机械毕业设计（论文）-波纹管成型机的设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 波纹管成型机的设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 波纹管成型 机的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表 示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、 集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 92 学 号： 0923074 作者姓名： II 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1题目 波纹管成型机的设计 、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 本课题是对现有设备进行测绘，并在改进的基础上制造完成，以满足实际 生产的要求。学生在设计中对现有液压系统进行分析，须重新设计整机;液压原理。 因设备已投入生产，故学生在设计过程中，可掌握较强的实际工作经验，完成从 设计到实际生产及运行调试的整个过程，很好的掌握机电一体化技术。能熟悉如 何从图纸到实际工作完成的整个过程，并经实际的动手完成真正能正常工作的 设备。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 1达到技术指标所规定要求，满足实际工作需要。 2主机部件工作时定位准确，启停无冲击。 3. 制品的模具三维图及工作图。实习地点：无锡。 主要技术指标： 1.最高合模力 100 吨 2.油箱容积 500 L 3.最大周期 10 S 工作量要求： 1总装图：液压站装配图。 主要部装图：阀站装配图；液压缸装配图; 模具总装图。 II 重要零件图：液压站集成块零件图。 2液压原理图；电气原理图。 3完整的设计说明书（选型；强度；液压；电器。 ）。 4油缸的应力应变分析;；液压站集成块三维图；液压站三维总装图；阀站三维总 装图；模具三维装配图。 5必要的技术资料翻译（8000 字符）。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 92 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 7 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 7 日日 III 摘摘 要要 波纹成型机是生产波纹管的核心设备，生产出的波纹管已经广泛用于各个工业领域， 它是集机电液为一体的现代化高技术设备。 本文针对生产的要求，提出了设计题目。并对该机的机械系统、液压系统和控制系 统进行了全面设计。 在机械结构设计中，首先分析了波纹管成型的工作过程，并在此基础上进行了模具 结构设计、主压油缸设计、油推水油缸设计、各种液压站元件的设计。 液压系统设计中，根据波纹管成型的工作过程，进行了液压系统原理图的设计，确 定了液压系统的执行元件。计算了整个液压系统的流量，并根据流量和压力进行了液压 阀的选型、油箱的设计和各个辅助元件的选择，计算了各个系统的功率，据此选择了电 动机的型号，最后绘制了液压泵站的装配图。 由于传统波纹管成型机采用继电器和接触器等元件作为系统的控制元件，存在可靠 性、灵活性差等缺点。文中通过实例说明利用 PLC 对其进行改造。 电气控制系统采用可编程控制器 PLC 作为整台机器的控制器，并对 PLC 的工作过程 进行了介绍，对 PLC 相关原件进行了选型，同时绘制了 PLC 控制系统的输入、输出接线 图，即控制系统电气原理图，并采用了梯形图编程，实现了整机的自动化。本设计已经 应用于生产，取得了良好的效果。 关键词关键词：波纹管成型机；液压系统; PLC IV Abstract Bellows machine is the core of bellows production equipment to produce the bellows which have been widely used in various industrial fields. It is a modernized technical equipment which centralizes the machinery, hydraulic and electric system. Aiming at the requirement of production, the author puts forward the topic and devises the mechanical system, hydraulic system and controlling system thoroughly. In the mechanical structure design, firstly the working process of the Bellows machine was analyzed , and on this basis, a die structure design, the main fuel tank design, oil pushing water fuel tanks and various components of the hydraulic station were designed In the process of the device of hydraulic system, according to the working process of slewing telescopic gangway, the principle plot of hydraulic system was devised; furthermore, the performing elements were designed. At the same time, the author computed the flux of the whole system. And then, based on the flux and the pressure, the author accomplished the choices of valves, the design of gasoline tank and the choices of assistant components. And then, the author computed the power of the whole system and chose the model of electromotor. At last, the component plot of hydraulic station was drawn. The traditional Bellows machine using relays and contactor as controlling elements shows some disadvantages, such as low reliability and flexibility. This paper discusses the improved design based on PLC. The controlling system adopts the PLC as the controller of the entire machine. It introduce the working process of PLC, chose the model of the PLC and related elements. At the same time, the author drew the input and output circuit of the controlling system, namely the electric principle plot. The machine realized the automation of producing process by making use of the trapezium shape to programme. The design has already been applied to practice, and has gained a very good effect. Key Words: Slewing telescopic gangway；hydraulic system; PLC V 目目 录录 摘 要.III ABSTRACTIV 目 录 V 1 绪论.1 1.1 概况和发展趋势.1 1.1.1 无锡南方液压气动成套有限公司简介1 1.1.2 国内波纹管的概况和发展趋势1 1.1.3 波纹管成型机简介3 1.2 课题的提出与意义.4 1.3 课题的主要内容.4 2 总体方案的确定.6 2.1 设计依据.6 2.2 确定模具结构设计方案.6 2.3 确定液压系统设计方案.6 2.4 确定控制系统设计方案.6 3 模具结构的设计.8 3.1 概述.8 3.2 设计依据.8 3.3 设计范围及其设计方案.8 3.3.1 模具的工艺分析8 3.3.2 模具的结构设计9 3.3.3 模具环刚度的计算11 3.3.4 模具的加工12 4 液压系统的设计及其校核.13 4.1 液压系统的组成.13 4.1.1 能源装置13 4.1.2 执行元件13 4.1.3 调节控制元件13 4.1.4 辅助元件13 4.2 液压系统的主要优缺点.13 4.2.1 液压传动的优点13 4.2.2 液压传动的缺点13 4.3 液压系统设计.14 4.3.1 概述及液压系统方案设计14 4.3.2 液压系统原理图的拟定16 4.3.3 主压油缸的设计16 4.3.4 油推水油缸的设计20 VI 4.3.5 液压能源装置设计24 4.3.6 液压阀的选择24 4.3.7 液压辅助元件的设计与选择：27 4.3.8 液压系统元件清单30 4.3.9 液压管路的联接32 4.3.10 安装后的调试32 5 控制系统的设计.34 5.1 PLC 与继电器控制系统的比较34 5.2 PLC 与微型计算机的比较34 5.3 PLC 可靠性高的原因34 5.4 PLC 的安装与抗干扰措施35 5.4.1 安装环境和注意事项35 5.4.2 电源和接地35 5.5 PLC 系统的调试和运行36 5.5.1 通电前的检查36 5.5.2 调试运行主要过程36 5.6 PLC 系统的维护36 5.7 PLC 控制系统的设计37 5.7.1 设计内容37 5.7.2 控制电路元气件的选用及电路图的绘制37 5.7.3 PLC 的编程.37 6 UG 有限元分析方法 .39 6.1 有限元分析方法简介.39 6.2 进行有限元分析的目的和意义.39 7 UG 动力学分析 .40 7.1 UG 运动仿真模块简介.40 7.2 如何创建运动仿真.40 7.3 波纹管成型机运动仿真.40 8 结论与展望.42 8.1 结论.42 8.2 展望.42 致谢.43 参考文献.44 附录.45 波纹管成型机的设计 1 1 绪论绪论 1.1 概况和发展趋势概况和发展趋势 1.1.1 无锡南方液压气动成套有限公司简介无锡南方液压气动成套有限公司简介 无锡南方液压气动成套有限公司座落于无锡高新技术开发区、公司占地面积 13000 平方米、生产车间约 9200 平方米、拥有员工 180 人、专业技术工人占 80%、各类大型、 成型、加工设备 100 多套、其中部分设备属国内先进水平。专业生产各种国标和非标管 接头、高压胶管总成、各种液压油缸、液压系统的骨干企业。产品远销美国、丹麦、意 大利、日本等国家。本公司产品可适用于冶金、船舶、机床、工程机械、轻工、立体车 库等行业、年销售额达 5000 万元。公司于 2001 年通过 ISO9001-2000 质量体系认证。并 拥有多项自主专利产品、公司连续多年被评为市重合同守信誉企业、在广大用户中有很 好的评价。 公司技术力量雄厚、拥有一批高级工程师、产品设计工程师、是江南大学学生的实 习基地。并广泛应用计算机辅助设计。 本公司有十多年专业设计、开发、液压系统（液压站） 、液压缸、管接头、高压管等 产品的设计能力及丰富的制造生产经验。年生产能力：液压系统 1000 套、液压缸 20000 件、高压胶管总成 100000 根、管接头 2000000 件。 产品出口日本 NOK、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦等国家。并为英格索兰提供全球配 套等等。为武汉重型机床厂、郑州大方桥梁公司、江苏华通机械有限公司、镇江矿山机 械厂、西安电炉研究所、南京金城集团、江汉石油管理局第四机械厂、上海天地岛川停 车设备制造有限公司、中联重科浦沅分公司、中国船舶总公司第七零二研究所（为 863 计划配套 7000 米水下机器人的液压装置）等用户提供国内配套服务。 公司本着“质量第一、用户至上”的宗旨、热诚为广大用户服务！携手共创美好明天、 共展宏图！ 1.1.2 国内波纹管的概况和发展趋势国内波纹管的概况和发展趋势 近些年来，波纹管市场发展迅速，产品产出在全国各地持续扩张，国家产业政策鼓 励波纹管产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者对 波纹管行业的关注越来越密切，这使得波纹管行业的发展需求增大。波纹管作为一种仪 表元件虽然已有了上百年的历史,但由于它具有结构简单、价格低廉、性能稳定、使用可 靠等特点,在今天仪器仪表中仍占有重要的地位,而且它的应用范围已扩大到各个工业领域。 随着企业经济的不断发展，装置中泵类设备的不断更新换代及新技术、新材料的不 断应用，我们感到在多种泵类机械密封的选择中，波纹管机械密封在化工装置中越来越 显示出它的优良性能。 在机械密封技术上，波纹管有着突出的优点。表现为： A 结构简单，安装方便，适应性强，静止环具有浮动性； B 浮环结构设计，消除镶装环的各种应力； C 旋转环易于更换，修复； D 结构紧凑，适用于螺杆泵轴向较小的场合； 无锡太湖学院学士学位论文 2 E 旋转环、静止环法兰连接，动泄漏点少。 该技术特点是： A 密封可靠，在较长时间使用中不会泄漏； B 使用寿命长，静环和动环高耐磨材料比旋转式密封多用半年； C 摩擦功率损失小； D 适用范围广，能用于低温、高温、高压、各种转速及各种耐腐蚀、易燃、易爆、 有毒介质的密封； E 弹簧强度大，抗震能力强，稳定性好。 大庆油田天然气分公司与有关单位共同研制和使用 DBM-40A-1、DBM-35B-1 等 20 多种波纹管机械密封，密封良好，寿命长。得到了广泛应用，并取得了显著效果。 图 1.1 波纹管机械密封 图 1.2 波纹管密封截止阀 柴油机排气系统温度补偿器的研制，应用了新结构、新工艺，其特点是精密性和可 靠性高。该产品的研究开发，将提高国产波纹补偿器的设计、工艺、装备和检测水平， 并能最终替代进口的产品。而且由于金属波纹补偿器具有各种优异的性能，其应用范围 与日俱增，随着先进技术的进一步推广应用，必将取得较大的社会效益和经济效益。除 满足大功率高可靠柴油发动机的配套需要外，也为其他军工配套打下良好的基础。 图 1.3 汽车排气波纹管 图 1.4 通用型波纹管补偿器 浙赣铁路九标管段共有 14 座公跨铁立交桥，为了争抢工期，全段公路跨线桥梁的施 工由现浇变为提前预制，由于桥梁工点分散，设置了 10 处桥梁预制场地，共预制梁 56 片。公路桥梁采用箱形梁，后张法张拉，预应力孔道采用扁波纹管。从施工一开始，就 得赶快研究图纸，打每一片梁都坚持检查施工质量，从钢筋数量、尺寸及波纹管的安装 波纹管成型机的设计 3 和混凝土浇筑、预应力张拉、压浆、封锚等各方面都不错过，但在施工过程中，还是偶 尔会有波纹管孔道堵塞现象发生，一旦堵塞发生，只能对混凝土结构做“开刀”处理，然后 嵌补，这样的结果是，堵孔多了必然影响结构的质量，严重会造成质量事故。在施工中 人们大多使用波纹管成孔，所以防止这种现象的发生就显得十分重要了。其实堵孔现象 并不是不能避免的。从对造成堵孔的原因分析人手，人们采取了相应的措施，取得了良 好的效果。 波纹管已经应用到各个领域，它广泛应用于通信光电缆护套、建筑排水、市政排水 农田低压灌溉等等，双壁波纹管在通讯电缆护套管领域,也基本取代了水泥管，波纹管自 引进以来，其发展很快，应用领域不断扩大，管材规格也从小到大不断发展。生产厂家 不断增多，设备也由全部从国外引进，到目前基本国产化，其所用原料也不断增多，从 PVC 到 PE、HDPE、PP 等。近几年来，其发展更快，生产量逐年增多，已成为塑料管材 领域的一支重要力量。 1.1.3 波纹管成型机简介波纹管成型机简介 波纹成型机是生产波纹管的核心设备，由成型模具、传动系统，控制系统三部分组 成。成型模具一般由 3040 对上下（或水平）对开的模片组成，沿一定的轨迹移动，模 具闭合成圆形管子的成型腔，模具打开，使制品脱模，模具可由水或空气冷却。其成型 过程为：从挤出机挤出管坯在一定的水压下，经过吹胀（或真空吸附） ，使内外壁分别贴 合在成型模具和内定径棒上成型。波纹成型机同时具有牵引管材的作用。 波纹成型机有立式和水平式两种，立式波纹成型机其模具上下开合，占地面积小， 结构紧凑，但模具更换较困难，特别是大口径模具的更换。水平式波纹成型机其成型模 具水平开合，占地面积较大，但更换模具比立式方便得多，因比其应用更广泛。一般小 口径管材，采用的是整体式模具，而大口径管材考虑到其模具重量大，更换时不方便， 故一般采用托架式模具，换口径时，只需更换托架内的芯模即可，节省了模具制造成本。 波纹成型机的关键就是成型模具运行轨道的确定，需先建立模具运行的数字模型， 然后印出其轨迹，最后按照这一轨迹组合模具。 双壁波纹管的成型方法一般有真空成型法和壁间充气成型法两种，也有同时使用这 两种方法的。真空成型法是通过成型模具上的真空孔使管坯外壁靠负压作用吸附在成型 模具上，其内壁靠伸出芯模的定径棒定型。这种方法生产的管子的外观质量较好，但其 内外径尺寸稳定性较差，且真空孔易堵塞，造成产品外壁波纹缺陷。壁间充气成型法是 在两层料坯中间通压缩空气，把管坯外壁吹胀入成型模具，同时使管内壁贴附在内定径 棒上。并可根据管口径，壁原的大小来调气压。应用这种方法生产的管材。尺寸稳定性 好。 国内生产的波纹管成型机，一般为水平式结构，大口径管材也采用托架式模具。但 受其加工设备的限制，其模具的加工精度和同一性与国外同类产品相比还有差距，在生 产中机器故障较多，有时还可能造成模具运行轨道的损坏。 近年来上海金纬机械制造有限公司开发了一系列大口径双壁波纹管生产线，其波纹 成型机采用立式结构，由于模具的加工采用了大型加工中心生产，其同一性和精度均达 到较高的水平。同时，模具采用快速冷却系统，可较大程度地提高生产速度。 无锡太湖学院学士学位论文 4 虽然国产的波纹成型机质量不如国外进口产品，但由于其价格比国外同类产品低很 多，且其生产的管材能达到要求，故近年来国内大部分波纹管生产厂家还是采用国产生 产线。故国产设备的生产厂家这几年发展较快，但还应致力提高加工水平，开发新产品， 缩小与国外产品的差距。 最近几年，国外研制出了模具速回转系统，即利用机械或气动搬运系统，把最后一 对模片重新快速带回开始的工作位置。它的优点是模片数可减少，一般仅需 1218 对模 片，在生产大口径管材时，可极大地降低波纹成型机的生产成本。 图 1.5 波纹管成型机设备 1.2 课题的提出与意义课题的提出与意义 近几年是波纹管发展的黄金时期，它的应用范围已扩大到各个工业领域。 本课题是完成波纹管成型过程的总体设计，对该机的机械系统、液压系统和控制系统 进行了全面设计。在设计中还须设计液压电控原理及程序，对于进行模具、油缸等进行 结构设计以及油缸中重要零件的优化设计并做出必要的有限元分析和运动仿真。本课题 使我在设计过程中，能掌握较强的实际工作经验，完成从设计到实际生产及运行调试的 整个过程，这样一来就能很好的掌握机电液一体化技术，提高解决实际工作问题的能力， 为以后工作打下极好的基础。 1.3 课题的主要内容课题的主要内容 本课题的主要内容是完成波纹管成型的总体设计。最后，将它们转化为能供指导制 造、装配、安装、调试和维修用的设计图纸及各类说明书等技术文件。总之，设计的主 要内容分为机械系统、液压系统和控制系统三部分。按照用户提出的完整技术要求，写 出液压及电气的技术数据，并经用户确认。 本设计需满足的要求如下： A 达到技术指标所规定的要求，满足实际工作需要。 波纹管成型机的设计 5 B 整机机构实用，加载部件需做应力应变分析。 C 整个机械装置需要做运动学分析。 D PLC 全自动控制，要有较高的工作可靠性、安全性。 E.工作安全，操作方便 根据技术要求，我们需要在搞清设备工作原理的基础上，经改进设计，进行正式图 纸绘制。在设计中还需对现有的机构进行分析，如充分利用 UG 和 LINGO 等软件进行有 限元应力分析、运动分析和优化设计。且设计液压原理图、电气原理图，主机等部件。 在自动化生产软件的使用编程逻辑方面用 PLC 控制。因类似设备已投入生产，故我在设 计过程中，可获得并掌握较强的实际工作经验。最终完成从设计到实际生产及运行调试 的整个过程，这样一来就能很好的掌握机电一体化技术，提高了解决实际工作问题的能 力，为以后工作打下极好的基础。尤其这几个软件的使用对以后的研究生课程有莫大的 帮助和指导性的方向。 在设计的时候，课本知识和实际生产经验的结合是我最想拥有的经历。期间充分利 用已有的资源在搞清设备工作原理的基础上，调研工厂实际情况包括设备的调试（主要 是液压部分和电控部分）以及制造过程遇到的难题和解决方案，因而形成了对设备的机 械部分，液压部分，电气部分技术观念和感性认识，为改进，完善设备打下坚实基础。 本课题为机电液综合设计，对本科的机械工程学生而言，已经是能够接受和有所创 新地完成的项目了。而且整个设备制造技术路线清晰明了。最后在设计完成交付，并实 现功能的整个流程中，学习并收获有限元应力优化设计及运动分析等先进设计方法在设 计中的作用。综合机电液，加强巩固和糅合这三方面知识结构，为以后的发展打好基础。 课题结束后，希望能达到锻炼设计能力，而又能熟悉如何从图纸到设备实际工作调 试完成交付使用的整个过程，并经实际的动手完成真正能正常工作的设备。 无锡太湖学院学士学位论文 6 2 总体方案的确定总体方案的确定 2.1 设计依据设计依据 本课题是对无锡市永兴金属软管有限公司波纹管成型机上所有液压元件进行综合系 统的设置，以满足工厂质量控制的要求。经过与厂方代表的协商决定，该成型机能够对 以下液压元件进行检测并完成相应的检测项目。 A 本套设计依据汽车消声器等特性设计。 B 本套设计以满足汽车波纹管一次成型要求设计。 C 本套设备以符合相关管材的规范要求设计。 D 本套设备的制造、检验、安装、使用均以满足设备投资少、生产易控制。 2.2 确定模具结构设计方案确定模具结构设计方案 成型模具由 16 对水平对开的模块组成，沿一定的轨迹移动，模具闭合成圆形管子的 成型腔，模具打开，使制品脱模，模具可由水或空气冷却。其成型过程为：从挤出机挤 出管坯在一定的水压下，经过吹胀，使内外壁分别贴合在成型模具和内定径棒上成型。 波纹管成型机的关键就是成型模具运行轨道的确定，需先建立模具运行的数字模型，然 后印出其轨迹，最后按照这一轨迹组合模具。 2.3 确定液压系统设计方案确定液压系统设计方案 波纹管成型机的液压系统属于很典型的液压系统，利用成型机可以方便的使波纹管 一次性成型。 在液压系统的设计方案中，通过设置调压回路、增压回路、换向回路、进、出节流 回路实现不同的目的，例如合模、分模等。高低压油泵以及控制油泵的配合使用，使得 成型的效率大大提高。油推水油缸用水代替了油，除了减少污染，有利于环保以外，还 方便于清洗。本公司波纹管成型机生产出的不锈钢波纹管主要用于汽车的消声器。 本液压系统是无锡南方液压气动成套有限公司波纹管成型机装置机设计、制造的专 用液压传动设备。该系统精选了国内外优质液压元、附件。液压回路采用了集成油路块 式结构，液压系统总体结构先进、合理、可靠、易于维修。符合 GB3766-87液压系统通 用技术条件中的各项技术要求。 本液压系统由于采用了开式油箱结构，所以不允许在粉尘大的恶劣环境下工作，使 用时应注意经常清扫液压设备上的粉尘，以保证液压系统具有良好的散热性。 所有液压阀控制回路均采用了集成油路块式结构，使本系统具有泄漏少，结构紧凑， 便于维修的特点。 本液压系统在工作原理上具有以下特征：具有吸油滤油器，使本系统工作介质的清 洁度得到有效的保证，降低系统的故障率,延长系统各元、附件的使用寿命。 波纹管成型机的设计 7 2.4 确定控制系统设计方案确定控制系统设计方案 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不 良，容易出现故障，所以应时代之要求，需要对系统进行 PLC 控制。 现决定采用日本三菱公司生产的 FX 系列 PLC 进行编程。 可编程序控制器根据操作者的指令，完成对换向阀等元件的控制，以控制每个执行 元件。可编程控制器具有很高的柔性和通用性，同时采用传统的梯形性能可靠，操作维 护直观、方便，具有以下特点:油缸油压控制采用压力控制，因而调节方便、可靠；因而 调节操作简单 ,控制精确；显示和操作采用高性能和易操作的控制面板，操作、调节、简 单直观;可实现手动、单动、自动等工作状态，参数范围大。当故障发生时，PLC 做出相 应保护措施。 PLC 在满足同样控制要求的情况下，又不像计算机控制系统那样复杂、难以掌握。 有利于控制系统的标准化、通用化和柔性化，缩短控制系统的设计、安装和调试周期、 降低测试产费用。 无锡太湖学院学士学位论文 8 3 模具结构的设计模具结构的设计 3.1 概述概述 波纹管成型机生产出的波纹管主要用于汽车的消声器。模具是成型过程的主要装备， 也是整个装备的重中之重。波纹管的几何形状、尺寸和精度是由成形模具来保证的。根 据金属变形规律、波纹管几何形状、尺寸、精度、成形力的大小和波纹管轴向弹性回弹 等，设计成形模具。 除设计因素之外，波纹管很大程度上依赖于制造工艺，先进的制造 工艺是提高波纹管性能和质量的重要保证。 整个模具装备主要由模片、链条等部分组成。 3.2 设计依据设计依据 A 本套设计依据汽车消声器等特性设计。 B 本套设计以满足汽车波纹管一次成型要求设计。 C 本套设备以符合相关管材的规范要求设计。 D 本套设备的制造、检验、安装、使用均以满足设备投资少、生产易控制。 图 3.1 波纹管成型机模具 3.3 设计范围及其设计方案设计范围及其设计方案 过去双壁波纹管的直径比较小，双壁波纹成型机都采用“履带式设计”：把成对的成型 模片一对接一对地固定在同步相对循环移动的两履带上，形成一排移动中的成型模片。 有的两履带水平配置，如 UNICOR；有的两履带上下配置，如 CORMA。热熔态的外壁 就在压力或真空的作用下形成波纹外管。波纹外管再和平直的内管熔接成双壁波纹管。 最近的技术发展是生产双壁波纹管用成型机的“梭式设计”。成对的成型模片不再固定在履 带上，而是沿矩形轨迹循环移动。在成型工作区，成对模片是慢速移动；在离开工作区 后模片沿外侧轨道快速度返回。本套设备设计的范围如前述组成部份，其间还包含了较 波纹管成型机的设计 9 多的项目。下面按各部件分述如下： 3.3.1 模具的工艺分析模具的工艺分析 工艺设计是一项复杂的、多层次、多任务的设计过程，它涉及的面较广，影响着工 艺决策的因素也很多，金属波纹管的试制涉及材料的精密塑性成形、热 处理、表面处理、 焊接、切削等多种工艺。根据研制的需要，对上述各工艺做出合理的设计，设计出技术 上先进可行的工艺。我设计的是双壁不锈钢波纹管，内外层的钢壁都是焊接而成，但是 焊缝不是在同一直线上，其成形工艺为油推水压制成形。模具由凸模与凹模 2 部分构成， 对于同一件不锈钢制品，可设计出各种不同结构形式的压模，压模的结构形式直接关系到 制品质量、模具制造成本及其使用寿命。波纹管在使用中被密封的构件有一定的工作行 程，构件的最大行程和最小行程是模具充分伸张和紧合的长度。当工作压力较低时，波 纹管的波褶要求深而窄；对于较高的工作压力，设计时其波褶最好是圆而宽些。由于波 纹管形状结构比较复杂，模具设计时要充分考虑其脱模的问题。我设计的波纹管模具由 16 对水平对开的模片组成，模片之间用一个个小的链条连接，沿一定的轨迹移动，模具 闭合成圆形管子的成型腔，模具打开，使制品脱模，模具可由水或空气冷却。其成型过 程为：从挤出机挤出管坯在一定的水压下，经过吹胀，使内外壁分别贴合在成型模具和 内定径棒上成型。模具伸张状态为 414mm,模具紧合状态为 284mm。 图 3.2 模片 3.3.2 模具的结构设计模具的结构设计 3.3.2.1 成型腔的设计成型腔的设计 成形波纹管部的工艺比较简单,可采用通用的模体与芯轴式型腔,但芯轴的设计是不锈 钢零件成形后能否顺利脱模的关键问题。双壁不锈钢波纹管成型后，不再进行机械加工。 因此，模具中形成波纹管径向及轴向定位尺寸的模具尺寸必须十分精确，其尺寸可由下 式确定：D=A(1K) 式中 D模具内腔尺寸,mm A波纹管尺寸,mm 无锡太湖学院学士学位论文 10 K材料的收缩 如果设计资料中没有材料的收缩率，可先按波纹管零件尺寸设计模具内腔尺寸，试 模后精确测量制品尺寸，得出材料的收缩率后再按上式重新设计模具内腔尺寸。 我设计的波纹管模具长度的伸张状态为 414mm，模具紧合状态为 284mm。也就是零 件长度为 414mm，制品长度为 284mm，而零件直径为 47mm，制品直径为 60mm。 所以材料纵向的收缩率为： K=284/414=0.686 所以材料横向的收缩率为： K=47/60=0.783 由此可以得出：模具成型腔长度尺寸 D=284(1+0.686)=479mm 模具成型腔直径尺寸 D=60(1+0.783)=107 mm 图 3.3 波纹管制品 图 3.4 波纹管零件 3.3.2.2 芯轴的设计芯轴的设计 由于波纹管的形状复杂，波褶相对较深，因此给模具设计造成困难，这里的关键就 是为了更好地解决脱模困难的问题。从图 3.2 可知,波纹管的最大直径(峰径) 与最小直径 (谷径) 之比为 1.28,对于不锈钢双壁波纹管零件而言,当峰谷比为 1. 21. 5 ,通常采用强制 脱模方式,可以设计为整体式芯轴。芯轴定位采用芯轴两端柱面周向和台阶轴向定位,在下 模片的前后侧加 2 块定位板。由压制成形工艺可知,装模过程是在合模前先将零件放入型 波纹管成型机的设计 11 腔中,然后放上芯轴,上模下压,进而合模成形。上述设计的型腔只是零件成形时的型腔,零 件放入后,芯轴必然会抬起,在随后的合模成型过程中才能逐步复位至最终尺寸。因此,芯轴 的初始定位必须充分考虑合模过程中其位置的变化,为保证成型结束时芯轴的准确定位,将 两侧的定位板设计为高出下模片一定距离。另外,上下模片的定位采用简单的导正定位销 定位 ，模片之间采用一个个小的链条联接。考虑芯轴通常在高温环境下使用,结合其使用 寿命和热处理变形程度要求，芯轴选用 Cr12 钢，车削加工完成,调质处理 3.3.2.3 模头的设计模头的设计 目前国内外生产双壁波纹管大多采用旋转模头，旋转模头的特点是：体积小，流道 清洁，可以消除管材的内应力和清除管材的熔接痕。但由于双壁波纹管生产工艺的原因， 其模头与生产实壁管的模头有很大区别。生产波纹管时，一方面要求模头是双流道结构， 同时还受到管材内径的限制，因此，模头的内、中、外三种流道套比较薄；另一方面， 由于波纹管成型模块回转半径的限制，要求模头的长度很长，所以波纹管挤出模头实际 上是一个很长的悬臂梁。在生产较小管径波纹管时，模头相对较小，由于悬臂而产生的 挠度并不是很大，其对挤出波纹管壁厚均匀性的影响可以通过机头口模调整得以校正； 而在生产大口径双壁波纹管时，模头对管材壁厚分布的影响已经非常显著，常规的口模 调节已无能为力。为此，采取盘式模头，使得复合模头减小了 80%的重量，减少了 65% 的能耗。 国内研制大口径波纹管时如果也采用类似的盘式模头显然会涉及到专利侵权问题， 不过，通过改进现有双壁管模头的设计方法可以消除由于挠度给管材壁厚分布带来的影 响，即逆向修正法。逆向修正法的基本原理是：在设计前就计算好模头挠度的大小及其 分布，在其后的设计中采用相应的逆向修正。由于逆向修正的模头形状不规则，所以必 须使用数控机床加工，采用这种方法设计的模头在实际工作中口模无需调整或少调整。 3.3.3 模具环刚度的计算模具环刚度的计算 双壁波纹管一个最重要的参数是环刚度。在达到使用要求的环刚度下如何使得单位 长度管材的重量最小是问题的关键，也是各国研究双壁波纹管的核心点。波纹管性能的 优劣是由成型模具决定的，所以必须掌握环刚度的计算方法并有一套切实可行的计算手 段才能确保成型模具的优化设计。 环刚度的定义为： S=EI/D3 其中： E-材料的弹性模量； I-管材的转动惯量； D-管材的有效直径。 材料的弹性模量是由材料本身性能决定的，而作为设备供用商可能更关注于管材的 转动惯量的研究。实壁管的转动惯量的计算已有资料给出，但关于结构壁管转动惯量的 计算各国研究者都密而不谈，因为它是双壁波纹管技术的核心之核心。目前国内双壁波 纹管设计人员对环刚度的影响因素知之甚少，更别说是精确计算了。很显然，如果没有 一套可以实际应用的计算方法，开发国内的大口径双壁波纹管只能是一个美好愿望而已。 实际上转动惯量的计算和有效直径 D 的确定是一个非常复杂的过程，绝不能和一些作图 软件所提供的惯性矩混为一谈，以免被误导。 中云集团武停启博士耗时 2 个多月潜心研究，现已能提供一套非常实用的双壁波纹 无锡太湖学院学士学位论文 12 管环刚度的计算方法，并编制成了计算机程序。采用该程序，可以快速计算出结构壁管 的环刚度和相应米重，并能对双壁波纹管的设计实现优化。有了这套计算机程序，国内 的设备制造商在双壁波纹管的开发方面就可以依靠自己的理论依据，而不再是对国外产 品的简单跟进，中云集团已经利用这一成果开发了外径 1500 毫米双壁波纹管的波纹成型 系统。 3.3.4 模具的加工模具的加工 鉴于该零件的工艺分析及设计要求，需要合理地确定模具各部分的加工工艺。对于 成形波纹管部的型腔和芯轴结构,主要采用线切割配合电火花成形加工。为了便于加工操 作,同时减少加工量和加工成本,最终采用“先整体加工,再一分为二分开加工”的方案。由于 模具在工作过程中，内、外压力较大，因此模具必须有足够的强度和刚度,从成本及加工 性能方面考虑,模体材料选用 45 # 碳素钢(经热处理后硬度为 HRC2832) 。 波纹管成型机的设计 13 4 液压系统的设计及其校核液压系统的设计及其校核 液压系统是波纹管成型机的心脏，液压系统设计的先进性、合理性是成型技术先进 性的重要标志，也是实验结果的稳定性、可靠性、精确性的关键。 4.1 液压系统的组成液压系统的组成 4.1.1 能源装置能源装置 它是将输入的机械能转换为油液的压力能(压力和流量)输出的能量转换装置，一般最 常见的形式是液压泵。 4.1.2 执行元件执行元件 它是将油液的压力能转换成直线式或回转式机械能输出的能量转换装置，一般做直 线运动是液压缸，做回转运动的是液压马达。 4.1.3 调节控制元件调节控制元件 它是控制液压系统中油液的流量、压力和流动方向的装置，包括方向控制阀、压力 控制阀、流量控制阀、比例阀和逻辑阀。这些元件是保证系统正常工作不可缺少的组成 部分。 4.1.4 辅助元件辅助元件 是除上述三项以外的其它装置，如油箱、滤油器、油管等，这些元件对保证液压系 统的可靠、稳定持久的工作，有重大作用。 4.2 液压系统的主要优缺点液压系统的主要优缺点 4.2.1 液压传动的优点液压传动的优点 与机械传动和电力拖动系统比较，液压系统具有以下优点： A 液压元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装 有很大的灵活性，能构成其他方法难以组成的复杂系统。 B 可以在运行过程中实现大范围的无级调速，且调速范围大。 C 液压传动和液气联动传递运动均匀平稳，易于实现快速启动，制动和频繁的换向。 D 操作控制方便，省力，易于实现自动控制，中远程距离控制，过载保护。与电气 控制，电子控制相结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。 E 液压元件属于机械工业基础件。其标准化，系列化和通用化程度都较高，这样有 利于缩短机器的设计，制造周期和降低制造成本。 F 除此之外，液压传动突出的优点还有单位质量输出功率大，因为液压传动的动力 元件可采用很高的压力，因此，在同等输出功率下具有体积小，质量小，运动惯性小， 动态性能良好的特点。 4.2.2 液压传动的缺点液压传动的缺点 A 在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。 无锡太湖学院学士学位论文 14 B 由于传动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。 C 液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动介 质时还需要注意防火问题。 D 液压元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。 总的来说，液压传动的优点是主要的，其缺点将随着科学技术的发展不断得到克服。 本机器的传动主要采用了液压传动，并实现电控自动化控制。 4.3 液压系统设计液压系统设计 4.3.1 概述及液压系统方案设计概述及液压系统方案设计 A 本液压系统是为永兴金属软管有限公司成型模具装置机设计，制造的专用液压传 动设备。该系统精选了国内外优质液压元、附件。液压回路采用了集成油路块式结构， 液压系统总体结构先进、合理、可靠、易于维修。符合 GB3766-87液压系统通用技术条 件中的各项技术要求。 B 本液压系统由于采用了开式油箱结构，所以不允许在粉尘大的恶劣环境下工作， 且使用时应注意经常清扫液压设备上的粉尘，以保证液压系统具有良好的散热性。 C 本液压系统在结构上具有以下特征： 所有液压阀控制回路均采用了集成油路块式结构，使本系统具有泄漏少，结构紧凑， 便于维修的特点。 D 本液压系统在工作原理上具有以下特征（参阅液压系统原理图）：具有吸油滤油 器，使本系统工作介质的清洁度得到有效的保证，降低系统的故障率,延长系统各元、附 件的使用寿命。 （1） 确定油液的循环方式 表 4-1 开式系统和闭式系统的比较 根据上图所示，本液压系统采用开式循环方式，因为执行元件有多个。 （2） 确定油路的组合方式 本系统中采用并联方式。 （2） 调速方案的分析与选择 表 4-2 三种调速回路主要性能比较 波纹管成型机的设计 15 根据上述表格内容所示，本液压系统采用节流调速回路。 （4） 液压系统的主要性能及技术参数： 1)卸荷回路 图 4.1 卸荷回路 2) 回油节流调速回路 无锡太湖学院学士学位论文 16 图 4.2 回油节流调速回路 图 4.3 锁紧回路 3) 锁紧回路 4.3.2 液压系统原理图的拟定液压系统原理图的拟定 图 4.5 液压系统原理图 4.3.3 主压油缸的设计主压油缸的设计 4.3.3.1 主压油缸设计中应注意的问题主压油缸设计中应注意的问题 A 在保证所获得的速度和推力下，应尽可能使液压缸的各部分结构按有关标准来设 计，尽量做到液压缸的结构紧凑，加工、装配和维修方便。 B 尽量使活塞杆在承受最大负载时处于受拉状态，若受压应具有良好的纵向稳定性， 长行程的活塞杆伸出时，还应加辅助支撑，避免活塞杆下垂。 C 液压缸热胀冷缩时应不受阻碍，所以液压缸在安装，固定时，液压缸只能一端定 波纹管成型机的设计 17 位。 D 根据液压缸具体工作条件，考虑是否有缓冲，排气和防尘装置。 模具处于伸张状态时的长度为 414mm，处于紧合状态时的长度为 284mm，见下图 图 4.6 三维图模具（伸张） 图 4.7 三维图模具（紧合） 所以主压油缸伸缩幅度为414mm-284mm=130mm 根据相关资料参考，确定主压油缸主要参数如下： 油缸缸筒内径: 140 mm，外径: 168mm，活塞杆径: 80mm，有效工作行程 900mm。无杆腔面积A1=16.816.83.14/4=222cm2,有杆腔面积A2=(16.816.8-88) 3.14/4=171cm2。额定工作压力15 MPa，F拉=330KN。 密封伸出时间3S/100MM（可调） ，密封伸出进流量46L/MIN。 成型时，伸出时间6S/200MM（可调） ，伸出进流量46L/MIN。 出油量14X154/78=28L/MIN。 上升压力15MP, 拉力F=254KN。 上升伸出时间 5S/300MM（可调） ，上升伸出进流量 46L/MIN。 4.3.3.2 缸筒设计缸筒设计 根据液压缸推力F和选定的工作压力，或者运动速度和输入流量 ，按有关公式确定 缸筒内径D后，然后再从GB2348-80标准中选取相近的尺寸并且加以圆整。 对缸筒的要求： （1）有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不至于产生永 久变形。 （2）有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不至于产生弯曲。 （3）内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，尺寸公 差和形位公差足以保证活塞密封件的密封性。 （4）需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上缸底和管接头后不至于产 生裂纹或过大的变化。 由此，缸筒可设计为：材料 35#钢无缝钢管,强度 b=48 kg/mm2,根据机械设计手册上 册 P46