毕业设计（论文）-金属拉伸成型机的设计

I页共37页1绪论1.1金属拉伸成型液压机1.1.1液压机国内发展现状分析中国液压机制造业现状：锻压装备是成形机床，液压机为其中的一个重要成员。据中国机床工具工业协会近几年发布的行业统计数据，我国锻压装备的市场容量接近700亿元，而约占锻压装备30%份额的液压机，其市场容量当在200亿元左右。至于液压机生产企业数量，虽没有确切统计数据，估计也有近千家。主要是国有改制企业和民营企业。目前，我国液压机产品仍延续中小型液压机的两种分类方法。一是按产品用途划分为通用和专用两大类。二是按产品自身重量划分为一般、大型和重型。自身重量在10吨以下称为一般液压机，重量在10~30吨称为大型液压机，重量在30吨以上称为重型液压机。通用型、中小型四柱液压机产品的制造，以100人以下的中小规模民营企业为主，在中低端市场具有明显的产品价格优势。仅江苏南通如皋市白蒲镇就聚集着通用型液压机制造企业近50家，年销售额近15亿元。专用型、大重型液压机产品的制造，多集中在具有较强实力的企业。用于汽车工业的面积成形液压机，以隶属于原机械工业部的液压机制造企业为主；用于锻造的体积成形液压机，则以骨干企业和重机企业为主。我国液压机制造企业的产品品种、性能和外观相似性较强。骨干企业几乎可生产用于多工序成形工艺中主工序加工的各系列单机产品，但却缺少专、精、特产品和成套成线产品。液压机产品在交货前，又因缺少工艺验证阶段，常常使企业陷入“产品不出厂放心，发货后烦心”的尴尬境地。工业发达国家液压机制造业现状。德国、日本、法国等工业发达国家制造的液压机产品，代表了当代液压机国际先进技术水平。这些工业发达国家的液压机制造企业大都具有以下三个显著特征：第一是锁定目标市场，服务专业成形工艺领域。德国液压机制造企业以汽车、机械通用件和家用电器等现代批量制造业为目标市场。如德国道尔斯特（DORST）技术有限公司专事粉末冶金制品液压机开发，德国迪芬巴赫（Dieffenbacher）公司专攻玻璃钢制品液压机，而德国舒勒集团SMG公司则以生产汽车制造业所需板材面积成形和金属体积成形的液压机为主。上世纪90年代初期，天锻、中信和德国SMG公司在天津开发区合资成立的“天津南德压力机有限公司”，生产的就是该类产品。日本液压机制造企业同样以汽车等批量制造业为目标市场，服务于各种成形工艺领域。如日本啊米诺（Amino）株式会社，就以生产用于汽车覆盖件模具制造的研配液压机和汽车充液成形制件的液压机为主。上世纪90年代中期，天锻就曾与啊米诺株式会社合作，生产了四台研配液压机和一台试模液压机，用于天津汽车制造厂模具中心项目。第二是提供完整工序成形工艺成套装备。工业发达国家液压机制造企业注重向成形工艺市场，提供多道次工序的装备，并通过各工序之间的自动衔接，为多工序成形工艺提供完整服务。如德国SMG公司在上世纪80年代成功开发的冰箱压缩机壳体生产线，覆盖了开卷—校平—输送—冲裁—拉伸—钻孔—堆料等所有工序，每分钟制造13个壳体或15个盖体。第三是注重产品成形工艺研究和工艺验证。德国液压机制造企业十分注重产品使用工艺研究，具有成形工艺的话语权。如德国迪芬巴赫公司既是生产玻璃钢制品液压机的厂家，又是使用玻璃钢制品液压机生产玻璃钢制品的厂家，从而有了充分的使用工艺验证，进而能极大地满足用户的使用工艺要求。1.1.2液压机的工作原理液压机是根据静态下密闭容器中液体压力等值传递帕斯卡原理制成的，是一种利用液体的压力来传递能量以完成各种成形加工工艺的机器。液压机的工作原理如下图1-1所示。两个充满工作液体的具有柱塞或活塞的容腔由管道连接，件1相当于泵的柱塞，件2则相当于液压机的柱塞。小柱塞在外力F的作用下使容腔内的液体产生压力P=F1/A1，A1为小柱塞的面积，该压力经管道传递到大柱塞的底面上。根据帕斯卡原理，在密闭容器中液体压力在名个方向上处处相等，因此，大柱塞2上将产生向上的力F2，使毛环3产生变形，有F2=pA2=F1A2/A1，式中，A为大柱塞2的工作面积。由于A2》A1，显然，F2》F1，这就是说，液压机能利用小柱塞上较小的作用力F，在大柱塞上产生很大的力F2，由式中还可以看出，液压机能产生的总压力取决于工作柱塞的面积和液体压力的大小。因此，要想获得较大的总压力，只需要增大工作柱塞的总面积或提高液体压力即可。图1-11.1.3液压机的优点液压机由于具有多方面的优点，因此在很多领域被广泛应用，具体优点如下：1、基于液压传动原理，执行元件结构简单，结构上易于实现很大的工作压力、较大的工作空间和较长的工作行程，因此适应性强，便于压制大型工件或较长、较高的工件；2、由于执行元件的结构简单，具有灵活布置的特点，因此可以根据工艺要求来进行多方位的布置以及多地点分散布置；3、在行程的任何位置均可产生液压机额定的最大压力。可以再下转换点长时间保持压力，这对许多工艺而音：都是十分需要的；4、活动横梁的总行程可以在一定范国内任意地无级地改变，行程的下转换点也可以根据工艺要求方便地控制或改变；5、活动横梁的速度可以在一定范围内、在相当大的程度上进行调节，从而可以适应工艺过程对滑块速度的不同要求．用泵直接传动时，滑块速度的调节与压力及行程无关；6.可以用不同阀的组合来实现工艺过程的不同程序，方便地适应程序的变化，便于实现程序控制阀及计算机自动控制；7、可以用简单的方法在一个工作循环中调压或限压，安全性能好，不易超载，有利于保护模具；8、工作平稳。撞击，振动和噪声较小，对工人健康、厂房基础、周国环境及设备本身都有很大好处；9、工作行程速度比较慢，每分钟工作循环次数不容易提高。这本来是液压机的弱点，但今年来，随着大功率高速、高压液压泵的出现，液压机的快速性能已有很大提高。1.2液压机分类选型1.2.1液压机分类液压机在制造行业应用非常普遍，根据生产需求，被设计成多种多样，具体分类如下：①、如按传递压强的液体种类来分，有油压机和水压机两大类。水压机产生的总压力较大，常用于锻造和冲压。锻造水压机又分为模锻水压机和自由锻水压机两种。模锻水压机要用模具，而自由锻水压机不用模具。我国制造的第一台万吨水压机就是自由锻造水压机。②、按作用力的方向区分，液压机有立式和卧式两种。多数液压机为立式，挤压用液结构压机则多用卧式。按结构型式分，液压机有双柱、四柱、八柱、焊接框架和多层钢带缠绕框架等型式，中、小型立式液压机还有用C型架式的。C型架式液压机三面敞开，操作方便，但刚性差。冲压用的焊接框架式液压机刚性好，前后敞开，但左右封闭。在上传动的立式四柱自由锻造液压机中,油缸固定在上梁中,柱塞与活动横梁刚性连接，活动横梁由立柱导向，在工作液的压强作用下上下移动。横梁上有可以前后移动的工作台。在活动横梁下和工作台面上分别安装上砧和下砧。工作力由上、下横梁和立柱组成的框架承受。采用泵-蓄能器驱动的大、中型的自由锻水压机常采用三个工作缸，以得到三级工作力。工作缸外还设有向上施加力的平衡缸和回程缸。③、按结构形式现主要分为:四柱式、单柱式(C型)、卧式、立式框架、万能液压机等。④、按用途主要分为金属成型、折弯、拉伸、冲裁、粉末(金属，非金属)成型、压装、挤压等。⑤、热锻液压机大型锻造液压机是能够完成各种自由锻造工艺的锻造设备，是锻造行业使用最广泛的设备之一。目前有800T、1600T、2000T、2500T、3150T、4000T、5000T等系列规格的锻造液压机。⑥、四柱液压机该液压机适用于可塑性材料的压制工艺。如粉末制品成型、塑料制品成型、冷(热)挤压金属成型、薄板拉伸以及横压、弯压、翻透、校正等工艺。四柱液压机可分为四柱两梁液压机、四柱三梁液压机、四柱四梁液压机等。⑦、单臂液压机(单柱液压机)可扩展工作范围，利用三面空间，加长液压缸行程(可选装)，最大可伸缩260mm-800mm，可预置工作压力;液压系统散热装置。⑧、龙门式液压机可对机器零部件进行装配、拆卸、校直、压延、拉伸、折弯、冲孔等工作，真正实现一机多用。该机工作台能上下移动，大小扩展了机器开合高度，使用更方便。⑨、双柱液压机本系列产品适用于各类零部件的压装、调弯整形、压印压痕、翻边、冲孔及小零件的浅拉伸;金属粉末制品的成型等加工工艺。采用电动控制，设有点动及半自动循环，可保压延时，并具有良好的滑块导向性，操作方便、易于维修、经济耐用。根据用户的需要可增设热工仪表、顶出缸、行程数显、计数等功能。1.2.2液压机设计方案选型有上述分类及特点结合本课题设计要求，选用四柱式液压机，其主要用途为：该液压机适用于可塑性材料的压制工艺。如粉末制品成型、塑料制品成型、冷（热）挤压金属成型、薄板拉伸以及横压、弯压、翻透、校正等工艺。四柱液压机具有独立的动力机构和电器系统，采用按钮集中控制，可实现调整、手动及半自动三种操作方式。其特点：机器具有独立的动力机构和电气系统，采用按钮集中控制，可实现调整、手动及半自动三种工作方式：机器的工作压力、压制速度，空载快下行和减速的行程和范围，均可根据工艺需要进行调整，并能完成顶出工艺，可带顶出工艺、拉伸工艺三种工艺方式，每种工艺又为定压，定程两种工艺动作供选择，定压成型工艺在压制后具有顶出延时及自动回程。可以很好的满足设计要求。因此选用四柱式液压整体设计方案。2金属拉伸成型机整体主体结构设计2.1整机主体设计参数整机性能参数主缸公称压力：2000kN压边缸公称压力：1000kN顶升缸公称压力：200kN系统最大工作压力：25MPa（根据工作负载查询液压手册查询）主缸滑块行程：800mm顶升缸行程:300mm工作台有效面积：左右宽1260mm前后深1200mm（根据市场主流液压机结合市场主流产品进行设定）机身可采用四柱式结构，方便模具更换；拉深，压边滑块可通过定位销联为一体，实现单动工艺动作；机，电，液一体化安全装置，如油缸下腔支承回路，油缸上下腔互锁回路；PLC控制。2.2整机主体结构方案设计结合上述主要设计参数，并根据市场主流设计方案315吨拉伸液压机，制定本次液压机设计方案，参考结构图如下2-1：图2-1结合市场成熟设计方案，根据本课题设计目标，制定本次设计结构方案如下图2-2图2-2注：1、主缸；2、压边缸；3、上横梁；4、主缸连接法兰；5、主缸滑块；6、压边缸连接法兰；7、连接螺栓；8、压花缸滑块；9、立柱；10、顶升缸连接法兰；11、顶升缸；12、底座；13、顶升缸滑块。整理设计思路：通过部件3、9和12采用标准件及附件安装组合成四柱液压机框架，通过一个主缸1采用部件4与部件5组成主缸工作模块，通过再部件5上安装设计的磨具完成拉伸动作；通过双缸部件2采用部件6和部件8组成压边缸工作模块，通过部件8上安装设计的压边磨具完成冲压板材的压边动作；通过部件11采用部件10连接部件13组成顶升缸工作模块，并在部件13上安装顶升磨具完成成品料取件动作，其所有动作采用液压系统完成。其框架式拉杆预紧结构，精度高、刚性好，四角八面导轨，导向精度高，抗偏载能力强；结构简单、经济、实用；框架式结构刚性好、精度高、抗偏载能力强。3总体结构设计3.1立柱设计液压机的最大负载约为3200kN（主缸2000kN＋压边缸1000kN＋顶升缸200kN），通过力传递后，最后由四根立柱承受3200kN的拉力，作用在每根立柱上的拉力为负载的1/4，即800kN。如图3-1F-负载T-导柱拉力图3-1立柱受力图立柱的安全直径D，可由许用拉应力公式(3-1)计算。(3-1)式中：—许用应力；取45钢=80～100MPa；F—轴向拉力；A—横截面积。即：0.0127m(3-1)为了防止四根导柱因瞬间的受力不均而被破坏，导柱直径可适当加大，取D=130mm。立柱在工作过程中的主要受力如图3-1所示。因此材料必须具备较高的抗拉强度。立柱材料选择45钢。立柱除了承受拉力之外，外圆柱表面与滑块之间还存在摩擦力。为了减少立柱表面的磨损，通过表面热处理提高表面硬度增加表面耐摩性。总的热处理工艺为调质和表面淬火。3.2上横梁设计位于立柱上部，用于安装主缸，压边缸，承受主缸，压边缸的反作用力。材料选择：采用ZG270-500铸钢件。热处理要求：必须进行必要的内处理，消除其内应力。上横梁高度取（0.4-0.7）B确定上横梁的长、宽、高尺寸分别为2760、1860、440mm，截面米字型空心筋板强化。理论计算校核：横梁受力可以简化为简支梁,中间受载的情形，如图3-2所示。图3-2立柱受力图由《中小型液压机设计计算——主机的设计计算》可知：(3-3)其中：P—公称压力（N）B—立柱中心距（m）将P=3200000N，B=2.5m代入公式3-3，2000000N.M初步确定横梁的长、宽、高尺寸分别为2760、1860、440mm，截面可以相似为矩形。即：在负载作用下的剪力和弯矩如3-2所示。可知中间截面弯矩最大，该截面是危险截面。为了保证横梁能够正常工作，必须对该截面进行强度校核。正应力计算公式为：(3-4)式中：—最大弯曲正应力；—最大弯矩；—抗弯截面系数()。矩形截面抗弯系数W计算公式为：(3-5)式中：—矩形截面的宽；—矩形截面的高。即：铸钢ZG270-500的弯曲许用应力[]=60MPa，而横梁的最大弯曲应力=33.3MPa，远小于材料的许用应力，经过校核，设计尺寸满足要求。3.3工作台设计承受液压机总吨位。工作时压力通过模具作用于制件，由于大多数的制件和模具有对称的形状，并且模具应居中安装，因此可以认为工作台是一个中间部分承受均布载荷的梁材料选择：工作台主要受压，材料选用铸钢ZG270-500。由《中小型液压机设计计算——主机的设计计算》可知：工作台的高度=（0.4~0.7）B=545~917(mm)工作台承受液压机总吨位。工作时压力通过模具作用于制件，由于大多数的制件和模具有对称的形状，并且模具应居中安装，因此可以认为工作台是一个中间部分承受均布载荷的梁，如图3-3。图3-3工作台受力分析与弯矩图材料选择：工作台主要受压，材料选用铸钢ZG270-500。由《中小型液压机设计计算——主机的设计计算》可知：工作台的高度=（0.4~0.7）B=600~1050(mm)确定上横梁的长、宽、高尺寸分别为2760、1860、940mm。其中心截面处地弯矩为最大弯矩是：(3-6)其中：P—公称压力（N）B—立柱中心距（m）—下模与工作台接触面左右宽度，受分布载荷长度（m），一般取=（0.35~0.6）B。这里取=0.6B。将P=3.2MN，B=2.5m代入公式3-6，代入公式3-5，得，铸钢ZG270-500的弯曲许用应力[]=60MPa，而横梁的最大弯曲应力=3.8MPa，远小于材料的许用应力，经过校核，设计尺寸满足要求。为了固定模具，一般在工作台台面上设有T形槽。由于工作台尺寸较大，采用平行布置。4液压缸设计4.1主缸、压边缸及顶升缸设计根据任务书给定的技术参数及查阅的资料，确定了液压机主要技术参数，见工作压力的确定查《液压系统设计简明手册》表2-1，液压机的工作压力的范围是20~30MPa。由于液压机的工作负载比较大，为2000KN，则取主缸的工作压力为p=25MPa；压边缸总负载1000KN，采用双缸设计，单缸负载500KN；顶升缸负载200KN，总的液压工作压力p=25MPa。4.1.1计算主缸、内径和活塞杆直径主缸的最大负载为工进时的负载，即2000KN。查《液压系统设计简明手册》表2-2，可知液压机的背压在初算时可忽略不计。取液压缸的机械效率。图3-1液压机主缸受力图由图得，D=(4-1)式中：P1—液压缸工作压力；P2—液压缸回路背压，对于高压系统初算时可以不计；F—工作循环中最大负载；—液压缸机械效率，一般。将参数代入公式（3-1），P2忽略不计，可求得液压缸内径即：D=查表2-4[1],将液压缸的内径圆整为标准系列直径，取D=320mm那么由d/D=0.7可以求得活塞杆直径。即：D=0.7D=0.7×320≈220mm同理查表2-5[1],将活塞杆直径圆整为标准系列直径，取d=220mm。经过计算液压机主缸的内径、活塞杆直径分别为：D=325mm；d=220mm。根据设计结构安装，液压油缸采用法兰结构与上横梁进行安装，并根据设计压力以及缸径基础结果结合重载液压缸设计手册查表4-1、4-2、4-3所示图4-1图4-2图4-3综上表可设计出液压缸相关尺寸以及安装尺寸，并根据安装及结构强度进行加强设计，这次不再进行详细叙述，具体详细尺寸看图纸4.1.2计算压边缸和顶升缸内径和活塞杆直径压边缸的最大负载为工进时的负载，即800KN。查《液压系统设计简明手册》表2-2，可知液压机的背压在初算时可忽略不计。取液压缸的机械效率=0.95。图4-4液压机压边缸受力图由图得，D=(4-2)将参数代入公式（4-2），P2忽略不计，可求得液压缸内径即：D=160mm查表2-4[1],将液压缸的内径圆整为标准系列直径，取D=160mm那么由d/D=0.7可以求得活塞杆直径。即：d=0.7D≈100mm经过计算液压机压边缸的内径、活塞杆直径分别为：D=160mm；d=100mm。液压缸的制造材料一般有锻钢、铸钢、高强度铸铁、灰铸铁、无缝钢管等。对于负载大的机械设备缸体材料一般选用无缝钢管制造，主缸缸体材料选用45钢。顶升缸设计同上，这里不再进行叙述，经过计算液压机压边缸的内径、活塞杆直径分别为：D=100mm；d=56mm。4.1.3每个缸活塞材料、技术要求、外形尺寸及密封方案的确定活塞制造材料一般选用灰铸铁(HT150、HT200)、当缸体内径较小时，整体式结构的活塞选用35钢、45钢。主缸活塞选用灰铸铁HT200。活塞制造时外圆柱表面的粗糙度为Ra0.8～1.6μm；外径圆度、圆柱度不大于外径公差的一半；外径对内孔的径向跳动不大于外径公差的一半；端面对轴线垂直度在直径100mm上不大于0.04mm；外径用橡胶密封圈密封的公差配合取f7～f9，内孔与活塞杆的配合取H8/f7。活塞宽度系数取0.8，即活塞的宽度B=0.8D=0.6×590mm=354mm。圆整后取活塞宽度B=360mm。液压机主缸工况时的压力大，泄漏量也会随压力成正比升高，因此密封圈选用Y形密封圈，这种密封圈能承受的大的工作压力，泄漏量小。4.1.4每个缸活塞杆材料、技术要求及长度确定活塞杆有空心和实心两种结构形式。空心时一般选用35钢、45钢的无缝钢管；实心结构选用35钢、45钢。主缸活塞杆选用45钢。活塞杆制造时外圆柱面粗糙度为Ra0.4～0.8μm；热处理要求调质20～25HRC；外径圆度、圆柱度不大于直径公差的一半；外径表面直线度在500mm上不大于0.03mm；活塞杆与导向套之间的配合公差采用H8/f7，与活塞连接的配合公差采用H7/g6。其长度的设计主要根据工况以及工件的加工有效行程以及最大行程来确定，没有固定的数据，本次设计根据整机结构图进行校队，这里不再进行舒服，具体尺寸见详细部件结构图。4.2液压缸工况分析4.2.1液压机主缸工况分析液压机启动时，主缸上腔充油主缸快速下行，惯性负载随之产生。此外，还存在静摩擦力、动摩擦力负载。由于滑块不是正压在导柱上，不会产生正压力，因而滑块在运动过程中所产生的摩擦力会远远小于工作负载，计算最大负载时可以忽略不计。液压机的最大负载为工进时的工作负载。通过各工矿的负载分析，液压机主缸所受外负载包括工作负载、惯性负载、摩擦阻力负载，即：F=Fw+Ff+Fa(4-3)式中：F—液压缸所受外负载；Fw—工作负载；Ff—滑块与导柱、活塞与缸筒之间的摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力负载，启动后为动摩擦力负载；Fa—运动执行部件速度变化时的惯性负载。（1）惯性负载Fa计算计算公式：Fa=(4-4)式中：G—运动部件重量；g—重力加速度9.8m/；—时间内的速度变化量；—加速或减速时间，一般情况取=0.01～0.5s。查阅相同型号的四柱液压机资料，初步估算横梁滑块的重量为15KN。由液压机所给设计参数可及：=0.25m/s，取=0.05s，代入公式3.2中。即：Fa=（2）摩擦负载Ff计算滑块启动时产生静摩擦负载，启动过后产生动摩擦负载。通过所有作用在主缸上的负载可以看出，工作负载远大于其它形式的负载。由于滑块与导柱、活塞与缸体之间的摩擦力不是很大，因而在计算主缸最大负载时摩擦负载先忽略不计。（3）主缸负载F计算将上述参数Fa=7653N、Fw=2000KN代入公式4-3中。即：F=2000000+7653=2007653N（4）主缸工作循环各阶段外负载如表4-4表4-4主缸工作循环负载工作循环外负载启动F=f静+Fa≈7KN横梁滑块快速下行F=f动忽略不计工进F=f动+Fw≈2000KN快速回程F=f回+F背≈1000KN注：“f静”表示启动时的静摩擦力，“f动”表示启动后的动摩擦力。4.2.2液压机压边缸工况分析1.压边缸负载分析主缸运动过程中，压边缸同时工作，活塞运动，这时会产生惯性、静摩擦力、动摩擦力等负载。由于压边方向惯性负载很小，计算时可以忽略不计；计算压边缸的最大工作负载时可以近似等于500KN。将参数代入公式计算水平缸的最大负载。即：F=Fw=500000N式中：Fw—负载；2.压边缸负载循环（1）压边缸工作循环各阶段外负载如表3-2表4-5压边缸工作循环负载工作循环外负载启动F=F静+Fa忽略不计压边缸顶出F==f动+Fw≈500KN快速退回F=f动+F背≈250KN注：“f静”表示启动时的静摩擦力，“f动”表示启动后的动摩擦力。4.2.3液压机顶出缸工况分析1.顶出缸负载分析主缸回程停止后，顶出缸下腔进油，活塞上行，这时会产生惯性、静摩擦力、动摩擦力等负载。由于顶出缸工作时的压力远小于主缸的工况压力，而且质量也比主缸滑块小很多，惯性负载很小，计算时可以忽略不计；同理摩擦负载与顶出力相比也很小，也可不计；工件顶出时的工作负载比较大，计算顶出缸的最大工作负载时可以近似等于顶出力。将参数代入公式4.3计算顶出缸的最大负载。即：F=Fw=200000N式中：Fw—顶出力；顶出缸工作循环各阶段外负载如表3-2表4-6顶出缸工作循环负载工作循环外负载启动F=F静+Fa忽略不计顶出缸顶出F==f动+Fw≈200KN快速退回F=f动+F背≈100KN注：“f静”表示启动时的静摩擦力，“f动”表示启动后的动摩擦力。4.3液压缸工作压力确定图4-5液压机顶出缸受力图液压缸受力图如图4-5——活塞杆所受到的有效外负载；——无杆腔活塞有效作用面积，；——有杆腔有效作用面积，；——液压缸工作腔压力，；——液压缸回油腔压力，，即背压力，其值根据回路的具体情况而定，初算时可参照表4.1-3取值差动连接时要另行考虑；D——活塞直径，M；d——活塞杆直径，M;根据以上公式分别计算出主缸，压边缸，顶出缸的工作压力。主缸受力=2000KN，D=320mm,d=220mm,=0.5计算得=25M压边缸受力=500KN，D=160mm,d=100mm,=0.5计算得=24.88M主缸受力=200KN，D=100mm,d=56mm,=0.5计算得=25.47M三个缸工作压力与额定压力25M接近，所以不需要安装减压阀。5．液压系统设计5.1液压系统方案设计1）液压油缸的选择液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和伸缩缸等。查阅相关的液压机资料，液压缸选用双作用单杆活塞缸。该种活塞杆完全可以满足液压机的工作要求，且安装方便使整体结构简单，其安装方式采用法兰盘安装方式。2）供油方式的确定考虑到液压机在工进时负载较大，速度较低。而在快进、快退时负载较小，速度较高。从节省能量、减少发热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油。液压机主油路采用变量泵供油。由于液压机的负载压力会随着工作方式变化，为了使液压机处于安全的工作状态，采用压力补偿变量泵。3）基本回路的选择①调压回路调压回路的功用是使液压系统整体或部分的压力保持恒定或不超过某个数值。在定量泵系统中，液压泵的供油压力可以通过溢流阀来调节。在变量泵系统中，用安全阀来限定系统的最高压力，防止系统过载。若系统中需要两种以上的压力，则可采用多级调压回路。液压机采用二级调压回路。②保压回路由于液压机主要进行锻造压制工艺，所以在行程终止时要求有一段保持压力的时间，这时就必须采用保压回路。常用的保压回路有利用液压泵的保压回路、自动补油保压回路。③卸压回路液压机由于保压一段时间后，如果马上进行快退会产生很大的液压冲击。选用液控单向阀进行控制。④速度换接回路液压机主缸的工作循环为“快速下行→慢速加压→保压延时→快速返回→停止”，顶出缸的工作循环为“向上顶出→向下返回→停止”的工作循环。速度的变化快，选择用行程开关来进行速度的换接。这种回路的快慢速换接过程比较平稳，换接点的位置比较准确。⑤平衡回路平衡回路的功用，在于执行机构不工作时，不致因受负载重力作用而使执行机构自行下落。4）控制系统的选择采用叶片泵来提供控制油压，该类泵的效率较高，提供压力适中等优点。5）液压原理图的拟定根据前面的内容，拟定液压系统控制原理图，如图5-1所示图5-1液压机液压系统原理图金属拉伸液压机系统原理拉延滑块快进时，阀4断路，阀5正常工作，油经过阀6右位进入拉延缸7.回路经阀6和阀8通路位置回油箱。此时阀14处于左位，4个压边缸9，10，11，12自油箱补油。将阀8投入断路位置，油经节流阀13回油，压边缸慢进。当件1接触工件后，泵15的油经阀14向缸9，10，11，12加压，同时缸7中的压力增加，缸7急需下行，完成拉延工艺。阀6处于左位时，缸7上行。单向阀15，16，17，18为通路，各缸中的油可回油箱。阀20处于右位，来自泵的油进入顶出缸，顶出工件。阀20换位后，顶出缸靠自重退回。阀22为溢流阀，顶出缸上行时起保护作用，下行时起背压作用。5.2液压系统的计算和选择液压元件5.2.1液压系统流量计算（1）主缸所需流量计算参考主缸的尺寸，对主缸各个工况所需流量进行计算。已知主缸的快进速度为0.25m/s，工进速度为0.125m/s，快速回程速度为0.25m/s，主缸内径为320mm，活塞杆直径为220mm。由流量计算公式：（5-1）快进时：≈1205L/min工进时：≈482L/min快退时：≈636L/min（2）压边缸所需流量计算已知水平缸的快进速度为0.25m/s，工进速度为0.125m/s，快速回程速度为0.25m/s，缸内径为160mm，活塞杆直径为100mm。由流量计算公式：（5-1）快进时：≈300L/min工进时：≈121L/min快退时：≈184L/min（3）顶出缸所需流量计算参考顶出缸的尺寸，对顶出缸各工况所需流量进行计算。已知顶出缸的顶出速度为0.25m/s，快退速度为0.25m/s，顶出缸内径为180mm，活塞杆直径为110mm，代入公式（5-1），即：顶出时：≈118L/min快退时：=81L/min（4）液压泵额定压力、流量计算及泵的规格选择1）泵工作压力确定实际工作过程中，液压油在进油路中有一定的压力损失，因此在计算泵的工作时必须考虑压力损失。泵的工作压力计算公式为：（5-2）式中：Pp—液压泵最大工作压力；P1—执行部件的最大工作压力；—进油路中的压力损失，对于简单的系统，取0.2～0.5MPa，对于复杂系统，取0.5～1.5MPa。本液压机执行部件的最大工作压力P1=25MPa，进油路中的压力损失，取=1.5MPa。代入公式（5-2）可求得泵的工作压力。即：25+1.5=26.52）液压泵最大流量计算通过对液压缸所需流量的计算，以及各自的运动循环原理，泵的最大流量可由公式(5-3)计算得到。(5-3)式中：—液压泵的最大流量；KL—液压系统泄漏系数，一般取KL=1.1～1.3，取KL=1.2；—同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正处于溢流状态，还应加上溢流阀的最小溢流量。将参数代入公式（5-3）中，即：=1805L/min(最大流量为主缸和压边缸同时快进)3）液压泵规格选择根据工况要求，选用叶片泵，泵的额定压力要比最大工作压力大25%～60%液压机设计要求系统最大工作压力：25Mpa电机总功率：22kW结合压力，排量等数据选用型号PFE-32028排量：28.1额定压力：25M输出流量：30驱动功率：24kw转速范围：5.2.2电动机的选择液压机的执行件有两个，即：主缸和顶出缸。主缸和顶出缸各自工况的快进、工进、回程速度又不尽相同，这样对功率的消耗也不同。电动机额定功率的确定必须根据消耗功率最大的工况来确定，因此要分别计算主缸、顶出缸各工况消耗的功率。功率计算公式如下：P=(5-4)式中：P-电动机额定功率；Pp-液压泵的工作压力；-液压泵的流量；η-液压泵的总效率，取η=0.8。（1）主缸各工况功率计算1）快进功率主缸滑块快进时，在自重作用下速度比较快，而液压泵此时的输出油量不能满足滑块的快速下行。快进时的负载很小，只有活塞与缸筒、导柱与滑块之间的摩擦负载，这样泵的出口压力也很小，消耗的功率不会很大。2）工进功率工进时主缸最大负载为2000KN，无杆腔面积A≈0.08㎡，进油回路压力损失取P=0.5MPa，则液压泵的压力Pp由公式（4-6）计算。（5-5）即：将、=1205L/min、η=0.8代入公式（5-4）中，求得工进功率为：（2）顶出缸各工况功率计算1）顶出功率由表（3-3）可及，顶出时主缸最大负载为630KN，无杆腔面积A≈0.008㎡，进油回路压力损失取P=0.5MPa，那么液压泵的压力Pp可由公式（5-5）计算。即：将、=118L/min、η=0.7代入公式（4-5）中，求得工进功率即为：5.2.3液压元件的选择序号元件名称额定流量（L/min）额定压力（MPa）型号、规格1斜盘式轴向柱塞泵50035A8V22.52.5CB-B2.53溢流阀33040DBDS30K10-404溢流阀10032Y2-Hd205远程。调压阀232Y-Hd66三位四通电液动换向阀10031.54MF1a7压力表0～35KF3-E3B8二位四通电磁换向阀4031.524D-H10B9液控单向阀20032AY-Hb20B10单向阀10032AY-Hb20B11卸荷阀(带阻尼孔)5032X4F-B20K12压力继电器35HED1KA13液控单向阀20032SV3014液控单向阀10032AY-Hb20B18三位四通点液控换向阀10031.54KF1a表5-1液压元件明细液压泵装置包括不同类型的液压泵、驱动电机和联轴器。液压机的液压泵装置采用旁置式的安装方式。电动机与液压泵的联接方式有法兰式、支架式、支架法兰式。电动机与液压泵的联接方式采用支架式。为了防止安装时同轴度误差的影响，联轴器选用弹性联轴5.3液压油管设计常用的液压油管有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管。钢管承受的压力高，弯曲半径不能太小，弯制时比较困难。对于高压系统液压油管一般选用无缝钢管；紫铜管加热软化后可进行弯曲，比钢管容易弯制，价格昂贵，抗振性较弱；尼龙管主要用于低压系统；塑料管承受的工作压力比较小，一般用于液压系统的回油路中；胶管有高压管和低压管两种，而者的区别在于骨架组成不同。高压胶管是钢丝编制体或钢丝缠绕为骨架，可用于较高的油路中。低压胶管的组成骨架是麻线或棉线编制体，多用于压力较低的油路中。通过液压机主缸、顶出缸工作压力的计算可知，主缸的最大工作压力约为25MPa,顶出缸的工作压力约为12.5MPa。查表6-1[1]、6-5[1]，主缸工作压力较高，油管选用无缝钢管，顶出缸油路油管选用高压胶管。油管的内径可由公式（5-6）求得(5-6)式中：—油管内径(mm)；—油路通过最大流量(L/min)；—油管中允许流速m/s。（1）主缸液压油管内径计算进油油管内径确定：主缸快进所需流量1205L/min，而泵的额定流量q=250L/min,取油管允许流速=4m/s，代入公式(5-6)，即：圆整后，查表6-1[1]，取，壁厚t=5mm。回油油管内径确定：主缸快退所需流量，取油管允许流速=4m/s，代入公式(5-6)，即：圆整后，查表6-1[1]，取，壁厚t=4.5mm。（2）顶出缸液压油管内径计算进油油管内径确定：顶出缸顶出所需流量37.8L/min，取油管允许流速=4m/s，代入公式(5-6)，即：圆整后，查表16.5-1[3]，取。回油油管内径确定：顶出缸回程所需流量48L/min，取油管允许流速=4m/s，代入公式(5-6)，即：圆整后，查表16.5-1[3]，取。5.4液压油箱设计液压油箱主要作用是贮存液压油、分离液压油中的空气和杂质，同时还起到散热的作用。（1）油箱有效容积的确定液压油箱根据系统压力的不同，有效容积的确定也不一样。为了防止液压油从油箱中溢出，油箱中的液压油位不能太高，一般不应该超过液压油箱高度的80%。低压、中压、高压系统油箱的有效容积V确定算法如下：低压系统(P≤2.5MPa)：V=(2～4)中压系统(P≤6.3MPa)：V=(5～7)中高压或高压系统(P＞6.3MPa)：V=(6～12)式中：V—液压油箱有效容积；—液压泵额定流量。液压机属于高压系统，油箱的有效容积即：V=9=7×0.5*4750L=16625L（2）油箱外形尺寸确定油箱的有效容积确定后，液压油箱外形尺寸长、宽、高的比值一般为：1:1:1～1:2:3。为了提高冷却效率，安装位置不受影响时，可适当增大油箱的容积。液压油箱的外形尺寸为：长×宽×高=3000×2500×2500(mm)。6．PLC控制系统设计控制系统的设计是整个工作台设计的关键和核心。它在结构和功能上的合理划分与巧妙实现，对提高工作台整体可靠性、实用性具有重要的意义，同时也是降低制造成本、缩短开发周期的有效途径。为此本章在分析了当前工作台广泛采用的控制器结构及PLC的发展之后，提出了采用PLC的控制方法。6.1控制系统的组成结构工作台的控制系统一般是使工作台运动协调为目的，包括高性能的计算机及相应的系统硬件和控制软件。工作台的控制部分可分为4个部分：工作台及其感知器、环境、任务、控制器。工作台是由各种机构组成的装置，它通过感知器的内部传感器实现本体和环境状态的检测和信息交互；环境即指工作台所处的周围环境；任务是指工作台要完成的操作，它需要适当的程序语言描述，并把它们存入控制机中，随着系统的不同，任务的输入可能是程序方式，或文字、图形或声音方式；控制器包括软件和硬件两大部分，相当于工作台的大脑，它以计算机或专用控制器运行程序的方式来完成给定的任务。控制系统的硬件一般包括3个部分：感知部分用来收集工作台的内部和外部的信息，如位置、速度、加速度传感器可接受工作台的本体状态，而视觉、触觉、力觉等传感器可感受工作台的工作环境的外部状态。控制装置用来处理各种信息，完成控制过程，产生必要的控制指令，它包括计算机相应的接口等。驱动部分为了使工作台完成操作及移动功能，工作台各关节可选用气动、液动、电气等方式驱动。6.2传感器的选择传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。根据本设计的要求需要对位置检测装置进行选用。位置检测装置检测工作台动作是否到位。6.2.1位置检测装置在本设计中，当液压缸活塞运动时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是接近开关。接近开关是一种在一定的距离（几毫米至十几毫米）内检查物体有无得传感器。它给出的是高电平或低电平的开关信号，有的还具有较大的负载能力，可直接驱动继电器工作。接近开关具有灵敏度高、频率响应快、重复定位精度高、工作稳定可靠及使用寿命长等优点。许多接近开关检测头与测量转换电路及信号处理电路做在一个壳体内，壳体上带有螺纹，以便安装和调整距离。同时在外部有指示灯，指示传感器的通断状态。常用的接近开关有电感式、磁感应式、光电式及霍尔式。本设计中采用电容式接近开关检测工作台动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。6.3控制系统PLC的选型及控制原理6.3.1I/O点数分配根据工作台动作流程分析及I/O点数确定，可以确定电气控制系统的I/O点分配，如图6-1所示：输入输出启动按钮X000KM3Y000SQ1X001KM1Y001SQ2X002KM5Y002SQ3X003KM2Y003SQ4X004KM4Y004KM6Y005图6-1I/O点分配图6.3.2PLC种类及型号选择PLC种类较多，主要有西门子、三菱、欧姆龙、法奈克、施耐德等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、欧姆龙的PLC。根据确定的PLC点数：实际输入点8点，实际输出点22点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为48点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面。本系统可选择PLC型号为：FX2N—64MR—001，合计总数64点—32点输入，DC24V，32点继电器输出；尺寸（mm）：220×87×90，其性能、价格都优于其他PLC。FX2N系列是FX系列PLC家族中比较先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。该型号PLC有32个输入节点，32个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。6.3.3PLC外部接线图根据表2、3分配输入/输出信号与PLC输入/输出接口分配情况及所选定的PLC，得到PLC的外部接线图如图5-3：图6-2PLC外部接线图5.4PLC程序设计图6-3PLC程序图结论这次的毕业设计为金属拉伸成型机设计，整机系统设计很复杂，我对本次课题进行结构和系统的分析结合网上及淘宝厂家结构分析，将原本毫无头绪的整机设计分解成三大快，并逐一进行分解，从液压机结构框架以及液压缸计算，到液压系统原理设计再到plc程序编程，但过程中毫无疑问会遇到这样和那样的问题。因为在过去四年的专业学习中，如此全面的，无小组，无范例的设计经验不是很多，而且对于各种知识的整合还存在着不熟练，所以困难还是难以避免的。比如说对液压缸的尺寸的确定。由于之前没有设计液压缸的经验，所以如何确定液压缸的活塞外径和活塞杆直径。完全无从下手。最后只能通过大量翻阅相关的液压设计手册来寻找突破口。最终找到了相关的国家标准，从标准中分别选用近似的，合理的数值代入相应的公式进行计算，逐步达到选取合理尺寸的数值。在画机械图的工作过程中是这次毕业设计耗时最多，精力花费最多的环节。因为从来没见过液压机，所以无法快速地，准确地画出机械图。我只能在网络上，书本上寻找简略的机械结构图，经过相应的整合，过滤一点一点地边摸索，边实践，边想象，边把它画下来。在这样的方式下，机械图渐渐有了轮廓和内部结构。PLC我发现电气控制部分设计其实并不难，只要掌握其中规律，很容易就能上手。在清楚地了解了我的液