管螺纹滚压装置的设计 精品.doc

说明书题 目：41/2英寸管螺纹滚压装置的设计、仿真及受力分析第1章 绪论螺纹原理的应用可追溯到公元前 220年希腊学者阿基米德创造的螺旋提水工具。公元4世纪,地中海沿岸国家在酿酒用的压力机上开始应用螺栓和螺母的原理。当时的外螺纹都是用一条绳子缠绕到一根圆柱形棒料上,然后按此标记刻制而成的而内螺纹则往往是用较软材料围裹在外螺纹上经锤打成形的。1500年左右,意大利人列奥纳多达芬奇绘制的螺纹加工装置草图中，已有应用母丝杠和交换齿轮加工不同螺距螺纹的设想。此后，机械切削螺纹的方法在欧洲钟表制造业中有所发展。1778年，英国人J.拉姆斯登曾制造一台用蜗轮副传动的螺纹切削装置，能加工出精度很高的长螺纹。1797年，英国人H.莫兹利在由他改进的车床上，利用母丝杠和交换齿轮车削出不同螺距的金属螺纹，奠定了车削螺纹的基本方法。19世纪20年代，莫兹利制造出第一批加工螺纹用的丝锥和板牙。20世纪初，汽车工业的发展进一步促进了螺纹的标准化和各种精密、高效螺纹加工方法的发展，各种自动张开板牙头和自动收缩丝锥相继发明，螺纹铣削开始应用。30年代初，出现了螺纹磨削。螺纹滚压技术虽在19世纪初期就有专利，但因模具制造困难，发展很慢，直到第二次世界大战时期(19421945)，由于军火生产的需要和螺纹磨削技术的发展解决了模具制造的精度问题，才获得迅速发展。 1.1设计的背景和意义螺纹是机械工程中常用的连接方式，作为机械设计中的一种基本而又必要的元素，广大设计人员必须对螺纹进行深入的学习和掌握，不仅要能正确、合理的选用螺纹，还要了解螺纹的加工方法和工艺，以便解决生产中可能遇到的问题。螺纹的加工方法主要有螺纹切削和螺纹滚压两种。按滚压模具的不同，螺纹滚压又可分搓丝和滚丝两类。而滚丝按照进给方式的不同，又分为三种形式：径向螺纹滚压，切向螺纹滚压，轴向螺纹滚压。螺纹滚压加工就是用滚压工具进行挤压，是金属塑性变形而形成螺纹的方式。滚压螺纹的金属纤维是连续的，而切削螺纹的金属纤维是断开的，与切削方法相比，滚压不是一种金属切削过程。它不通过去除金属而形成所需要的轮廓，而是按滚轮拉丝模的镜像形成螺纹，是一种无切削螺纹成型工艺。因而滚压螺纹具有如下优点：1.螺纹表面质量较好，表面粗糙度低2.提高被加工件表层金属的硬度和强度，特别是牙底表面硬度有很大提高3.经济效果比切削螺纹提高功效几倍至几十倍，易于实现自动化4.滚压螺纹是无屑加工，可节省原材料5。可加工无法用切削方法加工的细长螺杆但是目前国内外在螺纹冷滚压精密成形的工艺方面的研究较少。因此对螺纹冷滚压进行研究，有助于促进这种无切削新技术的推广应用,具有重要的理论意义和实用价值。 1.2设计的内容和思路本工作分为五部分，设计方法与措施拟定如下： 1）通过查阅分析大量的资料和文献，分析研究高效的管螺纹滚压装置，熟悉设计对象，通过AutoCAD绘制管螺纹滚压装置装配图和主要非标零件图。绘制零件图和装配图时，需要考虑主视图和视图的数量，尽量采用1：1的比例来绘制。 2）编制主要零件加工工艺规程。在设计前，应对工件有关工艺进行详细的分析，然后按步骤逐一进行。为避免基准不重合而引起的基准不重合误差，保证加工精度应遵循基准重合原则。故工序尺寸及公差计算如下步骤：根据相关手册确定各工序的基本余量；根据各种加工方法的经济精度表格确定各工序尺寸的公差；由后工序向前工序逐个计算工序尺寸，得各工序尺寸及公差。3）构建装置的三维图形及数模，并进行三维运动仿真。设计一种高效的管螺纹滚压装置主要就是要解决41/2管螺纹的滚压变形问题，而这可以通过改变结构增加滚压头的数量来实现，为了完成装置的设计，需要借助于UG，DEFORM计算机软件，建立三维模型，并进行受力分析。4）撰写说明书。详细的阐明设计过程和依据，并进行零件的分析计算。1.3解决的主要问题1. 41/2管螺纹的滚压变形问题(管螺纹壁厚较薄，而直径又较大)，如何保证在力作用下薄壁管不变形、裂开。2. 高效的管螺纹滚压装置的结构尺寸的确定。3. 塑性成型仿真分析。第2章 总体设计方案2.1 装置介绍本次研究的课题是高效的管螺纹滚压装置，通过查阅分析大量的资料和文献，本人对管螺纹滚压装置有了深入的了解和认识，在此基础上对管螺纹滚压装置进行了改进，设计出了41/2英寸管螺纹滚压装置。此装置的优点：1.通过一系列的改进，克服了大直径管螺纹加工时的变形，开裂问题，使大直径管螺纹加工有了一种高效的方式；2. 通过这种方式加工，螺纹表面粗糙度小于车削、铣削和磨削；3.滚压后的螺纹表面因冷作硬化而能提高强度和硬度；4.材料利用率高；5.生产率比切削加工成倍增长，且易于实现自动化，滚压模具寿命也很长可重复使用。但滚压螺纹也有它的缺点：1.母材的压缩导致加工硬化，降低螺纹的疲劳寿命；2.材料有局限性，滚压螺纹要求材料的硬度不超过HRC40；3.对毛坯尺寸精度要求较高；4.对滚压模具的精度和硬度要求也高，制造模具比较困难；5.不适于滚压牙形不对称的螺纹。所以滚压螺纹既有自身优势，也有不可避免的缺陷。滚压可以大大提高螺纹的抗拉强度，但螺纹中的加工应力又大大降低了螺纹的疲劳寿命，所以在选择螺纹的加工方法时，要综合考虑螺纹的使用场合、受力特点等各种因素，根据实际需要选择合理的工艺。总的来说，滚压螺纹加工是一种先进高效的工艺，有它的进步意思。此装置是在三个滚丝轮滚压装置的基础上进行改进的，让其适用于加工大直径的油管。根据轧件尺寸为外圆中径112.5mm，内圆为100.54mm，长100mm。轧辊尺寸为外圆中径70mm，内圆为44mm，长60mm。轧件是油管用于油井中抽取石油天然气。考虑到轧辊越多受力越均匀，又根据轧件、轧辊尺寸最多排6个。所以选择6个轧辊进行设计。确定装置主尺寸 (2.1)取整为260mm，再由此推算其他尺寸，确定此装置的结构和尺寸。此装置的结构如下图。图2.1装配图主要结构有1.退料盘 2.盖板3.定位套4.主盘5.主盘连杆6.拨盘7.调整盘8.滑动盘9.调距螺栓10.闭锁机构11.拨销12.偏心轮13.滚丝轮爆炸图如图2.2所示。图2.2爆炸图2.2 工作原理此装置的工作过程是半自动的，工作地点是车床，工件固定在卡盘上，此装置固定在尾座上，中心在同一直线上，具体过程如下。1.准备过程扳动手柄使拨盘和调距螺栓复位如图2.1中的位置1，同时滑块处于闭锁状态，如图2.3所示，此时六个滚压轮处于收紧状态工作状态。图2.3闭锁（工作）图2.加工过程车床带动工件以一定的转速旋转，此装置推向工件，工件进入盖板与滚丝轮接触，此时加工开始，当工件碰到退料盘，工件继续前进，带动拨盘和调距螺栓后移如图2.1中的位置2，拨盘带着滑块逐渐分离如图2.4所示。图2.4张开图3卸料过程当工件加工完成时，手柄杆在弹簧作用下自动复位卡住滑块不让其回弹，同时六个滚压轮张开，加工完毕，此时搬动手柄，拨盘 .调距螺栓和滑块在弹簧作用下回弹，退料盘推出工件，滑块重新处于闭合状态，等待下次加工。2.3 闭锁结构设计与分析2.3.1 闭锁结构设计闭锁结构是此装置的实现半自动化的关键部件之一，由螺钉、定位块、插八片、滑块组成，定位块设计成R15.5和R17的阶梯形，便于定位防止滑动，M8的螺纹孔用于螺钉固定于拨盘上，一侧设计成平面用于滑块的锁紧。滑块前端是三角形便于闭合时顺利滑入定位块，侧面的槽是为了闭锁机构张开时定位块可以卡入槽内不让其回弹，后端的卡槽设计是为了卡入滑动盘，动作时带动滑动盘。插八片设计成截面为梯形，可以实现插入调整盘的卡槽内，固定滑块使其只能水平移动。结构如图2.5所示。按顺序分别是定位块、滑块、插八片。图2.5闭锁机构零件图闭锁机构的装配图如图2.6所示。图2.6闭锁机构装配图2.3.2 闭锁结构分析闭锁结构主要由螺钉、定位块、插八片、滑块组成如图2.7所示，作用是在滚丝轮加工工件时锁紧，加工完之后张开。原理分析如下：1. 用螺钉把定位块固定在拨盘上，通过滑块的锁紧张开就可以控制拨盘的位子。2. 插八片插在调整盘上，用于把滑块固定在调整盘上。3. 滑块卡在滑动盘上，当滑动盘滑动时会带动滑块锁紧张开，实现对拨盘的位子控制。图2.7张开图2.4 拨盘结构设计与分析2.4.1 拨盘结构设计拨盘是此装置的主要传动机构，位于主盘与调整盘之间，零件是圆套类零件，外圈260mm,内圈182mm，与两端面保持0.02的垂直度，保证装配时与其它零件的精度，厚27mm,在盘面上有六个位置度为0.02，环形分布的16mm的通孔，用于与拨销配合，通孔中心距离圆盘中心222mm，保证拨销与偏心轴的配合，通孔外是248mm的8x9环形槽,槽内有4x4mm的通孔，用于放置弹簧销和弹簧，圆盘外圆开有一个R15.5和R17的阶梯半通孔，用于与定位块配合，外圆还有两个15xM6的螺纹孔，用于固定手柄如图2.8所示。图2.8拨盘2.4.2 拨盘结构分析拨盘的作用是通过位置的拨动（即闭锁装置的闭锁张开），实现对六个滚丝轮的闭合（工作）、张开的控制如图2.9所示。原理分析如下：1.拨盘侧面的螺纹孔用于安装手柄，拨盘正面槽内装有四个弹簧销和弹簧，弹簧的其中一头通过弹簧销固定在拨盘上，另一头通过弹簧销固定在主盘上，手柄和弹簧用于辅助配合调整盘的拨动。2. 拨盘正面有六个通孔，用于安装拨销，拨销插入滚丝轮底部的半圆槽内，当拨盘拨动时通过拨销对六个滚丝轮的位置进行控制，进而实现滚丝轮的张开闭合。图2.9拨盘2.5 调整盘结构设计与分析2.5.1 调整盘结构设计调整盘位于拨盘与滑动盘之间，零件是圆套类零件，外圈260mm,内圈122mm，与两端面保持0.02的垂直度，保证装配时与其它零件的精度，厚28mm,盘面上对称开有两个深23mm矩形槽，给锥螺钉预留空间，盘侧面开有3xM14的螺纹孔，用于与调整螺钉配合，盘侧面还有2xM10mm螺纹孔，用于与定位顶丝配合，还有一个24x12mm的槽，用于放置滑块和插八片如图2.10所示。图2.10调整盘2.5.2 调整盘结构分析调整盘的作用是通过调整闭锁装置初始位置，进而控制滚丝轮的张开闭合程度，实现对不同尺寸的管螺纹的加工如图2.11所示。原理分析如下：1. 调整盘侧面的三个调整螺钉通过固定在主盘连杆上的锥螺钉，用于调整调整盘与主盘连杆的位置关系。2. 调整盘侧面两个定位顶丝用于定位调整盘与主盘连杆的位置。图2.11调整盘2.6 滑动盘结构设计与分析2.6.1 滑动盘结构设计滑动盘与调整盘配合，零件配合要求较低，零件是盘类零件，外圈260mm,内圈81mm，与调整盘的接触面保持0.025的垂直度，保证装配时与其它零件的精度，厚25mm,内圈内开有12.5x5mm的环形槽，用于与滑动螺母配合，又考虑到滑动螺母要首先能进入槽内，必须在槽旁对称开两个R6.5mm的半圆槽，外圆要开一个13x16.2mm的矩形槽，用于与滑块配合如图2.12所示。图2.12滑动盘2.6.2 滑动盘结构分析滑动盘的作用是通过连接工件与闭锁装置，使工件的加工完成与闭锁装置闭合张开保持同步如图2.13所示。原理分析如下：1. 随着加工的进行，工件顶住退料板，带动调距螺栓向后滑动，调距螺栓通过滑动螺母带动滑动盘向后滑动。当加工完时闭锁装置张开，拨盘动作，滚丝轮张开。2. 拨盘动作，闭锁装置在调距螺栓上的调距弹簧的作用下回弹闭合，顶出工件完成加工，同时滚丝轮闭合。图2.13滑动盘2.7 主体结构设计主体是此装置的最大零件，前端是260mm的圆盘，后端是一段81mm和55mm的阶梯轴，由于前端与后端的直径差较大，如果整体加工材料浪费比较严重，经过分析比较，采用前后段分开加工然后组装。通过过盈配合，配合值为H7/p6，定位销定位，电焊固定。主盘即主体前半段外圆为260mm，用于与后半段配合的内孔为120mm，厚54mm，端面上有六个45mm与端面成146的通孔，用于放置偏心轴，146的角度是所加工的螺纹所决定的。还有三个M10的螺纹孔用于连接盖板。与主体后半段的连接处保证与端面0.02的垂直度要求，侧面对称打两个8mm的定位通孔用于主盘与后半段的连接定位。如图2.14所示。图2.14主盘图主盘连杆即主体后半段是长201mm阶梯轴，中心是36mm的通孔，与主盘连接的120mm外圆与端面有0.02的垂直度要求，保证装配精度，3/8锥螺纹孔用于安装锥螺钉，锥螺钉与调整盘配合，位于同一圆周上的槽用于定位顶丝的定位，定位顶丝安装在调整盘上。中间30mm的键槽用于安装滑动螺母，滑动螺母连接滑动盘。如图2.15所示。图2.15主盘连杆图第3章 零件的工艺设计3.1零件的功用及工艺分析3.1.1零件的功用拨盘是此装置的主要传动机构，与很多零件有配合传动关系，是此装置的关键零件之一，位于主盘与调整盘之间，零件是典型的圆套类零件。在盘面上有六个位置度为0.02，环形分布的16mm的通孔，用于与拨销配合，通孔中心距离圆盘中心222mm，保证拨销与偏心轴的配合，实现对六个滚丝轮的闭合（工作）、张开的控制。圆盘外圆开有一个R15.5和R17的阶梯孔，用于与定位块配合，从而连接闭锁装置。外圆还有两个15xM6的螺纹孔，用于固定手柄。3.1.2零件的工艺分析根据对零件图的分析，该零件需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求如下： (1) 260mm外圆表面，粗糙度为1.6，要求不高，半精加工即可； (2) 182mm内圆对两端面有0.02的垂直度要求，粗糙度为3.2,而两端面的粗糙度要求较高为0.8，要最后安排磨的工序，内圆和端面适合做后续工序的精基准，因此应先加工出来；(3) 端面8x9.4槽，它们的尺寸公差和表面粗糙度要求都不高，通过粗加工就可达到要求； (4) 6X16mm通孔，其表面粗糙度为1.6，有0.02位置度要求，需要钻中心孔和精绞； (5) 4X4mm通孔，其表面粗糙度为1.6，无位置度要求，精绞即可；(6) R15.5mm孔，R17mm孔，表面粗糙度为3.2，通过粗加工就可达到要求；(5) M8mm和M6mmm螺纹孔，通过定位及钻套引导保证位置。3.2工艺规程的设计3.2.1确定毛坯的制造形式零件材料为45号钢，首先分析45号钢材料的性能，45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工。调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、盘类、齿轮及轴类等；其次，观察零件图知，本设计零件为盘类零件（毛坯可以为棒料、锻件和板料），因外圆和内圆直径尺寸都较大，用棒料加工内圆材料浪费过大，用锻件内圆较难锻造，考虑到其对强度、刚度和冲击韧性要求不高，再者，零件的生产类型为小批量生产。因此，本零件的毛坯种类以钢板焊割裁剪方法获得较经济方便。3.2.2基准的选择根据定位基准的选择原则，分析本零件，外圆首先加工，又便于夹持，可以做粗基准用于加工精基准。内圆和端面同一工序里加工可以保证它的垂直度公差，并且表面粗糙度等各项性能指标都很高，适合做后续工序的精基准，故使用加工后的内圆和端面作为精基准而加工出来的孔的位置度也很高。本零件选择端面和182mm的内圆作为精基准，选择260mm的外圆作为粗基准。3.2.3制定工艺路线在综合考虑上述工序的顺序安排原则基础上，拟定该管螺纹滚压头装置的拨盘零件的工艺。路线如下：工序1：下料；工序2：粗车、半精车260mm外圆，粗车、半精车A面；工序3：粗车、半精车182mm内圆，粗车、半精车B面；工序4：调质处理HRC28-32；工序5：车8x9.4槽；工序6：精车260mm外圆；工序7：磨182mm内圆；工序8：磨AB面；工序9：钻中心孔、钻、扩、精绞6X16mm通孔，倒角；工序10：钻、精绞4X4mm通孔；工序11：铣R15.5mm孔，扩铣R17mm孔；工序12：扩铣R17mm半孔；工序13：攻M8mm螺纹孔；工序14：攻M6mm螺纹孔；工序15：终检。3.2.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定通过对管螺纹滚压头装置的拨盘的工艺分析和加工分析，查工艺设计手册和切削用量手册，确定了机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸，数据如表3.1所示。表3.1机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸表需加工表面（mm）工序尺寸(mm)毛坯尺寸公差(mm)机械加工总余量(mm)毛坯尺寸(mm)粗车260外圆26935269半精车260外圆2642.7精车260外圆261.31.3粗车182内圆17335173半精车182内圆1783.4磨182内圆181.40.6粗车A端面332233半精车A端面310.6粗车B端面30.42半精车B端面28.40.6磨A端面27.80.4磨B端面27.40.4车8x9.4槽；08x9.4钻6x16通孔的中心孔0钻6X16通孔015扩6X16通孔150.85精绞6X16通孔15.850.15钻4X4通孔03.9精绞4X4通孔3.90.1铣R15.5孔031扩铣R17孔313扩铣R17半孔313钻6.9孔06.9攻M8螺纹孔6.91.1钻4.9孔04.9攻M6螺纹孔4.91.13.3 加工设备与工艺装备选择3.3.1选择机床工序中粗车，半精车260mm外圆；粗车、半精车182mm内圆，粗车、半精车A面；粗车、半精车B面，车8x9.4槽；精车260mm外圆选择CA6140车床加工。工序中钻中心孔、钻、扩、精绞6X16mm通孔；钻、精绞4X4mm通孔；攻M8mm螺纹孔；攻M6mm螺纹孔选择ZW3725钻床加工。工序中铣R15.5mm孔，扩铣R17mm孔选择XH714铣床加工。工序中磨A面，磨B面选择M7132H平面磨床加工。工序中磨182mm内圆选择M215A内圆磨床加工。3.3.2选择夹具工序中粗车，半精车260mm外圆；粗车、半精车182mm内圆，粗车、半精车A面；粗车、半精车B面，车8x9.4槽；精车260mm外圆选择CA6140车床上的三爪卡盘即可。工序中钻中心孔、钻、扩、精绞6X16mm通孔；钻、精绞4X4mm通孔；铣R15.5mm孔，扩铣R17mm孔需要制作卧式钻床专用夹具，以内圆与端面定位确定五个自由度，再用一个菱形销定位一个16mm通孔，端面夹紧。工序中攻M8mm螺纹孔；攻M6mm螺纹孔需要制作立式钻床专用夹具，以内圆与端面定位确定五个自由度，再用一个菱形销定位一个16mm通孔，端面夹紧。第4章 运动机构的仿真与分析DEFORM是对在一个集成环境内综合建模、成型、热传导和成型设备特性，并基于工艺的模拟系统的有限元模拟仿真分析软件。它专门用于各种金属成型工艺和热处理工艺的模拟仿真分析，可模拟自由锻、模锻、挤压、拉拔、轧制、摆辗、辗锻等多种塑性成型工艺过程，包括冷、温、热塑性成形问题、多工序塑性成形问题、磨具应力和弹性变形及破损的模拟分析。可提供极有价值的工艺分析数据。DEFORM仿真分析过程如下：在solidworks中构建轧件与轧辊的装配图，导出STL格式，再导入DEFORM。轧件尺寸为外圆112.5mm，内圆为100.54mm，长100mm。轧辊尺寸为外圆70mm，内圆为44mm，长60mm。轧件类型选为塑性，温度为68F，划分