铝合金板材拉形模具设计【说明书+CAD+PROE】
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铝合金板材拉形模具设计【说明书+CAD+PROE】,铝合金,板材,模具设计,说明书,CAD,PROE
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摘 要阐述了铝合金蒙皮制造的关键技术，对铝合金蒙皮的拉形的工艺进行了介绍，其中包括：1.采用拉形工艺须满足的条件；2.拉形工艺方案的制定；3.成形设备的选择；4.工装设计结构特点等。本文还对铝合金蒙皮拉形模具整体进行了设计，重点设计了板材夹钳和横拉液压油缸，并对他们进行了校核计算。由于CAD技术在机械工程中的应用，本文也引进CAD技术对铝合金蒙皮拉形模具进行设计。本文基于大型通用三维CAD设计软件PRO/ENGINEER建立了铝合金蒙皮拉形模具虚拟样机，并在此基础了进行了多方面的分析。关键词：铝合金蒙皮；拉形模具；CADabstractElaborated skinning the key manufacturing technology of skin stretch forming process are introduced, including: 1. Stretching process conditions to be fulfilled; 2. Pull shaped craft program development; 3. Forming equipment selection; 4. tooling design and structural features. Of skin stretch forming mold overall design, focusing on the design of the hydraulic cylinder plate clamps and horizontal pull, and they were checking calculation.Skin stretch forming mold design due to the application of CAD technology in mechanical engineering, the paper also introduced CAD technology. PRO / ENGINEER 3D CAD design software based on the large universal skin stretch forming mold virtual prototype, and on this basis a multifaceted analysis.keywords：envelope；pull shape mould；CAD目 录摘 要1abstract2目 录3第一章 绪论41.1铝合金蒙皮拉形工艺简介41.1.1铝合金蒙皮制造的关键技术41.1.2工艺方案51.1.3成形设备的选择71.2拉形过程及基本原理10第二章 拉形模具整体结构设计132.1 产品132.2 整体结构设计132.1.1确定拉形方式132.1.2计算拉形系数132.2.3拉形力与毛料尺寸计算152.3拉形机构设计172.3.1拉形模具原理设计182.3.2铝合金蒙皮拉伸机构运动分析18第三章 模具主要机构的设计及强度校核213.1钳口设计213.1.1钳口工作原理213.1.2钳口方案确定223.2三维实体建模273.3标准液压缸选取303.3.1横拉油缸的选取303.3.2下拉油缸的选取303.3.3上顶油缸的选取303.4钳口液压油缸设计及校核计算303.4.1液压缸的设计计算303.4.2液压缸的结构设计343.4.3选择液压元件37第四章 总结39致 谢40参考文献41第一章 绪论1.1铝合金蒙皮拉形工艺简介长期以来,国内各主机厂生产的铝合金蒙皮零件均采用普通铝合金结构板制造,对于这种材料的成形工艺,各厂都有一套成熟的制造方法。随着转包生产的发展,由优质镜面板制造的铝合金蒙皮零件逐步进入国内各主机厂,但在1990年以前,各主机厂仅生产一些简单的、小尺寸的舱门铝合金蒙皮,或单曲度铝合金蒙皮。目前,我公司生产的麦道机头和波音757尾段的铝合金蒙皮是双曲度且曲率变化非常复杂的大尺寸铝合金蒙皮,这样大型和复杂的双曲度铝合金蒙皮在我国制造尚属首次。1.1.1铝合金蒙皮制造的关键技术铝合金蒙皮所用材料为2024-T3/-T4或7075-0T62,通常为DMS2130或D6-4806优质镜面板。本文主要针对2024-T3/-T4铝合金蒙皮的拉形工艺进行研究,7075铝合金蒙皮的制造方法与之相似,不同之处在于7075镜面材料在0状态预拉淬火后,要达到相对稳定的W状态才能进行最后的拉形。2024-T3/-T4材料有以下3个主要特点:(1)此材料是冷作硬化状态的材料,铝合金蒙皮零件制造厂不能通过对材料的热处理达到这种状态。(2)根据材料的力学性能参数,2024-T3/-T4的抗破裂性及成形性能都较新淬火状态差得多,这就限制了材料的变形,不能太大,否则会破裂。(3)镜面材料的表面质量要求极高,铝合金蒙皮在拉伸时很容易出现滑移线,并且制造过程中任何轻微缺陷(包括划伤、滑移线、工具痕迹等)都会在铝合金蒙皮表面暴露无遗。综上所述,2024-T3/-T4的特点决定了这种镜面材料的成形不能采用我国传统的铝合金蒙皮加工方法(在0状态下预成形,在新淬火状态下最终成形),而只能采用在硬料状态下一步拉伸成形,但拉形中如何防止材料的断裂是硬料拉形的第一个关键。第二,当拉伸变形量达到一定数值,特别是在冲击加载时,材料表面会出现滑移线。这在优质镜面板上特别清晰,严重影响外观,并可能影响铝合金蒙皮的抗疲劳性能。按照波音公司商用外铝合金蒙皮质量标准的要求,一旦有滑移线出现,零件将报废。所以,如何防止拉形中滑移线的产生是铝合金蒙皮拉形的又一关键。第三,硬料拉形回弹较大,为了减小回弹,提高贴模度,需要有足够的拉伸塑性变形,但又受到上述滑移线和破裂的限制。如何确定合理的拉形工艺参数是保证铝合金蒙皮拉形成形的另一关键。第四,对于纵向曲率平缓的铝合金蒙皮,由于板宽方向的拉力分布不均匀,在拉形时沿拉力作用的方向易产生纵向皱纹或鼓包,对普通结构板制造的铝合金蒙皮可以配合手工修复来消除,但对铝合金蒙皮不允许出现任何工具痕迹。因此,防止和消除纵皱和鼓包的产生也是我们所重视的问题之一。另外,怎样在铝合金蒙皮制造的多道工序中,对表面质量进行有效的保护,也是能否交付合格零件所应关注的问题。1.1.2工艺方案采用拉形工艺须满足的条件：(1)工程图要求铝合金蒙皮所用材料为2024-T3或T4状态,因此只能采用硬料拉伸的方法成形。(2)为保证铝合金蒙皮表面不出现滑移线,尽量用最小的延伸率达到所需外形要求。拉形时,板材的实际延伸率应控制在临界变形程度以下。(3)避免采用分步拉形,因拉形过程的任何轻微点动或冲击载荷都极易使材料出现滑移线。(4)为避免材料在钳口附近出现裂纹,以及使材料在拉伸过程中处于最佳的变形状态,钳口的拉力方向应与材料的纤维方向一致。(5)保证铝合金蒙皮装配时材料的纤维方向顺着航向的要求。(6)由于镜面材料价格昂贵,在满足成形要求的前提下,除前缘铝合金蒙皮外尽量不采用横向拉形的方法,因为横向拉形两边过渡区丢掉的材料太多。综上所述,能同时满足以上条件的成形方法,除前缘铝合金蒙皮外只能是纵向拉伸成形。拉形工艺方案的制定须考虑以下因素对拉形过程的影响。(1)滑移线出现时临界值的判断方法。式中: 为材料出现滑移线的临界变形量;L0为毛料上的初始标距;L1为变形后的标距。对于2024-T3/-T4,取6%。(2)贴模度(回弹量)的确定方法。式中:R1为零件真实成形半径;Rm为模具的成形半径。E值越小,贴模度越好,铝合金蒙皮外形越准确。(3)拉形速度(近似地转换成应变速率)。式中:V为钳口位移速度;L为钳口间距离。应变速率过大,易出现滑移线,临界变形量低;应变速率过小,也易出现滑移线,因为临界变形量较低。(4)毛料几何尺寸的确定。毛料宽度较小时,宽向收缩大,钳口处易应力集中而产生应力不均,滑移线易过早形成,使临界值降低。但毛料宽度过宽时,宽向收缩受阻,变形由单拉向平面应变状态转化,板料厚度加剧变薄,临界值降低。(5)模具的几何参数。曲率小、成形半径大的零件,定形性差。在设计模具时需进行必要的修正,增大模具圆角,减小材料的流动阻力。(6)润滑方法。良好的润滑条件可使拉形件变形均匀,延缓滑移线的出现,回弹减小,贴模精度提高。润滑部位和润滑方式对材料的变形有很大的影响。(7)加载方式。在变形程度相同的情况下,加载方式对贴模精度和滑移线的出现至关重要。应特别注意避免出现任何轻微的点动或冲击载荷。1.1.3成形设备的选择铝合金蒙皮在成形过程中不应存在冲击载荷,这是对拉形设备的起码要求。为获得质量稳定的铝合金蒙皮零件,机床必须具备良好的操作性能,确保运动平稳无冲击,所以使用数控铝合金蒙皮拉形机是我们的必然选择,但也不是非数控设备不可。铝合金蒙皮拉形机钳口曲率与所拉铝合金蒙皮曲率的相似性也是能否生产出合格铝合金蒙皮的关键。工装设计结构特点铝合金蒙皮拉形模的结构拉形模一般采用铸铝基体和框架式钢板基体环氧表面两种结构,按表面标准样件塑造或数控加工而成,前缘铝合金蒙皮的拉形模采用数控加工。在设计拉形模两端的过渡尺寸和圆角曲率半径时,应尽量使其与机床钳口所能调节的曲率相近,保证毛料在拉形中受力均匀。对带双折线的铝合金蒙皮拉形模,根据试验数据在拉形模上修出回弹量。对前后端曲率变化大的铝合金蒙皮拉形模,在设计模具时应进行补偿使其具有对称性。对纵向曲率平缓的拉形模,由于板材宽度方向的拉力分布不均匀,拉形时沿拉力作用方向易产生纵向皱纹,在工装设计时增加了上压装置,并充分考虑上下模的准确定位。典型零件的试制。经过对铝合金蒙皮成形工艺方案的确定和理论分析,我们选择典型铝合金蒙皮进行生产试验,采取下列工艺措施,旨在改变铝合金蒙皮拉形过程的受力状况,解决拉形表面易出现滑移线和由回弹引起贴模度差的问题。(1)铝合金蒙皮拉形时钳口附近材料处于双向应力状态,没有模具支撑,随着变形量的增加极易断裂。为避免断裂,首先应预防在拉伸过程中由于边缘的毛刺而造成的应力集中点,毛料制备时一定要保证其周边粗糙度达到Ra125m的要求;其次要保证铝合金蒙皮拉形机床的钳口间隙值一致,使钳口对毛料的夹持力保持均匀;并且,钳口间要保持清洁,钳口上存在的铝屑也会造成毛料局部夹持不牢,使拉形中毛料因打滑而撕裂。(2)如何以最小的延伸率获得所需的铝合金蒙皮外形,使铝合金蒙皮既满足外形的要求又不出现滑移线,是我们拉形中要解决的关键问题。首先,调节机床钳口曲度,使其与模具型面的曲度基本一致;其次,机床钳口的高度和倾角也要调整到与模具型面的延伸面相吻合,从而使铝合金蒙皮处于尽量均匀的塑性拉伸变形状态,这样,就能以较小的延伸率获得良好的外形成形要求,从而避免滑移线的出现。(3)拉形速度是一个重要的工艺参数,太快或太慢都不利于延缓滑移线的出现。根据基础试验,拉形速率一般取v=1.7mm/s的20%25%。(4)延伸率的估算和在数控机床中准确设置是保证铝合金蒙皮一次拉伸成形的重要措施。延伸率估算过小,拉伸程度不够,需要进行补充拉伸,机床的重新启动一般均存在冲击载荷,对镜面材料而言,此时极易出现滑移线。(5)对纵向曲率平缓的铝合金蒙皮,如果板宽方向的拉力分布不均匀,在拉形时沿拉力作用的方向易产生纵向皱纹或鼓包。为解决这一问题,在成形时增加上压装置,这种铝合金蒙皮的拉形、拉压动作的配合是获得良好成形的关键。当拉形的材料拉伸到基本与模具贴合、纵皱还没有在模体上形成时,上压装置压下,与拉形中的铝合金蒙皮材料完全贴合,起到防止纵皱的作用。如果上压装置提前压下,会干扰拉形中的材料流动,影响铝合金蒙皮外形的准确。(6)采用合理的润滑剂和润滑方式。综合工厂实际,最好用毛刷在模具表面均匀刷涂20#机油。(7)对铝合金蒙皮前后端宽度变化大的铝合金蒙皮毛料,拉形时将毛料裁成梯形。拉形时注意拉形过程中材料的变形情况,以便采取紧急措施。尤其对新制铝合金蒙皮或不同炉批号材料的拉形,要注意贴模度及材料表面的变化情况,防止滑移线产生。(8)普通机床在拉形过程中,加载和钳口位置的变化都需要人工操作,很难做到连贯不中断。而数控机床则能实现钳口沿切线方向多坐标移动并连续加载,这对零件贴模及防止滑移线均大有好处。记录最终数据供下次拉形采用。铝合金蒙皮的成形工艺是民机生产的关键技术,我公司所生产的铝合金蒙皮已能满足麦道、波音公司的工程图及商用外铝合金蒙皮的质量要求,取得了拉形的最佳工艺方法和实用的工艺参数,解决了铝合金蒙皮表面易出现滑移线和由回弹引起的面形状精度差的问题。随着我国航空工业的发展,铝合金蒙皮的制造前景将会越来越广阔。1.2拉形过程及基本原理1、拉形过程 原始的制造方法拉光机（如图1.1）。现在的制造方法拉形是在专用机床上进行图1.1 拉光机2、基本原理1) 基本原理铝合金蒙皮零件拉形与型材零件拉弯相似，都是以增加拉力减少回弹，而提高成形准确度。但在拉形情况下，材料的变形状态却要复杂得多。拉形过程大致可分为三个阶段（图1.2）a）开始阶段 b）中间阶段 c）终了阶段图1.2a）开始阶段将长方形毛料按凸模弯曲，并将毛料两端夹入机床钳口中，然后凸模向上移动，凸模脊背最高处与毛料接触，毛料被弯曲并张紧。b）中间阶段设想将毛料沿凸模横切面划分为 许多条带，随着凸模上升，中间条带的附近条带相继与凸模脊背贴合，循此渐进，直到最边缘的条带也与凸模 贴合为止，于是这时毛料的内表面都 与凸模贴合，取得了凸模表面的形状。c）终了阶段毛料与模具表面完全贴合后， 再作少量补充拉伸，例如约1%的延 伸率，使边缘材料（即最后与凸模接触条带）所受的拉应力超过屈服点，以达到减少回弹，提高成形准确度的目的。2)拉形过程中的问题拉形过程中整个毛料基本上可划分为两个区域，即与模具贴合的成形区，以及与凸模相切处至夹头部分的 传力区。传力区是悬空部分，这部分材料 不与凸模接触，无摩擦力作用并且在 夹头部分有应力集中问题，所以毛料被拉断现象主要出现在这个传力区。3) 拉形过程的应力应变分析图1.3 拉形过程应力应变分析第二章 拉形模具整体结构设计2.1 产品零件尺寸标准：横向拉伸，横向宽度=600mm，曲率R=800mm；纵向长度=400mm，曲率R=1200mm，铝合金材料，厚度为2mm。图2.1 横向主视图图2.2 纵向主视图图2.3 零件图2.2 整体结构设计2.1.1确定拉形方式由于零件属于横向曲率大的双曲度铝合金蒙皮，所以采用横向拉伸成形。2.1.2计算拉形系数材料在拉形过程中，沿着拉力的 作用方向拉伸变形是不均匀的，脊背最高点处拉伸变形量最大。1）极限拉形系数拉形系数指板料拉形后，变形最大的剖面处长度与原始长度之比。该值表示变形程度的工艺参数。图2.4 拉形零件的与拉形系数计算公式：式中：K的数值愈大，拉形的变形程度愈大。为计算方便，拉形系数K可近似表示为零件变形部位的最大长度与最小长度的比值：与决定于零件的形状特点，其数值可以方便地从拉形模或表面标准样件上直接量取。见图2.4极限拉形系数及其影响因素。当夹头附近的材料濒于拉断时的应力所对应的拉形系数即为极限拉形系数，影响极限拉形系数的因素：式中：为单向拉伸出现不允许的缺陷时的延伸率；摩擦系数，一般取0.1-0.15材料的应变强化指数自然对数底，毛料在模具上的包角对于某种材料的极限拉形系数可以通过试验预先获得，铝合金2A12（LY12）与7A04（LC4）在退火和新淬火状态下的极限拉形系数如表1.1表1.1 2A12（LY12）与7A04（LC4）极限拉形系数材料厚度/mm12341.04-1.051.045-1.061.05-1.071.06-1.08查表得：，一次拉形成功，否则需多次拉形。2.2.3拉形力与毛料尺寸计算零件成形的拉形力按拉伸方向毛料最大剖面积内产生0.9b的应力计算。横向拉形时工作台上顶力：纵向拉形时，拉伸钳口的拉力：拉形力是拉形力是选择机床的依据。根据上式计算拉形力、选择机床吨位。毛料尺寸计算决定拉形毛料的尺寸，应本着节约用料的原则。零件的四边只留有合理的最小余量即可。长度方向：宽度方向：公式中各参数的含义零件展开长度h1毛料的切割余量，通常取10-20mmh2 过渡区长度，通常取150-200mmh3 夹紧部分的余量，通常等于50mmb 零件展开宽度h4 切割余量，通常取20mm2.3拉形机构设计飞机工厂的拉形设备：拉形机都是专门设计的，机构比较复杂。根据工作原理拉形机可分类如下：台动式拉形机横拉；台钳双动式拉形机纵拉；纵横拉形机-纵横拉；立式拉形机拉包机。根据零件形状，选择横拉台动式拉形机。见图2.5图2.5 台动式拉形机图2.6 台动式拉形机工作原理如图2.6所示原始铝合金蒙皮拉形机是利用上顶油缸的向上运动和左右两根丝杠横向带动钳口的左右拉伸运动来实现铝合金蒙皮的拉伸成型过程。但在实际应用中发现，丝杠的运动方向与拉形力方向的夹角非常大，必须增大丝杆及钳口等关键部位的强度更不便于机器的精密控制，而且还需耗费很大的能量去驱动丝杆，造成能源的浪费。丝杠零件精密而又复杂需要很高制造及维护精度，这直接增加了整套模具的成本和复杂程度。2.3.1拉形模具原理设计本设计采用新型设计思路，在原先的基础之上设计了一种新型铝合金蒙皮拉形机结构。新型铝合金蒙皮拉形机结构摒弃了老的机构中复杂而又低效的床身滑轨和丝杠机构，取而代之的是在工作台上分别安装4个相互独立的横拉液压油缸和4个相互独立的下拉液压油缸（如图2.7所示）。在新机构中，各种机构自由度的存在，使液压缸的拉力方向与拉形力方向能时刻保持在同一直线上，这大大减小了液压油缸的驱动力，各油缸相互独立且能实时联动，使机构实现了精密控制的功能。图2.7 铝合金蒙皮拉形模具图2.3.2铝合金蒙皮拉伸机构运动分析铝合金蒙皮拉形机是一种大型航空专用设备，主要应用于航空航天领域铝合金蒙皮类零件的制造，近年来通过企业技术改造，引进了多台，并已在飞机生产中发挥了重要作用。为了进一步提高我国飞机铝合金蒙皮数控成形的技术水平和改进复杂铝合金蒙皮的制造质量，北京航空航天大学正在加紧进行铝合金蒙皮拉形的计算机仿真研究，并开发了数值模拟系统。拉形机钳口的运动轨迹分析计算是其中的技术关键之一，钳口运动轨迹的控制涉及拉形机各运动机构的分析，而铝合金蒙皮拉形机机构运动非常复杂，以最具特色的法国ACB公司FET1200横拉机为例，国内目前还没有行之有效的关于横向拉形机机构运动的算法。本文以空间机构学的知识为基础，结合该铝合金蒙皮拉形机的具体特点，对其机构进行了合理简化；利用回转变换张量法及计算机图形学的相关知识，进行了机构运动研究，改进了关键的横向拉形机机构运动算法2，提高了钳口位置计算精度。横向铝合金蒙皮拉形机的机构简化。横向铝合金蒙皮拉形机的运动机构属于空间多连杆多闭链机构，机构运动非常复杂，很难获得钳口运动轨迹的精确解，如图2.8所示。钳口运动轨迹的计算和控制精度，直接影响铝合金蒙皮的拉伸变形。本文在尽可能满足精度要求的前提下对该机构进行了简化(主要是在垂直作动筒上作了简化)，简化模型如图2所示(以左侧钳口为例)。图2.8 横拉机的左侧机构简化模型该机构由钳口P1，P2和两组作动筒或油缸以及连接构件组成。每组作动筒包含一个水平作动油缸和一个垂直作动油缸。垂直作动油缸Y1只能在x-y面内伸缩和转动，而水平作动油缸X1、X2和垂直作动油缸y2不仅可以在x-y面内运动，还可以在垂直x-y的面上作一定角度的摆动。根据Kutzbach Grubler公式3，该简化机构的自由度为:式中：n为机构的总构件数，g为机构n个构件之间的运动副数目，fi为第i个运动副的相对自由度数。该简化机构单侧的构件数 =12，运动副数目g=14，其中6个转动副(fi=1)，4个圆柱副(fi=2)，4个虎克铰(fi=2)。由上式可求得该机构的自由度数为4。由于横拉机机构单侧有4个作动筒驱动，驱动数目等于自由度数目，故该简化机构是唯一确定的单解结构。第三章 模具主要机构的设计及强度校核铝合金蒙皮拉形模具原理是利用钳口咬住金属板材的两端并施以足够的拉力以及拉形模下方的油缸施以适当的上推力,使板材产生塑性拉伸变形,使板材与拉形模完全贴合后,卸掉外力时以相等的弹复量恢复到稳定状态,达到拉形的目的如图3.1所示,横拉油缸2安装在工作台1上,下拉油缸6安装在固定底座7上。横拉油缸2通过铰链3与钳口4相连接,下拉油缸6与钳口4直接相连，借助油缸2和油缸6内的压力油拉动钳口4对钳口夹持的板材进行拉形工作。通过上述过程完成对单张板材的拉形。图3.1 铝合金蒙皮拉形模具图1.工作台；2.横拉油缸；3铰链；4.钳口；5.拉形模；6.下拉油缸；7底座铝合金蒙皮拉形模具的主要呈力机构和运动机构主要是油缸和钳口。下面对油缸和钳口进行设计和校核计算。3.1钳口设计3.1.1钳口工作原理如图3.2所示。在拉形前, 板材12 进入钳口, 液压缸2 通过推板3 推动上、下滑块5、6 在上、下固定块4、11 表面移动, 使上、下牙板预夹紧板材,这个力要足以使拉伸板材表面产生压痕, 拉伸过程中活动钳口向左移动, 随着拉伸力的递增, 夹紧力也随之增大。使钳口压板牙齿紧紧压入板材产生足够夹紧力, 保证拉伸矫直过程板材头部不会发生相对钳口牙板的变位。图3.2 钳口图1.钳口本体；2.液压缸；3.固定键；4.固定斜块；5.压板；6.滑动斜块主要参数。拉伸板材最大长度700mm；拉伸板材最大宽度500mm; 拉形板材厚度范围0.7-10mm；拉形板材拉伸率不大于3%；拉形速度8mm/s；拉形板材屈服强度范围(t)100250MPa。3.1.2钳口方案确定1.钳口夹紧结构拉形机拉形过程中,是以钳口咬住金属板材的两端并保证不会出现滑移为先决条件。这样就要求钳口在夹持板材拉伸过程中夹持力必须不小于矫直时的拉伸力,这个力是非常大的, 因此采用楔形钳口可以使拉伸前夹持力较小, 只要保证牙板在板材表面产生压痕, 随着拉伸力的不断增大, 夹持力不断增加。钳口与油缸(横拉油缸和下拉油缸)间由于传递力比较大且需要有足够的自由度,所以联接采用上、下双铰链连接。牙板与板材接触表面采用锯齿形, 通过燕尾槽结构与滑动斜块相连。滑动斜块在固定斜块导向燕尾槽内滑动, 其动力由液压缸通过推板带动滑动斜块。固定斜块由键固定在钳口本体上。钳口采取固定钳口先夹紧,然后活动钳口再夹紧。活动钳口和固定钳口分别由多个单体钳口组成,按设定顺序夹紧。2.主要参数选择1）钳口宽度。钳口总长度一般比板材大10%-20%,根据拉形板长度(700mm)确定钳口宽度800mm。因为单一钳口夹紧(板型不好)容易造成压力不均现象,影响拉形效果,故采用多钳口夹紧。本机采用4个长度为200mm的单体钳口为一组的方案。2）钳口开口度。钳口开口度一般根据拉伸矫直板材厚度H的变化增加10-30mm 余量来确定, 本机拉伸矫直板材最大厚度10mm, 考虑到装卡容易, 因此确定本机开口度40mm。3）钳口楔面斜角选取和受力分析。由于每组钳口都由4个单体钳口组成,故受力分析按单体钳口承受200长度拉伸力进行分析。如图3.3。图3.3 钳口受力分析单面钳口拉力： （1）板材对牙板的摩擦系数； P单面钳口夹紧力。则由,P为力P和F的合力。垂直楔面法向力：平行楔面力：2楔面上的摩擦系数；楔面斜角。在板材拉伸过程中, 我们希望在楔面上产生滑动,是H值变小,产生越拉越紧的效果,则F不小于楔面摩擦力, 故:由于因此 （2）从以上推导可以看出,楔面斜角越大, 钳口行程越短, 即加大1 及减小2。由于楔面间摩擦一般采用钢对钢有润滑的情况故取2=0.1。工件与钳口之间粗糙表面摩擦系数为1=0.3, 则11。如果将钳口表面加工成齿形条纹时,11, 则39。因此, 在采用齿形钳口时, 角可以在1139之间选取。根据生产及实际情况本设备选用15。单钳口拉伸力: （3）t板材屈服强度；A板材截面积。单面钳口拉力: 由于11位最大值, 所以45。由此进行有限元分析, 在分析过程中考虑到固定斜块与钳口本体简化为一个件, 进行受力分析, 单位长度作用力为2800N/mm,其分析如图3.4。经运算分析最大应力集中点数值195MPa, 满足设计要求。图3.4 钳口本体应力分析4）钳口牙板长度l确定钳口牙板长度l值应保证在钳口夹紧时产生足够的拉伸力。板材拉伸时首先在连接侧A 产生塑性拉伸使工件厚度H减薄,导致单位压力p减小。而拉力向端部D 递增, H的减薄量也要递减,其单位压力p 必然递增。见图3.5所示。总压力，为最大压强,代入式(1)则按塑性拉伸计算拉力代入式(3)，则若按计算：当钳口磨损后表面比较平滑时1=0.1, 则l=5H, 新钳口11时l=0.5H,钳口牙板长度可以在0.5-5H范围内选用。当加工薄板时可适当加长钳口牙板长度,以保证钳口在拉伸过程中有足够的夹持力, 根据有关资料选用钳口牙板长度l=80mm。图3.5 板牙分析板牙及滑动斜块的燕尾槽设计按国标JB/ZQ4241-1997设计，如图3.6所示图3.6 燕尾槽设计图本设计根据有关资料选用A=40。3.2三维实体建模本设计基于通用三维建模软件PRO/ENGINEER对钳口等零部件图进行了实体建模。钳口各零件及装配图三维实体图分别如下：图3.7 牙板图3.8 滑动斜块图3.9 固定斜块图3.10 钳口本体图3.11 钳口装配图图3.11 拉行模（图中蓝线为板材切割线）3.3标准液压缸选取液压油缸的选用方法：对于液压油缸的选用，我们一般在选用液压油缸的过程当中都会依照内径、行程、使用压力、安装型式去选择液压油缸，其实除了这些外还有以下几点是值得我们去注意的，首先液压缸负载后作动速度达到某一标准以上时，必须需用有缓冲装置的液压缸。或者达到更高速度时必须在液压缸外，加装减速阀。其次是慎选液压油与油封。不同的液压油滴用不同材质的油封，以保证液压缸的寿命。3.3.1横拉油缸的选取由前文可知每个横拉油缸的拉力为80000N，查阅YHG型标准油缸手册得，选择横拉油缸的型号为Y-HG-E320/180，此油缸技术参数为：缸径为320mm，缸径为180mm，最大拉力为87960N。3.3.2下拉油缸的选取由前文可知每个下拉油缸的拉力为20364N，查阅YHG型标准油缸手册得，选择横拉油缸的型号为Y-HG-E160/90，此油缸技术参数为：缸径为160mm，缸径为90mm，最大拉力为21990N。3.3.3上顶油缸的选取由前文可知上顶油缸的上顶推力为41411N，查阅YHG型标准油缸手册得，选择横拉油缸的型号为Y-HG-E220/125，此油缸技术参数为：缸径为220mm，缸径为125mm，最大拉力为41180N。3.4钳口液压油缸设计及校核计算3.4.1液压缸的设计计算1、工作压力p的确定工作压力p由上已知，液压缸的工作压力为5MPa。2、计算液压缸内径D和活塞杆直径d (3-6)式中 工作循环中最大的外负载。已知最大负载为40000N。液压缸工作压力按表2可取为0.5MPa, 为0.95。液压缸内径与活塞杆直径的关系。考虑到快进、快退速度相等，取为0.7。 液压缸的机械效率，一般取。在本设计中取。在本设计中， (3-7)根据液压缸内径尺寸系列，将液压缸内径圆整为标准系列2直径；活塞杆直径d按求得。调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积，即 (3-9)可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。3、液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。工程机械的液压缸，一般是用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 (3-13)式中 液压缸壁厚(m)； 液压缸内径(m)； 试验压力，取最大工作压力的1.5倍（MPa）； 缸筒材料的许用应力。无缝钢管。 (3-14)液压缸壁厚算出后，可求出缸体的外径 按照工程机械标准液压缸外径尺寸系列3，所以取外径为110mm4、液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程确定，参照液压缸活塞行程参数系列选用工作行程为10mm。5、缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖有孔时 (3-16)无孔时 (3-17)式中 t缸盖有效厚度(m)； 缸盖止口内径(m)； 缸盖孔的直径(m)。在本设计中有孔时 (3-18)无孔时(3-19)6、最小导向长度的确定 (3-20)活塞宽度B取 (3-21)缸盖滑动支承面的长度 (3-22)隔套的长度 (3-23)7、缸体长度的确定液压缸刚体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两短端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。因此取缸体长度=150mm。8、活塞杆稳定性的验算活塞杆的细长比为 (3-24)柔性系数m取85，末端系数n取2所以，采用拉金公式计算4 (3-25)安全系数取n=2 则 (3-26)所以，活塞杆稳定。3.4.2液压缸的结构设计1、缸体与缸盖的连接形式缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。主要连接形式有法兰连接、螺纹连接、半环连接。a法兰连接 优点：(1)结构简单、成本低(2)容易加工、便于装拆(3)强度较大、能承受高压 缺点：(1)径向尺寸较大(2)重量比螺纹连接的大(3)用钢管焊上法兰、工艺过程复杂些b螺纹连接 优点：(1)外形尺寸小(2)重量较轻 缺点：(1)端部结构复杂、工艺要求较高(2)装拆时需用专用工具(3)拧端盖时易损坏密封圈c 半环连接 优点：(1)结构较简单(2)加工装配方便 缺点：(1)外形尺寸大(2)缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒厚度比较各连接形式，本设计中选取半环连接的形式。2、活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可以做成与端盖分开的导向套结构。a 端盖直接导向：(1)端盖与活塞杆直接接触导向，结构简单，但磨损后只能更换整个缸盖(2)盖与杆的密封常用O型，Y型等密封圈(3)防尘圈用无骨架的防尘圈。b 导向套导向：(1)导向套与活塞杆接触支承导向，磨损后便于更换，导向套也可用耐磨材料(2)盖与杆的密封常用Y型等密封装置。密封可靠适用于中高压液压缸(3)防尘方式常用J型或三角形防尘装置。 由于密封圈的是选用O形圈的密封类型，常于O形圈配合导向套结构为端盖直接导向，因此本设计选用端盖直接导向的导向部分结构。3、活塞及活塞杆处密封圈的选用活塞及活塞杆处的密封圈的选用5，根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。常用的密封圈类型有O形圈、Y形圈、V型和活塞环4。O形圈的结构简单，密封性好，安装空间小，摩擦力小，易于制造，所以应用较广，但运动速度不能太大。Y形圈适用于压力在20MPa以下、往返速度较高的液压缸，密封性能可靠。V形圈耐高压性能好，耐久性也好，缺点是安装空间大，调整困难，摩擦阻力大，只适用于运动速度较低的液压缸。活塞环寿命长，不容易损坏，常常用在不便于拆卸的液压缸中，缺点是泄漏较大，必须成组使用，加工工艺比较复杂，所以成本较高。图3.11 O形圈示意图由于本设计中液压缸的工作压力为5MPa，速度范围0.5m/s，因此选用缸体与缸盖的密封形式选用O形圈的密封形式（如图3.2）。活塞杆与缸盖，活塞与缸体的密封选用Y形圈的密封形式。4、液压缸的缓冲装置 常用的缓冲装置结构有(1)环状间隙式节流缓冲装置，它适用于运动惯性不大、运动速度不高的液压系统。(2)三角槽式节流缓冲装置，它是利用被封闭液体的节流产生的液压阻力来缓冲的。(3)可调节流缓冲装置，它调节针形节流阀的流通面积，就可改变缓冲作用的强弱和效果。本设计中的液压缸运动惯性不大、速度也不高，因此选用圆柱形环状间隙式节流缓冲装置。5、液压缸主要零件的材料(1)缸体 无缝钢管 45钢无缝钢管作缸体毛坯加工余量小，工艺性能好，生产准备周期断，是与大批量生产，标准液压缸大部分都采用无缝钢管，一般常用调质的45号钢。(2)活塞 铸铁HT200活塞常用材料灰铸铁，耐磨铸铁、35及40钢和铝合金等。缸径较小的整体式活塞用35、45钢，其他多用灰铸铁。(3)活塞杆 45钢活塞杆常使用35、45钢等材料。对于冲击震动很大的活塞杆，也可以使用55钢。一般实心的活塞杆用35、45钢。(4)前缸盖 35钢缸盖常用35、45钢的短剑或铸造毛坯，也可以使用铸铁材料。(5)后缸盖 铸铁HT200缸盖常用35、45钢的短剑或铸造毛坯，也可以使用灰铸铁材料。起导向作用时则用铸铁3.4.3选择液压元件1、确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格1)泵的工作压力的确定。考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为 (3-28)式中 液压泵最大工作压力； 执行元件最大工作压力； 进油管路中的压力损失，本设计中 (3-29)上式
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