刘磊-541002010425-Φ500mm三通管热模拔制模具设计.doc

500mm三通管热模拔制模具设计 郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目500mm三通管热模拔制模具设计 学生姓名 刘磊 专业班级 机械制造设计及其自动化10-4 学 号 541002010425 院 （系） 机电学院 指导教师(职称) 张志远 固定内容为宋体3号完成时间 2014 年 5 月 28 日 目 录摘 要IABSTRACTII1、 绪论11.1本课题的研究背景和意义11.2国内外的发展概况21.3本课题研究内容22、热拔成形三通管工艺32.1 热拔成形三通管工艺过程32.2预制孔参数计算52.3 热拔成形三通管工艺的原理及特点73、 热拔成形三通管模具的总体设计方案83.1热拔成形三通管模具的基本构成83.2加热装置结构93.3线性模组的搭建103.4 多边形弧板的研究123.3 拔模的分析143.5 测量装置143.6 拔制设备154、热拔成形三通管模具关键结构设计154.1 液压机的选择154.1.1拔力的计算164.1.2液压机型号确定与校核164.2拔模的设计194.2.1主管上开椭圆孔尺寸的计算194.2.2拔模的设计及校核214.3 线性模组的选择234.4伺服电机的选择及校核245.控制系统设计305.1温度控制系统设计305.1.1系统硬件红外测温仪305.1.2系统硬件接线图315.2 PLC控制系统设计335.2.1控制系统中元件的选择335.2.2 PLC控制电路设计346.总结与展望37致谢38参考文献39500mm三通管热模拔制模具设计 摘 要通过对国内外大口径三通管制造工艺技术现状的研究，针对其所存在的缺陷，本文对热模拔制三通管这种新工艺进行改良，设计了一种高度自动化加热装置，来实现对加热区域进行准确均匀的加热。方案中采用多边形弧板，合理布置焊枪位置，通过使用伺服电机驱动的线性模组来操控加热焊枪的精确运动，经过其运动合成轨迹，来达到对预制孔周围的加热区域进行均匀加热。采用热拔模方式拔制而成的大口径三通管，比传统方式焊接的三通管安全系数更高，强度更高，耐用性更好。拔出的凸缘壁厚、应力分布更均匀，能够很容易的与其他管道进行焊接。这种方案设计对热模拔制三通管工艺的推广有着积极良好的影响，不但优化了产品的生产质量，也大大提高了企业的生产效率。关键词 三通管，热模拔制，自动化IT-PIPE 500 MM HOT DIE DRAWING DIE DESIGNABSTRACT Throughout the defect of large diameter tee manufacturing technology at home and abroad, for large diameter tee hot forging die adopt new technology are studied, put forward a kind of automatic heating device can evenly heating tube heating area, in order to realize accurate position control of the hot air gun adopts ac servo motor drive linear module, using polygon arc plate, reasonable decorate a heat gun, and then through the movement of heat gun synthesis to achieve uniform heating of pipeline. Using thermal draft drawing of large diameter tee, than the traditional way of welding tee higher safety coefficient, higher strength, better durability. Pull out the flange thickness, stress distribution is more even, can easily with other pipe welding. This scheme effectively improves the automation level and production efficiency of the process, has great popularization value.Keywords T-pipe, hot die drawing, automationII1、 绪论1.1本课题的研究背景和意义伴随着我国的工业水平不断发展提高，对能源输送的要求也不断增强。而管道输送具有这一次性投入少、有利于环景保护的独特优势，可靠性较高、运输投入低、特别适合远距离进行易爆、易燃、的石油天然气等能源的运输。近年来随着人类社会对能源需求的日益增长,我国的石油与天然气管道建造已经踏入了高速发展的时期,我国西气东输，南水北调等重大工程中的钢管直径已经有了达到1500mm，其中的最大壁厚有超过了40mm，可想钢管的壁厚、管径和工作压力要求都有了显著的提高。三通管件的制造也有朝着大口径，高强度，耐压力的方面发展。三通管在这种远距离运输中占有重要的地位，它是管道工程建设中用量较大且很重要的管件配件，它是管道运输中的的过渡连接地区，如果一旦出现泄漏或变形的不良情况，就可能对整个工程建设造成重大的经济损失，耽误施工建设，影响进度，甚至重大事故的发生等状况，因此三通管成形制造和加工工艺从来都是管道工程建设中的关键技术和工业发展水平的标志。在大口径三通管的传统制造工艺中， 铸造镁合金三通件不能够满足现在管道运输的性能要求，锻造三通管件是需要进行削减大量的材料加工，耗废的材料数量大，工艺过程复杂；热挤压制造的三通管件应力分布均匀，强度高，可是管坯必须要经过很多次的整个加热，能源浪费大，工人师傅的工作强度大。焊接三通管件更是存在着应力集中的毛病，很容易留下发生重大事故的安全隐患；正因为如此，这里提出了一种新型的热锻模制造形成大直径三通管技术. 三通热拉伸过程,可以称为翻边成形过程,根据金属塑性成形理论,在T形支管凸缘成型属于的类型,即伸长类曲面翻边成形。画流程草案在牵引力的作用下,退出预制孔的母管,产生塑性变形和管法兰,周围的绘制过程预制孔面积加热,冷拔相比,热画可以减少金属的变形阻力,加工设备可以使用小吨位液压机;热交换管材料的组织性能,钢热变形后的组织再结晶晶粒大小、晶粒细化,提高了材料的力学性能;提高塑料管材,据一些低温脆性,加工的高合金钢管尤为重要。 1.2国内外的发展概况现在国内外主要有铸造、焊接和热挤压成形技术等三通管件的制造工艺。铸造大直径三通管件有着需要后续加工、工作强度大和铸造材料大量浪费严重的问题;焊接三通管件技术更存在着应力集中的缺陷，这样的产品不能够满足对高压工作环境的要求;热挤压成形三通管件也有很多缺点，例如长度不够，能源消耗大等等。正因为于此，我们这里 采用多向加载成形制造技术,它不仅可以减少加工的工序,并且可以在很大程度上提高了金属材料的重复利用率,如果考虑导加工过成中采取减少模具数量的手段措施，那就可以很大程度上提高生产设备和工人的使用效率，其社会效益和人文效益更加可观。本方案采用的热拔三通管工艺，这种工艺成形性好，生产效率高,材料的利用率高，加热设备的自动化过程中提出一个解决方案,解决了低效率的人工加热。 目前来看, 美国一家 T Drill 公司制造 出了在主管上拔出支管及切割椭园孔的专用设 施, 支管 尺寸为 9. 5508, 主 管直径 可达 道1016mm; 前苏联的一个科研所已经制造出 了在 75 530mm 的 主 管 上 拔 出 58 150mm 支管的装备; 德国 邦福瑞德 等人成功的在 510( 1216) 、 610( 2025) 的主管上拔 出 37010410( 1219) 的三通管; 国 内很多单位在 22010、 27016, 32520等管上拔出 159( 1020) 以下的 支管取得 了成功。1.3本课题研究内容 现在工厂中的热模拔制大口径三通管成形工艺的过程中有对局部区域加热的工序。在预制孔周围进行局部加热，而目前国内市场上没有此加热装置，一种针对该工艺的加热装置，只能靠人手人工对管坯进行加热。但在直径507mm主管上需要8个工人共同加热，才能拔出直径300mm的支管就需要8个工人协同加热，不仅造成人力的过度浪费，且由于是8人共同加热，摆动幅度不同易容易造成加热不均，从而降低了支管的成功率，质量也大打折扣，另外加热现场环境的恶劣，高温辐射对工人的健康的影响特别是炎热的夏天。因此，本文提出了一种自动化加热装置方案， 这种方案拔制出的三通管成形性好，生产速度快,克服了以往加工工艺的缺点,材料重复利用率高,加热设备的自动化过程中提出一个解决方案,解决了低效率的人工加热。 2、热拔成形三通管工艺 该工艺只需1 套拔模，1套加热装置， 1 个红外测温仪和1台立式液压机 等少量的设备就能完成 热模拔制成形三通管。而且这样一套多标准的设备就能够适用于不同尺寸和规格的钢管管件拔制工作。2.1 热拔成形三通管工艺过程 该工艺流程如图所示，在工作设备上的钢管主管或设备上，预先开出一个小于支管直径一定程度的椭圆形状的孔, 然后将所要拔制的钢管主管合理的固定在工作台上，利用固定支架夹紧定位 ,对管道局部进行加热。通过输送设备 在主管内递放一个拔模模具（本设计采用的是球模）,使 拔模和拉拔机（液压机）相连接, 载 提升拉拔机工作, 使钢管上预制开出的的椭园孔周边范围内发生塑性变形, 从而拉拔出和拔模模具尺寸形状大小近乎相同的凸状边缘, 然后进行焊接对这篇范围内的钢管从而再形成三通管。(1)首先我们需要依据需要拔制的管胚的形状大小尺寸，来计算出需要的拉拔的力度，这样才能校核检查拔制设备，确定液压机的拉力。在此之前，还要确定出预制孔的大小，在管胚的主管上面开出合适的预制孔是热模拔制顺利进行的关键一步。在这里，可以采取打磨毛刺的手段，来使预制孔附近的边缘部位光滑，不粗糙。这样有利于拉拔时顺利成形支管。但是管胚是合金钢的材料，就必须选择机加工的手段，来开预制孔，这样的话就不容易出现缺陷，保证拉拔工作的顺利进行。这样的工作完成后就把管胚适当的固定在拉拔设备的工作区间，技术要求是开孔的轴线应与工作机台垂直，并且在装上拔模后处于开孔的中心部位。（2）拉拔前需要对预制孔边缘部位进行均匀加热，并且加热的面积要适量不能造成管胚的变形。本方案就是专门的针对此问题设计了一种加热装置，它能够实现高度的自动化，采用电打火方式，以氧 天然气作为燃料，用温度监控设备对加热温度进行实时监测，从而实现对三通管拔制时预制孔附近部位的准确高效加热。（3） 当加热部位的温度达到1200左右时，就要快速的将拔模送入到母管中，并将拔模和拉杆连接，拉杆连接到液压机上面后开动液压机，向上方拔出拔模，从而形成需要的支管凸形边缘。 因为金属材料存在着延伸率极限的问题，如果一次性就要拉拔成形，将有出现支管裂断的可能，为了防止这种情况发生，可以采取23次的拉拔过程，这样不但能使支管的强度系数变大而且能够减少投资的成本。 （4）质量检查 ： 检查三通外观是否过渡圆滑，拔制高度是否合适，有无裂 口，有小裂口时可以补焊后探伤； 抽样检查减薄量，那些是在降低要求条件下使用； 表面附色检查 ； 检查三通管件的硬度超出要求的必须重新进行热处理加工。 (5)加工三通管口口径边缘。拔制结束后的三通管口边缘处肯定存在凸凹不平的地方，可能存在有壁厚不均匀的现象。所以要对管道口边缘处进行加工处理。热拔工艺方案工艺过程如图1:图1 热拔工艺过程简图2.2预制孔参数计算根据金属塑性成形理论,由加工零件的性质和不同的应力状态,这里的翻边过程可以分为内孔翻边和法兰翻边,需要预先形成的洞孔翻边。热锻模回火过程的本质是翻边成型,热拔模无疑属于内孔翻边模拉的过程。预制孔的形状和大小的热模拉过程中,相关的影响是否产生高质量的三通支管。三通支管成形是伸长类曲面翻边成形,预制孔边缘曲线低于周边分支管部门的圆的周长。翻边成形的过程中,预制孔边缘曲线的切向拉伸力和变形,扩大周长,直到最后形成的扩展到草案相同直径的圆形边缘。越接近预制孔边缘的金属,切向拉应力,切向应变越大,支管一端的原因是最大的数量的减少。在翻边过程中,径向拉应力远小于的切向拉应力等方向的高度分支管预制孔翻边前变形很小。因为只有预制孔周围局部加热,所以三通整个绘画过程中,很少有部分外的横向变形。为方便分析,简化计算,我们做出以下两个假设:1)忽视分支高度方向的变形。2)只有部分曲线内管坯变形发生。下图是引用别人的图片，当然自己在建模过程中也建模过类似模型，相比较还是此图比较准确的表达出拉拔前后管件的形变，所以此处引用别人的图片加以说明。 首先可以假设拔出的钢管支管端部部位是一个光滑的平面，与平面坐标是平行，钢管的支管凸型边缘部位与母管相交，他们相处交线上的每一个点到支管头部的距离是不一样的，距离最大的截面为XOZ，距离最小的截面为YOZ。在以上所做的两点假设的情况下，钢管的支管凸缘部位上，可以过其轴线上的任一截面的母线长度，与变形前该轴截面上管坯预制孔边缘到相交线上的曲线长度相等，所以可以知道预制孔是空间曲线，呈椭圆形，他们是一条在坐标平面XOY上的投影。湘潭大学的肖小亭老师根据翻孔时金属流动情况，根据金属体积不变的情况以及类比弯曲成形的理论，采用了展开求域和原位定形的方法，利用图解来得出预制孔在曲面体上的形状，得出了三通管的预制孔为椭圆的结果。1）需要预制椭圆孔的长轴尺寸计算预制开出的椭圆的长轴端点处的变形条件情况类似于圆孔翻边,所以可以参考经验公式，计算其长轴尺寸:C=D-2(h-0.42r-0.75b) （2-1) 式中：C为预制钢管的椭圆孔长轴必需长度； D为钢管翻边孔的直径（可以去取管坯内直径加上管坯厚度的一半来计算）； h为钢管的翻边标准高度（即支管的最小高度）； r为钢管翻边圆角半径(XOZ剖面上钢管支管与母管过渡位置的圆弧半径)； b 为材料厚度（管坯的厚度）。 2）预制椭圆孔短轴的尺寸计算支管法兰通过的轴线部分母线长度等于轴部分管道预制的变形曲线孔的边缘曲线的长度。B=/180 arcsind/-2H-2h (2-2) 式中：B为预制椭圆孔短轴的长度； 为管坯内直径； D为支管内直径； H为支管高度（最小高度）； h为“马鞍“尖高。 其中 2h=-2-d2 将数据带入式中。得出预开孔大小A=359mm B=162mm图2 预制孔图2为在本次设计中利用三维建模软件solidworks建模生成的开有预制椭圆孔的管件，管道内径是460mm，外径是500mm。 图3 预制孔形状和尺寸 上面介绍的预先确定椭圆孔尺寸大小的思想计算方法,具有少量的计算量,工人师傅很容易能够掌握，很是简单,清晰。管件工厂生产试验证明了该方法计算过的椭圆孔大小的管坯热画后高度分支的形成，基本上达到了预想结果,支管也相对平坦。 2.3 热拔成形三通管工艺的原理及特点 三通热拉伸过程根据金属塑性成形理论,绘制流程草案在牵引力的作用下,退出预制孔的母管,产生塑性变形和管法兰,周围的绘制过程预制孔面积加热,冷拔相比,热拔模可以减少金属的变形阻力,加工设备可以使用小吨位液压机;热交换管材料的组织性能,钢热变形后的组织再结晶，晶粒大小、晶粒细化,提高材料的力学性能,提高塑料管材,据一些低温脆性,加工的高合金钢管尤为重要。热锻模采用大直径三通过程与传统生产工艺相比不仅具有明显的优势,但也有其独特的特点:(1)与铸造三通管工艺比较，该工艺不需要后续工序的加工，并且很大程度上节省了原材料和工作时间。(2) 与焊接三通管工艺比较，该工艺生产的三通管件的，其结构科学、应力分布均匀，主支光滑过渡。在钢管支管的拉拔工作过程中，因为金属纤维弯曲形状改变，但强度不会被削减,所以三通管件的整体性能将得到提高。(3)热模拔制工艺只需进行局部加热管坯，与热挤压工艺比较，它需多次送回加热炉中对管件进行整体性加热，这样不仅工人师傅劳动强度大，生产效率低，不环保。而且能耗高。而热模拔制工艺整个工艺过程中只需要不同尺寸的拔模，想要拔出各种不同规格的三通管只要更换拔模就能，节省了热挤压工艺过程中的上、下俩个半模，也不需要建设加工过程中的专门的加热炉，降低了公司的投资成本和人力资源，比较适合在我国的中小企业中大量推广。(4)这套方案中我们专门设计制造出了一种可以加热均匀、科学的适用于这种工艺的自动化加热装置设备，它能够快速的均匀的进行对预制口径范围内进行加热，如果再配上自动化的递送拔模装置，该设备就能实现工艺上的高程度上的自动化操作。(5)该工艺工程过程简单，应用范围广，适应不同场合，不仅可以单独成形三通管，而且也适和在一个较长管坯上的不同位置拔出多个支管，大大提高了企业的工作效率。另外想要拉拔出 Y 型或其他形状的三通管只需在拉拔过程中改变拉拔的角度就能够实现。 3、 热拔成形三通管模具的总体设计方案3.1热拔成形三通管模具的基本构成该工艺所用设备装置较少，只需要1 套拔制用的拔模，1套加热装置， 一套温度控制设备和1台立式液压机 就能对钢管进行热模拔制工艺生产。而且这样一套多标准的设备就能够适用于不同尺寸和规格的钢管管件拔制工作。设计开始时我们确定选用球模来拔制三通管，利用液压机的回程力来拉引球模，球模结构相对比较简单。 此设计拔制部分:液压机，球模，及液压机和球模连接的拉拔连接柱。液压机是拉拔系统的关键组成设备，它主要元器件的构成是由主电机、电气自动控制部分和液压自动控制部分三大区域的结构组成。 液压机拉拔部分包括工作机台，拉拔杆件，液压系统等组成。此部分为动力组成部分，是拉拔工作的关键驱动部分。而现场时在高温环境下，所以就必须要考虑设备的安全因素。注意液压系统与加热区的分离。固定支架起固定线性模组和定位作用。在热模拔制大口径三通管成形工艺的过程中有对局部区域加热的工序。在预制孔周围进行局部加热，而目前国内市场上没有此加热装置，一种针对该工艺的加热装置，只能靠人手人工对管坯进行加热。但在直径507mm主管上需要8个工人共同加热，才能拔出直径300mm的支管就需要8个工人协同加热，不仅造成人力的过度浪费，且由于是8人共同加热，摆动幅度不同易容易造成加热不均，从而降低了支管的成功率，质量也大打折扣，另外加热现场环境的恶劣，高温辐射对工人的健康的影响特别是炎热的夏天。因此，本文提出了一种自动化加热装置方案，在充分考虑了马鞍形加热曲面的构造加热区域，加热难度对比后，制定了如下的加热方案。 球模部分主要由球模及连接球模和拉拔柱的连接柱组成，球模是拉拔成型的管件，选材与形状都很重要。3.2加热装置结构 如图4所示，即为该工艺的自动化加热装置设施的结构示意图，它主要由8个加热的大号焊枪、8组二维平面坐标机器人构成。焊枪的固定端可以灵活调节，使得让焊枪的烧嘴与钢管有适当的距离进行加热。每个焊枪下面均有小坐标机器人，其中4组直角坐标机器人是固定的，他们能定位在固定支架的斜面上，还有4组与另外4组错开，天然气-氧气组成焊枪的燃烧成分，这里采用电打火的方式打火对加热部位进行加热，焊抢安装在悬臂式支撑板上，相互交错，不会干涉，并远离高温的加热区，使机械臂减少热辐射，保护机械臂有效的工作。所以要求固定支架距离工作中心要相对较远，不能影响电动滑台的使用功能。能够按 照预期的轨迹正常运动。 通过人为来回摆动焊枪的加热方式来模拟的加热装置，其优点是比人工加热更均匀。管坯需要加热的区域是在预制空的附近，从图3可以看出该加热区域类似于马鞍形，是一个对称的空间曲面，在相对预制孔的周围，一前一后排列的两把焊枪，负责加热1/4的区域，总共分4组，负责整个区域。加热装置启动后，机器人带动每一个焊枪下作均匀的往复运动，8个焊枪需要以相同的运动方向运动，这样才能够避免发生碰撞，这样就能对整个曲面才能够均匀加热。图4 加热装置外形结构3.3线性模组的搭建线性模组的形式常见有：1、列式直线导轨形式2、Kk精密线性模组其中精密线性模组是由由xy方向运动机构组成，其中有丝杠，丝杠螺母，导程滑块，固定件，轴承，固定螺栓，螺母，驱动马达等组成机构。3. 铝型材形式 这种形式的线性模组内部结构较为复杂，能够匹配滚珠丝杆和直线导轨，这样可以实现高精度和高速度的水平,再加上模块化和标准化的优点并与致动器组装交付给客户自己的设计。所以铝模块滑近年来被客户接受,未来的各种各样的行业也有很大的市场需求。 线性模组的特点1. 定位精度高线性模组实现平稳运动，在低速运动的情况下，不容易产生线，动态和静态摩擦阻力之间有着很小的区别。沉重的复合定位精度高,适合于线性模组运动频繁启动或扭转移动部件。2.磨损小采用滚动接触的方式能够有效的减小摩擦耗能,线性模组运动时摩擦损失小,这样就能让线性模组长时间运动也可以保持高精度。另一方面，由于工作过程中的润滑油的使用较少,那所匹配的润滑系统设计和对线性模组的使用维护就变得简单易行。3.适应高速运动 线性模组运动过程中需要稳定的传输环境,有着缓冲保护的作用、线性模组运动时直线滚动导轨模块由于滚动摩擦系数的降低,可使线性模组运动所需的电力供应水平和电力传输机制小型化,驱动转矩,大大减少。线性模组运动速度快,提高了焊枪的工作效率。 4.组装容易并具互换性线性模组中的零件是可以互换的，不同的工序只要更换线性模组中的滚动直线导轨就可以实现高精度的定位。线性模组还有工作过程中不需要润滑的优势，零件维修方便，较低的维护成本和组装方便的特性。该工艺需要加热的范围是一个空间曲面，该曲面形状形同与一个马鞍形，那么线性模组中的焊枪的喷嘴需要有线性模组中三个自由度的空间，进行在该空间里的运动，那么线性模组中每个焊枪下面就需要在不同位置装上有X，Y，Z三个不同方向的三个自动化的机械手臂，这样的会使这部分的设计结构与控制系统就会更加复杂，在一方面提高了研发和开发成本，但是，在本文里面我们把线性模组的支撑架设计成为多边形弧板的形状，在线性模组的板面上面铣出四个对称的斜面。这样在线性模组的每个线性模组斜面上面就只需要安装线性模组上一组直角坐标机器人就能够成功的实现线性模组上的焊枪在需要加热空间内的三维运动，从而实现线性模组对这部分空间曲面进行加热。但是因为线性模组弧板上面的斜面面积是一定的，俩个相接近的直角坐标机器人很有可能会造成在空间位置的碰撞，所以就需要在线性模组增添上几个悬臂式的支撑板架以保证线性模组他们能够安全有效的进行工作。3.4 多边形弧板的研究该课题是在直径为500mm的钢管管管坯上面拉拔出直径为500mm的支管,我们可以假设多边形弧板的内直径为520mm，厚度为20mm。加热范围采取以往经验一般为1.5倍的拉拔管径，所以加热范围的直径得出： D=5001.5=750也即弦AD的长度为750mm。B点为弧AC的中点，每个斜面所对的圆心角为45。图5 多边形弧板利用三维建模，可以做出真实的加热区域，如图5将管件表面分成均匀的四部分，即每部分边界线与中心线夹角分别为：22.5,45,77.5，90度。在管道一端按上面分区，每条线与管道外径表面相交点在平面投影，投影点距管道圆心的距离，就是所需要的加热分布x轴上的位置。同样到里利用x点与椭圆在平面投影边线的交点就可以求出每个加热装置的y轴长度。加热区投影到平面上，相当于两个椭圆交集区域。可以确定四分之一加热区内每个加热区在水平面投影的与大椭圆相交时y轴长度，而其x位置在上面已经确定。这样就可以方便求出各个所需要的xy轴长度，少去很多计算上的麻烦。科技时代标志着技术的进步，所以我们可以利用三维建模，空间模拟真实情况。加热区俯视图6如下：图6 加热范围示意图 所以,我们可以制造出各种不同型号的多边形线性模组弧形板,我们就能够与不同直径尺寸大小的管坯进行加热，这样工厂内就可以生产出各种不同需求的一系列大直径大小三通管件。3.3 拔模的分析拔模模具的形状、材料、大小对产品的制造质量有很大的影响,现在的企业里面一般采用的拔模形状有锥形和球形俩种形状, 小口径管件在拔制的时候通常选取锥形样式的拔模模具,这是由于锥形拔模方便加工生产，更符合管件拉拔时候直径逐渐加大的规律, 另外锥体, 而在拔制大口径，也就是等径或接近于等径三通管件的时后还是选用球形的拔模为好。制作拔模的材料适合采用具有及耐磨损，抗高温、强度高，不容易变形的材料, 以便防止每次拉拔后拔模模具变型的现象发生。拔模模具的最大直径应该比需要拔出的凸缘内径大上( 0. 51) %d( 通常为 13mm,d 为支管内径) 。对与拔制等径三通管件, 为了能够方便将拔模送入到主管内部里面, 拔模模具的最大直径尺寸就应该不大于主管内径也就是拔出凸缘的内径 1mm, 从而保证加热拉拔后凸缘冷却收缩后的尺寸大小。3.5 测量装置该方案采用的是用便携式红外测温仪来对拔制三通管加热过程的时候进行温度监测，从而保证其顺利工作。红外测温仪能够快速连续实时的进行温度测量，而且它结构简单，轻巧，大量应用于工业自动化控制系统中。此外，红外测温仪测量精度高，达到1度之内。红外测温仪安全可靠，能够适用于恶劣的生产环境中，工人师傅在远距离就能够测量那些难以接近的目标温度，最大程度保护了工人师傅的人身安全！该方案采用的红外测温仪在类别上可以归为双色测温仪，光学系统能够收集到被探测的部位的红外辐射能量，传递到光电探测器上经过特殊的光电反应转变为相应的能够识别的电信号，经过信号放大器的放大和信号处理器的处理校正从而转变为被测目标的温度值，再在显示器上显示出来。这种便携式红外测温仪结构小巧，安全，被广泛的应用于工业自动化控制领域里面。3.6 拔制设备 液压机拉拔部分包括工作机台，拉拔杆件，液压系统等组成。此部分为动力组成部分，是拉拔工作的关键驱动部分。而现场时在高温环境下，所以就必须要考虑设备的安全因素。注意液压系统与加热区的分离。固定支架起固定线性模组和定位作用。 液压机的大小俩个柱塞可以假设面积为A1，A2，同样，可以假设作用在柱塞上的力为N1，N2.这样，就能根据帕斯卡原理，容器内的密闭液体，其中各处的压强都是相等的，可以知道P=N2/A2=N1/A1.这样就能知道液压油经过输送到各个阀门，通过单向阀，溢流阀的导向作用来控制液压油向各个部分的输送。在高压作用下进入油缸的上腔或下腔，控制油缸的运动。从而实现利用液体来传递能量的转换。 液压机对材料进行拉伸，压缩等不同工艺的进行是用液体作为工作介质来传递能量来机械设备。液压机大概的可以分为水压机和油压机俩种种类。水压机的工作吨位较高，有较高压强，一般在30兆帕左右大小，但也有大于100兆帕以上的高压液压机用来大型锻造。液压机在工厂里主要用于成形，压装，压块等，应用较为广泛。4、热拔成形三通管模具关键结构设计齿轮传动工作平稳，安全、使用寿命长，和传动比精确，尺寸范围大。热拔成形三通管工作过程中精度要求较高，工作温度范围大，故本设计中采用齿轮传动。还应强调指出，所有传动件的设计中，都应对旋转零部件的平衡精度提出适当的要求。特别是对线性模组中转速与平衡转速接近的零部件，所配合的平衡精度应要求高些。这样才能尽量减小干扰，提高精度。4.1 液压机的选择 根据设计要求，设计中采用十字销联轴节加套轴。其结构特点是联轴节节叉两端为通常的虎克接头。在传动中十字销将受很大载荷必须有足够的强度。为避免叉形体的离心力局部过大，使它受力比较均匀，各方向强度大致相等。有时将叉形体制成环形，这种联轴节可传递较大的转矩，还具有装配时容易调节联轴节本身同心等优点，因而常用于较重工件的驱动。此外，生产上要求平衡精度高时，联轴节就应设计得轻巧些，同时要保证工件按预定的时间启动和停车。在大批量生产中，要求联轴节使用寿命长，性能稳定。在对平衡精度要求不太高的情况下，联轴节设计应保证有足够的强度裕度，同时还应便于操作。4.1.1拔力的计算 拉拔机的选择可以根据拔管生产数量、质量要求、管径及管壁厚大小等因素进行选择。 生产过程中对于小管径薄壁管, 生产数量有限的生产任务, 可选用带框架的手动螺杆来拉拔拔模。对于大管径的厚壁管, 可根据不同管径和壁厚采取不同吨位的液压机进行拔模。据资料介绍, 在 尺寸为32520和 21910 的厚壁管上拔制尺寸为 133( 810) ,高度为1020mm 的短管, 平均一分钟可完成一个。本设计是50020mm，故采用大吨位液压机。根据拔力( P) 的大小来选取采用的液压机的动力,P 按公式 :P = t(D1-d0) ( 4-1） 公式中P 拉拔力, 管件的原壁厚, mm t三管材在拔制时温度的屈服极限,MPa 对于20# 、10# 、Cr 5Mo 钢, 在9001200环境时,t= ( 2077) MPa 这里取50MPa D1 拔模模具的外径, mm d0 平均直径 d0= ( A + B ) / 2, mm 计算可得P=623290N4.1.2液压机型号确定与校核本次设计采用的是Y27型四柱拉伸液压机。查阅资料克制液压机的最大载荷约为3000KN，四根导轨柱的安全直径D.=F/A （4-2）式中F轴向拉力 A横截面积。 即D=4F/=4*0.5*106N/3.14*80*06Pa=0.089m查表后取导柱直径100mm,为了工作需要取直径为120mm。故本次设计采用的是Y27型四柱拉伸液压机。承重导柱如下图7图7 液压机拔制示意见图 横梁设计 材料选择，钢管横梁在工作过程中受到的力是弯曲力，所选用的材料就应该要具有一定的抗弯强度才行。这里选用45钢毛坯作为锻件。横梁在加工过程中需要进行调质处理。 理论计算校核 横梁受力情况如图8所示。 图8 横梁受力简图通过 分析计算可以初步得出该结构尺寸分别为1320、1035、565mm该选取的截面为矩形。那么在负载时的剪力和弯矩如图9所示。 图9 （a）剪力图 （ b）弯矩图 由图9a 剪力图 分析可知横梁D点11截面弯矩最大，所以可以判断出该截面就是危险截面。对该截面进行强度计算校核。正应力计算公式为：max=Mmax/W 式中 max最大材料弯曲正应力 Mmax最大材料弯矩 W抗弯截面系数(m3)该截面抗弯系数W： W =bh2/6 式中 b截面的宽 h截面的高液压机使用要求负载为3000KN，主缸的最大工进速度是0.006m/s 。本次设计所取用的工作速度是主缸回程速度就是，所以0.006m/s为拉拔速度 。工作中要求液压机运动平稳进行拉拔。这样才能保证拔制出来的三通管符合使用要求，符合设计原则。所以本次选取液压机为YTD-35，500吨大吨位液压机，为了保证液压机使用寿命所以故意选取比较大的液压机，这样液压机可以在相对合适的工作负载下工作。然后在solidworks中进行简单的建模，因为本次设计注重的是热模拔制加热装置的空间分布。所以液压机并不是本次设计重点，仅是简单外形建模即可，但是要求建模图形要形似，在尺寸上要符合选择机型。，500吨液压机工作台为4000x3000mm，工作台上都有定位部件，固定工件的部件是T型槽，工作台高度没有给出具体数据，但是根据实际使用中一般在400600mm之间。外形尺寸于工作台基本相同但是零件外形不同，上面开有5个圆形通孔，四个边缘通孔大小相同，让他们于液压机导向柱配合，在工作过程中在液压机带动下使拔模的运动方向沿导向柱上下移动。以上内容是对所选择的液压机简单的建模以及描述。4.2拔模的设计4.2.1主管上开椭圆孔尺寸的计算在主管上开预制孔尺寸的大小直接对产品的质量有很大的影响。如果开孔小, 那么凸缘高度就会大, 因为变形大, 所以很容易就会产生不合适的裂纹, 从而造成减薄量变大; 如果开孔过大大, 虽然会很容易拔出, 但是因为凸缘高度比较小,造成 不方便和支管焊接。 因此这里取凸缘高度为主管直径的10%, 且不小于1020mm。 1) 预制椭圆孔长轴计算 预制椭圆长轴端点部分在工艺拉拔过程中的变形状况情况与板料上圆孔翻边一样，所以可以参考经验公式来计算其长轴尺寸大小：A = d- 2H (4-3)式中 A 预制椭圆孔长轴的长度, mm d 拔制拔出内径, mm H 为支管的最小高度, mm d=960mm H=100 A=760mm图10 开孔计算简图 2)预制椭圆孔短轴尺寸大小的计算 支管凸缘的任一过其轴线的截面上母线长度等于变形前该轴截面上管坯预制孔边缘到相贯线的曲线长度。 B=/180 arcsind/-2H-2h B 预制的椭圆孔的短轴的弧长, mm h马鞍尖高, mm 2h=-2-d2 为管坯内直径；, mm B=347mm计算得出预开孔大小可得A=359mm，B=162mm图11 预制孔效果图图11为在本次设计中利用三维建模软件solidworks建模生成的开有预制椭圆孔的管件，管道内径是460mm，外径是500mm。4.2.2拔模的设计及校核 本次设计采用球形模具，在对于大口径三通管拔制时球形模具方便拔制定位。设计时我是采用solidworks软件进行的三维建模，所以模具只需要制作半球模形状就可以满足使用要求，如下图12，13：图12 拔模三维示意图图13拔模二维简图上面两图是用软件建模出的具体实物图，依据球模制作要求，对于球模直径小于管道内径1毫米，定于直径为458毫米。球模中心开一竖直上下的通孔，直径是250mm，与拉拔连接柱进行装配。常见的多于在孔中攻出螺纹线，采用螺纹练接，本文此处不做具体要求，为了工艺相对简单，采取连接柱下凸台于球模平面配合。连接柱尺寸如14所示。图14连接柱示意图零件连接柱穿过球模通孔，与液压机拉力柱连接，拉力导柱与连接柱上开有等圆孔，配合后用销钉连接固定。连接柱高度根据实际装配，便于装入三通管中取高度为700mm左右。具体高度可以根据现场环境进行改进。 拉拔力在下文计算可知约为为P=2800KN，球模受力面为半球面及低端与链接柱接触平面部分，下平面面积为连接柱下环形面积， D2-d2=4002-1502=137500mm2。 =P/S=20MP 在9001200度下 球模=20-70MPa 经验证球模满符合使用。同理拉拔链接柱：受力面为圆柱面，S=2002=22500mm2 =P/S=65满足使用要求。4.3 线性模组的选择 线性模组由xy方向运动机构组成，其中有丝杠，丝杠螺母，导程滑块，固定件，轴承，固定螺栓，螺母，驱动马达等组成机构。本次设计选用ETH线性模组，地面滑臂本次设计定义为x臂，上面滑臂定义为Y臂。下端滑臂通过螺栓与底板和固定支架连接固定。X滑台在滑臂上通过丝杆带动可以左右移动，X滑台带动Y臂左右移动，即实现了X轴向上的运动。而Y轴方向同X轴方向上运动相同，所以整个线性模组实现了直角坐标系XY轴运动。在本设计中利用此装置可以实现管件表面的均匀加热，解决了加热难点问题，使热拔制工艺技术向前迈出一大步。 固定板低端面与工作台通关类似螺栓的固定件连接固定。固定弧板支架外弧面上开有螺线孔，线性模组通过螺栓固定在支架的外弧面上。弧板长度为800+mm，弧板长度将影响线性模组的使用功能的实现，有利于线性模组远离加热区热。多边形弧板校核：一个固定板所受拉力为P/2=1300KN,受力最小应力面为水平截面面积S=50x800x2=80000mm2,应力=P/2 /s=16.26MP小于固定板许用应力（80100MP)。经校核符合使用4.4伺服电机的选择及校核（1)伺服电机的选择选用伺服电机的额定功率P=0.10kw，根据伺服电机选型手册，选用SML 80-034-40LFB型号的电机，电机功率P1=0.10kw，额定转矩T=2.5N.m；额定转速n=3000rpm，额定电流I=4.5A，转子惯量E=2.06X10-4kg/mm2机械时间常数为0.95 ，重量m=2.7kg，伺服电机的画法根据伺服电机选型手册，如下图15所示图15伺服电机电机内芯的基本外形及尺寸设计如下：图16 电机内芯(2) 滚珠丝杠的选用滚珠丝杠的安装方式可以选为为“支撑-固定”的方式。a 丝杠轴的选择所以根据行程800mm决定丝杠轴全长如下：46+50+250+54=400mm，54为丝杠自由移动的距离。b. 丝杠轴径的计算与选择对于标准系列的丝杠由d0n70000，故d07000/3000=23.3mm，选用公称直径d0=20mm的丝杠。根据教材，可选取丝杠的型号为NFZ 2006-3型滚珠丝杠副，取d0=30mm，钢球直径r=20175mm，丝杠外径R=19.2mm，轴径R0=16.1mm，循环圈数为3，额定动载荷Ca=7562N具体参数如下表所示：表3绘制尺寸如下图17所示：图17 丝杆轴尺寸如下表所示：表4(3)丝杠端部挡圈的设计伺服电机带动的滚珠丝杠采用“固定支撑”的安置方式，即一轴端采用轴用挡圈固定，一段采用轴承支撑。因此丝杠端部的直径为15.6mm，根据机械设计综合课程设计选用内径r=16mm，公称直径R=16mm，厚度H=4mm的轴用挡圈，选用轴端的紧固螺钉为M5X12。(4)丝杠端部轴承的选用丝杠的轴端采用角接触球轴承，序列号为8，大小为外径R=28mm，内径r=12mm，宽度B=8mm。(5).丝杠左端轴承端盖的设计根据教材，轴承端盖选用凸缘轴承，设计参数如下：D2=D0+2.5d3=58mm，D=D6+（24）=28+（24）=3032D4=D-（1015）=1813mm，螺钉选用M6，即d3=6mm，e=1.2* d3=7.2mm，d0= d3+1=7mm，D0=28+2.5d3=43mm；D5=D0-3d3=43-18=25mm；e17.2mm，me+ e1取m=20mm。具体画法参照机械设计综合课程设计中凸缘式轴承盖的画法。(6)联轴器的选用及参数设计联轴器选用长圆柱形轴孔的Y型联轴器，具体参数参照机械设计综合课程设计，如下所示：d=19mm；L=42mm；b=4mm；t=24mm，键槽为A型键槽。(7)丝杠螺母的画法选取丝杠的型号为NFZ 2003-3型滚珠丝杠副，具体参数如下：D1=36mm；D=61mm；D4=48mm，B=11mm；D5=5.5mm；D6=10mm；h=5.7mm，L=46mm；M=M6;(8)竖直机构中手柄的画法选用手柄的最大外径R=300mm，采用扫描绘制即可(9)手动丝杠的设计丝杠的轴径同伺服电机带动的丝杠直径一致，长度为350；(10）手动丝杠上轴承的设计轴承端盖的设计具体参数设计如下：D0= D+2.5d3=45+15=60mm；D6=42mm；