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Φ273-R254 90° 短半径弯头坡口装置设计含14张CAD图 273 R254 90 半径 弯头 装置 设计 14 CAD

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273-R254 90 短半径弯头坡口装置设计摘 要本次的设计是对国内外坡口装置现状、切割坡口中现有的实际问题研究，做出了详细的分析和介绍，为了提高坡口质量、加工效率以及满足市场的要求，所以设计了一款可以满足273-R25490短半径弯头坡口装置设计。给弯头坡口是为了保证焊接的质量，避免由于弯头壁厚过大导致焊不透，以及弯头工件存在缺陷影响加工质量等问题。我的任务是：设计一台对273-R25490短半径弯头这个特殊的管件进行坡口的装置。如今，不仅管道系统应用越来越广泛，而且管道的尺寸日益增大，在这样的一个形势下，坡口技术也越来越重要，坡口装置亦越来越先进。传统的坡口加工方法主要是采用火焰切割或气割等方式，然而这样的加工方法存在很大的弊端，那就是加工的坡口面很粗糙。为了解决这问题，经过几十年不断地努力，我国取得了很大的进步采用机械加工的方式进行坡口加工。在这次的设计中我采用机械加工，针对我的题目设计了v带轮传动、齿轮传动、浮动刀头、专用液压夹紧装置等。关键词：弯头；坡口；浮动刀头；弯头坡口装置AbstractThe design is on the groove device at home and abroad present situation, the practical problems existing in the research of cutting slope mouth, has made the detailed analysis and introduction, in order to improve the quality of groove, the machining efficiency and meet the requirements of the market, so designed a model can satisfy the 273-90 R254 short radius elbow groove device design.In order to ensure the quality of the welding, avoid the defects of the elbow wall thickness and the defects affecting the machining quality. My task is to: design a 273-90 R254 short radius elbow this special pipe fittings for bevel gear. Nowadays, not only pipeline system application is more and more widely, and the size of the pipeline, in such a situation, groove technology is also more and more important, the bevel gear is also more and more advanced. The traditional groove processing method is mainly using flame cutting or gas cutting. However, there is a big disadvantage in this method, which is that the groove face is very rough. In order to solve this problem, after several decades of continuous efforts, China has made great progress in the process of machining by means of mechanical processing. In this design, I adopted mechanical processing, and designed v belt wheel drive, gear transmission, floating tool head and special hydraulic clamping device for my subject.Key words: elbow; Groove; Floating tool head; Bend bevel gear目 录引 言1第一章 概述31.1 课题背景31.2 相关理论31.3 弯头坡口装置的整体结构及工作原理31.4 坡口装置设计的关键4第二章 坡口装置总体设计52.1 273-R254 90短半径弯头坡口装置总体方案设计的依据52.1.1 273-R254 90短半径弯头的尺寸与材料52.1.2 加工刀具62.2 弯头坡口机床总体布局62.2.1 弯头坡口机床布局图62.2.2 确定弯头工件加工余量72.2.3 选择弯头的切削用量72.2.3 弯头切削力的计算82.2.4 弯头切削功率的计算92.2.5 主传动中总传递效率的计算102.2.6 电机的选择与主轴转速计算102.2.7 计算弯头坡口装置的传动装置的总传动比和分配各级传动比112.2.8 计算弯头坡口机的传动装置的运动参数和动力参数11第三章 90弯头坡口装置V带轮设计133.1 V带传动的设计计算133.1.1 确定计算功率Pd与初选带的型号133.1.2 确定弯头坡口装置v带轮的d1、d2、a、Ld133.1.2 验算弯头坡口装置的1、确定V带的Z、F0、Fp143.2 坡口装置带轮结构设计16第四章 90弯头坡口装置齿轮设计174.1 90弯头坡口装置的降速齿轮设计174.2 90弯头坡口装置齿轮环形齿条设计21第五章 90弯头坡口装置轴的设计255.1 轴的设计255.1.1 90弯头坡口装置输入轴设计255.1.2 90弯头坡口装置输出轴设计29第六章 部分设计346.1 浮动刀架设计346.2 夹具设计366.3 轴瓦设计38总 结40致 谢41参考文献42引 言弯头是连接管道的一种管件。如今各行各业都在高速发展，弯头的应用范围已极其广泛，例如天然气管道、工业管道、深海管道等。而弯头坡口形式多种多样，对管道连接质量至关重要。坡口装置存在着无法满足坡口加工的要求甚至破坏坡口等缺点。需研究更有效的坡口装置去提高坡口加工质量，降低成本这样才符合发展需求。外国坡口装置的研究很早就开始了。四十年代，美国就曾利用气刨在板的侧面开圆槽，六十年代初，美国和西德相继研制了单道火焰切割法，八十年代初，发表了J形坡口切割的调研报告。一直以来国外不断地研究，如今国外的坡口装置分类主要有：火焰切割/坡口机、管端坡口机、全自动柔性切管机、爬管式管道切割/坡口机等。国外坡口装置技术成熟、性能稳定、加工效率高和能在像深海这样特殊环境里工作，但制造成本高。我国开始这方面研究晚了国外几十年，所以不管是性能、技术与国外都存在一定的差距。然我国改革开放以来发展迅速，通过对国外先进技术和先进机械进行研究和模仿，并且在模仿的基础上进行创新，坡口装置在一些领域（如海洋技术方面）已取得一定的成就，但是还需进一步发展多元科学技术。目前多数便携式坡口装置主要是体积小、重量轻、易操作、自动进给。弯头是各种管道中均能见到一种重要元件,小到我们生活中的常见的水管的接头，大到天然气管道，运输石油的管道等。至于弯头的作用，不外乎是改变管道原来的方向，目前对弯头的角度没有明确的规定，但最常用的有45、90、180这三个角度。在实际工程中，为了满足实际的需求，会设计所需要的非正常的角度。弯头的材料的选择主要看它承受的工作压力和所运输的物质的性质，一般尺寸较小的弯头材料常选塑料、铸铁，采用螺纹连接，不需要对它进行坡口。尺寸较大的弯头多采用金属材料，才用电焊连接，这样当壁厚较大时，必需对弯头进行坡口，避免因为弯头过厚而焊不透，而且坡口质量保证焊接工艺的质量。弯头按照生产工艺的不同分为：焊接弯头、冲压弯头、铸造弯头等。还存在其他名称：直角弯头、90弯头等。它的成型过程有：首先是选择芯棒，而且这芯棒的直径要大于所制造的弯头的内径，这样才能够有加工余量；第二是选择坯料，坯料的几何尺寸要与所制造的成品弯头的几何尺寸一样；第三是将芯棒进行推制，得到半成品弯头，外径可以大于或者等于成品弯头外径，它们壁厚相同；第四是制作弯头的上、下模，它们尺寸相同；第五是将半成品弯头水平放置，沿垂直于半成品弯头曲率半径方向压制，使其变成端面形状为椭圆形的弯头，而且椭圆形弯头的短轴和成品弯头外径一样。最后将椭圆形弯头放入模里，利用成形模具，进行挤压，起模后得到所需要弯头。第一章 概述1.1 课题背景273-R25490短半径弯头坡口装置的基本组成部分是:由液压夹紧装置、带轮齿轮传动装置、浮动刀头、环形齿条进给装置和电动机等组成。此装置是使用机械传动，以金属切削的形式进行加工。其中，夹紧装置是由两相同的半圆座定位，然后用液压缸压紧。切削装置主要是用浮动刀头进行加工坡口。浮动刀头提供一种能对带有椭圆度的弯头或弯管进行坡口或钝边的车制的坡口机浮动刀头装置。针对现有技术存在的不足,设计新型弯头坡口装置的目的在于提供一种减少能源消耗,提高工作效率的弯头坡口机。1.2 相关理论坡口装置的基本部分是:由夹紧装置、传动装置、切削装置、进给装置和电动机等组成。此装置是使用机械传动，以金属切削的形式进行加工。其中，夹紧装置是由两v型块定位，然后用压板压紧。切削装置主要是用浮动刀头进行加工坡口。浮动刀头提供一种能对带有椭圆度的弯头或弯管进行坡口或钝边的车制的坡口机浮动刀头装置。针对现有技术存在的不足,设计新型弯头坡口装置的目的在于提供一种减少能源消耗,提高工作效率的弯头坡口机。1.3 弯头坡口装置的整体结构及工作原理在我即将273-R25490短半径弯头坡口装置的设计中，我初概念是：弯头坡口装置主要由浮动刀头装置、变速箱、主轴、齿轮齿条、轴承和电动机构等组成。夹紧装置夹紧待加工件；电动机提供动能；变速箱通过齿轮进行变速得到所需转速；用齿轮齿条实现进给运动。具体过程为：定位夹紧进给切削加工退回松开工件完成弯头坡口的加工。1.4 坡口装置设计的关键273-R25490短半径弯头坡口装置的设计的关键是采用机械加工的方式去对弯头进行坡口，参考目前已有的坡口加工装置，去设计一款针对273-R25490短半径弯头进行坡口装置，这装置拥有更高的效率，经济性更好，以及更好的满足坡口的质量要求。第二章 坡口装置总体设计2.1 273-R254 90短半径弯头坡口装置总体方案设计的依据坡口的加工首先要知道坡口有那些种类，根据生产的工艺要求、焊接的要求、待加工工件的厚度等因素，坡口可以分为：K形坡口、V形坡口、U形坡口、单边U形坡口等。我设计的题目是：273-R25490 短半径弯头坡口装置设计，查阅资料，取弯头厚度为：9.27mm参考下表2.1各种形式的坡口尺寸。表2.1各种形式的坡口尺寸坡口形式坡口尺寸弯头壁厚S/mm弯头间隙C/mm弯头钝边P/mm坡口角度（）/V形坡口39241.50.56575926241.50.55565U形坡口20602310.5812复合形坡口2060231.60.4812(5565)由上面关于各种形式坡口的表格，可知：273-R25490 短半径弯头的壁厚9S26，任何外径，弯头坡口的形式：V形坡口；弯头坡口角度范围：5565，针对我的设计取=60；钝边：1.50.5mm；弯头的间隙范围：24，取C=3mm。2.1.1 273-R254 90短半径弯头的尺寸与材料工件：273-R254 90短半径弯头。关于弯头工件的尺寸如下表2.2。表2.2弯头工件的尺寸工件外径D/mmD=273工件曲率半径R/mmR=254工件公称通径DN/mmDN=250查阅关于273-R254 90长半径弯头相关资料得，工件的材料选取:20号钢关于20号钢的性能如下表2.3。表2.320号钢的性能抗拉强度b/MPab410(42)屈服强度s/ MPas245(25)伸长率s/%s25断面收缩率/%55硬度未热处理/HB1562.1.2 加工刀具273-R25490 短半径弯头坡口的加工中，一共需要两把刀具。一把是加工坡口的坡口刀，另一把是加工端面的平口刀。在这次的设计中，弯头的材料选为20号钢，对于20号钢，查询材料性能表，它的含碳量C25%，因此它是属于易切钢（低碳钢），再结合到273-R25490 短半径弯头的加工工艺要求和几何尺寸等因素，刀杆尺寸均选用为16mm25mm的硬质合金刀具，材料：YT5。2.2 弯头坡口机床总体布局2.2.1 弯头坡口机床布局图坡口机床的总体布局如下2-1，273-R25490 短半径弯头工件采用专用夹紧装置。采用半圆定位座来定位，再用液压缸压紧。电机直接连接在小带轮上，小带轮通过V带连接大带轮，以此实现一部分的降速，大带轮连接在输入轴上，通过齿轮传动实现再次降速，得到所需加工速度，同时输出轴的齿轮齿条机构带着输出轴向右移动，完成加工。图2-1弯头坡口床布局图2.2.2 确定弯头工件加工余量根据273-R254 90弯头工件材料选取的是20号钢和弯头坡口的尺寸。故取工件斜坡面余量为6.27mm，端面余量为1mm。在切削加工中，加工余量的确定尤其重要，它不能过大，亦不能过小。如果过大，不仅费时费力，浪费原材料，而且这样还会增加机床加工时的负担，降低机床寿命；如果过小，则有可能不能完全去除工件表面在加工之前就已经存在各种误差和缺陷，导致最终生产出的零件是不能使用的废品，这样会给生产方造成很大的损失。因此加工余量的选择时，一定要综合考虑各种因素，如：工件材料的性能、表面粗糙度Ra、主切削速度vc、背吃刀量ap、进给量f等。这些因素确定之后，通过切削力的计算公式，计算切削力，确定主轴的转速。2.2.3 选择弯头的切削用量切削用量的选择中表面粗糙度、加工余量、加工工艺间的选择如下表2.4。表2.4表面粗糙度、加工余量、加工工艺间的选择表面粗糙度范围Ra/um加工余量范围Z/mm加工工艺Ra=12.525Zdmin，取d1=100mm坡口装置的从动轮基准直径：d2=i带d1=1002.2=220mm由于基准直径是规范的，根据基准直径系的列表，选取与计算值相近的规范值，取d2=225mm。验算带速v=d1n1601000=1001430601000=7.484m/s由于带速：5m/sv120，故90弯头坡口装置的主动轮包角合适。确定V带的根数ZZPca/Pr90弯头坡口装置的单根带传递功率：Pr=（P0+P）KKL上式中：P0基本额定功率，kW；P额定功率增量，kW；K包角系数；KL长度系数。表3.2 所取数据查表4-2P0=1.32kW查表4-3P=0.17kW查表4-5K=0.94查表4-6KL=0.91Pr=P0+PKKL=1.32+0.170.910.94=1.275kWZPcaPr=3.31.275=2.59取z=3根。计算90弯头坡口装置的初拉力F0F0是保证带传动正常工作的重要因素。F0不宜过大过小。过小，摩擦力就小，这样容易发生打滑；过大，轴和轴承受的力就大，将降低轴、V带的寿命。F0=500Pcavz2.5K-1+qv2查得q=0.1kg/mF0=5003.37.48432.50.94-1+0.17.4842=127.56N对于新安装的带轮，初拉力应为上式计算值F0的1.5倍。计算V带作用在输入轴上的压力FpFp=2zF0sin12Fp=23127.56sin155.992=748.62N3.2 坡口装置带轮结构设计带轮的结构与带轮的直径d有关：小带轮：d1=100mm，采用实心式结构。大带轮：d2=225mm，采用孔板式结构。第四章 90弯头坡口装置齿轮设计4.1 90弯头坡口装置的降速齿轮设计此部分与90弯头坡口装置V带轮设计参考同一本著作。90弯头坡口装置为一般工作机，速度不高。表4.1 所选数据汇总齿轮材料齿轮类型处理方式齿面硬度/HBS精度小齿轮40Cr圆柱直齿轮调质处理2808级精度大齿轮45钢圆柱直齿轮调质处理240根据上表大、小齿轮的齿面硬度，可求，大小轮齿面硬度差：HB=280-240=40HBS90弯头坡口装置的大、小齿轮的硬度差在2550HBS的范围内，两齿轮材料选择合理。初选齿数：z1=23，z2=i齿z1=423=92。齿面接触疲劳强度设计d132KT1d（ZEZHZH）21初选90弯头坡口装置的载荷系数：Kt=1.390弯头坡口装置小齿轮传递扭矩T1：T1=9550P1n1=95502.85650=41.87Nm=4.187104Nmm表4.1 所选数据项目依据查寻结果齿宽系数d查表5.9d=1 弹性系数ZE大、小齿轮接触疲劳极限Hlim1、Hlim2查表5.11ZE=189.8MPa查图5.28（c）Hlim1=650MPa查图5.28（c）Hlim2=580MPa应力循环次数NL：NL1=60n1tn=6016502830015=2.808109NL2=NL1=2.8081094=7.02108接触寿命系数ZN1，ZN2查图5.29，得ZN1=0.92，ZN2=1.05计算90弯头坡口装置许用接触应力H1，H2取90弯头坡口装置齿轮的失效率为1%。查表5.10，最小安全系数SHmin=1，将已知数据代入下式得许用接触应力。H1=Hlim1ZN1SHmin=6500.921=598MPaH2=Hlim2ZN2SHmin=5801.051=609 MPa计算90弯头坡口装置的端面重合度=1.88-3.2(1z1+1 z2)cos=1.88-3.2123+192cos0=1.71计算90弯头坡口装置的重合度系数ZZ=4-3=4-1.713=0.87设计计算试算273-R254 90弯头坡口装置的小齿轮d1t：H=H1=598MPa，ZH=2.5d1t321.34.1871041189.82.50.8759824+14=40.18mm计算圆周速度v：v=d1tn1601000=40.18650601000=1.38m/s按表5.7，273-R254 90弯头坡口装置的圆周速度v：v6m/s，所以圆周速度v合格。计算载荷系数K表4.3 所选数据项目依据查寻结果使用系数KA查表5.8KA=1动载荷系数KV根据v=1.38，查图5.9KV=1.08齿间载荷分配系数K假设为单齿对啮合K=1齿向载荷分布系数K查图5.10曲线2K=1.08载荷系数K：K=KAKVKK=11.0811.08=1.17校90弯头坡口装置正分度圆直径d1：d1=d1t3KKt=40.1831.171.3=39.04mm主要尺寸计算模数：m=d1z1=39.0423=1.7，按标准取，m=3。表4.4齿轮参数计算项目公式计算结果小齿轮分度圆d1d1=mz1d1=69mm大齿轮分度圆d2d2=mz2d2=276mm中心距aa=(mz1+mz2)2=(d1+d2)2a=172.5mm齿顶高haha=mha=3mm齿根高hfhf=1.25mhf=3.75mm齿宽bb=1d1b=69mm校核90弯头坡口装置的齿根弯曲疲劳强度F=2KT1dm3z12YFaYSaYF表4.5 所选数据项目依据查寻结果大、小齿轮弯曲疲劳极限Flim1、Flim2查图5.26（c）Flim1=500MPa查图5.26（c）Flim2=380MPa弯曲寿命系数YN1、YN2查图5.24YN1=0.90查图5.24YN2=0.92尺寸系数YX查图5.25YX=1计算90弯头坡口装置的许用弯曲应力F1，F2取90弯头坡口装置齿轮的失效率为1%。查表5.10，SFmin=1.25，将已知数据代入下式得许用弯曲应力。F1=Flim1YN1YXSFmin=5000.9011.25=360MPaF2=Flim2YN2YXSFmin=3800.9211.25=279.68MPa90弯头坡口装置的弯曲疲劳强度的设计m32KT1dz12FYFaYSaY=321.174.1871041232279.682.771.570.69=1.26取，m=3重合度系数Y：Y=0.25+0.75=0.25+0.751.71=0.69表4.6 所选数据项目依据查寻结果齿形系数YFa1、YFa2查图5.22YFa1=2.77查图5.22YFa2=2.25应力修正系数YSa1，YSa2查图5.23YSa1=1.57查图5.23YSa2=1.78校核计算F=2KT1dm3z12YFaYSaYF1=21.174.1871041332322.771.570.69=20.58MPaF1F2=F1YFa2YSa2YFa1YSa1=20.582.771.782.251.57=28.73MPaF2综上弯曲强度满足要求。90弯头坡口装置静强度校核由于90弯头坡口装置传动平稳，无严重过载，故不需静强度校核。4.2 90弯头坡口装置齿轮环形齿条设计齿轮参数的选择此过程的设计比较特殊，参考齿轮齿条的设计。273-R254 90弯头坡口装置的轴向移动装置的主动齿轮的模数：m=2；压力角：=20.273-R254 90弯头坡口装置的轴向移动装置设计中主动齿轮齿数取：z1=35，主动轮转数取n=10r/min，齿轮传递扭矩T=500Nm。表4.7 所选数据汇总齿轮材料齿轮类型处理方式齿面硬度/HRC精度坡口装置主动齿轮40Cr圆柱直齿轮表面淬火548级精度坡口装置环形齿条45钢圆柱直齿条表面淬火46面接触疲劳强度设计表4.8 所选数据项目依据查寻结果齿宽系数d查表5.9d=0.5弹性系数ZE查表5.11ZE=189.8MPa大、小齿轮接触疲劳极限Hlim1、Hlim2查图5.28（d）Hlim1=1120MPa查图5.28（d）Hlim2=1200MPa应力循环次数：NL1=60n1tn=601102830015=4.32107NL2=NL1=4.321071=4.32107接触寿命系数ZN1，ZN2查图5.29，得ZN1=1.45，ZN2=1.45计算90弯头坡口机轴向移动装置的许用接触应力H1，H2取90弯头坡口装置轴向移动装置中齿轮的失效率为1%。查表5.10，最小安全系数SHmin=1，将已知数据代入下式得许用接触应力。H1=Hlim1ZN1SHmin=11201.451=1624MPaH2=Hlim2ZN2SHmin=12001.451=1740 MPa计算端面重合度=1.88-3.2(1z1+1 z2)cos=1.88-3.2135+135cos0=1.7计算重合度系数ZZ=4-3=4-1.73=0.88计算面接触疲劳强度H=ZEZHZ2KT1bd121节点区域系数取ZH=2.5，得H=189.82.50.8821.250000035702（1+1）1=1562.04MPaH面接触疲劳强度满足要求。齿根弯曲疲劳强度设计F=2KT1dm3z12YFaYSaYF表4.9 所选数据项目依据查寻结果大、小齿轮弯曲疲劳极限Flim1、Flim2查图5.26（d）Flim1=740MPa查图5.26（d）Flim2=700MPa弯曲寿命系数YN1、YN2查图5.24YN1=0.99查图5.24YN2=0.99尺寸系数YX查图5.25YX=1计算坡口装置轴向移动装置的许用弯曲应力F1，F2取90弯头坡口装置轴向移动装置中齿轮的失效率为1%。查表5.10，SFmin=1.25，将已知数据代入下式得许用弯曲应力。F1=Flim1YN1YXSFmin=7400.9911.25=586.08MPaF2=Flim2YN2YXSFmin=7000.9911.25=554.4MPa90弯头坡口装置轴向移动装置的弯曲疲劳强度的设计重合度系数YY=0.25+0.75=0.25+0.751.752=0.69表4.10 所选数据项目依据查寻结果齿形系数YFa1、YFa2应力修正系数YSa1，YSa2查图5.22YFa1=2.31查图5.22查图5.23YFa2=2.25YSa1=1.75查图5.23YSa2=1.78校核计算F=2KT1dm3z12YFaYSaYF1=21.25000001233522.311.750.69=341.55MPaF1F2=F1YFa2YSa2YFa1YSa1=341.552.311.782.251.75=356.67MPaF2弯曲强度满足要求。齿轮齿条尺寸计算模数：m=2，主动齿轮齿数取z1=50，传动比为1。表4.11 所选数据项目公式计算结果主动齿轮分度圆d1d1=mz1d1=70mm齿条分度圆d2d2=+d2=+mm中心距aa=d12a=35mm齿顶高haha=mha=2mm齿根高hfhf=1.25mhf=2.5mm齿宽bb=1d1b=70mm第五章 90弯头坡口装置轴的设计5.1 轴的设计5.1.1 90弯头坡口装置输入轴设计轴的设计这部分参考冯景华、李珊、李文春主编的现代机械设计理论与方法的研究。估计轴的基本直径90弯头坡口装置输入轴的材料： 45号钢；热处理方式为：正火处理；设计之前，估计输入轴直径d：d100mm。查表7.2，得b=600MPa。查表7.4，取与轴类材料有关的系数C=118dC3Pn=11832.85650=19.31mm求取值d应为273-R254 90弯头坡口装置中输入轴受扭矩部分中最细的一部分，此处有一个键槽，用以安装V带轮，因此此处轴的值径应增加3%5%，取4%，即d=1.0419.31=20.1mm初定各轴段直径。表5.1 所确定数据位置（右左）轴径/ mm说明安装V带轮处25按估算值所取轴承端盖处30由表7.3，轴肩高度a=0.070.1d=1.752.5右轴承处35因轴受轴向力和径向力，故选用角接触轴承，7007C。齿轮处38考虑安装方便，轴径应该大于轴承处轴径齿轮轴肩处45由表7.3，轴肩高度a=0.070.1d=2.663.8左轴承轴肩处40为了便于拆卸，轴肩不易过大左轴承处35与右端轴承相同确定各轴段长。表5.2 所确定数据位置（右左）轴段长度/ mm说明安装V带轮处46由V带轮宽决定轴承端盖处45由轴承端盖结构设计和与V带轮间距组成右轴承处40由轴承宽度和套筒组成齿轮处121综合总会考虑齿轮轴向移动距离所确定定位齿轮轴肩处25轴肩宽度计算公式：b=1.4a，取b=25mm定位左轴承轴肩处106由满足轴向运动和整体装配时与箱体壁间距确定左轴承处13为轴承宽度全轴长39646+45+40+121+25+106+14=396 mm轴的受力分析已知：273-R254 90弯头坡口装置齿轮的分度圆直径d1：d1=69mm；坡口装置V带轮对轴产生的压力的大小：Q=748.62N。轴传递的扭矩T=9550P1n1=95502.85650=41.87Nm=4.187104Nmm齿轮上的圆周力Ft=2Td=24.17810469=1214N齿轮上的径向力Fr=Fttan=1214tan20=442N齿轮上的轴向力Fa=0N查机械设计手册得7007C轴承的a=13.5mm。左轴承至齿轮的距离14-13.5+102+30+60.5=193mm右轴承至齿轮的距离60.5+45-13.5=92mmV带轮至右轴承距离13.5+41+24=78.5mm轴空间受力图如下。图5-1 轴空间受力图水平面受力图及弯矩MH图。FAH=Q78.5-Fr92193+92=748.6278.5-44292285=63.5NFBH=Q363.5+Fr193193+92=748.62363.5+442193285=1254.1NMCHL=FAH193=12255.5NmmMCHR=MCHL+Fad2=12255.5NmmMBH=Q78.5=748.6278.5=58766.7Nmm图5-2 水平面受力图及弯矩MH图垂直面受力图及弯矩MV图。FAV=FBV=Ft2=12142=607NMCV=FAV193=607193=117151Nmm图5-3 垂直面受力图及弯矩MV图合成弯矩M图。MCL=MCHL2+MCV2=12255.52+1171512=117790NmmMCR=MCHR2+MCV2=12255.52+1171512=117790NmmMB=MBH2+MBV2=58766.72+02=58766.7Nmm图5-4 合成弯矩M图作转矩T图。T=4.187104Nmm按弯矩图校核轴强度。图5-5 作转矩T图从273-R254 90弯头坡口装置的输入轴的弯矩图可知，输入轴的危险截面在受力点截面的左面。对273-R254 90弯头坡口装置输入轴是根据弯扭合成强度进行校核计算：273-R254 90弯头坡口装置的输入轴是单向传动的转轴，对输入轴转矩的处理方法是：脉动循环处理，因为这样，输入轴的折合系数：=0.6，则输入轴当量应力为: ca=MCR2+(T)2W=1177902+(0.641870)20.1353=28.12MPa查材料性能表知：45号钢调经过质处理后，该材料的抗拉强度极限=650MPa,则，273-R254 90弯头坡口装置输入轴的许用弯曲应力-1W=55MPa。ca=28.12MPa-1W由上不等式得273-R254 90弯头坡口装置输入轴的强度满足要求。5.1.2 90弯头坡口装置输出轴设计90弯头坡口装置输出轴的设计这部分参考冯景华、李珊、李文春主编的现代机械设计理论与方法的研究。估计轴的基本直径输出轴的材料： 45钢，热处理为正火处理，估计直径dC3Pn=11832.71162.5=30.15mm这式子计算出来的d值应为整个输出轴受扭矩部分的最细处，此处是花键轴，上面安装花键套，最小轴径应相应的增大，取10%，即d=1.1030.16=33.18mm轴的结构设计初定各轴段直径。表5.3 所确定数据位置（左右）轴径/ mm说明安装刀盘处40此处轴径要比支撑套筒的轴承的轴径小，以此定位刀盘支撑套筒左轴承处50此处是支撑套筒的左轴承，轴承是标准件，选用7010C支撑套筒轴承轴肩58考虑此处的作用是定位轴承，故d1d安装套筒右轴承处50此处安装支撑套筒的右轴承，选用深沟球轴承7010C齿轮处47齿轮结构所确定安装圆螺母处45由齿轮轴径和圆螺母结构所确定花键轴处36按估算值所取，此处选用花键轴83640确定各轴段长。表5.4 所确定数据位置（左右）轴段长度/ mm说明安装刀盘处45由刀盘结构决定支撑套筒左轴承处55由轴承和端盖以及端盖距离刀盘的距离所确定支撑套筒轴承轴肩处155由套筒上的齿轮齿条机构的结构和移动距离确定安装套筒右轴承处29由轴承的宽度和定位齿轮的套筒的长度所确定齿轮处67由齿轮宽度69mm和定位元件确定安装圆螺母处20齿轮右端面与箱体右内侧面的距离确定花键轴处73满足轴轴向右移动极限距离50mm全轴长44445+55+155+29+67+20+73=444 mm轴的受力分析已知：齿轮的分度圆直径d2=276mm，刀盘对轴的压力Q=451.46N。轴传递的扭矩T2=9550P2n2=95502.71162.5=159.26Nm=1.5926105Nmm齿轮上的圆周力Ft=2Td2=21.5926105276=1154N齿轮上的径向力Fr=Fttan=1154tan20=420N齿轮上的轴向力Fa=0N在机械设计手册查得7012C轴承的a=19.4mm。左箱体中心至齿轮中心的距离：10+155+29+692=228.5mm右轴承至齿轮中心的距离：692+15=49.5mm刀盘至左箱体中心距离：45-15+30+10=70mm轴空间受力图如下。图5-6 轴空间受力图水平面受力图及弯矩MH图。FAH=Q70-Fr228.5228.5+49.5=451.4670-420228.5278=-631.6NFBH=Q348+Fr49.5228.5+49.5=451.46348+42049.5278=640NMCHL=FAH49.5=-31264.2NmmMCHR=MCHL+Fad2=-31264.2NmmMBH=Q70=451.4670=31602.2Nmm图5-7 水平面受力图及弯矩MH图垂直面受力图及弯矩MV图。FAV=Ft228.5278=1154228.5278=948.5NFBV=Ft-FAV=1154-948.5=205.5NMCV=FAV49.5=948.549.5=46950Nmm图5-8 垂直面受力图及弯矩MV图合成弯矩M图。MCL=MCHL2+MCV2=（-31264.2）2+469502=56407NmmMCR=MCHR2+MCV2=（-31264.2）2+469502=56407NmmMB=MBH2+MBV2=31602.22+02=31602.2Nmm图5-9 合成弯矩M图作转矩T图。T=1.5926105Nmm按弯矩图校核轴强度。图5-9 合成弯矩M图从273-R254 90弯头坡口装置的输出轴的弯矩图可知，输出轴的危险截面在受力点截面的右面。对273-R254 90弯头坡口装置输出轴是根据弯扭合成强度进行校核计算：273-R254 90弯头坡口装置的输出轴是单向传动的转轴，对输出轴转矩的处理方法是：脉动循环处理，因为这样，输出轴的折合系数：=0.6，则输出轴当量应力为: ca=MCR2+(T)2W=564072+(0.61.5926105)20.1473=10.69MPa查材料性能表知：45号钢调经过质处理后，该材料的抗拉强度极限=650MPa,则，273-R254 90弯头坡口装置输出轴的许用弯曲应力-1W=55MPa。ca=10.69MPa-1W由上不等式得273-R254 90弯头坡口装置输出轴的强度满足要求。第六章 部分设计6.1 浮动刀架设计浮动刀架设计此部分参考陈少忠的专利文献：坡口机浮动刀头装置坡口的加工中，待加工零件弯头的端口形状可能不是圆的，如椭圆、不规则形状和缺陷等，这时，如果用一般的固定刀头去加工，可能达不到所需要求，针对这些问题，需要设计一套专用的加工装置浮动刀头。浮动刀头的主要功能是解决弯头坡口加工时，由于弯头圆度误差和缺陷引起的坡口加工误差，即坡口的质量的问题。此装置主要由挤紧轮、坡口刀、刀架、弹簧、轴、交角触球轴承等组成。弯头零件坡口加工时，挤紧轮紧贴弯头内壁，内壁给挤紧轮一个力，通过交角触球轴承和轴作用在浮块上，浮块通过克服弹簧力上下运动，实现径向调节，以此确保坡口的精度。在刀盘上与浮动刀头成九十度出安装有一把加工弯头端面的平口刀具，以此保证弯头端面的精度，从而提高无缝焊接的能力。弹簧的设计此部分参考冯景华、李珊、李文春主编的现代机械设计理论与方法的研究考虑结构的需要，弹簧是圆柱螺旋压缩弹簧。弹簧的材料选择：碳素弹簧钢65钢B级，螺旋方向是右旋。弹簧的主要几何参数的计算：弹簧初选直径d=3mm,查表11-3，取螺旋比C值为6。表6.1计算弹簧数据参数名称公式计算结果弹簧中径DD=CdD=18mm弹簧内径D1D1=D-dD1=15mm弹簧外径D2D2=D+dD2=21mm弹簧节距pp=(0.280.5)Dp=6mm弹簧螺的旋升角=arctanpD6弹簧钢丝内侧的最大应力及强度条件可以表达为=K8F0D2d式中：K曲度系数。K4C-14C-4+0.615C=46-146-4+0.6154=1.2525弹簧能承受的最大压力FmaxFmaxd28KC查表11-2许用弯曲应力b=1667MPa,许用扭转切应力=0.4b=667MPa。Fmax6673281.25256=314N压缩弹簧长细比b=H0D，自由高度：两端并紧磨平：H0pn+(1.52)d上式中，n弹簧圈数。当两端自由转动时b2.6H0D2.6H0pn+1.52d=6n+(4.56)取n=8浮动刀架结构设计（如下图6-1）图6-1 浮动刀架6.2 夹具设计本部分参考现代机床夹具设计。夹具设计分为两种，一种是通用夹具的设计，另一种是专用夹具的设计。本次夹具设计是专用夹具设计。夹具设计首先选择正确的定位元件，以保证正确的定位精度，本设计加工的零件是：273-R25490短半径弯头，需要确保的是它的轴线位置不动。由于弯头是结构比较特别的管件，外形是成90的管道，为了提高加工精度，以外圆柱面定位为定位面，零件直径较大，可以采用半圆定位座。夹紧元件设计夹紧是为了坡口加工时，弯头能保持它原有位置不动，在本设计的坡口加工过程中，压紧元件选取的是液压压紧，因为液压结构紧凑、效率高、操作方便等，故采用液压夹紧。液压缸设计在坡口加工中，夹紧力的作用主要是防止管件的切削力矩Mp的作用下发生转动和在轴向切削力Fc的作用下发生轴向移动。主切削力：FC=9.812701.31.00.20.75140-0.150.92=451.46背向力：Fp=9.811991.30.90.20.6140-0.30.62=132.51N273-R25490短半径弯头的最大切削力Mp：Mp=Fcd2=451.462732=61.6Nm式中：d弯头直径。根据静力平衡条件，计算273-R25490短半径弯头的理论夹紧力F：F=12(Fc)2+(Fp)2=12(451.46)2+(132.51)2=235.3N本设计加工中，阻止弯头转动和移动的夹紧力F所产生的摩擦力为Ff，根据静力平衡条件，再乘以安全系数K，可以计算所需的最大夹紧力Fmax：Fmax=FKf式中，K安全系数，取K=1.5；f指支撑面与弯头表面的摩擦系数，支撑面为光滑表面，但考虑到零件是弯头，这时取f=0.5Fmax=235.31.50.5=705.9N根据夹具尺寸和夹紧力选择液压缸参数。表6.2选择液压缸数据缸筒内径（mm）活塞杆外径（mm）行程（mm）工作压力（MPa）缸筒壁厚（mm）1803525041013.5液压缸压力计算：Pmax=FmaxA式中，A液压缸面积；Pmax=4705.9102=8.99MPa最大压力在工作压力内，上所选参数合理。夹紧装置结构设计（如下图6-2）图6-2 液压缸夹紧装置6.3 轴瓦设计在本设计中，实现刀具的轴向移动时至移动输出轴和输出轴上的元件，右侧是利用花键、花键套配合，左侧需要即能起支撑作用，又不影响轴向移动的元件，经过多方考虑，最终选择了轴瓦。轴瓦计算轴瓦材料选用青铜（ZCuSn10P1）的整体式轴瓦，许用负荷p=15MPa，许用圆周速度v=10m/s，最高工作温度170度，轴径最低硬度90HBS,pv=1520MPam/s。（铜耗大）基本参数设计已知：直径d=103mm，D=125mm，宽度B=45mm，径向间隙BD=45125=0.36材料要求：平均压强p：限制轴瓦压强p非常重要，保证润滑油脂不被过大的压力挤出，使工作面与