献，同时也形成了很多的理论成果。但同时我们也应该看到，校直技术的发展过程中还有很多问题需要解决。近年来，国内的校直设备有了很大的发展，总的发展趋势是：系列完整、品种规格齐全；精度高，检测、显示手段完善，校直工件质量好；附件齐全、校直工艺范围扩大；向数控化、柔性化、自动化方向发展。本人设计的是单柱油缸校直机，该校直机可用于校直单体支柱的油缸与活柱坯料热处理造成的变形，亦可用来校直类似的杆类管类零件。另外也可用于钢板调平、压弯、压装等工作。并且本机可专用于单体液压支柱活柱和油缸的一般变形校直。该机具有拆装使用方便，灵活。关键词：校直机；液压控制；加载油缸；横梁；轴AbstractProfession massive use axes class and so on machinery,automobile,electrical machinery,the pole class components,these components raw material in processes and so on rough machining or heat treatment inevitable can appear the bending strain, if does not carry on alignment processing to be able to affect the work piece directly after foreword processing and the use,even possibly appears the considerable amount the waste product.In order to therefore can obtain the smallest cutting quantity which the evil ways working procedure permits or through the precise alignment guarantee work piece achieve the strict finally design common difference request,after alignment machine has become the work piece heat treatment the essential essential equipment.Myself design am JZ-I alignment machine,this alignment machine available the distortion which creates in the alignment monomer prop cylinder and the plunger semifinished materials heat treatment,also available comes the alignment similar pole class tubular goods components. Prepares in addition molds available also in the steel plate leveling, bends,the pressure installs and so on the work. And the this aircraft may use in the monomer hydraulic pressure prop plunger and the cylinder general distortion specially alignment.This machines and tools have the disassembling easy to operate, nimble.Keyword: Alignment Machine；Hydraulic Control；Loads The Cylinder；Beam；Shaft目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 国内外自动校直机的理论研究和应用现状11.1.1 设备的分类11.1.2 国内外校直机发展概述21.1.3 校直理论的研究现状41.2 课题研究的背景和意义61.3 本文研究的内容7第2章 校直理论82.1 引言82.2 弯矩与曲率82.2.1 模型简化82.2.2 弯矩102.2.3 曲率122.2.4 弹区比与总曲率的关系132.3 校直原理142.3.1 校直原理142.3.2 压下量152.4 本章小结21第3章 自动校直机机械结构设计223.1 自动校直机的工作过程介绍223.1.1 自动校直机的工作过程223.1.2 自动校直机的分类与选型233.2 液压自动校直机的机械结构设计分析243.3 门型液压自动校直机的主机结构设计计算253.3.1 主机上横梁的受力分析253.3.2 主机上横梁的刚度计算273.3.3 主机上横梁的强度校核283.3.4 主机与立柱联接螺钉的受力分析293.4 本章小结30第4章 自动校直机液压系统设计314.1 校直机液压系统的组成314.2 校直机液压系统的行程控制和压力控制314.3 校直机液压缸主要参数的确定344.4 本章小结38结 论39致 谢40参考文献41 第1章 绪 论1.1 国内外自动校直机的理论研究和应用现状轴类零件热处理后，由于受热应力和组织应力的影响，零件不可避免地会出现弯曲变形。零件的长度比越大，弯曲变形程度也就越重，严重影响零件的精度和使用性能。因此，就需要采用校直的方法使弯曲变形控制在一定范围。自动校直技术通过数控精密校直液压机完成对轴、管、棒等类零件的校直，是一种先进制造技术，是机械加工过程中保证产品质量的重要工序，广泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、机床、纺织机械等机械制造行业。随着我国机械工业的发展，对机械产品质量的要求不断提高，此项技术的重要性日益显现出来，迫切需要对自动校直技术作进一步的研究，实现对轴类零件的精密校直，以提高轴类零件的加工精度。在应用和阐述过程中，常常不太注意区别“校直”和“矫直”这两个概念，有时会将这两个概念混淆或等同起来。然而，这两个概念在机械行业中是有一定区别的，这里有必要进行一定的说明。参看文献所给出的定义:“矫直”是使挠曲的板料、型材和管料变为平直状态的塑性加工方法，常用的矫直方法有辊形矫直和拉伸矫直等；“校直”是消除材料或制件弯曲的加工方法。文献中也将矫直机分为压力矫直机、辊式矫直机、拉伸矫直机、拉弯矫直机等。因此，矫直的概念要更广一些，它消除材料的弯曲、翘曲、凸凹不平等缺陷，更多地应用于冶金行业；而校直则是仅针对弯曲条材的加工方法，多用于零件的生产制造中或零件的修复。可以说，校直是矫直的方法之一。1.1.1 设备的分类现代校直设备品种较多，规格更多。首先，按工作原理不同划分为五大类。第一类称为反复弯曲式校直机，如压力校直机及辊式校直机，它们是靠压头或辊子在同一平面内对工件进行反复压弯并逐渐减小压弯量，直到压弯量与反弹量相等而变直。第二类称为旋转弯曲式校直机，是工件在塑性弯曲状态下以旋转变形方式从大的等弯矩区向小的等弯矩区过渡，在走出塑性区时反弹变直。旋转者可以是工件，可以是校直工具，也可以是变形方位。如常见的斜辊校直机、转鼓式校直机及平动式(过去常称为振动式)校直机。第三类称为拉伸校直机，它依靠拉伸变形把原来长短不一的纵向纤维拉成等长度并进入塑性变形后经卸载及反弹而变直，如钳式拉伸校直机及连续拉伸校直机。第四类称为拉弯校直机。它是把拉伸与弯曲变形合成起来使工件两个表层的较大拉伸及全截面的拉伸变形三者不在同一时间发生，全断面各层纤维的反弹变形也不是同时发生的，既防止了板带的断裂，又提高了校直质量。第五类称为拉坯校直设备，它是在拉动连铸坯下行的同时使铸坯的弧形弯曲渐伸变直，其拉力主要用于克服外部阻力，而铸坯本身在高温状态下所需的校直拉力较小。其次是按用途不同进行分类：一为校直型材的校直机，如型材压力校直机、型材辊式校直机及型材拉伸校直机；二为板材校直机，如板材辊式校直机及板材拉伸校直机；三为带材校直机，如连续拉伸校直机及拉弯校直机；四为管棒材校直机，如斜辊校直机、转毅校直机及管材拉伸校直机；五为线材校直机，如转毅校直机及平立辊复合校直机；六为薄壁异型管的平动式校直机；七为连铸拉坯校直机；八为特殊用途校直机，如瓦楞板校直机，圆锯片校直机，钢丝绳校直机等。再次是按结构特征进行分类：一为压力校直机，如机械压力校直机、液压压力校直机及微机程控压力校直机等；二为平行辊式校直机，简称辊式校直机，如简支辊式校直机及悬臂辊式校直机；三为斜辊式校直机，如二斜辊校直机，三斜辊校直机及各种各样的多斜辊校直机等；四为转毅校直机，如滑动模式转毅校直机，滚动模式转毅校直机，斜辊式转毅校直机及复合式转毅校直机等；五为拉伸校直机，如机械拉伸校直机、液压拉伸校直机及连续拉伸校直机等；六为拉弯校直机，如机械拉弯校自机、液压拉弯校直机及液膜拉弯校直机等；七为拉坯校直机，如普通拉坯校直机及多辊拉坯校直机；八为特殊结构校直机，如行星式校直机及平动式校直机等。按上述原则分类的校直机还可进一步按具体用途、具体结构、传动方式及控制方式等不同再做细化分类，每个细化分类中都可用不同规格形成产品系列。校直机的正确分类与机器标称的合理化对技术标准的制订及技术理论的研究都有密切关系。随着校直技术的发展，校直设备也将不断创新，出现更多的新型校直机。1.1.2 国内外校直机发展概述早期采用的压力校直设备，或是手动螺旋式压力机，或是通用型的压力机，或是由压力机改造而成的校直机。随着技术的发展和生产的需要，设计出了具有行程小、支点位置可调等校直工艺特点的专用压力校直机，主要有曲柄连杆式的机动压力校直机和普通液压压力校直机，机架一般采用C形开式结构或门形闭式结构。但是，这些设备在使用时，仍然需要凭经验估计校直行程，人工测量、反复试校，劳动强度大，校直效率低，校直精度不易保证。自二十世纪七、八十年代起，意大利、德国、日本、美国等少数发达国家先后研制出具有本国特色的全自动精密校直机。近年来，我国在精密全自动校直设备的研制和生产上也取得了进展。在我国，校直机领域一直处于原始的低水平阶段，大多数企业校直轴杆类零部件时，普遍采用简易型的压力机，由人工测量、校直、再由检查人员检验。工序复杂、劳动强度大、生产效率和控制精度低下，操作者的技术熟练程度对生产效率和质量的稳定性都有很大的影响。近年来，国内的校直设备有了很大的发展，总的发展趋势是：系列完整、品种规格齐全；精度高，检测、显示手段完善，校直工件质量好；附件齐全、校直工艺范围扩大；向数控化、柔性化、自动化方向发展。但国内大多数是辊式校直机，压点式校直设备在国内应用比较普遍的是Y41系列单柱校正压装机，该产品自动化程度低，属于凭经验校直，校直精度低。合肥工业大学与合肥压力机械厂合作，研究成功最大校直力为100 kN的单柱精密校直液压机。该机采用移动式手动液压伺服控制，具有压力、行程和油温数字显示和预置功能，并具有多种报警。该机的研制成功，提高了我国型材精密校直工艺装备的水平。对轴类、管类、棒料等零件进行精密校直，可提高工件校直精度和生产效率。 图1-1 Y41系列单柱校正压装机1994年起，长春试验研究所与日本国际计测器株式会社合作生产了ASC系列自动校直机。该系列校直机是引进日本国际计测器株式会社上世纪八十年代技术的C型自动校直机，该机有自动、半自动二种模型，采用日本技术及关键零部件，由长春试验研究所生产主机及装配。该校直机有智能化的分析测量系统、可程控的电机、电器、机械、液压、空压控制技术。长春试验研究所于2003年开发出具有自主知识产权的ASC-II系列自动校直机，该系列自动校直机有C型和门型两种规格。该系列校直机灵活的人机界面、向用户开放的技术条件，为提高整机的工作效率创造了极大的方便。图1-2 ASC-II系列自动轴类校直机日本东和精机株式会社生产的ASP系列智能型校直机能自动检测工件在三维方向上的挠度，以计算结果为基础，选出校直点，控制滑块行程值及校正挠度值。检测装置包括：计算机控制的轴直线度检测系统，以千分表指示修正点的顺序号和挠度值，以数字开关输入最小校正值，通过弯曲形式的识别，计算并选择出滑块的加压点。该机还带有自动上下料装置。国内己有厂家引进。詹尼公司生产的高精度全自动校直设备，其校直力选择范围1-100t，并具有可选择适合于各种工件几何尺寸的校直点和测量点等功能。德国DUNKES公司生产从100-2000kN共11个规格的手动伺服单柱精密液压校直机。德国的MAE公司发展了ADS2. 5RH型25kN和ADSF63RH型630kN闭式全自动液压校直机，该系统带有与材料性能有关的自动优化工艺软件，并以可编程的微处理器控制校直和测量顺序。其功能有：最大8个感觉位置的测量、处理和记忆系统；数字键盘的屏幕显示终端并有人机对话系统；以清楚的文字显示要修正的错误信息和相应的程序，能确定最终校直阶段的顺序；大量统计数据的修正和求值；还有与主计算机连接的接口。适用于校直中、大批量生产的对称平衡件，或自动生产线中的校直工序。MLLERWE工NGARTEN公司生产了用于校直轴类零件的全自动液压校直机RRE系列(100-1000kN )。该系列校直机为闭式，组合结构床身，由电子系统控制工件的回转和夹紧，可编程控制器可进行编程记忆和主要故障防护、数据存储及对校直过程进行控制等。还配备自动废品剔除系统、裂纹监控装置、机器人等。还有一些生产校直机知名度较高的企业，如意大利的GAL, DAB工NI公司，美国的TAATRAND工NG公司等。他们的校直机都有较高的水平，集中表现在智能化、自动化、测量精度高、生产节拍快等。随着电子技术和计算机应用技术的不断发展，开发高技术附加值的精密自动校直机系列产品及其配套附件，完善测控手段和装置，提高产品的功能和性价比，这对以质优价廉的国内产品替代进口产品，节约外汇、提高经济效益，增强市场竞争力等都具有广阔的前景。1.1.3 校直理论的研究现状自动校直技术的核心问题是精密校直工艺理论的研究，主要研究轴类零件的形状参数在校直过程中的变化规律。目前的校直理论研究主要是在校直机压头行程控制方面的研究。主要表现在以下几个方面。1.基于弹塑性理论的行程控制研究由于校直过程是通过使零件产生塑性变形来达到校直目的的，因此校直工艺的理论分析和计算应从弹塑性理论基础的角度出发。针对压力校直的反弯过程进行了弹塑性力学分析。特别是进行了较为系统化的研究，奠定压力校直工艺研究的理论基础，主要步骤为：在材料力学中的一些简化假设仍适用的前提下，根据校直工艺的实际情况，其弹塑性理论分析主要是以平截面假定和单向应力假定为基础；根据零件的材料选择合适的简化应力应变模型，如理想弹塑性材料或线性强化弹塑性材料，建立零件校直的弹塑性力学模型；计算弹塑性弯曲时的弯矩，确立校直过程中各种曲率间的关系，从而建立弯矩、曲率关系；通过弯矩、曲率关系和能量关系，推导出校直曲率方程式。根据上述理论基础，通过建立变形挠度与弯曲曲率的关系，可获得校直挠度方程进行校直行程的计算。为了便于实现校直机行程控制，翟华等人在上述研究基础上，经过参数转换，提出了一种基于行程控制的计算方法。但是，上述的计算方法存在两个主要问题：一是计算前必须通过测量拟合出零件轴线的曲线方程，以得到零件的初始弯曲曲率进行后续计算。这就人为地引入了测量误差和曲线拟合误差；二是计算模型不能直观地反映压力校直的过程，不便应用于校直过程的控制。弹塑性理论解析计算校直行程的方法能对各种规则截面及不同材料的零件进行计算，且计算相对比较简单快捷，可应用于自动校直机的编程控制。它存在的不足是：由于理论计算所作的简化，以及实际情况的复杂性，其计算精度受到一定限制。因此，在理论分析过程中，如何建立更为合理的模型提出更为精确的算法，是有待进一步深入研究的问题。另外对于复杂截面以及变截面的情况，理论计算比较困难。2.基于有限元的行程控制研究随着有限元技术和有限元软件的不断完善和成熟，以及有限元方法在各领域的广泛和成功应用，校直工艺的有限元计算不仅可行，而且计算结果能够达到较高精度。利用弹塑性有限元法可以比较精确有效地计算出零件的弹塑性变形，从而进一步计算确定校直下压量。最早利用AD工NA有限元程序进行了校直下压量的计算：在输入零件的弹性模量、硬化模量及初始屈服应力等参数后，可计算零件在加不同压力时产生的位移和残余变形，从而获得不同初始弯曲量时所需的校直压下量。目前，ANSYS大型通用有限元软件因其应用领域广泛、功能强大、兼容性好、使用方便、计算速度快等优点，而得到越来越广泛的应用。利用ANSYS软件的材料非线性分析方法对零件的校直行程进行了计算和研究，发现计算结果和实验数据吻合较好，简要步骤阐述如下：建立模型：包括定义单元类型、定义材料特性、建立几何模型、划分网络；进行求解：按简支情况施加约束，然后通过定义两个载荷步来分别计算加载时的弯曲变形量和卸载后的残余变形量，最后才能退出求解菜单；查看结果：先后读入不同载荷步后的计算结果，查看记录挠度变形数据。有限元计算的方法技术成熟、应用广泛，能对不同形状甚至不规则形状的零件进行校直行程的计算，计算结果的精度主要取决于输入参数的准确性。其存在的问题是：需要借助专门的有限元软件，对计算机设备的要求较高，计算需占用相当的运算空间和时间，且有较大工作量的前后处理工作。因而，这种计算方法不适合在自动控制的校直机上应用。但它可以为我们进行理论研究和实验研究时提供非常有效的帮助。3.基于经验公式的行程控制研究对于同种同批零件而言，其几何特性、材料特性、加工工艺和热处理工艺是基本相同的，因此它们弯曲变形的校直量计算是有一定规律可循的。因此，依据大量的实际校直数据或实验，可以提出一些经验公式来对校直下压量进行计算。在介绍轴类全自动校直机时提到一种校直行程的经验计算公式：式子中Y为校直行程;x为初始弯曲量；a为比例系数；b为刚性系数；c为正补偿量；d为负补偿量。因零件的初始弯曲量的不同，校直行程按一定比例a增减；机械系统的间隙及零件的弹性由b克服；c和d是根据零件的软硬差异所进行的修正补偿量。文献中也给出了一种实用的校直行程的经验计算公式：式子中Y为校直行程；x为初始弯曲量；a为屈服点的斜率；b为屈服点的位移量；c为修正系数；n为加压次数。上述的两个经验公式在各自的文献中均没有得到具体的阐述，如何实际应用也未作说明。而从两个经验公式的形式看，校直行程与初始变形量均成基本的线性关系，因此对经验公式的这一线性关系的理论依据进行了分析。由于经验公式的建立来自于大量的实际有效数据，目公式形式简单，因此用经验公式计算校直行程，其结果比较准确和符合实际，计算速度快，便于应用。但确定经验公式中的参数困难，且不同的零件参数不同，适用范围受到较大限制。只有当被校零件批量较大且材料和结构形式相对固定时，才有可能通过建立经验公式的方法来计算校直行程。1.2 课题研究的背景和意义近年来，随着我国经济的持续快速发展以及国务院振兴东北老工业基地战略决策的提出，汽车等相关行业生产规模不断扩大，整体技术水平和技术要求也随之提高。在优胜劣汰的竞争环境中，企业的质量意识不断提高，产品品质也就成为企业生存和发展的关键，传统的压力机手工校直方式已经逐渐被市场淘汰，开发集自动化、智能化、高效率、高精度、多功能等优点于一身的轴类多压点式自动校直机产品就成为当务之急。我国的轴类多压点式自动校直机的开发设计工作刚刚起步，大多数理论研究还没能形成较为系统的应用设计依据，因此，自动校直机及其计算机测控系统的研究具有重要的实用价值和意义。自动校直技术主要包括校直工艺理论和全自动精密校直机研究两部分。而轴类零件校直工艺理论是校直工艺理论研究的一个分支，它主要研究在机械加工或热处理过程中，轴心线产生弯曲变形时轴类零件的校直工艺问题。轴是组成机械装置的重要零件，它支撑着其他转动件并传递转矩，同时它又通过轴承和机架联接。在轴上装配的其他零件，都将围绕轴心线作回转运动，于是便形成了以轴为基准的组合体：轴系部件。因此轴的制造精度会直接影响到机械运作的平稳性。有关资料表明：我国每年需要进行校直的轴类零件达数十亿根。而传统的校直方法是操作工人用液压校直机，凭经验控制校直压头的行程，人工检测，多次校直，最后得到符合精度要求的工件。显然，这种方法劳动强度大、生产效率低、废品率高。轴类零件校直工艺理论是在总结传统校直工艺方法的基础上，建立适合于自动校直机设计及制造的数学模型和计算步骤，并且分析影响轴类零件校直精度的诸项因素，使轴类零件校直数学模型得到进一步完善。在理论分析计算中采用曲率的概念比较方便，而在实际操作中采用下压量的概念则比较方便。两者之间的关系已有许多学者进行研究，并取得了重要的成果，但是由于影响曲率变化的因素很多，试验时又增加了许多附加条件，所以所得到的数据仍是理想数据，和实际情况有一定的差距。轴类零件的自动校直技术在近些年取得了很大的进步，不少研究学者为校直技术的发展做出了很大的贡献，同时也形成了很多的理论成果。但同时我们也应该看到，校直技术的发展过程中还有很多问题需要解决。在校直理论方面，传统的方式和方法在制造业突飞猛进发展的今天，已经不能适应市场对校直技术的需要了，这就需要我们对理论进行创新，以提高校直精度和校直效率。现有的自动校直工艺缺少对校直载荷的计算(校直设备也简单)，一般都根据行程控制理论和经验公式确定下压量，然后进行反复试校和反复测量。这种做法工效不仅低，同时也影响零件的工作性能，远远不能适应日趋激烈的市场竞争的需要。完全有必要根据弯曲程度计算出校直载荷，通过控制校直载荷实现校直。本课题的意义也就在此。1.3 本文研究