法兰成型机的总体设计【毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 学校代码： 10410 学 号： 20050428 本 科 毕 业 设 计 题目： 法兰成型机的总体设计 学 院 ： 工 学 院 姓 名 ： 李 达 林 学 号 ： 20050428 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 班 级 ： 机制 052 班 指导教师 ： 吴彦红老师 二 年 五月法兰成型机的总体设计 摘 要 本设计是关于法兰成型机（又名对称式三辊卷圆机）的总体设计，主要对卷圆机上下辊轮、压下装置以及卷圆机的总体进行设计和计算。 卷圆机结构型式为三辊对称式，在该结构中上辊下压提供压力，两下辊做旋转运动，为卷制板材提供扭矩。该机是将各种型材卷制成法兰和圆环的一种高质量、高效益的卷圆装置，具有结构紧凑、操作简便、寿命长、噪声小、一机多用、质优价廉等优点，是工厂实现机械化生产的配套设备，该设备的上市可以大大减轻工人的劳动 强度，提高企业生产效益。 关键词： 法兰成型机；卷圆机；卷制；塑性变形 is of to on of in is of a is 目 录 第一章 绪 论 . - 1 - 1 1 设计任务 . - 1 - 1 2 国内外发展现状 . - 3 - 外发展现状 . - 3 - 内发展现状 . - 3 - 1 3 本课程来源 . - 4 - 第二章 法兰成型机工作方案的选择 . - 4 - 2 1 法兰成型方案 的确定 . - 4 - 2 2 法兰卷制成型方式的选择 . - 5 - 第三章 传动方案及总体结构的设计 . - 6 - 3 1 传动方案的设计 . - 6 - 3 2 法兰成型机总体结构的设计 . - 7 - 第四章 力学分析与主参数的确定 . - 8 - 4 1 卷圆的工艺过程分析 . - 8 - 4 2 卷圆过程中的力学分析 . - 8 - 4 3 工作辊轮的设计 . - 8 - 辊轮受力情况分析 . - 8 - 兰成型机的主参数的确定 . - 9 - 第五章 压下装置的设计 . - 10 - 5 1 卷圆成型直径与标尺刻度的关系 . - 10 - 5 2 压下装置的设计 . - 11 - 5 3 上辊轮轴的设计 . - 11 - 的材料及结构的确定 . - 11 - 的受力分析 . - 12 - 核轴的强度 . - 14 - 5 4 螺旋传动设计 . - 14 - 第六章 其它各主要零部件的设计及选用 . - 16 - 6 1 箱体的设计 . - 16 - 6 2 “ 五大轮 ” 的设计 . - 16 - 6 3 各主要部件的选用 . - 17 - 第七章 法兰成型机的主要技术参数 . - 17 - 第八章 设备的使用及其保养 . - 18 - 8 1 设备使用注意事项 . - 18 - 8 2 设备的润滑和保养 . - 18 - 总结 . - 19 - 参考文献 . - 19 - 致谢 . - 20 - 法兰成型机的总体设计 - 1 - 第一章 绪 论 1 1 设计任务 法兰成型机的总体设计 - 2 - 卷圆是利用机械的方法使材料内部所承受的应力全部达到屈服极限，并将其卷制成所需半径的管筒件的一种冷加工方法。在传统的机械加工中，工厂为了得到圆环状、管筒状零件，往往是由经验丰富的钣金工用辊压、折弯的方法使材料内部发生塑性变形，从而得到所需的工件，这种方法 对生产人员的要求很高，且生产周期长、噪声大、劳动强度大，不适合用于大规模及自动化生产。由于法兰是一种基础类零件，在各工程中应用非常普遍，因此，为了满足工厂对生产所提出的高效、低耗、无污染的要求，必须对法兰成型机进行科学合理的设计，使该设备的生产能力最法兰成型机的总体设计 - 3 - 为优化，从而达到高效、安全，并具有一定的社会效益和良好的经济效益。根据参观工厂已有的卷圆设备以及参考有关书籍，我们设定主要技术参数如下 ： 辊 轮 工 作 速 度 为 2m/ 设 计 本 台 机 器 的 目 的 是 将 尺 寸 为30 3 1256料为 扁钢卷制成内圆直径为 370圆直径为430法兰盘。 参与此次设计的共两个人，本人负责的是法兰成型机的总体设计。 1 2 国内外发展现状 外发展现状 50 年来，卷圆机随着科技特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美国、德国、日本三国的卷圆机技术非常先进，经验很多，并且分别有自己的特点。 在美国，政府重视卷圆机工业的发展，因而不断提出卷圆机的发展方向，提供充足的经费，特别讲求“效率”、“创新”，注重基础科研。 由于美国首先结合汽车、轴承行业的生产需求开发了大批自动生产线，所以美国的高性能卷圆机技术在世界一直居领先地位。但因为偏重基础科研，忽视应用技术，有一段时间卷圆机的产量增加缓慢，直到纠正偏向后，产量又逐渐上升。 德国政府讲求“实际”与“实效”，坚持以人为本，不断提高人员素质，他们还特别重视理论与实际相结合，基础科研与应用技术并重，在卷圆机产品质量上精益求精。德国的卷圆机质量及性能良好、先进实用，出口遍及全世界，尤其是大型、重型、精密卷圆机，在质量、性能上居世界前列。 日本政府对卷圆机工业的发展异常重视，并通过 规划、法规进行引导。在重视人才及卷圆机部件配套方面学习德国，在质量管理及卷圆机技术方面学习美国，而且做得更好。日本在发展卷圆机的过程中，狠抓关键，突出发展卷圆机系统。日本 司在产量上居世界第一，销售额占世界市场的50%，对加速日本和世界卷圆机的发展起了重要作用。 内发展现状 我国是世界上 卷圆机机 床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各类卷圆机机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外卷圆机 机床产品充斥市场。这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控卷圆机 机床品种、性能和结构不够先进，新产品的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。 我国工厂由于缺乏卷圆机设计的科学分析工具 (如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及卷圆机机床性能测试装置等 )，自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复法兰成型机的总体设计 - 4 - 试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。 卷圆机 用户根据使用需要，在订货时往往提出一些特殊要 求，甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计卷圆机和修改相应的卷圆机图纸及卷圆机技术文件。在国外，这项卷圆机修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国卷圆机机床厂用手工操作就至少需 1 2 个月，且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。由于长期以来形成的卷圆机设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见，容易造成产品的反复修改，延长了开发的周期。 为解决这些问题，必须对产品开 发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益。 1 3 本课程来源 本课题来源是通过指导老师与同盛机械厂的协商，安排我们在工厂住宿，并在一台已经用于生产的卷圆机的基础上，对其进行更加合理的有利于节约能源和资源的结构调整。目的是使我们真正地了解一台机器从课题的选择到方案的确定，还有设计参数的选择和计算的整个过程，意义是对整个大学四年学习的一次检测，是我们踏出校园走上工作岗位的一次练兵。 第 二章 法兰成型机工作方案的选择 2 1 法兰成型方案的确定 如图 2示，制造该法兰零件的方法有以下两种： 利用冲压的方法，设计一套专门用来制造该零件的模具，这种方法最突出的优点就是生产效率高，只要设计出一套模具和与之相配套的模架便可大量生产同一型号的法兰零件，但此法也有明显的不足之法兰成型机的总体设计 - 5 - 处： 30径为 370计出来的模具体形巨大，非常笨重，成本较 图 2兰环 高； 对加工坏料的材质有限制，只适合加工塑性较好的低碳钢； 工产生的废料也较多。 卷制法。即利用辊轮将 30 3扁钢卷制成所需的法兰环。钢板在辊轮上弯曲变形，是一个横向弯曲的过程，如图 2示。钢板在外负荷力矩 生弯曲变形时，中性层以上的纵向纤维受到压缩变形，中性层以下的纵向纤维受到拉伸变形。根据外负荷力矩的大小，当钢板表面层的最大应力小于钢板材质的屈服极限时，各层的纵向纤维都处于弹性变形状态，随着外负荷弯 曲力矩的增大，钢板各层纤维继续产生变形。当外负荷增加到一定数值，钢板表层纵向纤维应力 图 2板弯曲变形示意图 超过了材料屈服极限时，纤维产生塑性变形，负荷越大，塑性变形区由表层向中性层扩展的深度也越大。当钢板整个断面的纵向纤维应力都超过材料的屈服极限时，所有纵向纤维都处于塑性变形状态，弯曲过程完成。当钢板完全卷制成所需的圆环时，再将首尾端焊合即可。利用这种方法加工法兰环，只要辊轮提供的扭矩大，基本上不会受到加工坏料材质的影响，且不会产生废料，操作方便实用，不失为一种加工大中型法兰的好方 法。 综合以上两种方法的优缺点，我们选用卷制法加工。因为扁钢在卷制过程中，中性层以上部分受到压缩变形，而中性层以下部分受到拉伸变形，唯独中性层长度没有变化，所以需要提供的扁钢长度为 L= 4 3 0 3 7 02 1256 2 2 法兰卷制成型方式的选择 目前市场上出现的卷圆机种类较多，大致分类如图 2示。三辊式结构卷制原理是利用三个辊轮对板料进行连续的三点弯曲卷制成弧体，下辊为 主动辊，上辊作垂直升降运动，结构较简单，而四辊式卷圆机是以上辊为主动辊，由主电动机通过主 减速器以及联轴 器，从而带动上辊的工作，下辊的作用是提供一定的向上力，与上辊一起夹紧， 2圆机分类 所卷钢板使上辊与被卷钢板间产生足够的摩擦力，在上辊旋转时能够带动钢板运动。两个侧辊用以形成卷筒所需的曲率，使板料达到所需的目的，其工作原理如图 2用四辊卷圆结构可以免去端部预弯法兰成型机的总体设计 - 6 - 的工序，但是传动系统较复杂，机器较笨重，因此我们采用三辊式卷圆结构。 而三辊式卷圆机又分为机械式三辊对称式卷圆机、机械式三辊非对称式卷圆机、液 压式三辊卷圆机，它们的主要特 点分别为： 图 2辊卷圆机工作原理图 a. 机械式三辊对称式卷圆机：如图 2示，该结构型式为三辊对称式，上辊在两下辊中央对称位置作垂直升降运动，通过螺杆螺母传动而获得，两下辊作旋转运动，通过减速机的输出齿轮与下辊齿轮啮合，为卷制板材提供扭矩。该机缺点是板材端部需借助其它设备进行预弯。 b. 机械式三辊非对称式卷圆机：如图 2示，该机结构型式为三辊非对称式，上辊为主传动，下辊作垂直升降运动，以便夹紧板材，并通过下辊齿轮与上辊齿轮啮合，同时作为主传动，边辊作倾升降运动，具有预弯和卷圆双重功能。 c. 液压式 三辊卷圆机：如图 2示，该机上辊可以垂直升降，垂直升降的液压传动是通过液压缸内的液压油作用活塞杆而获得，下辊作旋转驱动，通过减速机输出齿轮啮合，为卷圆提供扭矩，下辊下部有托辊并可调节。 图 2械式三辊对称 图 2械式三辊非对称 图 2压式三辊卷圆 式卷圆机工作原理图 式卷圆机工作原理图 机工作原理图 由于非对称式和液压式卷圆机的传动系统较复杂，制造精度要求高，难度大， 而卧式结构相比于立式结构，外形大方，结构紧凑，且传动系统布置较简单，因此我们设计的法兰成型机采用机械式三辊对称式卧式结构方案。 第三章 传动方案及总体结构的设计 3 1 传动方案的设计 为了使传动功率损失最小，传动级数最少，机器结构最紧凑，我们采用传动比非常大的蜗轮蜗杆传动方案，且根据“传动比大的放在靠电机处”的原则，将其放在带传动的下一级传动中。通过“过桥”齿轮与下辊轮齿轮的啮合作用，带动两个下辊轮旋转，因为两个下辊轮齿轮的参数完全一致，且“过桥”齿轮中心在两个辊轮的对称中心上，所以两个下辊轮作同步旋转 运法兰成型机的总体设计 - 7 - 动。传动方案示意图如图 3示。 图 3动系统示意图 3 2 法兰成型机总体结构的设计 由于我们采用的是机械式三辊对称式结构，两下辊作旋转的主运动，而上辊作垂直升降运动，因此我们采用“手柄 传动螺母 传动方式，将手柄的旋转运动转换成上辊的垂直升降运动，从而达到压紧板材的目的。其总体结构布置示意图如图 3示。 1. 减速箱 法兰成型机的总体设计 - 8 - 图 3兰成型机示意图 第四章 力学分析与主参数的确定 4 1 卷圆的工 艺过程分析 对称式三辊卷圆机在卷制钢板时，两下辊做旋转运动，上辊做垂直升降运动，板材平放在两下辊上，由于轧辊与板之间存在着摩擦力，所以当下辊转动时，板材也沿纵向运动，同时由上辊施加压制力，当板材所受应力超过屈服极限，则产生塑性变形，板材被弯曲。 4 2 卷圆过程中的力学分析 板材在被卷制过程中首先要克服板材的挠曲变形受力，变形到一定的程度时板材要克服本身的弹性和塑性抗力，因此施加在板材上的力应有 3 个部分：（ 1）克服板材的挠曲变形力；（ 2）克服板材的弹性变形力；（ 3）克服板材的塑性变形力。 4 3 工作辊轮的 设计 辊轮受力情况分析 卷制时，钢板受力情况如图 4示，根据受力平衡，可以得到下辊作用于钢板上的支持力 式中 连心线 角， =m d + d ； a 下辊中心距（ m）； 卷圆最小直径（ m）； 下辊直径（ m）； 考虑到板宽 b 远小于卷圆的最小直径 性 层半径 R 简化计算，上式可变为： F2 （ 根据受力平衡，上辊作用于钢板上的力即 图 4卷钢板的受力分析 压下力 ： （ （ 1） 根据哈尔滨工业 大学的胡卫龙老师和王仲仁老师 1992 年在锻压机械的第 27 卷第4 期上发表的论文 各种卷板成形工艺的辊筒受力分析 可知，下辊轮受到的力为： 2 ()M （ 2） 法兰成型机的总体设计 - 9 - 式中 M 板材被弯曲到中性层半径为 R 时所需的弯曲力矩（ N m）； 下辊轮半径， r2= 根据安徽理工大学的孟凡净 老师和周哲波老师 2006 年 5 月在煤矿机械上发表的论文 大型卷板机的力学模型 文章编号为： 10032006） 05知，钢板的塑性极限弯矩为： 212 sM （ 3） 式中 h 卷板的厚度（ m）； b 卷板的宽度（ m）； s 卷板材料的屈服极限（ 235 初选下辊轮的直径为 170心距为 200虑到钢板在卷制时会与下辊轮发生轴向滑动，我们在钢板与辊轮接触处设置一环形槽，槽深 2此下辊轮的实际 直径为 166 由式（ 2）和（ 3）得： 2 2 = 3 2 62 0 0 8 5 3 ( 3 0 1 0 ) 2 3 5 1 02 0 0 2 0 0 N N 所以，下辊轮作用在钢板上的力为 据（ 1）式得上辊轮对钢板的压力为： 因为 R=a=200以 =30 , 法兰成型机的主参数的确定 如图 4示， 1组成了一个直角三角形，其三边边长分别为 2()2，2a， 1()2，根据它们之间的三角关系可得： 212 2 2( ) ( ) ( )2 2 2D a DR b H R （ 4） 其中， 1D 、 2D 分别为上、下辊轮直径， 般取最大值）， R 为加工工件曲率半径， H 为上下辊中心高， 而，由式（ 4）完全可以确定该机的各参数，其值 可靠，可以作为设计其系列产品的理论依据。 在本次设计中，由于 R=200b=302D =166mm,a=200为已知，而只有 1 的值 图 4参数的结构分析 未知，它们之间存在着一一映射的关系。设计 1D =160了防止钢板在它上面发生轴向滑动，我们也在钢板与辊轮接触处设 置一环形槽，槽深 2此上辊轮的实际直径为 156其值代入（ 4）式得： 2 2 21 6 6 2 0 0 1 5 6( 2 0 0 3 0 ) ( ) ( 2 0 0 )2 2 2H 法兰成型机的总体设计 - 10 - 2313 = 2100 + 2( 122)H 得 H= （ 所以在卷制过程中，只需将上下辊中心高调整 为 可。 第五章 压下装置的设计 5 1 卷圆成型直径与标尺刻度的关系 由上一章的公式（ 4）可得上下辊中心高 H 与各主参数的关系为： H= 2122( ) ( ) ( )2 2 2D a DR b R （ 1） 在公式中， 1D 、 2D 、 a 均为固定值，而 R 与 b 是用户给定的值。 如图 5示， x 为上辊中心到标尺指针的垂直高度，为定值； y 为下辊中心到标尺“ 0” 刻度的垂直高度，为定值； L 为标尺指针在标尺上所指定的刻度值，随用户给定的参数确定。它们之间的关系为： H+x=L+y H=L+ （ 2） 将（ 2）式代入（ 1）式得： L= 2122( ) ( ) ( )2 2 2D a DR b R x y （ 3） 将已知的值代入（ 3）式得： L= 22( 8 3 ) 1 0 0 ( 7 8 ) 1 2 0 2 2 3R b R （ 简化后，得： L= 22( 8 3 ) 1 0 0 ( 25)R （ 根据实际情况知，在卷圆机上卷制的宽度（角钢为厚度）一般为 15 b 60（ 卷制半径一般为 100 R 500（ 因此，以此范围为计算作图范围，绘制标尺刻度值 L 与卷制半径 R、卷制宽度（或厚度） b 之间的关系表。这样就给使用厂家的实际生产带来很大的方便。 图 5下辊中心高与标尺刻度的关系 表 1 L= 22( 8 3 ) 1 0 0 ( 25)R 单位： 00 150 200 250 300 350 400 450 500 15 L b 法兰成型机的总体设计 - 11 - 20 5 0 5 0 5 0 55 60 由于此次设计的上辊轮行程为 40标尺指针在标尺上的指示范围为（ 60， 100） 此计算出来的 L 值若不在此范围内，则在本台机器上无法将其加工成所需工件。 5 2 压下装置的设计 钢板在卷制过程中，曲率的控制是通过调整上辊的压下量来实现的，压下量可通过标尺任意调整，实现了一定范围内的曲率半径的卷曲。上辊的压下采用“螺母固定，螺杆转动并移动”的螺旋传动方式，并通过滑块使 上辊轴与螺杆保持相对静止，从而达到上辊轴与螺杆同步升降的目的。其设计效果图如图 5示。 图 5下装置设计效果图 5 3 上辊轮轴的设计 的材料及结构的确定 上辊轮轴是该机器的重要零件，承受着两下辊轮的合力，设计时应满足合理的结构，法兰成型机的总体设计 - 12 - 足够的强度，以及良好的工艺性等。 1选择轴的材料 轴的材料主要是碳钢和合金钢，碳钢具有足够高的强度，对应力集中敏感性较低，便于进行各种热处理及机械加工，价格低、供应充足，应用最广。合金钢机械性能更高，常用于制造高速、重载的轴，或 受力大而要求尺寸小、重量轻的轴。通过进行各种热处理、化学处理及表面强化处理，可以提高用碳钢或合金钢制造的轴的强度及耐磨性。特别是合金钢，只有进行热处理后才能充分显示其优越的机械性能。由于本台机器要求此轴具有较高的强度且轴径不能过大，因此我们选用合金钢，其牌号为 38造成形及调质处理，毛坏直径 60度 293321拉强度极限 b =930服极限s =785曲疲劳极限 1 =440切疲劳极限 1 =280用弯曲应力 1 b =75 2拟出轴的结构 根据轴的工作情况和轴的材料，我初选轴径为 35为轴主要承受的是径向载荷，所以安装在上辊轮与轴之间的轴承的类型选用圆柱滚子轴承，由机械设计手册高教版中知圆柱滚子轴承（摘自 得 d=40=80=23号为 32508。由于上辊轮的宽度为 42以应在上辊轮中再安装一个型号为 32208 的圆柱滚子轴承，d=40=80=18后用密封圈密封。 如图 5示，由于轴在滑块内的长度为 18块到轴承的间距为 34套的宽度为 20辊轮宽度为 42此轴的工作长度为： L=20+42+18+34=114 （ 3轴上零件的定位和固定 为了防止轴和零件在工作时发生轴 向移动，保证其准确的工作位置，安装在轴上的所有零件必须有准确的定位和牢靠的固定。为了限制轴的轴向移动，轴与滑块采用螺纹联接，从而保证轴与滑块的相对静止，轴肩对轴承轴向定位，压板和铜套对上辊轮进行轴向定位，再利用双头螺栓和螺母对压板进行锁紧。 的受力分析 1绘制轴的受力简图 如图 5上辊轮、滑块对其作用的力集中作用在轴上 图 5辊轮轴的受力简图 法兰成型机的总体设计 - 13 - 由于轴只受到上辊轮和滑块对它的作用力，因此这两个力等值反向，均为 以，作用在 轴上 范围内的力的集度为： P= 7 1 8 6 0 2 （ KN/m） 作用在 范围内的力的集度为： q= （ KN/m） 1 绘制上辊轮轴的剪力图、弯矩图 在轴的 段内 ，剪力和弯矩都不能用同一方程式来表示，所以应分四段考虑，对每一段都列出剪力方程和弯矩方程，方程中， x以 ()N 为单位， ()N m 为单位。 在 内， () （ 0 x () （ 0 x 在 内， ()( =( x （ x ()( 0 . 0 2 ) ( 0 . 1 1 4 )p x x =1 8 6 . 4 3 ( 0 . 0 2 ) ( 0 . 1 1 4 ) （ x 在 内， () （ x ()x （ x 在 内， () = 0 6 ) 4 3 5x （ x () x (x = x (x （ x 法兰成型机的总体设计 - 14 - 图 5辊轮轴的剪力图与弯矩图 核轴的强度 由弯矩图知， 算出 c= 0 . 1 1 4 0 . 0 6 2 ) K N m m 因为材料为 38许用弯曲应力 1 b=75C 截面当量弯矩应力为： c =3233 2 0 3 (0 ) = 1 b （ W 为轴的抗弯截面模量） 所以， C 截面安全。 5 4 螺旋传动设计 为了达到将螺杆的转动转化为滑块的升降运动，我们采用了“螺母固定，螺杆转动并作直线运动”的滑动螺旋传动方式。对于这种以传递运动为主的传导螺旋，其失效形式主要是由于磨损而产生的过大间隙或变形造成运动精度下降，设计时应以螺纹耐磨性计算和螺杆的刚度计算来确定螺旋传动的主要尺寸参数。由于在本次设计中，螺杆受到较大的受压的轴向载荷，因此，需对其进行强度核算和压杆稳定性核算，检验螺旋是否满足自锁条件。 1选择材料和许用应力 螺杆材料选 45 钢，调质处理， 23 6 0 /s N m m ,由机械设计手册第三卷（成大先主编）第 12 篇表 12得： 3 5s =12072 2/N 手动可取 100 2/N 螺母材料为 10 3e 。由表 12得： 24 0 6 0 /b N m m ，取 50 2/N = 23 0 4 0 /N m m ，取 35 2/N 此螺旋传动系手动低速，由表 12得： 21 8 2 5 /p N m m ，取 20 2/N 2 按耐磨性计算螺纹中径 螺纹的中径为： 法兰成型机的总体设计 - 15 - 2 0 d p其中， F 轴向载荷， N； p 许用 比压， 2/N 其值可查表 12 螺母（或螺杆）的转角， 因为 值可根据螺母的形式选定，取 =