20吨立式皮带轮旋压机的总体设计说明书

I20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计机械设计制造及其自动化 摘 要皮带轮是一种重要的机械传动零件，本设计首先在对旋压机的工作原理的学习和对旋压零件的结构和工艺性进行分析的基础上，结合企业生产的实际要求，对立式皮带轮旋压机的机架、主轴箱、旋轮座、进给部分、液压系统等总体结构进行了设计，并且查阅有关书籍和有关的旋压机的结构进行了对比，对旋压机的总体结构进行了进一步的修改和优化。关键词旋压机；进给部分；主轴箱；旋轮座；液压系统 IIGeneral Design of 20 Tons Vertical Belt-pulley Spinning MachineMechanical Design, Manufacturing and Automation Major Abstract：Pulley is a kind of important mechanical transmission parts, Firstly the working principle of spinning machine is learned and the structure and technology of parts is analysed. In the basis，combining with the actual needs of enterprise production.Then the genery structure of vertical belt-pulley spinning machine is designed, Including the design of the frame,spindle box, rotary wheel bases, feeding part , hydraulic system and so on. Comparing with the structure of the relevant spinning machine, The genery structure of Spinning Machine is modified and optimized.Key words： Spinning machine； Feed section； Main spindle head； Spinning wheel base；Hydraulic systemI目 录1.绪论 .11.1 立项的背景和意义 .11.2 旋压机设计的一般原则 .11.2.1 对所设计的旋压机的要求 .11.3 旋压设备的特点 .21.4 主要技术参数 .32.立式皮带轮旋压机总体设计 .32.1 V 型皮带轮的分类及其旋压成形工艺过程 .42.2 皮带轮旋压机的总体布局 .52.2.1 皮带轮旋压机结构形式选择 .52.2.2 立式结构的主要组成结构 .53.皮带轮旋压机主要部件的结构设计分析 .63.1 机架的设计分析 .63.1.1 机架设计的要求 .63.1.2 机架结构的设计 .73.2 主轴箱的结构设计 .83.3 旋轮座结构的设计 .93.4 进给部分结构的设计 .103.5 液压系统的设计 .103.5.1 液压系统的组成 .103.5.2 液压传动的主要优缺点 .103.6 总体设计的说明 .114.立式皮带轮旋压机的装配设计 .12结论 .14参考文献 .15致谢语 .1620 吨立式皮带轮旋压机的总体设计11. 绪论1.1 立项的背景和意义在机械产品中节约原材料，降低产品的重量，降低产品的制造成本及节约能源，提高产品质量，减少加工工时，延长使用寿命一直都受到普遍关注。这一问题最终大都归结为产品零、部件的优化。V 型皮带轮（通称 V 型带轮）是用途十分广泛的机械传动零件之一。因此，如何解决好 V 型带轮加工的优化，对促进机械行业的发展具有重要意义。钣制皮带轮是一种轻型结构的带轮，由金属钣材经拉深、旋压成型的皮带轮，是钣制皮带轮中一种最新最佳的带轮结构形式。这种形式的带论不仅产品质量好、省料、节能，而且生产效率高，环境无污染。尤其在汽车、拖拉机、收割机、空压机等多种机械领域中，基本上取代了传统的皮带轮，并取得了良好的社会效益和经济效益。随着我国机械工业特别是汽车制造业的发展和中外合资轿车国产化的推动，近几年来，旋压皮带轮在国内已引起人们的广泛注意和浓厚的兴趣。目前，旋压皮带轮主要用于汽车行业和农业机械，可以预见，随着企业竞争和质量意识的提高，其他机械行业也必然要采用这种皮带轮，以提高产品的技术水平，增强竞争力。根据企业的要求，我们需要研制出旋压机来生产这种皮带轮。1.2 旋压机设计的一般原则1.2.1 对所设计的旋压机的要求本课题设计的旋压设备需要达到以下几个技术要求：1）功能可靠：采用立式结构，液压进给的生产方式，生产效率高，精度达到要求；2）工艺性好：所设计设备的结构、尺寸及所选材料、应符合标准化条件要求，加工方便、工艺性好；3）安全性好:在正常使用的工作状态下,不会发生误动作，控制部分性能改善，安全可靠；4）经济性好：在满足前述要求的前提下，生产成本力求最低；5）在进行旋轮进给机构的设计时，特别注意旋轮的横向进给和纵向进给传动关系。20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计21.2.2 设计的原则1）首先要对其设计任务作全面和周密的考察，分析研究工作，明确设计的基本问题；2）为了解决设计的基本问题，必须很好地完成两项基本任务：a.要充分了解设计的依据和目标；b.要具体地、创造性地运用有关科技知识和实际经验来设计旋压机，以解决使用和制造之间的矛盾，满足双方统一要求。3）为了搞好旋压机的设计工作，必须很好地运用有关的科学技术资料，包括旋压工艺和设备方面知识以及有关液压控制和机械制造工艺等方面知识。4）据设计仟务书，在设计之初对该旋压机所要加工零件进行必要的调查研究、统计和分类并与其他加工方法进行比较。其次，结合金属旋压工艺对设备自匀要求和拟采用旋压法的特点，提出若干结构方案。随之进行多方的征询意见，分析比较和取含工作，最后从中选择出符台要求的最佳方案。1.2.3 设计需要注意的问题1） 所设计和制造的旋压机应满足金属旋压工艺和使用方面的要求，即对零件材料-形状，尺寸和其精庋、表面质量等的要求；2）设计中要尽量采用标准化的零部件，以缩短设计和制造周期，并降低制造成本。3）要求旋压机设计和制造具有足够刚度和动力很高的设备精良，以使设备能生产出高质量产品，并有高的生产率和省能等效果。4）在设计时，对旋压机的操纵方便、减轻劳动强度、工作安全可靠和有高的使用寿命等问题予以足够的注意。5）设计中应注意设备结构的工艺性，使旋压机容易制造、装配方便，维护检修也容易等6）在设计中，还应注意旋压机的外形大方美观。1.3 旋压设备的特点1）旋压机的机架、主轴及传动系统、旋轮架、等各部分应具有足够的刚度。2）旋轮架的横向、纵向进给机构多采用液压传动或机械与液压联合动使其产牛足够旋压力，并能进行平稳的无级调速，满足工艺要求。3）普通旋压机较多用一个旋轮，但辅助成形轮则为多个并相对主轴轴线成对称配置，以平衡旋压时的径向力，减小主轴、芯模的弯曲挠度、偏摆和振动，为提高旋20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计3压件的精度提供先决条件，旋轮的横向进给采用液压控制，也多采用数控。4）主轴具有足够的传动扭矩和功率。此外，最好使主轴转速和旋轮纵向进给速度为无级调速，一方面可满足旋压工艺用量的任意选用要求：另一方面可实现旋压过程中保持芯棋表面旋转线速度和每转进给量不变的可能性。5）主轴采用重型滚动轴承，以承受在旋压时由于旋轮和尾座抽缸产较大的工作力，并对主轴及其轴承进行良好的冷却与润滑。6）上油缸应使顶紧块产生足够的顶紧力，保证工作中夹紧毛坯，同时也有助于提高主轴等转动部分的刚度。1.4 主要技术参数我们的目标是研制一种能生产各种皮带轮旋压机，就产品的技术性能指标而言，应达到：1）机床力能参数轴向最大压力 200KN(20 吨)径向最大压力 100KN(10 吨)主传动油泵电机组功率 15KW节流调速泵站电机功率 5.5KW2）机床各工作油缸性能参数顶压缸活塞杆行程 250MM径向缸活塞杆行程 100MM各缸工进速度范围 50300MM/MIN各缸快进速度范围 12001800MM/MIN3）主轴转速（机床主轴转速）：100150 转/分；4）机床外廓尺寸：主机外廓尺寸（长宽高）约为：180012422966（单位：毫米）；5）主机净重约 4 吨。2. 立式皮带轮旋压机总体设计旋压机的总体布局主要取决于其用途和旋压件的工艺要求。带轮旋压机总体结构的设计主要包括立式旋压机的运动、导向、传动等机械机构部分，包括机架的设计、进给部分的设计、旋轮座的设计、液压部分的设计、主轴箱20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计4的设计等。2.1 V 型皮带轮的分类及其旋压成形工艺过程V 型皮带轮的结构和旋压变形特点，可分为三大类：多楔式皮带轮、折叠式皮带轮、劈开式皮带轮，如图 1 所示。 图 1 V 型皮带轮的分类旋压机可加工多种形式的 型皮带轮，其尺寸范围见表 1 所示：表 1 皮带轮的类型 型皮带轮V型 式槽数 成形最小直径(mm) 成形最大直径 (mm) 最大板厚(mm)单槽 65 （65） 400 （250） 3 （ 2.5）折叠式 V 带轮双槽三槽130（130）250（200）2.5(2)滚开式 65（65） 250 2.33劈开式 65 （65） 200 (160) 35 (34)本设计所要加工的皮带轮为折叠式的 V 带轮。由于折叠式皮带轮的变形特点是改变毛坯截面沿轴向的形状，而板料厚度基本不减薄。因此，为了控制皮带轮 V 型槽底部不减薄，在旋压过程中要采用逐步过渡的旋压工艺过程。而且要先预旋成形后精旋成形两步成形。20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计5旋压加工的工作原理就是将平板毛坯或预先成型的毛坯固定到旋转的芯模上，用旋轮对毛坯施加压力，旋轮同时作径向送进，经过一次或多次加工，得到各种薄壁空心回转体制品的工艺方法。V 型皮带轮旋压生产的工艺流程及各工序如图 2 所示：图 2 V 型皮带轮旋压工艺流程及各个工序2.2 皮带轮旋压机的总体布局2.2.1 皮带轮旋压机结构形式选择一般来说，旋压机可分为卧式和立式两种，立式结构有如下优点：1）设备高度较大，开敞性好，便于模具和工件的装卸和操作2）易于把旋轮的数目增加到两个以上。3）主轴，芯模和工件等自重对主轴不产生挠度，从而提高了主轴的刚度4）设备占地面积小，有利于将其安装在生产线上使用。从他们结构和工作情况分析，以及皮带轮工艺结构和企业的要求，本设计采用立式结构。2.2.2 立式结构的主要组成结构立式皮带轮旋压机由以下几部分组成：立式机的机架、主轴、旋轮架、进给部分、液压传动系统。为了增强立式机的整体结构刚度，采用类似四立柱式液压机的结构，如图 3 所示。20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计6图 3 旋压机主机架机架是一个坚固的立柱，在立柱下放有主轴及其传动装置。而在两侧的立柱上带有立导轨，两个旋轮架安置机架。旋压机采用外旋压，即是把旋转置于工件和芯模的圆周外部，并向着芯模中心方向施压工件的壁部。主轴采取轴向固定，只作周向旋转，此时旋轮相对主轴怍轴向进给，来实现旋压过程。两个旋轮装在一个旋轮架上，彼此水平相对，它们的横向进给可采用油缸和通过液压仿形装置分别控制，也可以采取一个旋轮由油缸的活塞杆连另一旋轮装在与该油缸体相连接的横向拖板上。3. 皮带轮旋压机主要部件的结构设计分析3.1 机架的设计分析3.1.1 机架设计的要求机架设计的一般要求1）在满足强度和刚废的前提下，机掘的重量应要求轻、成本低。2）抗振性好。把受迫振动振幅限制在允许范围肉。3）噪声小。20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计74）温度场分布合理，热变形对精度的影响小。5）结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工。6）结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件。7）有导轨的机絮要求导轨面受力合理、耐磨性良好。8）造型好。使之既适用经济，又美观大方。3.1.2 机架结构的设计机架一般分为两种：铸铁机架和焊接机架，此次皮带轮旋压机的机架采用焊接机架。焊接结构较之铸造结构具有强度和刚度高、重量轻、生产周期短以及施工简便等优点。具体如表 2 所示。表 2 铸铁机架与焊接机架特点比较项目 铸铁机架 焊接机架机架重量较重 钢板焊接毛坯比铸件毛坯轻30%，比铸钢毛坯轻 20%强度、刚度和抗震性铸铁极佳的强度与刚度较低，但内摩擦大，阻尼作用大，故抗震性能好强度高、刚度大，对同一结构的强度为铸铁的 2-3 倍钢的疲劳强度为铸铁的 3 倍。材料价格 铸铁材料来源方便、价廉 价格较高生产周期生产周期长，资金周转慢，成本高生产周期短，能适应市场竞争的需要设计条件由于技术上的限制，铸件壁厚不能过大，结构设计灵活，壁厚可以相差很大，并且可以根据工况需要不同的部位选用不同的材料本设计确定机架的形状和主机架是四柱式结构，它包括两个固定平台 ，一个活动平台，它和垂直工作缸的活塞杆联接，在油压作用下沿四根立柱上下滑动。应注意以下几个问题：1）机架应该满足足够的强度和刚度要求；2）机架上的四根立柱应达到足够的工艺要求和技术要求，以便在以后的安装过程中满足配合要求；20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计83）机架左侧和右侧的立柱最好设计成为不同的尺寸，防止在装配过程中把零件装配时装反。3.2 主轴箱的结构设计设计分析：主轴变速箱是旋压机的主轴回转运动和功率、扭矩传递的传动装置，变速可以是有极的和无极的，本设计采用有极变速的方式。一般的变速方式有以下几种:齿轮变速箱、机械的无级变速机构、液压和电力等变速机构。齿轮变速箱与其他的变速方式，具有一些显著的优点，如变速范围较大，传递功率也较大、传功确切及工作可靠。根据工艺要求和企业的需要，本设计采用齿轮变速箱的变速方式。1）主轴部件的主要功能，是与顶紧缸一起压紧圆形板坯和驱动板坯旋转，主轴部件乃是整机不容忽视的重要机构。其设计要点，一要有足够的刚度，以满足托起板坯和顶紧缸施加的正压力；二是驱动功率的合理确定；三是低速的转动并保证与旋轮在啮合点的线速度同步；四是要求输出主轴与输入轴能随机处于离合状态；五是保证板坯中心与主轴中心在同一中心线上。 2）主轴变速箱是旋压机的主轴回转运动和功率、扭矩传递的传动装置，主轴回转运动都需要变速。3） 变速箱除了要把运动源的转速改变为所需要的速度外，也要达到使主轴起动或停止以及变更运动方向等要求。主轴速度在内的旋压用量的极限值选择恰当与否，对能否充分发挥设备最大效能、保证其最高生产率和获得一定的加工质量有很大关系。根据旋压工艺分析，决定了主轴的最大和最小旋压线速度 Vmax 和 Vmim，同时还有最大和最小的旋压件直径 dmax 和dmim,则主轴所应满足的极限转速为：（3-1）分转(10minaxaxdvn（3-2）分转(aximin这样，旋压机转速极限值的比值，可由下式表示，即（3-3）minaxR20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计9变速范围。nR3.3 旋轮座结构的设计旋轮座是用来装夹旋轮头，并使旋轮按照工艺过程的要求，实现工作进给和快速行程，即完成旋压成形的基本运动的部件。它们对旋压机的应用范围、加工精度，生产率和使用的方便程度等都有直接的影响。本设计旋轮座的布置方式：对于多旋轮的旋压机，其旋轮座的不是方式一般分为两种，即对称布置和非对称布置。由于企业要求，本设计采用非对称布置，把两个旋轮座前后平行放置的方式。旋轮座应满足以下的要求：1）满足旋压工艺过程所提出的要求，其主要有：由设计方案中确定的旋轮及其旋轮座的数目：旋轮相对芯摸的配置关系，即有关旋轮座的布局方面要求，根据旋压件的形状、批量等要求每个旋轮所要完成的工作循环，控制方式。 2）要求旋轮在旋轮座上相应装夹部位能牢固地安装，并且比较方便，有时还要求在安装时可以精确调整其位置，使旋轮与芯模，旋轮与毛坯之间分别保持所需的间隙和安装角，以及旋轮彼此之间位置及其变化关系，以适应旋压工艺的要求。3）旋轮座的整个部件应具有足够的剐度，保证必要的加工精度和避免产生振动现象。4）运动精度应该高，因为旋轮座的横向滑架和纵向滑架的运动精度，以及多旋转时它们的同步运动精度都将直接反映到旋压件的几何形状精度、尺寸精度和表面光洁度上。为此要求横，纵滑架的运动轨迹必须准确；移动均匀，平稳。多旋轮旋轮座，旋轮的不同步差应限于旋压工艺要求之内各行程的终点位置应精确等。5）要求操作方便和安全，因为旋轮座是操作人员经常接近和操作的部件之一，因此它们设计得好坏在很大程度上决定了旋压机的操作是否方便和安全。为此，在设计时应正确地布置旋轮座的位置和留有适当的空间，使操作人品便于装卸和调整旋轮、芯模、工件和其他工具。总之，为满足以上这些要求，在设计旋轮座时必须按照设计压务书中工艺合理地选择确定它们的数目、运动循环、布局、结构和传动方式等。它决定于设备的总布局。20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计103.4 进给部分结构的设计旋压机的进给部分是使旋轮产生纵向和横向进给运动和动力机构。进给运动由于旋压是逐点成形过程，要求旋轮在一个旋压遭次中必须保证一次连续而平稳地进行，中间不得停顿进给部分一般有两种驱动方式，一是来自主轴驱动，二是用单独的液压缸等驱动。本次设计的立式皮带轮旋压机，由于结构上和使用上的要求，因此采用后一种驱动方式。进给系统的每个旋轮各有一套伺服油缸驱动,油缸活塞杆推动横向滑体运动,缸体固定。其优点是油缸与滑体分离,使加工工艺性大大改善,提高了伺服油缸的精度。并可达到较高生产率和适应不同加工工艺要求。两个旋轮的布置方式为一前一后的平行方式，前方为预成形旋轮，后方为终成形旋轮，两个旋轮分别由单独的液压缸驱动，两个液压缸为垂直方向布置的，分别提供旋轮的径向进给和两个旋轮的更换的横向进给。3.5 液压系统的设计3.5.1 液压系统的组成液压传动系统有五个部分组成：1）动力元件完成机械能至压力能的转换。如液压泵。2）执行元件将压力能转换成工作装置的直线往复式，摆动或旋转式的机械能。如液压缸、液压马达。3）控制元件对系统压力，对执行机构的运动速度和方向实行控制。如溢流阀、单向节流阀、电磁换向阀等。4）辅助元件起辅助作用。如油箱、滤油器、油管、密封装置等分别起贮油、过滤、输送和防漏保压等作用。辅助元件在液压系统中必不可少。5）工作介质（油液、水基液体）存在于上述四种元件当中，起传递动力和能量的作用。3.5.2 液压传动的主要优缺点液压传动是用液体作为作为介质来传递能量的，与别的传动方式来比较有以下一些优点：1）易于获得较大的力或力矩2）易于实现往复运动3）传递运动平稳20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计114）可实现快速而且无冲击的变速和换向5）与机械传动相比易于布局和操纵6）自动润滑、元件寿命较长7）易于实现标准化、系列化与其他传动形式比较，液压传动有以下缺点：1）易于出现泄露2）油的粘度随温度变化，引起工作机构运动不稳定3）空气渗入液压油后会引起爬行、振动、噪声4）用矿物油作液压介质时，有燃烧危险，应注意防火5）矿物油与空气接触会发生氧化，使油变质，必须定期换油6）液压件的零件加工质量（几何精度、表面粗糙度等）要求较高经过几种传动系统的比较，本设计决定选择液压系统作为传动系统。本课题是依据生产中存在的问题，它集机、电、液于一体的一台装置。这套皮带轮旋压机的液压系统应带动旋轮完成如下动作，如图 4 所示：图 4 旋轮完成的动作根据旋轮需要完成的动作，选择合适的执行元件、控制元件和辅助元件等。然后根据旋压机的工作压力设计出液压缸内径、活塞杆直径等执行元件的结构尺寸等，最后要对设计出的尺寸进行校核。3.6 总体设计的说明1）机架是四柱式结构，它包括两个固定平台 ，一个活动平台，它和垂直工作缸的活塞杆联接，在油压作用下沿四根立柱上下滑动和四根立柱。在主机架设计时不仅考虑了它承受轴向载荷，还考虑到在带轮旋压过程中受到相当大的径向载荷，所以我们设计了加强套，以加强立柱的抗弯曲的刚度。2）旋轮座分别安装在工作平台的右侧，前为预成形旋轮，后为成形旋轮。3）工作台的中心设置主轴，轴的中心有两个可相对转动的内外偏心套，内偏心套中装有偏心支承轮和轴。偏心机构有两个工位，一是偏心支承位置，另一是回中位置，便于取件。20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计124）芯模是旋压过程中不可缺少的工艺装备。旋压时芯模的外表面与皮带轮的内表面接触，一方面起支承定位作用，另一方面其工作表面还要承受相当大的局部作用力及材料变形流动而引起的剧烈摩擦。5）在旋制较深槽的 B 型槽带轮时，如果仅有两个旋轮，即由一个预成形轮直接过渡到成形旋轮，由于预成形时为了防止减薄采用较大的旋轮圆角（R=15,半锥角为 21度），而成形旋轮圆角半径 R=4-5（设计图规定的），采用一次过渡旋出的带轮，槽底很易减薄（减薄有时超过 25%）。现在采用三个旋轮，就可以用两个预成形旋轮来过渡，这样减薄量肯定会有改善。6）通过对径向力、轴向力及切向力的分析，合理安排旋轮受力点与油缸中心线的位置，最大程度的减小颠覆力矩，提高了横向系统的刚性。总之，通过对旋压零件的结构和工艺性分析，根据企业的实际要求合理设计皮带轮旋压机总体布局。4. 立式皮带轮旋压机的装配设计 在完成各个组成部分的设计之后，就需要对立式旋压机进行装配设计。装配工作一般分为三个阶段，装配的准备工作包括零部件的清洗、尺寸和重量分选、平衡等；装配工作包括零件的装入、联结、部装、总装以及装配过程中的检验、调整、试验；装配后的工作包括试运转、油漆和包装等。装配过程不但是决定产品质量的重要环节，而且通过装配还可以发现产品设计、零件加工以及装配过程中存在的问题，为改进和提高产品质量提供依据。选择合适的装配方法、制定合理的装配工艺过程，不仅是保证产品质量的重要手段，也是提高劳动生产率、降低制造成本的有力措施。制定装配工艺规程的原则：1）保证产品装配质量，力求提高质量，以延长产品的使用寿命。2）合理安排装配顺序和工序，尽量减少钳工手工工作量，缩短装配周期，提高装配效率。3）尽量减少装配占地面积，提高单位面积的生产率。4）尽量减少装配工作所占的成本。20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计13图 5 立式皮带轮旋压机装配图20 吨立式皮带轮旋压机的总体设计14结论本次毕业设计主要是对皮带轮旋压机总体的设计并制作实物模型，通过本次对