沈陽理工大學學士學位論文 1 前 言 科學技術是第一生產力?！毙碌臅r代面臨著新的挑戰(zhàn)，面對著經(jīng)濟飛速增長和競爭日趨激烈的社會環(huán)境，新的技術的開發(fā)與應用已經(jīng)成為當代企業(yè)興衰成敗的關鍵，掌握新技術是企業(yè)生存的根本，不懂得新的技術以及尖端的科技則會被社會革新的大潮所淹沒?！奥浜缶鸵ご?。”是血的教訓，所以面對著競爭激烈的社會環(huán)境，我們就要不斷的汲取新的理論知識，積累實踐經(jīng)驗進而掌握新的技術，開拓新的產品。這樣才能使企業(yè)在經(jīng)濟的大潮中撐起有力的風帆而立于不敗之地。 本課題是沈陽理工大學機電設備開發(fā)公司應印度尼西亞一家加工鋼管的公司的要求而設計 的。該公司用加工后的不同管徑的鋼管可以連接成為電線桿、路燈桿、旗桿等產品。 經(jīng)過我院機電公司人員精心設計已經(jīng)在 1995 年制出兩臺成品運往印度尼西亞，并派工程技術人員隨往調試。 根據(jù)介紹，已運出口的兩臺機器已經(jīng)正常運轉，當然，原產品中還存在著許多等待改進的地方。 本產品 縮徑機雖然在某些方面有著不可比擬的優(yōu)點，但是它還是存在一定的缺陷，為了更好的完善該設備的功能和提高它的銷售量，以適應市場需求和新技術的步伐，新的技術更新是完全必要的。 沈陽理工大學學士學位論文 2 1 SJ166 型縮徑機的基本參數(shù) 系統(tǒng) 的公稱壓力： P=120T 推模缸的公稱壓力： P=32MPa 夾緊缸的公稱壓力： P=410mm 推模滑塊行程： S=200mm 推模缸最大凈空矩： H=700mm 夾緊缸最大凈空距： H=150mm 工作臺尺寸： 左右： B=3400mm 前后： B=1500mm 推模缸滑快速度： 空程： 50mm/s 工作： 6mm/s 回程： 40mm/s 夾緊缸滑快速度： 空程： 60mm/s 回程： 40mm/s SJ166 型縮徑機與其他鍛壓設備相比較的優(yōu)缺點： 優(yōu)點： 1. 執(zhí)行元件（缸及柱塞或活塞）結構簡單容易實現(xiàn)很大的工作壓力，較大的工作空間和較長的工作行程，適應性強； 2可以在轉換點長時間保壓； 3. 可用簡單的辦法（各種閥）在一個工作循環(huán)中調壓或者限壓不易超載，容易保護各種模具； 4滑塊的總行程可以在一定的范圍內任意無極的改變，滑塊行程的下轉換點可以根據(jù)壓力 或者行程來控制或者改變； 5. 滑塊的速度可以在一定范圍內任意地相當大的程度上進行調節(jié)，調節(jié)的速度與壓力及行程無關。 缺點： 1. 用泵直接傳動時，安裝功率比相應的機械壓力較大； 沈陽理工大學學士學位論文 3 2. 由于工作缸內升壓或者降壓都需要一定的時間，而且空程速度不夠高，在快速方面不如機械壓力機； 3. 由于液體有可壓縮性，在快速卸載時，可能引起機器本題或者液壓系統(tǒng)的振動； 4. 工作介質有一定的壽命，需要定期更換； 5液體 易于泄漏。 沈陽理工大學學士學位論文 4 2 縮徑機的研制及機理分析 2.1 概述 本縮徑機是鋼管生產行業(yè)對鋼管進行二次加工的重要設備，它是用來把鋼管端部結構縮成所需要的尺寸形狀的一種設備，這是目前國內外比較流行的鋼管變徑方法之一，也是根據(jù)國外客商的要求研制成的首臺縮徑加工設備，它的工作原理是鋼管在外力作用下，按照模具形狀進行塑性變形，設備結構簡單，工作可靠操作方便，能實現(xiàn)自動，手動運行，是目前較流行的鋼管縮徑設備，它有以下三大特點： 1. 該設備的夾緊和推模采用液壓執(zhí)行，其推力 大，工作可靠平穩(wěn)，通過電氣控制可實現(xiàn)：夾緊 快進 工進 （保壓） 拔模 快退 松開 卸荷等全過程動作，動作效率高，產品質量好。 2. 系統(tǒng)操作分手動和自動兩種狀態(tài)，自動狀態(tài)下手動可以干涉控制，隨時修正工作過程的每個動作，保證產品質量好。 3. 設備的快進，工進和退回速度可根據(jù)管徑和實際需要有較大的調整范圍，能滿足鋼管直徑 90 166 的縮徑要求。 2.2 設備的組成及主要技術指標特征 SJ166 縮徑機由主機、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)三大部分組成，主機由床座、夾具體、立柱、夾緊缸、模具、模座、 推模缸等組成，結構如圖 2-1 所示。 2.3 鋼管縮徑成形機理 鋼管縮徑成形新工藝是屬于塑性成形領域的前沿課題，這個形成過程比較復雜，各種經(jīng)驗公式比較多，這里采用了主應力法來分析研究縮徑機中鋼管縮徑成型過程及計算縮徑成型力的公式。 在薄壁管縮徑成型過程中，薄壁管任意截面的壁厚與直徑相比很小，沿壁厚的應力變化可以忽略不計，忽略鋼管的彈性形變一般不會造成太大的計算誤差，可以認為當管端達到模具出口時，縮徑已經(jīng)由非穩(wěn)太轉變?yōu)榉€(wěn)太，薄壁管中徑由 D1=2R2 減少到D2=2R2。 在任意半徑 r 處，作用在 模具內部微元體上的應力狀態(tài)如圖 2.2 所示，其中 q為軸向應力，即此力平行于模具表面， 0 為周向應力， P 為模具與管子接觸面上的法沈陽理工大學學士學位論文 5 向應力，對應的摩擦力為 = P，為摩擦系數(shù)，忽略其他因素對縮徑成型過程的影響，鋼管初始進入模具時對模具產生軸向應力為： m a x 1 0 1 11 1 / / 4 1q m Y B R R T t R （ 2.1） 于是加工過程中所需要的縮徑成型力 F： 1 1 m axF D t q（ 2.2） 其中： m 可調整的常數(shù) ，由最小二乘法確定； Y 理想鋼塑性材料的屈服應力； 圖 2.1 SJ166 縮徑機 由上述（ 2.1）（ 2.2）兩公式可以看出，在相同條件下，縮徑形成力隨著摩擦系數(shù)和鋼管壁厚的增加而增大。 由于在計算過程中，認為模具出口端鋼管進入僅做無摩擦剛性移動，而實際中由于存在彈性恢復現(xiàn)象，模具對鋼管要產生摩擦和彎曲作用，因此，實際所需推模要在理論的基礎上增加 10% 15%。 沈陽理工大學學士學位論文 6 2.4 推?？s徑成型過程中造成的鋼管缺陷分析 鋼管在縮徑變形過程中，金屬在三向應力的作用下而變形，由于各種因數(shù)，壁 管很薄，縮徑率超過一定值時，縮徑鋼管就會由于失去穩(wěn)定性而產生局部的或者沿鋼管全長的管壁內陷，如圖 2.3 所示。根據(jù)實驗，當模具錐角 =10 15 時，為了防止鋼管失穩(wěn)，縮徑時減輕 D 應該小于壁厚 t 的 b 倍，即 D bt。 圖 2.2 模具內部微元體上的應力狀況 縮徑時鋼管失穩(wěn)發(fā)生在鋼管和模壁開始接觸的可能性最大，因而相對于變形區(qū)的其他部分，該處鋼管的 t/D 值較小而模壁 作用在鋼管上的徑向力最大。 2.5 產品開發(fā)應用性 由 縮徑機加工出來的鋼管能滿足不同尺寸要求，其管端不僅外形美觀，而且表面光潔度高。相對過去鋼管二次加工的方法，縮徑機還可以節(jié)約材料，使用安裝方便，基于其各項優(yōu)越性，這種產品在國外已經(jīng)得到廣泛的應用。 經(jīng)過縮徑機根據(jù)所需的尺寸加工出來的縮徑管主要用于燈柱、旗桿、標志桿等。就沈陽理工大學學士學位論文 7 照明燈柱而言，世界上照明燈柱經(jīng)歷了木桿、鋼筋混凝土桿和金屬桿三種階段。 在我國，目前大部分電桿仍采用水泥的材質，這種電桿外形不美觀，笨重不宜裝卸，且運輸不便，如今越來越多的大型廣場需要高桿 的燈柱來保證充分的照明，水泥柱就很難滿足這種要求，這樣就體現(xiàn)了金屬桿方便、美觀等優(yōu)勢。隨之鋼管縮徑機即可以發(fā)揮起鋼管需要整形的功效。 用多節(jié)管徑不同的鋼管依次頭尾對接而制成的燈柱、旗桿、標志桿等，不但外形美觀而且運輸方便。因此，為適應我國現(xiàn)代化城市建設需要，無論在我國還是在國外，鋼管生產行業(yè)都將有很大的推廣價值，它也是為我國鋼管生產行業(yè)獨自開發(fā)新產品，進而趕超世界先進水平做貢獻。 沈陽理工大學學士學位論文 8 3 液壓系統(tǒng)及結構設計 3.1 系統(tǒng)液壓的回路設計 該液壓回路是為了有 效地控制夾緊缸，推模缸、的工作，其具體結構如下圖所示： 圖 3.1 液壓系統(tǒng)原理圖 上圖中各液壓元件的名稱如下： 表 3.1 液壓系統(tǒng)個元件名稱 1油箱 2液體溫度計 3過濾器 4電動機 5液壓泵 6壓力表 7單向閥 8電磁換向閥 9液控單向閥 10.夾緊缸 11壓力繼電器 12.行程開關 13.推模缸 14行程閥 15.調速閥 16.電磁換向閥 17.截止閥 18.粗過濾器 沈陽理工大學學士學位論文 9 3.2 液壓系統(tǒng)回路對工序中各動作的控制 按照課題要求，縮徑機加工鋼管應該先后實現(xiàn)的動作：（上料） 夾緊快進工進拔模松開 表 3.2 液壓系統(tǒng)時序動作表 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 工作壓力（ MPa） 夾緊 + - - - - 32 快進 - - + - - 32 工進 - - + - + 32 拔模 - - - + + 32 快退 - - - + - 32 松開 - + - - - 該液壓系統(tǒng)的工作原理： 1 夾緊： 進油路：液壓泵 5單向閥 7電磁換向閥 8（左位）液控單向閥 9加緊缸10（上腔） 回油路：加緊缸 10（下腔）液控單向閥 9電磁換向閥 8（左位）截止 閥17粗過濾器 18油箱 1 2 快進： 進油路：液壓泵 5單向閥 7電磁換向閥 16（左位）行程閥 14（左位）推模缸 13（右腔） 回油路：推模缸 13（左腔）電磁換向閥 16（左位）截止閥 17粗過濾器18油箱 1 3 工進： 進油路： 液壓泵 5單向閥 7電磁換向閥 16（左位）節(jié)流閥 15推模缸 13（右腔） 回油路：推模缸 13（左腔）電磁換向閥 16（左位）截止閥 17粗過濾器18油箱 1 沈陽理工大學學士學位論文 10 4 拔模： 進油路：液壓泵 5單向閥 7電磁換向閥 16（右位）推模缸 13（左腔） 回油路：推模缸 13（右腔）節(jié)流閥 15電磁換向閥 16（右位）截止閥 17粗過濾器 18油箱 1 5 快退： 進油路：液壓泵 5單向閥 7電磁換向閥 16（右位）推模缸 13（左腔） 回油路：推模缸 13（右腔）行程閥 14（左位）電磁換向閥 16（右位）截止閥 17粗過濾器 18油箱 1 6.松開： 進油路：液壓泵 5單向閥 7電磁換向閥 8（右位）液控單向閥 9加緊缸10（下腔） 回油路：加緊缸 10（上腔）液控單向閥 9電磁換向閥 8（右位）截止閥17粗過濾器 18油箱 1 沈陽理工大學學士學位論文 11 4 電氣控制系統(tǒng)設計 4.1 可編程序控制器概述及其發(fā)展趨勢 可編程序控制器（ Programmable Logic Controller）是以微處理器為核心，綜合了電子技術、自動化技術、網(wǎng)絡通訊技術于一體的通用工業(yè)控制裝置。英文縮寫為 PC或者 PLC。它具有體積小、功能強、程序簡單、靈活通用、維護方便等一系列的優(yōu)點，特別是它的高可靠性和較強的適應惡劣的工業(yè)環(huán)境的能力，更是得到用戶的好評。 由于控制對象的復雜性使用環(huán)境的特殊性和運行工作的連續(xù)長期性，使得 PLC在設計、結構上具有許多其他控制器無法比擬的特點： 1 可靠性高，抗干擾能力強 2 通用性強 ，使用方便 3 程序設計簡單，易學易懂 4 采用先進的模塊化結構，系統(tǒng)組合靈活方便 5 系統(tǒng)設計周期短 6 安裝方便，調試方便，維護工作量小 7 對生產工藝改變適應性強，可以進行柔性生產 PLC的發(fā)展趨勢： 1 向高速、大存儲容量方向發(fā)展 2 向多品種方向發(fā)展 4.2 PLC 控制系統(tǒng)的設計與開發(fā) 4.2.1 工藝流程圖與動作順序表的設計 如圖 5.1所示，圖中 1SP為行程閥， 2ST 4ST為限位開關， SB1 為啟動按扭， 1YA4YA為電磁閥， KT為延時繼電器， KP為壓力繼電器。 沈陽理工大學學士學位論文 12 圖 4.1 工藝流程圖 表 4.1 PLC 控制系統(tǒng)動 作順序表 步序 輸入條件 輸出 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 原位 4ST - - - - - 夾緊 4ST SB1 + - - - - 快進 KP - - + + - 工進 1SP - - + - - 保壓 2ST - - - - - 拔模 2ST KT - - - + - 快退 1SP - - - + + 松開 3ST - + - - - 4.2.2 現(xiàn)場器件與控制系統(tǒng)內部等效繼電器地址編號對照表 根據(jù)動作順序表選定與各開關、電磁閥等現(xiàn)場器件對應的 PLC內部等效繼電 器地址編號，對照表如下所示： 沈陽理工大學學士學位論文 13 表 4.2 現(xiàn)場器件與 PLC 內部地址編號對照表 現(xiàn)場器件 等效繼電器地址號 說明 輸 入 SB1 00001 啟動按扭 KP1 00002 夾緊到位 2ST 00003 工進到位 3ST 00004 快退到位 4ST 00005 夾緊缸原位 SB2 00006 停止到位 S5 00007 位置傳感器 輸 出 1YA 01001 夾緊 3YA 01002 工進 4YA 01003 拔模 2YA 01004 松開 上料裝 置 01005 上料 5YA 01006 快進或快退 4.2.3 現(xiàn)場器件與 PLC 的連接圖 圖 4.2 PLC 控制系統(tǒng)與現(xiàn)場器件的連接圖 沈陽理工大學學士學位論文 14 表 4.3 PLC 控制系統(tǒng)梯形圖 4.2.4 PLC 梯形圖 滿足所要求工藝流程的梯形圖如 5.3 所示。其具體控制過程如下： 1 按下啟動按扭 SB1，輸入繼電器常開觸點 00001 閉合，輸入繼電器 01001得電，驅動電磁閥 1YA，此時夾緊缸開始執(zhí)行夾緊動作，同時，輸出繼電器 01001 的動合觸點閉合自鎖； 2 當夾緊動作到位，壓力繼電器發(fā)出信號， 00002 閉合，輸出 01002 和01006，他們的動觸點自動自鎖； 3 快進到位時，碰到行程閥 1SP， 01006 的觸電斷開，只留下 01002 觸點自鎖，此時推模缸開始工進； 沈陽理工大學學士學位論文 15 4 工進到位時，碰到行程開關 2ST， 00003 閉合，計時器得電，開始保壓； 5 當計時器規(guī)定的時間一到，輸出繼電器得電并且自鎖，驅動電磁閥 4YA，推模缸開始拔模； 6 當碰到行程閥 1SP 時， 01006 的觸點自動自鎖，此時推模缸開始快退； 7 退回到位時，碰到行程開關 3ST， 00004 閉合，輸出繼電器 01004 得電并自鎖，驅動電磁閥 2YA，夾緊缸向上動作松開被加工鋼管； 8 夾緊缸退回到原位時碰到行程開關 4ST，長閉觸點 00005 斷開，其常開觸點閉合，夾緊缸停止工作，上料裝置開始上料，動作完成后發(fā)出信號給夾緊缸開始重復上述過程。 表 4.3 現(xiàn)場器件與 PCL 內部地址編號對照表 步序 指令 說明 步序 指令 說明 1 LD 00001 啟動 22 OR 00001 2 AND 00007 23 AND 00004 3 OR 01001 24 OUT 01003 4 AND 00002 25 LD T001 快退 5 OUT 01001 26 OR 00001 6 LD 00002 快 進 27 AND 00004 7 OR 01002 28 OUT R1 8 AND 00003 29 LD R1 9 OUT R0 30 OUT 01003 10 LD R0 31 LD R1 11 OUT 01002 32 OUT 01006 12 LD R0 33 LD 00004 松開 13 OUT 01006 34 OR 01004 14 LD 00002 工進 35 AND 00005 15 OR 01002 36 OUT 01004 16 AND 00003 37 LD 00005 上料 17 OUT 01002 38 OR 01005 18 LD 00002 保壓 39 AND 00006 沈陽理工大學學士學位論文 16 19 AND T001 40 OUT 01005 20 OUT T001 41 END 21 LD T001 拔模 沈陽理工大學學士學位論文 17 5 設計計算 5.1 擠壓力計算 對鋼管縮徑尺寸要求如下： 表 5.1 鋼管的縮徑尺寸 序號 管的尺寸 D1 D2 厚度 1 6” 5” 166 150 4.5 2 6” 4” 166 124 6 3 5” 4” 150 124 6 利用前文所示（ 2.1），（ 2.2）： 軸向力： 11m a x211 1 14R Y tq m Y B RR 縮徑形成力 F 為： 1 1 m axF D t q其中： m 可調整的常數(shù)，由最小二乘法確定； Y 理想鋼塑性材料的屈服應力； ctg 所給課題中廠家要求被加工鋼管的材料為 A3 鋼，取 Y=23.5kg/mm,m=2.4, 0.15，本設計的加工長度 L=100 1 2 1 22 2 4 0D D D Dtg L 12 5 . 12DDa r c t g L LLLLLLLLL 三個不同的縮徑過程就要求計算三個相應的縮徑形成力，計算步驟及結果如下所示： 第一組數(shù)據(jù)： . 1 166D 2 150D 1 4.5t由（ 3.1）式得 ： 沈陽理工大學學士學位論文 18 12021 6 6 1 5 02403 . 8 1 4DDa rc tgLa rc tg 11m a x2101 1 141 5 0 2 3 . 5 4 . 52 . 4 2 3 . 5 1 0 . 1 5 3 . 8 1 4 1 1 0 . 1 5 3 . 8 1 41 6 6 4 1 6 6 4 . 5 1 8 01 5 0 2 3 . 5 4 . 52 . 4 2 3 . 5 1 0 . 1 5 1 5 1 1 0 . 1 5 3 . 8 1 41 6 6 4 1 6 6 4 . 5 1 8R Y tq m Y BRRc t g 201 7 . 6 6 7 5 0 . 0 3 5 7 41 7 . 7 0 3 2 /k g m m由（ 2.2）式得 1 1 m a x3 . 1 4 1 6 6 4 . 5 1 7 . 7 0 3 24 1 . 5 2F D t qT 理論 又因為在計算過程中我們認為在模具出口端管子只做無摩檫剛性移動，而實際情況下由于存在彈性回復現(xiàn)象，模具對管壁產生彎曲和摩檫作用，因此，實際推模力要比理論值增加 10% 15%，所以實際推模力為： 1 1 2 %4 1 . 5 2 1 1 2 %4 6 . 5 1FFTT理論實際 第二組數(shù)據(jù)： D1=166 D2=124 t1=6 12021 6 6 1 2 42409 . 9 2 6DDa rc tgLa rc tg沈陽理工大學學士學位論文 19 11m a x2121 1 141 2 4 2 3 . 5 62 . 4 2 3 . 5 1 0 . 1 5 9 . 9 2 6 1 1 0 . 1 5 9 . 9 2 61 6 6 4 1 6 6 6 1 8 05 7 . 2 5 2 3 0 . 2 5 3 0 . 0 3 5 4 1 . 0 2 5 9 72 7 . 2 2 4 8 /R Y tq m Y BRRc t gk g m m 1 1 m a x3 . 1 4 1 6 6 6 2 7 . 2 2 4 88 5 . 1 4 3 9F D t qT 理論 又因為在計算過程中我們認為在模具出口端管子只做無摩檫剛性移動，而實際情況下由于存在彈性回復現(xiàn)象，模具對管壁產生彎曲和摩檫作用，因此，實際推模力要比理論值增加 10% 15%，所以實際推模力為： 1 1 2 %4 6 . 5 9 1 1 2 %9 5 . 3 6 1 1FFT理論實際 取圓整： F 實際 =96T 第三組數(shù)據(jù)： D1=150 D2=124 t1=6 12021 5 0 1 2 42406 . 1 8 2 9DDa rc tgLa rc tg 11m a x210021 1 141 2 4 2 3 . 5 62 . 4 2 3 . 5 1 0 . 1 5 6 . 1 8 2 9 1 1 0 . 1 5 6 . 1 8 2 91 5 0 4 1 5 0 1 8 02 3 . 6 4 2 3 /R Y tq m Y BRRc t gk g m m 1 1 m a x3 . 1 4 1 5 0 6 2 3 . 6 4 2 36 6 . 8 1 3 2F D t qT 理論 沈陽理工大學學士學位論文 20 又因為在計算過程中我們認為在模具出口端管子只做無摩檫剛性移動，而實際情況下由于存在彈性回復現(xiàn)象，模具對管壁產生彎曲和摩檫作用，因此，實際推模力要比理論值增加 10% 15%，所以實際推模力為： 1 1 2 %6 6 . 8 1 3 2 1 1 2 %7 4 . 8 3FFT理論實際 取圓整： F=75T 所以由計算知三種不同的尺寸縮徑形成力分別為： 表 5.2 三種不同尺寸的縮徑成型力 一 二 三 47 96 75 如果要滿足該機器的的應用要求來加工所需要不同力的四根管，則需要在這四個力中選最大值，所以選第二組力： F=96T。 5.2 油壓的選擇 此系統(tǒng)用單泵供油，選用高壓泵 32MP，此壓力用以實現(xiàn)推模和夾緊缸的快進快退。 5.3 液壓缸的選擇 5.3.1 推模缸的選擇 單缸與雙缸推模比較：（ 1）單缸結構簡單，成本低廉，但是對中性 能差； （ 2）雙缸運行平穩(wěn)，推模產品質量高，但成本比單缸貴。 根據(jù)本設計機械的要求進行綜合比較，選用雙缸推模。 兩個液壓缸共同作用需要達到的總推模里 P=96T，則每個液壓缸需要提供的力為： F=P/2=96/2=48T 又因為推模缸運行過程中油壓為 32MP，則計算出推模油缸的缸徑 D 為： 236/44 4 4 8 1 0 1 03 2 1 0138F P S P DFDPmm Q查機械設計手冊從優(yōu)先選擇范圍中選擇液壓缸的缸徑：取 D=200mm 沈陽理工大學學士學位論文 21 外徑 D1=245mm; 活 塞桿的直徑：由速度比的要求來計算： 1dD 式中： d 活塞桿的直徑 D 液壓缸的直徑 22221v Dv D d 活塞缸縮入速度 v2=50mm/s v1=40mm/s 取速度比為 1.25,則 d=0.56D=0.56 200=112 取標準值 d=110mm 缸長 +行程長度 =L1+S=1115mm 5.3.2 夾緊缸的選擇 由于夾緊動作對中性要求不高，且為了提高效率，降低成本，夾緊缸選用單缸工作。起材料為 45#鋼 安裝方式 為頭部法蘭 推模力 P=96T 靜摩檫系數(shù) f=0.3 則夾緊力 N=P/f=96/0.3=320T 又因為油壓為 32MP，由 F=P S=P /4 2D 得： 4644 3 2 0 1 03 2 1 03 5 6 .1 9FDPmm查機械設計手冊從優(yōu)先選擇范圍中選擇液壓缸缸徑： D=400 mm，選取內徑 D=360mm 外徑 D=419mm 活塞桿縮入速度比的要求來計算： 1dD （ 5.2） 式中： d 活塞桿直徑 D 液壓缸直徑 沈陽理工大學學士學位論文 22 21222vvDDd 活塞桿直徑：計算過程同上述推模缸， 得 d=160mm 缸長 +行程長度 =L1+S=1240mm 5.4 模具的設計計算 5.4.1 模具的設計 此課題中模具的設計對產品的質量起到了至關重要的作用。加工過程中模具設計的優(yōu)獵及合理與否直接影響到產品能否滿足尺寸要求及表面質量的好壞，優(yōu)化的模具應 用于機械設備中又能夠省時省料，提高生產效率。總之，模具的設計是本設計的一重點環(huán)節(jié)。 根據(jù)課題要求，管外管外徑尺寸又 166mm 到 150 不等，壁厚由 4.5mm 到 7mm 不等，所以需要的三個模具分別對其加工。模具材料選用 Cr6MV，此材料是沖壓模具材料，雖其耐磨性、淬透性能稍差，但加入了 W元素，提高了鋼的穩(wěn)定性、綜合力學性能，適用于彎曲模具： HRC58C 62C 。其屈服強度s=1100MP，所設計模具的基本尺寸如圖5.1所示： 沈陽理工大學學士學位論文 23 圖 5.1 模具的基本結構及其尺寸 表 5.3 模具的尺寸表 （單位： mm） 1 2 3 D1 170 170 155 D2 166 166 150 D3 150 124 124 說明： 本設計采用管料的空心正擠壓，所以采用凹模（金屬的冷擠壓有多種形式的類別，當金屬流與胚料相對方向相同時為正擠壓，反之為反擠壓。本課題需要管料的前端縮徑，屬于 正擠壓，采用凹模對管料較為合適）。 如模具結構圖所示， A-B段為導入部分，即導向盛料腔， A以左為孔口， B-C段為工作腔?？卓跒榱朔奖氵M料做圓角或者倒角處理，以便為 2 45 或者 R2R3，也可以將模口加工成帶有錐度或者一定斜度的形狀。 在擠壓過程中盛料腔作為?？诘囊徊糠?，兼與凹模向導，為了防止錐形與圓柱料管接觸處產生裂紋，將盛料腔與工作腔分為兩部分，中間圓環(huán)面過渡。 工作腔的形狀主要取決于加工零件的形狀、尺寸、及加工方式等，設計是應該把放料、退料、引導和擠 壓形變的因數(shù)考慮進去，另外為了避免應力集中和高應力區(qū)的產生，沈陽理工大學學士學位論文 24 型腔內不允許有尖角，下凹和橫斷面的極度改變，不相切的圓角半徑，工具的標記，刻痕，刮痕或者其他類似情況存在，因為它們都有可能成為高應力區(qū)，導致模具的端面破裂，這是任何一個承受壓力的模具構件都不允許的。 5.4.2 模具的強度計算 將冷擠壓凹模力視為內部受均勻壓力作用的厚壁圓桶，凹模截面內徑任意半徑 r處的切應力 t 與徑向力 rr可用厚壁圓桶理論公式表示為： 2 2 2 2 2( / 1 ) /r p a b r b a （ 5.3） 2 2 2 2 21 ( / 1 ) /t p a b r b a （ 5.4） 上式中， r恒為壓應力，而 t恒為拉應力。沿凹模厚度，二者的變化情況如圖 3.2所示，在凹模內側面處， r=a,兩者同時達到極值。因為兩者均為主應力，故可記為 t= 1, r= 3 。根據(jù)最大剪應力理論，塑性和強度條件分別為： 13s （ 5.5） 13 （ 5.6） 式中 s為材料的屈服極限 以公式（ 3.1）（ 3.2） t r分別代替 1 3 令 r=a得： 2 2 212/ sp b b a （ 5.7） 2 2 212/p b b a （ 5.8） 注：式中 p1是凹模內側面處開始出現(xiàn)塑性變形懂得內壓力。 四套模具中 2a=D3,其 D3值各不相同，由于應力與 a成反比，因此找其中最大一個D3進行校核 ，由 3.3 表中查的最大 D3=180mm 即： 2a=180mm 故 a=90mm 四套模具中 2b值均為 240mm 則 :2b=240mm 故 b=120mm 鋼管材料為 A3 則： p1=23.5MPa 由上述條件可得： 沈陽理工大學學士學位論文 25 3 2 2 2 2 212 / 2 2 3 . 5 0 . 1 2 / 0 . 1 2 0 . 0 7 5 7 7 . 1 2 8r p b b a M P a 又因為： 3 7 7 . 1 2 8 1 / 3 1 / 3 1 1 0 0 3 6 6 . 7rsM P a M P a 綜上所述，可得證該模具安全可靠。 圖 3.2 沿凹模厚度 拉應力 r 和應力 r 變化情況 5.5 上下夾具體及夾塊的設計與計算 5.5.1 上下夾具體的設計 功能：用以固定管材使之不至于竄動而影響加工質量 材料：要求牢固耐用，故選用 A3 鋼 結構圖如圖所示： 沈陽理工大學學士學位論文 26 圖 5.3 上下夾具體基本結構 上部分圓柱內部有螺紋用來與夾緊缸的頭部聯(lián)結，并一側開有定位孔以便銷釘防止活塞來回運動產生松動。 加緊過程：上夾具體隨著夾緊上下運動，下夾具體由螺釘固定在床座上不動，上下家具體之間裝有一套可更換的夾塊（ 3 個），可以對 3 種不同的管徑的鋼管進行夾緊，上夾具體提升時把管料放在下夾具體上 ，夾緊缸推動上夾具體由行程開關控制其行程，直到管料夾緊，待推模缸完成推模后，上下夾具體分開，此時可以卸料。 5.5.2 夾塊的設計計算 功能：裝在上下夾具體上，便于加工各種不同尺寸管料更換 材料：選用 45#鋼 結構圖如圖所示： 沈陽理工大學學士學位論文 27 圖 5.4 夾塊的基本結構 在一組的四個夾塊中 D1 值最大的危險，因為四個夾塊的外徑都是 254，所以由表5.1 中查得 Dmax=191mm，因此只校核夾塊即可。 由夾緊缸的缸所用油壓可求出作用在夾塊上的力為： 623 2 1 0 0 . 3 643 2 5 5 . 6N P SKN 作用面積 A 應為夾塊在水 平面上的投影面積 : 20.4 0.2540.1016A L Dm由 P=N/A 得外壓強： P2=N/A= 3255.6 310 /0.1016 =32.04MP m a x 166 8322Da m m 沈陽理工大學學士學位論文 28 254 1272b m m代入前述校核公式（ 5.5）： 3222222222 3 2 . 0 4 0 . 1 2 70 . 1 2 7 0 . 0 8 31 1 1 . 8 5 6spbbaMP 3 451 8 2 . 0 8 3 5 5ssM P a M P a 由此可見，夾塊安全可靠 。 5.6 螺紋的設計計算 5.6.1 夾緊缸活塞桿端與上下夾具體連接 因為這里的夾緊力比較大，所以選用梯形螺紋，由于夾緊缸缸徑為 360mm,這就是要求前端螺紋的公稱直徑在 200mm 左右。 此處內螺紋選用 Tr200 8-7H，外螺紋： Tr200 8-7h。 在機械設計手冊中查得螺紋牙的強度校核公式： 對內螺紋： 1213wzwwwzF d b zKFhK d b z （ 5.9） 對外螺紋： 23wzwwwzF D b zKFhK D b z （ 5.10） 沈陽理工大學學士學位論文 29 其中： wF 最大軸向外載荷（ N），此處wF=3255.6KN； d 1 外螺紋小徑（ mm）； D 內螺紋大徑（ mm）； b 螺紋牙根部寬（ mm）； p 螺距（ mm）； h 螺紋高度（ mm）； 載荷不均勻系數(shù)，內螺紋均為鋼時 ， Kz=0.56 螺紋材料許用剪應力（ MPa），對 45#鋼的靜載情況， / 3 6 0 / 2 . 5 1 4 4s n M P a w 螺紋材料許用應力（ MPa），對 45#鋼 /wsn，取 n=1.4， 則： 3 6 0 / 1 . 4 2 5 7w M P a ； Z 螺紋工作圈數(shù)，對于本連接螺紋 Z=H/P=200/8=25 尺寸如圖 5.5 所示。 對外螺紋： 132556000 . 5 6 3 . 1 4 1 9 1 0 . 6 5 8 2 57 4 . 5 7 1 4 4wzFd b ZKM P a M P a 所以剪切強度滿足要 求。 2233 3 2 5 5 6 0 0 2 0 0 1 9 10 . 5 6 3 . 1 4 1 9 1 0 . 6 5 8 2 52 3 8 . 9 9 2 5 7wwZwFhK D b zM P a M P a 所以許用應力也滿足要求。 沈陽理工大學學士學位論文 30 圖 5.2 Tr200 8-7H 螺紋的具體尺寸 對內螺紋：所用到的校核公式與外螺紋的相同，但內螺紋的 D， d1 均大于外螺紋的 D，d1。 而且，這兩項均在分母中，所以內螺紋的剪切力和許用應力一定小于外螺紋的，所以內螺紋的強度一定滿足要求。 5.6.2 推模缸與模具底座間的連接 由于推模的力比較大，所以也選用梯形螺紋，而推模缸內徑為 200mm，這就要求活塞桿頭部螺紋的公稱直徑在 110mm 左右，此處選用內螺紋型號為 Tr110 4-7H,外螺紋型號為： Tr110 4-7h。 因為完成第四組要求縮徑尺寸所需的力量最大，又因為設計中采用雙缸推模，所以此步校核螺紋就用第四組加工時所需力的一半作為所受載荷，即： FW=48T，此螺紋的工作圈數(shù)： Z=H/P=110/4=27.5，尺寸如圖 3.6： 對外螺紋： 1/ 4 8 0 0 0 0 / ( 0 . 5 6 3 . 1 4 1 0 5 . 5 0 . 6 5 4 2 7 . 5 ) 3 4 . 1 6 8wZF K d b Z M P a 沈陽理工大學學士學位論文 31 因為 =144MPa 所以剪切強度滿足要求。 23/w W zF h K D b Z 3 4 8 0 0 0 0 (1 1 0 1 0 8 ) / 0 . 5 6 3 . 1 4 1 0 5 . 5 ( 0 . 6 5 4 ) 2 7 . 5 8 6 . 7 5 2 5 7wM P a M P a 所以也滿足應力要求。 對內螺紋：所用到的校核公式與外螺紋的相同，但內螺紋的 D， d1，而且這兩項都在分母中，所以內螺紋的剪切力和許用應力一定小于外螺紋的，所以內螺紋的強度一定滿足要求。 圖 5.6 TR110 4-7H 5.7 立柱及其輔助件的強度校核 5.7.1 立柱的強度校核 由裝備圖可知四根相同的立柱，其材料為 45#鋼，截面半徑 D= 100mm，兩頭聯(lián)結螺栓之間部分長度 L=1992mm，其作用是共同抵制夾緊動作。 沈陽理工大學學士學位論文 32 上述夾緊力為 N=3200000N 則每個立柱受力為： F=N/4=3200000/4=800000N =F/A =4F/ 2D =3200000/（ 3.14 100 100） =101.9MPa w=355MPa 所以立柱強度滿足要求。 5.7.2 立柱與床座連接螺母的螺 紋強度校核 螺母材料為 A3鋼，規(guī)格為 M64 4 50，每個立柱用 4個，一頭用兩個 。 / 2 5 0 / 4 2 5Z H P h=0.75p=3 b=0.74p=2.96 33 8 0 0 0 0 0 3 / 2 5 3 . 1 4 6 4 2 . 9p =175.75MPa 3b A=1/2 420=210MPa 由此可見，此處的螺紋強度滿足要求。 5.8 推模缸后端部后坐力校核 5.8.1 推模缸后端部的結構計算 考慮被加工材料為鋼，所需要的推模力較大，這樣與缸體聯(lián)結的 結構就有可能受后坐擠壓力而受損，這就要求液壓缸后端的結構要求牢固可靠。 沈陽理工大學學士學位論文 33 圖 5.5 推模缸后端部的結構 圖中： 1.搭悍平板 2.丁字接頭焊接立板 3.丁字接頭焊接筋板 4.與床坐固定螺栓 5推模缸 具體結構設計如圖 5.5 所示，焊接工序如下： 1 在床座上先搭焊平板 1； 2 利用丁字接頭立焊平板 2； 3 用 8 個螺栓固定平板 1 和床座； 4 用丁字接頭立焊 4 個筋板 3。 這樣的結構設計使推模缸后坐力由這四部分分擔，其力的分配狀況如下： 1 平板 1 與床座焊接在一起提供拉力； 2 平板 2 承受外矩作用； 3 筋板處焊縫承受拉力； 沈陽理工大學學士學位論文 34 4 八個螺栓 承受剪力。 3.8.2 退模缸后端部結構強度校核 由于推 模的后坐力由上述四部分結構分擔，但不清楚四部分對力的分擔情況，因此不能將后坐力分配到四部分去校核，由此可用下述方法進行近似的強度校核： 1. 分別對四部分結構的許用應力值進行計算； 2計算各部分所能承受的最大載荷； 3將四項最大載荷之和與推模缸的后坐力比較 由 5.1 節(jié)內容可知：實際推模力為 96T，每個缸最多提供 48T 的推模力，即兩推模缸的最大為 96T，以下分別計算 4 各部分所能承受的最大力。 1.搭焊的平板 1 與床座可承受的拉力 查看焊接結構一書中 表 3-2知： 在搭接的正面焊縫受拉力情況下有： / 1 .4P K L 則 m a x 1 .4P K L 其中： K 焊角高度 L 焊縫長度 焊縫許用應力 將 K=7mm, L=1300mm, =150MPa 代入上式中得： m a x 1 .4P K L =1.4 7 1300 150=19110000N=191.1T 2丁字接頭焊接的立板 2 所承受的最大力 查看焊接結構一書中表 3-2知：在丁字接頭 M垂直板面的情況下有： /MW ， 3 31 . 4 / 6 1 . 4W L k k （ 5.11） 材料為 45#鋼：s=360MPa / 2 . 5 1 4 4s M P a m a x m a x m a x320M P h P其中： h 油缸的中心線到板 2底邊的距離； L 焊縫長度； 鋼板的厚度 k 焊角的高度 將 h=320 mm , L=1300 mm , =30 mm ,k=7 mm 代入上述公式得： 沈陽理工大學學士學位論文 35 3 31 . 4 / 6 1 . 4W L k k =196223.74 =320 maxP /W maxP= W/320=144 196223.74=8.83T 3. 四個筋板所能承受的最大剪力 查看焊接結構一書中表 3-2知：在丁字接頭無坡口， P平行于焊條的情況下有： 22m 合 其中： 23 / 0 .7m pl kh / 1.4p kh 上式中： l 推模缸中心線到底板 1的距離 h 板的寬度 k 焊角高度 將 l=320 mm , h=370 mm , k=7 mm 代入上式中得： 23 / 0 .7m pl kh =3 320P/0.7 7 2370 =0.00413P / 1.4p kh =P/1.4 7 370 =0.000276P 22m 即： 22m a x m a x1 4 4 ( 0 . 0 0 1 4 3 ) ( 0 . 0 0 0 2 7 6 )PP 解得： maxP=98874.5N 四個筋板所能承受的力為： 4maxP=4 98874.5=39.57 T 4 八個螺母可以承受的最大剪力 螺栓的材料為 45#鋼， 360s MPa / 3 6 0 / 1 . 5 2 4 0s S M P a m a x m a