三通管液压成形机的设计

目目 录录 引 言 1 1 液压系统设 计 2 2 液压系统设 计 5 2 1 设计要 求 5 2 2 确定液压系统主要参 数 5 2 3 拟定液压系统原理 图 7 2 4 计算和选择液压 件 8 2 5 验算液压系统性 能 11 3 模具设 计 1 16 3 1 凹模设 计 16 3 2 整体装配 图 18 4 总 结 19 5 参考文 献 20 2 引言引言 随着汽车 航空 航天等工业的不断发展 轻量化结构 因节省材料 降低 能耗和减轻污染等显得日益重要 尤其是航空航天 一架波音 747 可以承载 100 多吨的燃油 结构的轻量化对于航空业的低碳显得非常的重要 而实现结 构轻量化有 3 条主要途径 1 采用轻质材料 如铝合金 镁合金 钛合金 在 航空工业广泛采用了复合材料等 2 采用高强度材料 如高强度钢等 3 采 用先进制造工艺 如液压成形技术 激光拼焊技术等 其中液压成形技术主要 用来加工管件 使之成形为具有异型截面的构件 来代替实心构件 在不提高 材料成本的前提下 既可减轻质量又可充分利用材料的强度和刚度 随着超高 压动密封技术和超高压计算机控制技术的不断发展和完善 管件液压成形技术 逐渐发展起来 且逐渐成熟 已成为金属塑性成形加工领域研究的前沿和热点 并在欧洲 北美 日本 韩国等国家的大型企业中得到了广泛的应用 然而 三通管液压成形技术是该项技术中应用较为广泛的部分 本论文阐 述三通管液压成形机的结构系统设计 液压系统设计 模具设计 进一步的了 解三通管液压成形技术 3 1 系统结构设计系统结构设计 结构设计的任务是在总体设计的基础上 根据所确定的原理方案 确定并 绘出具体的结构图 以体现所要求的功能 是将抽象的工作原理具体化为某类 构件或零部件 具体内容为在确定结构件的材料 形状 尺寸 公差 热处理 方式和表面状况的同时 还须考虑其加工工艺 强度 刚度 精度以及与其它 零件相互之间关系等问题 所以 结构设计工作不是简单的机械制图 图纸只 是表达设计方案的语言 综合技术的具体化是结构设计的基本内容 机械结构设计的主要特点有 1 它是集思考 绘图 计算 有时进行必 要的实验 于一体的设计过程 是机械设计中涉及的问题最多 最具体 工作 量最大的工作阶段 在整个机械设计过程中 平均约 80 的时间用于结构设计 对机械设计的成败起着举足轻重的作用 2 机械结构设计问题的多解性 即 满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的 3 机械结构设计阶段是一个很 活跃的设计环节 常常需反复交叉的进行 为此 在进行机械结构设计时 必 须了解从机器的整体出发对机械结构的基本要求 结构示意图 液压传动系统 4 液压泵从油箱吸油 液压泵把电动机的机械能转换为液体的压力能 液压 介质通过管道经节流阀和换向阀进入液压缸左腔 推动活塞带动工作台右移 液压缸右腔排出的液压介质经换向阀流回油箱 换向阀换向之后液压介质进入 液压缸右腔 使活塞左移 推动工作台反向移动 改变节流阀的开口可调节液 压缸的运动速度 液压系统的压力可通过溢流阀调节 在绘制液压系统图时 为了简化起见都采用规定的符号代表液压元件 这种符号称为职能符号 原理图 1 模具压板 模具压板是一种在模具加工中经常使用的一种辅助夹具 主要作用是使被 加工件 在加工过程中起到不颤动 不移位的作用 以保证模具工件的精度以 及良好的光洁度 所以模具压板的好坏直接影响到模具的产品质量 所以模具 压板在模具制造过程中起到至关重要的作用 模具压板自身强度高 体积小 操作灵活简便 上油缸 缸体上 下两端分别设有输油孔 中部装有活塞 所述活塞的一端与活塞 杆固连 所述活塞杆从缸体下端伸出 与缸体密封配合 其特征在于 所述活 塞杆伸出端制有沉孔 呈空心状 孔内固定导向键 插装制有导向槽的中心螺 杆 所述活塞杆孔口外圆制有螺纹 装有带锁紧边的锁紧螺母 所述中心螺杆 上旋合有调节螺母 所述调节螺母的轴向被所述锁紧螺母的锁紧边限位 控制系统 控制系统包含显示 启动 停机 保护 报警等功能 5 显示功能主要包括机器的油压 油温 水温 充电电流 市电的频率 电 压 电流等参数 机组在运行状态可通过机器自带的充电发电机为电瓶充电 也可以用控制 柜自带的充电模块利用市电充电 保证蓄电池在满电状态 保护功能主要有当油管爆裂 油温高导致油压低时 或缺少机油时 油压 保护系统将开始工作 立即将机器停止工作并报警 当发动机供油系统出现故 障 机器产生超速保护系统开始工作 立即拉动断油器 使发动机停机并报警 当水温超过极限温度时 温度保护系统将开始工作 使液压系统停止工作并报 警 机器出现以上故障时 均立即使压压系统停止工作并报警 并有中文记录 故障和声音报警 以提醒机工检查故障原因 排除故障 确保机组正常运行 横向同步缸 横向同步缸上设有对称的芯棒 此对横向同步缸以串联连接的方世玉电磁 换向阀相连接 多压制成型的管材成品率较高 这种构造设计紧凑 布局合理 解决了双缸或多缸不同步 成品率低的问题 是目前较为理想的一种液压成型 设备主要构件 液压泵 液压泵是液压系统的动力元件 其作用是将原动机的机械能转换成液体的 压力能 指液压系统中的油泵 它向整个液压系统提供动力 为液压传动提供 加压液体的一种液压元件 是泵的一种 它的功能是把机械能转换成液体的压 力能 液压管道 主要功能是传输液压油 6 二 液压系统设计二 液压系统设计 液压系统设计计算是液压传动课程设计的主要内容 包括明确设计要求进 行工况分析 确定液压系统主要参数 拟定液压系统原理图 计算和选择液压 件以及验算液压系统性能等 2 12 1 设计要求设计要求 要求设计的动力系统实现的工作循环是 快进 工进 快退 停止 主要性能参数与性能要求如下 推杆力FL 30468N 快进 快退速度 1 3 0 1m s 工进速度 2 0 88 10 3m s 快进行程L1 100mm 工进行程 L2 50mm 静摩擦系数 s 0 2 动摩擦系数 d 0 1 液压系统执行元件选为 液压缸 2 22 2 确定液压系统主要参数确定液压系统主要参数 2 2 1 初选液压缸工作压力 所设计的动力滑台在工进时负载最大 在其它工况负载都不太高 参考表 2 和表 3 初选液压缸的工作压力p1 4MPa 表 1 按负载选择工作压力 负载 KN 50 工作压力 MPa 0 8 1 1 5 22 5 33 44 5 5 表 2 各种机械常用的系统工作压力 机 床 机械类型 磨床组合机 床 龙门刨 床 拉 床 农业机械 小型工程 机械 建筑机械 液压凿岩 机 液压机 大中型挖 掘机 重型机械 起重运输 机械 工作压力 MPa 0 8 2 3 52 88 1 0 10 1820 32 表 3 执行元件背压力 系统类型背压力 MPa 7 简单系统或轻载节流调速系 统 0 2 0 5 回油路带调速阀的系统 0 4 0 6 回油路设置有背压阀的系统 0 5 1 5 用补油泵的闭式回路 0 8 1 5 回油路较复杂的工程机械 1 2 3 回油路较短且直接回油可忽略不计 表 4 按工作压力选取d D 工作压力 MPa 5 05 0 7 0 7 0 d D0 5 0 550 62 0 700 7 表 5 按速比要求确定d D 2 1 1 151 251 331 461 612 d D0 30 40 50 550 620 71 注 1 无杆腔进油时活塞运动速度 2 有杆腔进油时活塞运动速度 由式 得 242 6 2 1cm 1 m1094m 10 2 6 0 4 9 0 31448 2 p p F A 则活塞直径 mm109m109 0 m 109444 4 1 A D 参考表 4 及表 5 得d 0 71D 77mm 圆整后取标准数值得 D 110mm d 80mm 由此求得液压缸两腔的实际有效面积为 242 22 1 m1095m 4 11 0 4 D A 2422222 2 m10 7 44m 8 011 0 4 4 dDA 根据计算出的液压缸的尺寸 可估算出液压缸在工作循环中各阶段的压力 流量和功率 如表 6 所列 cm 2211 F ApAp 8 表 6 液压缸在各阶段的压力 流量和功率值 工况推 力 F0 N 回油腔 压力 p2 MPa 进油腔 压力 p1 MPa 输入流 量 q 10 3 m3 s 输入 功率 P KW 计算公式 启 动 218 0 0 43 加 速 165 0 p1 p0 77 快 进 恒 速 109 0 p1 p0 660 50 33 21 20 1AA PAF p 121 AAq qpP 1 工进 349 42 0 63 96 0 84 1 0 2 0 033 1 220 1A ApF p 21 Aq qpP 1 启 动 218 0 0 49 加 速 165 0 0 51 43 快 退 恒 速 109 0 0 51 310 450 59 2 120 1A ApF p 32 Aq qpP 1 注 1 p为液压缸差动连接时 回油口到进油口之间的压力损失 取 p 0 5MPa 2 快退时 液压缸有杆腔进油 压力为p1 无杆腔回油 压力为 p2 2 32 3 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 2 3 1 选择基本回路 1 选择调速回路 由图 1 可知 由于液压 系统功率较小 滑台运动速度低 工作负载为 阻力负载且工作中变化小 故可选用进口节流 调速回路 由于系统选用节流调速方式 系统 必然为开式循环系统 图 1 液压缸工况图 9 2 选择油源形式 从工况图可以清楚看出 在工作循环内 液压缸要求油 源提供快进 快退行程的低压大流量和工进行程的高压小流量的油液 最大流 量与最小流量之比qmax qmin 0 5 0 84 10 2 60 其相应的时间之比 t1 t3 t2 1 1 5 56 8 0 044 这表明在一个工作循环中的大部分时间都处于高压 小流量工作 从提高系统效率 节省能量角度来看 选用单定量泵油源显然是 不合理的 为此可选用限压式变量泵或双联叶片泵作为油源 考虑到前者流量 突变时液压冲击较大 工作平稳性差 且后者可双泵同时向液压缸供油实现快 速运动 最后确定选用双联叶片泵方案 如图 2a 所示 3 选择快速运动和换向回路 本系统已选定液压缸差动连接和双泵供油两 种快速运动回路实现快速运动 考虑到从工进转快退时回油路流量较大 故选 用换向时间可调的电液换向阀式换向回路 以减小液压冲击 由于要实现液压 缸差动连接 所以选用三位五通电液换向阀 如图 2b 所示 4 选择速度换接回路 由于本系统滑台由快进转为工进时 速度变化大 1 2 0 1 0 88 10 3 114 为减少速度换接时的液压冲击 选用行程阀 控制的换接回路 如图 2c 所示 5 选择调压和卸荷回路 在双泵供油的油源形式确定后 调压和卸荷问题 都已基本解决 即滑台工进时 高压小流量泵的出口压力由油源中的溢流阀调 定 无需另设调压回路 在滑台工进和停止时 低压大流量泵通过液控顺序阀 卸荷 高压小流量泵在滑台停止时虽未卸荷 但功率损失较小 故可不需再设 卸荷回路 2 42 4 计算和选择液压件计算和选择液压件 2 4 1 确定液压泵的规格和电动机功率 1 计算液压泵的最大工作压力 小流量泵在快进和工进时都向液压缸供油 由表 6 可知 液压缸在工进时 工作压力最大 最大工作压力为p1 3 96MPa 如在调速阀进口节流调速回路中 选取进油路上的总压力损失 p 0 6MPa 考虑到压力继电器的可靠动作要求 图 2 选择的基本回路 10 压差 pe 0 5MPa 则小流量泵的最高工作压力估算为 MPa06 5 MPa5 06 096 3 e11p pppp 大流量泵只在快进和快退时向液压缸供油 由表 6 可见 快退时液压缸的 工作压力为p1 1 43MPa 比快进时大 考虑到快退时进油不通过调速阀 故其 进油路压力损失比前者小 现取进油路上的总压力损失 p 0 3MPa 则大流 量泵的最高工作压力估算为 MPa73 1 MPa3 043 1 12p ppp 2 计算液压泵的流量 由表 6 可知 油源向液压缸输入的最大流量为 0 5 10 3 m3 s 若取回路 泄漏系数K 1 1 则两个泵的总流量为 L min33 sm1055 0 sm105 01 1 3333 1p Kqq 考虑到溢流阀的最小稳定流量为 3L min 工进时的流量为 0 84 10 5 m3 s 0 5L min 则小流量泵的流量最少应为 3 5L min 3 确定液压泵的规格和电动机功率 根据以上压力和流量数值查阅产品样本 并考虑液压泵存在容积损失 最 后确定选取 PV2R12 6 33 型双联叶片泵 其小流量泵和大流量泵的排量分别为 6mL r 和 33mL r 当液压泵的转速np 940r min 时 其理论流量分别为 5 6 L min 和 31L min 若取液压泵容积效率 v 0 9 则液压泵的实际输出流量为 L min33L min 9 271 5 L min1000 9 0940331000 9 09406 2p1pp qqq 由于液压缸在快退时输入功率最大 若取液压泵总效率 p 0 8 这时液压 泵的驱动电动机功率为 KW19 1KW 108 060 10331073 1 3 36 p pp qp P 根据此数值查阅产品样本 选用规格相近的 Y100L 6 型电动机 其额定功 率为 1 5KW 额定转速为 940r min 2 4 2 确定其它元件及辅件 1 确定阀类元件及辅件 根据系统的最高工作压力和通过各阀类元件及辅件的实际流量 查阅产品 样本 选出的阀类元件和辅件规格如表 7 所列 其中 溢流阀 9 按小流量泵的 额定流量选取 调速阀 4 选用 Q 6B 型 其最小稳定流量为 0 03 L min 小于 本系统工进时的流量 0 5L min 11 表 7 液压元件规格及型号 规格 序 号 元件名 称 通过的最大 流量 q L min 型号额定流 量 qn L m in 额定压 力 Pn MPa 额定压 降 Pn MP a 1 双联叶 片泵 PV2R12 6 33 5 1 27 9 16 2 三位五 通电液 换向阀 7035DY 100BY 1006 30 3 3 行程阀 62 322C 100BH 1006 30 3 4 调速阀 1Q 6B66 3 5 单向阀 70I 100B1006 30 2 6 单向阀 29 3I 100B1006 30 2 7 液控顺 序阀 28 1XY 63B636 30 3 8 背压阀 1B 10B106 3 9 溢流阀 5 1Y 10B106 3 10 单向阀 27 9I 100B1006 30 2 11 滤油器 36 6XU 80 200 806 30 02 12 压力表 开关 K 6B 13 单向阀 70I 100B1006 30 2 14 压力继 电器 PF B8L 14 注 此为电动机额定转速为 940r min 时的流量 2 确定油管 表 8 允许流速推荐值 管道推荐流速 m s 吸油管道0 5 1 5 一般取 1 以下 12 压油管道3 6 压力高 管道短 粘度小取大 值 回油管道1 5 3 液压缸在各阶段的实际运动速度符合设计要求 根据数值 按表 8 推荐的管道内允许速度取 4 m s 由式 q d 4 计算 得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为 mm 2 18mm10 414 3 60 103 6244 3 3 q d mm 3 19mm10 414 3 60 107044 3 3 q d 为了统一规格 按产品样本选取所有管子均为内径 20mm 外径 28mm 的 10 号冷拔钢管 3 确定油箱 油箱的容量按式 pn qV 估算 其中 为经验系数 低压系统 2 4 中压系统 5 7 高压系统 6 12 现取 6 得 L220L 316 5 6 pn qV 2 52 5 验算液压系统性能验算液压系统性能 2 5 1 验算系统压力损失 由于系统管路布置尚未确定 所以只能估算系统压力损失 估算时 首先 确定管道内液体的流动状态 然后计算各种工况下总的压力损失 现取进 回 油管道长为l 2m 油液的运动粘度取 1 10 4m2 s 油液的密度取 0 9174 103kg m3 1 判断流动状态 在快进 工进和快退三种工况下 进 回油管路中所通过的流量以快退时 回油流量q2 70L min 为最大 此时 油液流动的雷诺数 743 101102060 107044 43 3 e d qd R 13 也为最大 因为最大的雷诺数小于临界雷诺数 2000 故可推出 各工况下的 进 回油路中的油液的流动状态全为层流 2 计算系统压力损失 将层流流动状态沿程阻力系数 q d R4 7575 e 和油液在管道内流速 2 4 d q 同时代入沿程压力损失计算公式 2 2 l d l p 并将已知数据代入后 得 qqq d l p 8 43 43 4 1 105478 0 1020 14 32 2101109174 0 754 2 754 可见 沿程压力损失的大小与流量成正比 这是由层流流动所决定的 在管道结构尚未确定的情况下 管道的局部压力损失 p 常按下式作经验 计算 l 1 0pp 各工况下的阀类元件的局部压力损失可根据下式计算 2 n nv q q pp 其中的 pn由产品样本查出 qn和q数值由表 8 和表 9 列出 滑台在快进 工 进和快退工况下的压力损失计算如下 快进 滑台快进时 液压缸通过电液换向阀差动连接 在进油路上 油液通过单 向阀 10 电液换向阀 2 然后与液压缸有杆腔的回油汇合通过行程阀 3 进入无 杆腔 在进油路上 压力损失分别为 MPa05688 0 MPa10 60 103 62 105478 0 105478 0 6 3 88 li qp MPa005688 0 MPa05688 0 1 01 0 li i pp MPa1647 0 MPa 100 3 62 3 0 100 33 3 0 100 9 27 2 0 222 vi p MPa2273 0 MPa1647 0 005688 005688 0 vi ili i pppp 14 在回油路上 压力损失分别为 MPa02675 0 MPa10 60 103 29 105478 0 105478 0 6 3 88 lo qp MPa002675 0 MPa02675 0 1 01 0 lo o pp MPa1594 0 MPa 100 3 62 3 0 100 3 29 2 0 100 3 29 3 0 222 vo p MPa1888 0 MPa1594 0 002675 0 02675 0 vo olo o pppp 将回油路上的压力损失折算到进油路上去 便得出差动快速运动时的总的 压力损失 MPa316 0 MPa 95 7 44 1888 0 2273 0 p 工进 滑台工进时 在进油路上 油液通过电液换向阀 2 调速阀 4 进入液压缸 无杆腔 在调速阀 4 处的压力损失为 0 5MPa 在回油路上 油液通过电液换向 阀 2 背压阀 8 和大流量泵的卸荷油液一起经液控顺序阀 7 返回油箱 在背压 阀 8 处的压力损失为 0 6MPa 若忽略管路的沿程压力损失和局部压力损失 则 在进油路上总的压力损失为 MPa5 0MPa5 0 100 5 0 3 0 2 vi i pp 此值略小于估计值 在回油路上总的压力损失为 MPa66 0 MPa 63 9 2724 0 3 06 0 100 24 0 3 0 22 vo o pp 该值即为液压缸的回油腔压力p2 0 66MPa 可见此值与初算时参考表 4 选取的 背压值基本相符 按表 7 的公式重新计算液压缸的工作压力为 MPa99 3MPa 101095 10 7 441066 0 34942 64 46 1 220 1 A ApF p 此略高于表 7 数值 考虑到压力继电器的可靠动作要求压差 pe 0 5MPa 则小流量泵的工作压 力为 MPa99 4 5 05 099 3 ei11p pppp 15 此值与估算值基本相符 是调整溢流阀 10 的调整压力的主要参考数据 快退 滑台快退时 在进油路上 油液通过单向阀 10 电液换向阀 2 进入液压缸 有杆腔 在回油路上 油液通过单向阀 5 电液换向阀 2 和单向阀 13 返回油箱 在进油路上总的压力损失为 MPa048 0 MPa 100 33 3 0 100 9 27 2 0 22 vi i pp 此值远小于估计值 因此液压泵的驱动电动机的功率是足够的 在回油路上总的压力损失为 MPa343 0 MPa 100 70 2 0 100 70 3 0 100 70 2 0 222 vo o pp 此值与表 7 的数值基本相符 故不必重算 大流量泵的工作压力为 MPa48 1 048 0 43 1 12p i ppp 此值是调整液控顺序阀 7 的调整压力的主要参考数据 2 5 2 验算系统发热与温升 由于工进在整个工作循环中占 96 所以系统的发热与温升可按工进工况 来计算 在工进时 大流量泵经液控顺序阀 7 卸荷 其出口压力即为油液通过 液控顺序阀的压力损失 MPa0588 0 MPa 63 9 27 3 0 2 2 n n2p q q ppp 液压系统的总输入功率即为液压泵的输入功率 W4 564W 8 0 60 10 9 27 100588 0 60 101 5 1099 4 3 6 3 6 p 2p2p1p1p r qpqp P 液压系统输出的有效功率即为液压缸输出的有效功率 W 7 27W1088 0 31448 3 2c FP 由此可计算出系统的发热功率为 W 7 536W 7 27 4 564 cr PPH 16 15 22015065 0 7 536 065 0 3232 VK H T 按式KA H T 计算工进时系统中的油液温升 即 C 其中传热系数 K 15 W m2 C V 油箱体积 当油箱的 3 个边长之比在 1 1 1 1 2 3 范围内 且油位高占油 箱高 80 时 其散热面积 设环境温 T2 25 C 则热平衡温度为 551525 121 TTTT C 油温在允许范围内 油箱散热面积符合要求 不必设置冷却器 32 065 0 VA 17 3 模具设计 模具分别由上下凹模和左 右挤压冲头组 成 其基本成形过程是先将管件放入凹模 模 具闭合 然后左 右挤压冲头移动至管件两端 将管端密闭 之后液体介质充入管件内腔 成 形过程中左 右挤压冲头同时向模具中心移动 管内压力升高 如果管内压力升到溢流阀设定值则溢流 当挤压冲头到达预先 设定的极限位置后 将将挤压冲头撤回 闭合模具