法兰成型机压下装置的设计.doc

法兰成型机压下装置的设计摘要：法兰成型机（又名对称式三辊卷圆机）的结构型式为三辊对称式，在该结构中上辊下压提供压力，两下辊做旋转运动，为卷制板材提供扭矩。该机是将各种型材卷制成法兰和圆环的一种高质量、高效益的卷圆装置，具有结构紧凑、操作简便、寿命长、噪声小、一机多用、质优价廉等优点，是工厂实现机械化生产的配套设备，该设备的上市可以大大减轻工人的劳动强度，提高企业的生产效益。本文是关于法兰成型机压下装置的设计和计算。关键词：法兰成型机；压下装置；设计；计算Flange forming machine design of pressure deviceXiatao,Meiling Chemical factory, Guizhou zunyi , 563003Abstract：Flange forming machine (also known as symmetric three roll round machine) of the structure of three roller symmetry, the structure of the upper roller press to provide pressure, rotation of the two bottom rollers, torque for rolling plate. The machine is to make flange and rings from various materials volume a kind of high quality and high benefit crimping device, has compact structure, convenient operation, long service life, low noise, multi-usage, and the advantages of high quality and low price, is the factory implementation of mechanized production equipment, the equipment listed can greatly reduce the labor intensity of workers, improve the production efficiency of enterprises. This article is about the flange forming machine design and calculation of the pressure device. Key words: Flange forming machine； pressure device；design；calculate1 选题的目的及意义卷圆是利用机械的方法使材料内部所承受的应力全部达到屈服极限，并将其卷制成所需半径的管筒件的一种冷加工方法。在传统的机械加工中，工厂为了得到圆环状、管筒状零件，往往是由经验丰富的钣金工用辊压、折弯的方法使材料内部发生塑性变形，从而得到所需的工件，这种方法对生产人员的要求很高，且生产周期长、噪声大、劳动强度大，不适合用于大规模及自动化生产1。由于法兰是一种基础类零件，在各工程中应用非常普遍，因此，为了满足工厂对生产所提出的高效、低耗、无污染的要求，必须对法兰成型机进行科学合理的设计，使该设备的生产能力最为优化，从而达到高效、安全，并具有一定的社会效益和良好的经济效益。根据参观工厂已有的卷圆设备以及参考有关书籍，我们设定主要技术参数如下：辊轮工作速度为2m/min。设计本台法兰成型机的目的是将尺寸为3031256mm，材料为Q235的扁钢卷制成内圆直径为370mm，外圆直径为430mm的法兰盘。2 国内外发展现状2.1 国外发展现状 50年来，卷圆机随着科技特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美国、德国、日本三国的卷圆机技术非常先进，经验很多，并且分别有自己的特点。在美国，政府重视卷圆机工业的发展，因而不断提出卷圆机的发展方向，提供充足的经费，特别讲求“效率”、“创新”，注重基础科研。由于美国首先结合汽车、轴承行业的生产需求开发了大批自动生产线，所以美国的高性能卷圆机技术在世界一直居领先地位。但因为偏重基础科研，忽视应用技术，有一段时间卷圆机的产量增加缓慢，直到纠正偏向后，产量又逐渐上升。德国政府讲求“实际”与“实效”，坚持以人为本，不断提高人员素质，他们还特别重视理论与实际相结合，基础科研与应用技术并重，在卷圆机产品质量上精益求精。德国的卷圆机质量及性能良好、先进实用，出口遍及全世界，尤其是大型、重型、精密卷圆机，在质量、性能上居世界前列。日本政府对卷圆机工业的发展异常重视，并通过规划、法规进行引导。在重视人才及卷圆机部件配套方面学习德国，在质量管理及卷圆机技术方面学习美国，而且做得更好2。日本在发展卷圆机的过程中，狠抓关键，突出发展卷圆机系统。日本FANUC公司在产量上居世界第一，销售额占世界市场的50%，对加速日本和世界卷圆机的发展起了重要作用。2.2 国内发展现状我国是世界上卷圆机机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各类卷圆机机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外卷圆机机床产品充斥市场。这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控卷圆机机床品种、性能和结构不够先进，新产品的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。我国工厂由于缺乏卷圆机设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及卷圆机机床性能测试装置等)，自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。卷圆机用户根据使用需要，在订货时往往提出一些特殊要求，甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计卷圆机和修改相应的卷圆机图纸及卷圆机技术文件。在国外，这项卷圆机修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国卷圆机机床厂用手工操作就至少需12个月，且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。由于长期以来形成的卷圆机设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见，容易造成产品的反复修改，延长了开发的周期。为解决这些问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益。3 法兰成型机的总体设计3.1 法兰成型机总体的结构设计由于我们采用的是机械式三辊对称式结构，两下辊作旋转的主运动，而上辊作垂直升降运动，因此我们采用“手柄-传动螺杆-传动螺母-滑块”的传动方式，将手柄的旋转运动转换成上辊的垂直升降运动，从而达到压紧板材的目的。其总体结构布置示意图如图1所示。1.减速箱 2.倒顺开关 3.电动机 4.压下装置5.限位轮 6.驱动辊 7.调整辊图1 法兰成型机示意图3.2 法兰成型机主参数的确定如图2所示，组成了一个直角三角形，其三边边长分别为，根据它们之间的三角关系可得： （1） 其中，、分别为上、下辊轮直径，mm；b为扁钢宽度（一般取最大值），mm；R为加工工件曲率半径，mm；H为上下辊中心高，mm。因而，由式（1）完全可以确定该机的各参数，其值可靠，可以作为设计其系列产品的理论依据3。 图2 主参数的结构分析在本次设计中，由于R=200mm，b=30mm，=166mm，a=200mm，均为已知，而只有和H的值未知，它们之间存在着一一映射的关系。设计=160mm，为了防止钢板在它上面发生轴向滑动，我们也在钢板与辊轮接触处设置一环形槽，槽深2mm，因此上辊轮的实际直径为156mm，将其值代入（1）式得： =+得 H=174.6（mm）所以在卷制过程中，只需将上下辊中心高调整为174.6mm即可。4 法兰成型机压下装置的设计4.1卷圆成型直径与标尺刻度的关系 由公式（1）可得上下辊中心高H与各主参数的关系为：H= （2）在公式中，、a均为固定值，而R与b是用户给定的值。如图3所示，x为上辊中心到标尺指针的垂直高度，为定值；y为下辊中心到标尺“0”刻度的垂直高度，为定值；L为标尺指针在标尺上所指定的刻度值，随用户给定的参数确定。它们之间的关系为： H+x=L+y H=L+y-x （3）将（3）式代入（2）式得：L= （4）将已知的值代入（4）式得：L= （mm）简化后，得：L= （mm）根据实际情况知，在卷圆机上卷制的宽度（角钢为厚度）一般为15b60（mm），卷制半径一般为100R 500（mm），因此，以此范围为计算作图范围，绘制标尺刻度值L与卷制半径R、卷制宽度（或厚度）b之间的关系表。这样就给使用厂家的实际生产带来很大的方便。 图3 上下辊中心高与标尺刻度的关系表1 L= 单位：mmRLb1001502002503003504004505001560.2361.7062.8663.8064.582061.0263.5465.4066.8267.9668.8869.652562.8366.3168.7570.5671.9573.0673.9774.723063.0768.2571.6073.9575.7177.0778.1679.0579.793568.7173.6476.8779.1580.8682.1983.2684.1384.864074.3079.0382.1384.3586.0187.3188.3589.2189.924579.9084.3987.3889.5391.1592.4293.4494.2894.995085.4589.7492.6394.7196.2997.5398.5499.365590.9795.0897.8799.896096.47由于此次设计的上辊轮行程为40mm，且标尺指针在标尺上的指示范围为（60，100）mm，因此计算出来的L值若不在此范围内，则在本台机器上无法将其加工成所需工件。4.2 压下装置的设计 钢板在卷制过程中，曲率的控制是通过调整上辊的压下量来实现的，压下量可通过标尺任意调整，实现了一定范围内的曲率半径的卷曲。上辊的压下采用“螺母固定，螺杆转动并移动”的螺旋传动方式，并通过滑块使上辊轴与螺杆保持相对静止，从而达到上辊轴与螺杆同步升降的目的。其设计效果图如图4所示。 图4 压下装置设计效果图4.3上辊轮轴的设计4.3.1 轴的材料及结构的确定上辊轮轴是该机器的重要零件，承受着两下辊轮的合力，设计时应满足合理的结构，足够的强度，以及良好的工艺性等。1选择轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢，碳钢具有足够高的强度，对应力集中敏感性较低，便于进行各种热处理及机械加工，价格低、供应充足，应用最广。合金钢机械性能更高，常用于制造高速、重载的轴，或受力大而要求尺寸小、重量轻的轴。通过进行各种热处理、化学处理及表面强化处理，可以提高用碳钢或合金钢制造的轴的强度及耐磨性。特别是合金钢，只有进行热处理后才能充分显示其优越的机械性能。由于本台机器要求此轴具有较高的强度且轴径不能过大，因此我们选用合金钢，其牌号为38CrMoAlA，锻造成形及调质处理，毛坏直径60mm，硬度293321HBS，抗拉强度极限=930MPa，屈服极限=785MPa，弯曲疲劳极限=440MPa，剪切疲劳极限=280MPa许用弯曲应力=75MPa。2拟出轴的结构根据轴的工作情况和轴的材料，我初选轴径为35mm，因为轴主要承受的是径向载荷，所以安装在上辊轮与轴之间的轴承的类型选用圆柱滚子轴承，由机械设计手册高教版中知圆柱滚子轴承（摘自GB283-87）查得d=40mm，D=80mm，B=23mm，型号为32508。由于上辊轮的宽度为42mm，所以应在上辊轮中再安装一个型号为32208的圆柱滚子轴承，d=40mm，D=80mm，B=18mm，然后用密封圈密封。如图4所示，由于轴在滑块内的长度为18mm，滑块到轴承的间距为34mm，铜套的宽度为20mm，上辊轮宽度为42mm，因此轴的工作长度为：L=20+42+18+34=114（mm）3轴上零件的定位和固定为了防止轴和零件在工作时发生轴向移动，保证其准确的工作位置，安装在轴上的所有零件必须有准确的定位和牢靠的固定。为了限制轴的轴向移动，轴与滑块采用螺纹联接，从而保证轴与滑块的相对静止，轴肩对轴承轴向定位，压板和铜套对上辊轮进行轴向定位，再利用双头螺栓和螺母对压板进行锁紧。4.3.2 轴的受力分析1绘制轴的受力简图 如图5所示为上辊轮轴的受力简图，将上辊轮、滑块对其作用的力集中作用在轴上。图5 上辊轮轴的受力简图 由于轴只受到上辊轮和滑块对它的作用力，因此这两个力等值反向，均为7.83KN。所以，作用在轴上BC段范围内的力的集度为： P= （KN/m）作用在DE段范围内的力的集度为： q= （KN/m）2. 绘制上辊轮轴的剪力图、弯矩图在轴的AB，BC，CD，DE四段内，剪力和弯矩都不能用同一方程式来表示，所以应分四段考虑，对每一段都列出剪力方程和弯矩方程，方程中，x以m为单位，以KN为单位，以为单位。在AB段内，=0 （00.02m） =0 （00.02m）在BC段内，=186.43 （0.02m0.062m） = （0.02m0.062m）在CD段内，=7.83 （0.062m0.096m） =7.83 （0.062m0.096m）在DE段内，=7.83-=7.83-（0.096m0.114m） =7.83-q =7.83-435 （0.096m0.114m）图6 上辊轮轴的剪力图与弯矩图4.3.3 校核轴的强度由弯矩图知，C处为可能的危险截面，计算出C处的剪力和弯矩。Fc=7.83KN，Mc=7.830.41。因为材料为38CrMoAlA的许用弯曲应力=75MPa，C截面当量弯矩应力为：=65.29 Mpa （W为轴的抗弯截面模量）所以，C截面安全。5.4 螺旋传动设计为了达到将螺杆的转动转化为滑块的升降运动，我们采用了“螺母固定，螺杆转动并作直线运动”的滑动螺旋传动方式。对于这种以传递运动为主的传导螺旋，其失效形式主要是由于磨损而产生的过大间隙或变形造成运动精度下降，设计时应以螺纹耐磨性计算和螺杆的刚度计算来确定螺旋传动的主要尺寸参数。由于在本次设计中，螺杆受到较大的受压的轴向载荷，因此，需对其进行强度核算和压杆稳定性核算，检验螺旋是否满足自锁条件。1选择材料和许用应力螺杆材料选45钢，调质处理，由机械设计手册第三卷（成大先主编）第12篇表12-1-10查得：=12072，手动可取100。螺母材料为。由表12-1-10可得：，取50；= ，取35。此螺旋传动系手动低速，由表12-1-9查得：，取20。2. 按耐磨性计算螺纹中径螺纹的中径为：其中，F轴向载荷，N； 许用比压，（其值可查表12-1-9