机械工程学院2009届毕业设计指导手册-3.doc

蜂窝纸芯成形设备设计第六章 工程设计类毕业设计说明书实例蜂窝纸芯成形设备设计摘要 蜂窝纸芯材料是一种新型材料，它是以纸、布或金属箔经过粘合、成形等工艺加工而成，其刚度高，重量轻，隔热保温性能好，经过特殊的工艺还可防火、防水，是建筑、交通、装饰行业最理想的材料。本设备是在国内一些现有设备的基础上改进而成的，在设计中还借鉴了一些美国的专利。其工艺原理是在一张纸的一面涂上胶液，产生一组连续的等间距且相互平行的胶痕，和另外一张纸压合，然后在另一张纸的外面涂上同样的胶痕，再进行卷曲、压合、拉伸后成形。本设备与以前的设备相比作了如下改进：两次涂胶由原来的上下两次变成水平的前后两次，易于工人操作；卷取框架加长，减少纸的浪费；涂胶部分的牵引重新设计，使涂胶质量更好；设计了新的供胶系统，结构更合理，操作更方便。关键词 （略）（英文摘要 略）（目录 略）引言蜂窝材料是一种以纸、金属等材料经过涂胶、压合、成形等工序加工而成的一种新型材料，常做成四边形的形状，用来做两块夹层之间的填充物。目前广泛应用的蜂窝板，一般是以纸蜂窝或铝蜂窝等为芯，两边粘以纤维板或纸板等而成。纸可采用牛皮纸、再生纸、草浆纸，铝箔是用铝在压力下延伸而成。蜂窝纸的规格和胶液的选择是由其用途来决定的。这种材料不仅抗压强度高、抗冲击性能好，而且密度小，经特殊的工艺还具有隔音、隔热、防水、防火等性能，是一种理想的建筑材料。蜂窝材料的使用，使得各种构筑物、建筑物和由它制成的各种产品的重量大大降低，而且又节省了许多贵重的材料，使得产品物美价廉，有重大的经济、社会效益，因而在许多行业都广泛应用。其应用最广泛的行业是建筑业，最典型的应用对象是活动房屋。蜂窝材料使活动房屋轻巧灵便，更利于其“活动”。在普通的建筑物中也广泛地用它做成门、吊顶、地板、壁柜和非承重墙、活动墙壁等结构部件。如果有一天你发现了这种东西，不必大惊小怪，这就是蜂窝板做的。如果你观察仔细的话，你可能早就留意到不少包装箱、搬运箱大多都采用多层木板或竹板制成。但是，由于其防潮、防火性能差，对于这方面要求高的包装，这种箱子往往不能胜任，而由蜂窝板制成的包装箱恰好能够满足。由此及彼，诸多运输机械中也有好多的木制品，其笨拙的外形，加之易燃易腐蚀，已经逐步由蜂窝板所代替。由于结构轻巧、强度较高、外形美观，它又可用来生产高档家具。其良好的加工性能使得成批生产高档家具成为可能，而且由于加工量的减小和轻便的特点，使得工人的劳动强度大大降低。另外，在卫星通讯方面蜂窝制品也占有一席之地。目前铝箔蜂窝产品已经用于卫星接收天线和微波通讯天线而取代了原来的笨重设备，甚至还用之建成了天文观测平台和诸多模拟设备。随着经济的发展和人民生活水平的日益提高，蜂窝材料的应用越来越广泛。虽然是刚起步，但是其前景是相当可观的，用这种材料制成的各种物美价廉的消费品，越来越受到广大消费者的青睐，处于供不应求的状态。目前国内现有的技术设备远远满足不了市场需求，甚至有的设备还存在着严重的缺陷，达不到理想的生产状态。鉴于这种情况，参考了一些国外的专利，在现有设备的基础上，本次毕业设计对一种现有设备进行了改进设计。蜂窝纸芯成形设备的关键设备是印胶机部分，蜂窝纸芯的使用性能主要由它来保证，因而它是整个设备的核心部分，这里所作的改进也主要是针对这一部分而言的。由于实践经验的欠缺和知识的局限性，该设备的实际工作情况及可用性还有待于实践的检验。1 总体方案设计11 蜂窝纸芯的成形原理成形原理如下图所示：图1-1 蜂窝纸芯的形成原理将若干层纸用相互交错的胶线粘合，然后沿横向拉伸，就形成了截面如上右图所示的蜂窝纸芯。如果设计时确定蜂窝纸芯的蜂窝边长为a，则胶线宽度亦应为a，两条胶线之间的空隙b3a，这时得到的是正六边形的蜂窝；如果b3a，比如b10a，这时a相对较小，可近似地视其为点胶合，因此可得到正四边形的蜂窝。这里只讨论前一种情况。12 蜂窝纸芯的工艺流程一般来说，纸芯成形的基本工艺如下(针对本设计而言，并非通用)：退纸涂胶粘合成形。13 工艺方案的确定根据现有材料，蜂窝纸芯涂胶机的退纸、涂胶，成形各部分都有好多种不同的方案，现就针对各个部分不同的方案做如下比较：131 退纸部分纸卷数目：最原始的设备是采取单纸卷来退纸。这种方法的采用使得结构复杂而且比较庞大，生产效率低下。后来采用双纸卷来实现，虽然结构简单了，但是设备的占地面积比原先大得多。尽管如此，由于它大大地提高了生产率而逐步取代了单纸卷退纸方案。本设备采用双纸卷退纸。132 涂胶型式图1-2(图略)所示是纵向涂胶的方案。随着纸的运动和涂胶辊的旋转，在纸的上表面沿其运动方向涂上了一组相互平行的胶痕。利用这种方法获得的纸芯，涂胶均匀可靠，易于保证蜂窝的形状，但是不利于后继工艺的连续性。图1-3(图略)所示是另外一种方案。在垂直于走纸的方向上，涂上一组互相平行的横向胶痕，称为横向涂胶，简称横涂。若干层横涂后的纸错开后迭在一起压合，然后拉伸成形即成蜂窝纸芯。其最大优点是能够保证后继工艺的连续生产，但是设备加工较前者困难，而且各层纸上胶线的距离很难保证，工艺上很难实现，仅是一种理想上的设计。出于工艺上易实现的考虑，本设备采用前一种涂胶型式。133 涂胶方式1双面同时涂胶：这种方式是在同一张纸的正反两面同时涂上胶，其原理图如图1-4(图略)所示。其最大优点是能轻松地保证各道胶痕之间的相对位置精度，但是有一个致命的缺点：由于涂胶辊上的突起相互交错，胶痕会由于没有受到一定的压力而显得不均匀甚至有时涂不上胶。如果胶的粘度小而且表面张力系数小，这种方案可优先采用，同时能使设备紧凑、空间利用率高。2同一张纸经前后两次涂胶：这种方案的基本原理如图1-5(图略)所示。其工艺方案与方案1最明显的区别就是涂胶时有了一定的压力使得胶痕均匀。由于第一次涂胶后已经在a面上涂了胶，为了避免其对第二次涂胶的影响，同时又要保证第二次涂胶质量，因而这时的压辊2不能做成光辊，而是要避开前次的胶痕，为此，压辊必须做成类似涂胶辊的形状。同时又由于两次涂胶之间纸有一定行程，为了保证蜂窝状的结构，在安装时要有足够的精度来保证，以防纸跑偏而带来一系列的技术问题。3在两张纸上涂胶：这种方案基本原理图如图1-6(图略)所示，和第二种方案接近。本方案与第二方案相比，胶痕的位置精度相差不大，但它有一个明显的优点：第二次涂胶处的压辊可以采用光棍，这样大大减少了加工量，可降低设备的费用。图示的原理是：纸张I第一次涂胶于其a面，至I辊处和纸张的b面粘上，然后再在纸张I的a面涂上胶。4立式涂胶和卧式涂胶：在确定用哪一种模式时，应从两个方面考虑：工艺上是否易于实现；是否便于工人操作劳动强度要低，操作要简单实用。工厂里用的卧式涂胶可参看图1-6(图略)。为了便于观察和引纸方便，通常取涂胶辊中心高度(相对于底座来说)约1.5m，而导纸辊高度不超过1.8m。这样便于工人发现生产中的异常情况，便于及时解决各种问题和隐患，这些优点弥补了设备相对庞大的不足。在一些进口设备上常采用立式结构。所谓“立式”，是相对于前者而言，不是指将涂胶辊立起来安装，而是指前后两次涂胶采取一上一下的布置方式，如图1-7(图略)所示。这种立式设备大大地提高了空间利用率，结构紧凑，小巧玲珑，涂胶质量好，但是国内生产的纸卷质量比较差，易断纸，这种设备因高度较高不易于引纸，因而在一定程度上限制了机器的生产率。如果纸张能保证基本不断，那么应优先采用这种形式，而针对目前的状况，我们只能为之惋惜。本设计采用了卧式涂胶方案。134 接纸方式接纸是指在纸经过涂胶后在成形前所进行的一个预备阶段，常采用的方式有卷取、铣切、摞叠(即剪切、滚切)。1卷取：卷取的原理图如图1-8(图略)所示，是将通过两次涂胶的纸卷在一个矩形方框的两个边上，矩形方框上的两个卷取横梁是可以取下来的。当卷取的厚度达到预定要求时，取下两个卷取横梁，将纸芯经过压合后，切取所需的长度再进行后续工艺。这种设备结构简单，操作方便，工艺上易于实现，在工厂里用得较多，但是通常做成单卷取轴的形式，在取下横梁时要求停车；同时其浪费较大，切纸时由于两端的圆弧不能利用而被切掉，因而又有不少改进措施：采用多转轴实现连续接纸；采用正多边形卷纸，减少浪费程度；增大卷纸长度L以减少浪费率。现分别说明如下：(1)多转轴连续接纸(卷取)的卷取长度L不能太大，而且占地大，工艺难度大，设备设计较复杂，要求工人的熟练程度高；(2)采用正多边形接纸有两个明显的优点浪费率低，卷取平稳。但是其一个重大的缺陷是设备体积庞大，设计要求不易获得，引纸费时费事，搬运和切割、压合时很困难。基本示意图如图1-9(图略)所示。(3)增大卷取长度L，只能从一定程度上减少浪费，但是L也不能无休止地大下去，因为L越大，卷取就越不平稳，在电路设计和设备结构设计上就越复杂。2铣切：原理示意图如图1-10(图略)所示。这种方法是先将纸折叠在一起，然后用铣切铣去纸张各段相连的尖角，再拉伸烘干后成形，适用于蜂窝厚度t不大、走纸速度低的场合，可实现连续生产。值得注意的是，它要求前面的涂胶部分必须在纸(单层、双层或多层均可)层的a、b两面都涂上胶。这种方法的缺点是：结构复杂，折叠星辊的设计和加工都很困难，而且产品单一化、效率低，一般只在大规模生产中才采用。3摞叠：将涂胶后的纸按一定的尺寸规格用滚刀切成段再进行后续工艺的接纸方法称为摞叠式的接纸方法，如图1-11(图略)所示。这种方法可实现连续生产，同时调节滚刀的转速n，可以任意改变纸的长度规格，浪费率低，可满足不同生产率的需要，但同时存在着不可克服的缺点：1)为了避免切纸时的冲击，常将滚刀做成螺旋状，因而在安装和调试时费事且刀的成本高：2)为了避免纸粘在刀上，在滚刀前要求将胶烘干，这样还要求压合时在高温高压下完成，需要使用特定的胶液，因此要浪费大量能源、占用大面积的厂房。本设备采取第一种方案卷取。135 涂胶辊的布置：这里讨论的辊子的布置是指各个与涂胶有直接联系的辊子之间的相互位置关系及胶液是如何供应到涂胶辊上的。1单辊醮胶式：如图1-12(图略)所示，为单辊醮胶式或为单辊挂胶式的供胶、涂胶方法。这种方法用调节挂胶与挂胶辊的间隙来控制胶量的大小。2四辊喷胶式：这种涂胶方法用得早，技术成熟，涂胶效果也很好。原理如图1-13(图略)所示。胶量的大小是靠两供胶辊的间隙来调节的。由以上的这些考虑，可以确定工艺方案和工艺路线如下(从略)。14 主要零部件的定型蜂窝纸芯涂胶机的主要设备有：退纸架、涂胶架、供胶架，另外还有校正器和各动力设备。虽然在前面已对各方案有了一个初步的选择，但只是一个大致的轮廓，这里将做详细说明。这项设计的主要指导思想是其实用性，要求结构尽量简单，各尺寸尽量小，易于工人操作。由收资时数字知道，北京木材厂的纸机虽然走纸速度为60mmin左右，但是在开工很足的情况下，每天也只能用掉6个卷筒纸，因而一天至多只需换纸三次(采用双卷筒)，总共耗时也不会超过半个小时，而每天开工为12小时，可见，花费一大笔投资而采用连续退纸、自动换纸，其生产率提高不超过4，这是很不经济的。另外，对于卷取部件来说，每次卷的重量大约可达到5070公斤(数字来源于木材厂)，每天至多可卷纸20框左右，每次大约需要35分钟即可完成接换，只是需要中途停车。对于5070公斤重又没经压合的一框纸，工人在搬运时会造成纸芯质量的下降，因而安装一个接纸小车，要求卸下纸后很方便地将纸接走并送至后继工序的工作位置上。一般说来，机器的动力部分运转时不会有大问题，只要安装调试好就行。对于传动不复杂的设备，一般不宜放在远离机器处，而应尽量靠近机器或者就放在机架上，这样还可以省去防护罩。针对以上考虑，机器各部分的具体结构如下。1退纸架退纸架的基本结构如图1-14(图略)所示。三个横梁是为了保证其尺寸，并增加机架的稳定性。机架上的各连接处都采用螺纹连接，横梁与机架采用焊接。在退纸过程中，为了使纸张不松弛，就得有一定的张力，因而在纸卷轴上装一个阻尼闸瓦，在工作时闸瓦抱紧纸的卷轴，通过调节螺栓来调节张力的大小。一般来说，张力不用太大，只要使纸不垂下，停机时纸卷不随惯性转动即可。在一卷纸用完后换纸时，将原先的纸留下一段，用胶液粘在刚换上的纸卷断头处即可换纸，具体操作示意图如图1-15(图略)所示。2涂胶部件结构根据前面的讨论和图1-2、1-6等所示的原理，确定如图1-6(图略)所示的涂胶装置：通过调节螺栓1来改变压辊对印胶辊的压力，通过调节螺栓2来调节两涂胶辊的间隙来改变涂胶的多少。其中，四个辊子都是靠各自的轴承座固定在印胶支板上的，而且前后两次涂胶部分都安装在同一对印胶支板上的，这样易于保证各辊之间的精度要求。为了保证胶量的均匀，还必须保证两个涂胶辊和印胶滚的转速是相同的、而压辊只要转动灵活就可以了，因而要求前三个辊子是主动转动，或者由纸的摩擦力带动。由于各个辊子的转动需要克服的力很小，设计时采用辊子链传动。由于受力小而且胶液对钢的腐蚀性不大，因而采用无缝钢管做成各辊子，并对之采用调质处理。为了使胶液很好地附着在印胶滚表面，印胶滚应该做得粗糙一点，或者在其表面车出一些浅槽。辊子的加工工艺流程如图1-17(图略)所示：先镗出两端的内孔，装上堵头于两端内孔中，再装上两端轴头，夹住轴头后加工。在这里，采用的是纵向涂胶，辊子上的凸台直接车出，亦即做成一体式，这样较之于分体式更便于加工，保证精度。滚筒的截面形状如图1-18(图略)所示。为了使前后两次胶痕之间的相对位置正好错开，而且不应在调试中有任何困难，要求前后两次涂胶的印胶滚上的凸台应错开。这要通过安装调试保证其精度。印胶滚如果做成分体式(如图1-19所示，图略)，虽然加工时每一小段易于加工，但是加工的精度要求高了，而且装配后不便于调试，轴芯部分也不便于加工，各段与轴芯的配合不易保证。而问题的关键还在于辊子的磨损极小，没有互换的必要。另外，这种形式还使得辊子很笨重，增加了设备的重量。3供胶部分(从略)4卷取部件(从略)5校正器(从略)(第3、4、5部分与第1、2部分的内容不同，都很好地体现了作者的设计思想。但由于写作方法类似，本书为节省篇幅，故从略。)2 设计计算21 牵引部件的传动设计计算参照木材厂的设备，选取牵引电机的功率为2.2kW，同时根据设计要求，印胶辊直径定为92mm，走纸速度范围为18ms60ms，选取小型电磁调速异步电动机JZT-31-4，选择i2.5的减速器ZDH10-3。下面是链轮的设计计算。计算参数为：传递功率2.2kW，i2，n1580rmin，中心距a720mm。计算步骤按手册第258页表8-45进行，列表如下：表2-1 传动部件设计计算表计 算 项 目公 式 及 数 据计 算 结 果传动比ii =2小链轮齿数z1选z1=27大链轮齿数z2z2= iz1=227z2=54初定中心距a0取a0：60p(p为链条节距)a0=720mm计算功率Pc由手册表8-46查得kA=1，则Pc=kAPe-12.2Pc2.2kW(本表下面还有许多计算项目，这里从略。)22 卷取部件中链传动的设计计算(从略)23 供胶系统传动部件的设计计算(从略)24 对牵引辊轴头的强度校核(从略)(以上第2、3、4部分的设计计算与校核计算，也都采取表格计算与文字说明相结合的方式，与本章第1部分的写作方法类似，故从略)3 设计说明31 润滑和密封由于本设备的结构简单，受力不大，根据教材(参见注评10)第十八章第九节(第321页)选择轴承的润滑(据表18-13)，由dn3529010 150mmrmin，一律选用脂润滑，采取毡圈和橡胶垫片来密封。至于各种现成的标准件，采取与之相应的润滑措施。对于前者采用钙基脂。32 关键零部件的加工和安装涂胶部分的涂胶支板和牵引支板，应采取成对加工的办法来保证其精度。涂胶支架的四根立柱也应采取成对加工。对于和机架相连的部件，与机架的结合部位应先焊上垫板，然后铣平。供胶部分的机架上机座的加工与安装见前文设计部分的有关说明。涂胶辊与