毕业设计（论文）-火车制动梁用异型材矫直机的设计（全套图纸）.doc

全套CAD图纸，联系153893706目录引言11 矫直机的概述42 金属条材的弯曲与矫直62.1定义62.2 分类73 高温弹性变形与弹性模量94 矫直机构设计114.1 平行辊矫直机的工作原理114.2 结构参数计算134.2.1 辊系与辊数134.2.2 辊径、辊距与辊长164.2.3 力能参数计算175 动力系统的选择206 传动系统的选择与设计217 结论23致谢24参考文献25附录A26附录B311辽宁工程技术大学毕业设计（论文）引言矫直技术产生的确切时间尚未找到准确的文字记载。但从文物发掘中看到我国春秋战国时期宝剑的平直度可以使人想象到当时手工矫直和平整技术已经达到很高水平。在我国古代人的生活与生产中使用的物品与工具，小自针锥、大到铁杵都要求矫直技术来完成成品的制造。手工矫直与平整工艺所用的设备与工具是极简单的，如平锤、砧台等。对大型工件手工矫直常借助高温加热进行。古代人在矫直及整形的实践中认识到物质的反弹特性，确立了“矫枉必须过正”的哲理，用之于矫直技术颇有一语道破之功，用之于改造社会也有知道意义1。由于中国社会的特殊条件，好多技术停留在手工状态，18世纪末到19世纪出，欧洲进行了产业革命，逐步实现了用蒸汽动力代替人力，机械化生产代替了手工作坊。19世纪30年代冶铁技术发展起来，但是英国的生铁产量已由7万吨增长到19万吨，增加了2.7倍。19世纪50年代开辟了炼钢技术发展到新纪元。随着平炉炼钢技术的发明，钢产量增长迅速。到19世纪末时，钢产量增加50多倍。钢材产量占钢产量的比重也显著增加。这时已经出现了锻造机械、轧钢机械和矫直机械。进入20世纪，以电力驱动代替蒸汽动力为标志，推动了机械工业的发展。英国在1905年制造的辊式板材矫直机大概是我国见到的最早的1台矫直机。20世纪初已经有矫直圆材的二辊式矫直机。到1914年英国发明了212型五辊式矫直机(阿布拉姆逊式Abramsen)，解决了钢管矫直问题，同时提高了棒材矫直速度。20世纪20年代日本已经能够制造多斜辊矫直机。20世纪30年代中期发明了222型六辊式矫直机，显著提高了管材矫直质量。20世纪60年代中期，为了解决大直径管材的矫直问题，美国萨顿（Sutton）公司研制成功313型七辊式矫直机（KTC型矫直机）2。20世纪3040年代国外技术发达国家的型材矫直机及板材矫直机也得到迅速发展，而且继续进入到中国的钢铁工业及金属制品业。新中国成立前在太原、鞍山、大冶、天津及上海等地的一些工厂里可以看到德、英、日等国家制造德矫直机。与此同时还出现了拉伸矫直机，20世纪50年代苏联的矫直机大量进入到中国。同时，世界上随着电子技术及计算机技术的发展，工业进步速度加快，矫直机的品种、规格、结构及控制系统都得到不断的发展与完善。20世纪70年代我国改革以后解除到大量的国外设计研制成果。小到1.6mm金属丝矫直机和大到600mm管材矫直机。有速度达到300m/min的高速矫直机和精度达到0.038mm/m的高精度矫直机。同时也引进许多先进的矫直设备。如英国的布朗克斯（BRONX）矫直机；德国的凯瑟林（Kieserling）矫直机、德马克（Demag）连续拉弯矫直机及高精度压力矫直机；日本的薄板矫直机等。值得自豪的式我国科技界一直在努力提高自己的科研设计和创新能力。20世纪50年代起就有刘天明提出的双曲线辊形设计的精确计算法及文献提出的矫直曲率方程式。6080年代在辊形理论方面有许多学者进行了深入的研究并取得了十分可喜的成果，还召开了全国性的辊形理论讨论会；产生了等曲率反弯辊形计算法。与此同时，以西安重型机械研究所为代表的科研单位和以太原重型机器厂为代表的设计制造部门完成了大量的矫直机设计研制工作。不仅为我国生产提供了设备保证，还培养了一大批设计研究人员。进入90年代我国在赶超世界先进水平方面又迈出了一大步，一些新研制的矫直机获得了国家的发明专利。近年来我国在反弯辊形七斜辊矫直机，多斜辊薄壁管矫直机、3斜辊薄铜管矫直机、双向反弯辊形2辊矫直机、故和转毂式矫直机，平行辊异辊距矫直机及矫直液压自动切料机等研制方面相继取得成功。在矫直高强度合金钢方面也已获得很好的矫直质量。其矫后的参路挠度为0.20.5mm/m（一等品为1mm/m）。此外，从20世纪60年代以后拉伸与拉弯矫直设备得到很大发展，对带材生产起到很重要作用。在实际生产中，金属材料（如型、管、线、板、带等长条状金属型材）在轧制、锻造、拉拔、运输、冷却及各种加工过程中常因外力作用，温度变化及内力消长而发生弯曲或扭曲变型。在长度远大于宽度或厚度的条材上，纵向纤维的变形十分明显；在宽度不太小的条材上如带材横向纤维的变形有时也是显而易见的。为了获得平直的成品条材必须使其纵向纤维或纵向截面由曲变直，横向纤维或横向截面也由曲变直。实现这一要求的工艺我们称之为矫直。矫直技术多用于金属条材加工的后部工序，在很大程度上决定着产、成品的质量水平。矫直技术同其他金属加工技术一样在20世纪取得了长足的进展，相应的矫直理论也取得了很大的进步。不过理论滞后于实践的现象比较明显。例如矫直辊负转矩的破坏作用在20世纪下半叶才得以解决（改集体驱动为单辊驱动，改刚性连接为超越离合连接等），但其破坏作用的机理直到20世纪80年代末才被阐明。另外，就矫直理论的总体来看，仍然处于粗糙阶段，首先就是其基本参数的确定还要靠许多经验算法和经验数据，如辊数、辊距、辊径、压弯量及矫直速度等；其次是许多技术现象如螺旋弯废品、矫直缩尺等都缺乏理论阐论；再次是理论的概括性不够，一套公式不仅不能包括各种断面型材，甚至不能包括同类断面而尺寸和材质不同的工件，如弯矩和矫直曲率等都缺少通用的表达式。20世纪70年代以来，矫直技术与矫直理论的发展明显加快，如拉弯矫直技术很快走向成熟；开发成功平动（万能）矫直技术、行星矫直技术，以及双向旋转矫直技术等；完善了等距双曲线辊型设计法；创立了等曲率递减反弯辊型设计法，矫直耗能计算法，主要工艺参数计算法；尤其在利用相对值概念对各种矫直过程进行定量分析工作中取得了系统化的成果，为矫直技术数字化处理打下了基础。1 矫直机的概述由于条材种类不同，弯曲形态不同，各自所要求的矫直方法也不同。工业上人们已经研制成功的矫直方法主要由压力矫直法、平行辊矫直法、斜辊矫直法、平动矫直法、拉伸矫直法、拉弯矫直法及其他一些特殊的矫直法。依据所要实现的功能以及指导教师的要求，本次设计主要是针对断面如图所示的工件的矫直，相对应的应采用平行辊矫直机，所以本次设计的主要方案为平行辊矫直机的设计。平行辊矫直机必须具备两个基本特征：第一是具有相当数量交错配置的矫直辊，以实现多次的反复矫直；第二是压弯量可以调整，能实现矫直所需的压弯方案。需要掌握理论力学及材料力学的知识点。设计出的成品将能够完成对该种工件的矫直工作。平行辊矫直法是把间断的压力矫直法变成辊式连续矫直法，从入口到出口交错布置若干个互相平行的矫直辊，按递减压弯规律进行多次反复压弯以达到矫直目的。不仅显著提高工作效率，而且能获得较高的矫直质量。这种矫直法在板材及型材矫直中得到广泛应用，不仅能矫直型材的主弯曲，在增加轴向调节的条件下也能矫直其侧弯曲；不仅能矫直板材的纵向波浪，在增加弯辊措施后，也能矫直横向波浪，即矫直瓢曲。利用两组平行辊将其辊系进行直角组合或称平立辊组合，即将一组水平辊与一组垂直辊组合起来形成复合辊系可以对二维弯曲严重的线材及小型材进行有效的矫直。设计出的成品的可行性计算预计将有如下步骤：首先对需要矫直的工件的材质性能进行校合计算，计算出的结果将直接影响下一步的工作，若制造工件的材料适合矫直，即该种材料的韧性较好，则可进行接下来的工作，若不行，则令想它法；当计算出的结果证明其适合采用平行辊矫直机矫直后，接下来的工作就是对矫直机的各个性能参数进行计算，以便设计出符合矫直要求的设备，需要解决三个主要问题：机构参数计算、力能参数计算。当这些问题解决后，就可以进行平行辊矫直机的结构设计了。矫直机的结构设计将依据优化配置的原则，随时进行调整，随时进行改动，在达到所要实现的功能要求的同时，达到成本的最低化。在具体的毕业设计论文中，首先在第一章中将对矫直机的设计进行理论上的阐述，主要是矫直机的发展情况以及在现实中的应用。其次是在第二章中对本次设计的成品，即火车制动梁用异型材矫直机设计的需要性进行说明。在第三章中提出方案，并验证其可行性的计算过程，其中将详细的计算出：辊系与辊数；辊径、辊距与辊长；矫直弯矩与矫直力、轴承压力、矫直辊转矩；驱动功率等。最后在第四章中就配合装配图以说明结构特点。图1-1矫直机的分类Fig.1-1 Straightening machine classification目前辊式矫直机大致分为以下如图1-1所示几种：2 金属条材的弯曲与矫直2.1 定义矫直与弯曲是两个相反的工艺过程，但他们的变形机理是相同的。为了说明其内涵，首先要了解金属的弹性特征。通常，不同的金属都有大小不等的弹性极限，即使在塑性变形条件下仍然伴随着弹性变形。弹性变形意味着势能的贮存，表现为一种弹性返回的能力，完全能返回原装的变形成为纯弹性变形，否则都是弹塑性变形。而纯塑性变形是指在相当大的变形程度或在相当高的变形温度时，忽略不计其很小的弹复能力而假定的一种理想状态。古人从生产和生活实践中早已认识到弹性的存在，并得出“矫枉必须过正”的理性结论。今人对金属矫直理论的研究不仅从理论上验证了“矫枉必须过正”的基本规律，而且找到了过正量的科学计算方法，指出在图2-1反弯矫直过程Fig.2-1 Inflection strightening process过正量与金属弹复量相等时可达到矫直目的。现在以图2-1的简单条材ab为例， 设其原始弯曲状态的曲率半径为，矫直所用的反弯半径为，反弯达到状态。此时解除外力，条材将自由弹复到状态。若为一条直线，即达到矫直目的。可见反弯的过正量及恰好与金属的弹复量相等。将反弯的过正量用曲率表示时，称为矫直曲率半径，只有时才能矫直。若金属的弹复量也用曲率半径表示，即用表示时，自然有。故可以说，只有时才能矫直。从直观上可以看出，条材原始曲率半径越小，即原始弯曲越严重，矫直所用之也越小，即所用反弯量越大。不过反弯量与原始弯曲之间只有非线性关系，而且因条材的断面形状不同，其非线性关系的表现形式也不同。当原始弯曲十分严重，矫直时所需达到的反弯曲率半径由于非线性关系的存在不必很小，但此时的反弯变形的总量却已经很大。当这种变形量大到足够时条材断面形状发生畸变，仍然达不到矫直目的时，这种条材在矫前矫后都属于废品。因此，能够进行矫直的条材其反弯变形总量是有限的，不能太大，而且断面高度越大，断面形状越复杂，这种限制越严格。由于反弯矫直时条材纵向纤维的塑性变形先从表层纤维开始，随着反弯量的增大塑性变形向内层深入，越深入，外层纤维的变形越增大。当增大到使断面形状产生畸变时，其工艺过程发生质的变化，矫直反而失败。因此在矫直理论的研究中允许采用平截面、小塑性变形及单一纵向变形阻力等理想原则的原因在此。由此还可看出，矫直与弯曲这两个反义词又不宜简单地理解为两个相反的工艺过程和两个相反的工艺目的，后者在变形量方面要比前者大得多，在断面的限制方面也比前者宽得多。2.2 分类矫直的对象是各种弯曲的条材。由于条材种类不同，其加工方法不同、加工设备也不同，在条材上所产生的弯曲形态也不同。常见的线材、棒材、管材、矩形材及异型材等纵轴对称的和宽厚相差不大的条材，它们的弯曲多为纵向纤维的弯曲。如图2-2所示。图2-2二维弯曲图Fig.2-2 Two-dimensional curving chart若条材纵轴为x轴，则沿x轴的弯曲可能呈现多种形式的波浪弯。如水平面（x-y面）内波浪弯，垂直面（x-z面）内波浪弯，以及倾斜面（x-yz面）内波浪弯等。如果把一个平面内的波浪弯称为一维弯曲，则同时在两个平面内都有的波浪弯成为二维弯曲。至于倾斜面内的波浪弯在没有其他弯曲存在条件下也属于一维弯曲。在有其他弯曲条件下可以将倾斜面内波浪弯分解为水平与垂直两面的弯曲，仍属二维弯曲。扁材及窄带材的二维弯曲常表现为垂直面内的波浪弯及水平面内的镰刀弯。薄板及宽带材的二维弯曲常表现为纵向波浪弯与横向波浪弯的同时共存，如图2-3所示。水平放置的薄板沿x轴在x-z面内及沿y轴在y-z面内都存在弯曲。这种双向波浪弯使人看不清其波浪方向，只看到凸凹不平，称之为瓢曲。可以看出瓢谷部位的纤维要比瓢缘部位的长，瓢曲严重部维要比平坦部位的纤维长。如果板边的波浪与瓢曲比中间部位严重，表明边部纤维比中部图2-3薄板的三维弯曲图Fig.2-3 Thin steel plate three dimensional curving chart的长，可称之为边长形波浪弯。此外薄板也常出现三维弯曲，即在纵向波浪弯与横向波浪弯之外，从水平面即x-y面上看也有弯曲。如图2-3中所示的薄板材纵轴ab与x坐标轴偏离时产生的镰刀弯，即第三维的弯曲。一般型材的弯曲主要表现为在较小断面模数或非对称断面模数上的弯曲，有时因冷却不均，自重作用及外力冲撞等原因也可能在其他方向上产生弯曲。前者称为主弯曲，后者称为副弯曲，或称为侧弯曲。主弯曲是大量的、经常的、规律性较强的弯曲，侧弯曲是不太明显、不太一致的弯曲，但在矫直中不可忽略，所以型材矫直机都应具备二维矫直能力。一般型材沿纵轴产生扭曲现象也是难以避免的，但从实质看，扭曲也是由纵向纤维产生二维弯曲所形成。型材与板材不同，不存在三维弯曲。3 高温弹性变形与弹性模量弹性模量可认为是表示材料刚性大小的物理量，金属的弹性在工程中具有很大的实际意义。在常温下，为了预防构件失稳，除了从结构上保证外，必须尽量采用具有正弹性模量大的材料。一般来说弹性模量是一个比较稳定的参数，材料的热处理和应变硬化对它的影响不大，但是它会随温度等因素的变化而变化。本次设计中，恰恰也遇到了这个问题。由于工件在矫直过程中是处于高温状态下的，其弹性模量必然会有所改变，如果不能准确掌握金属弹性模量随温度变化的规律，得不到在某一高温度下确切的弹性模量值，设计计算中的结果也就会失之毫厘谬之千里，所以，弹性模量对于矫直机的设计来说，无疑是一个至关重要的参数。得到这一参数最精确的方法就是通过试验，实地测出金属在不同高温条件下的值。但是由于条件的限制，不能够亲自测出，所以只能参考鞍钢技术中心的一次类似实试验，筛选出本设计所需的一些结论3。试验选用低合金钢、碳钢共14个钢种。大部分由鞍钢各炼钢厂冶炼，经轧制后取样。部分钢种由鞍钢钢铁研究所试验厂冶炼，其中选择了45号钢、HQ60钢进行了弹性变形和弹性模量的数据整理分析。考虑到低温与高温轧制的要求，试验温度范围选择较宽，800900，并每隔50为一个试验点，共9隔试验温度。变形速度选为5隔速度级，1/s、10/s、30/s、50/s、70/s。压缩变形程度为：。试验是在“THERMECMASTOR-Z”型热加工模拟试验机上进行金属热轧单道次和多道次单向压缩变形抗力试验，研究金属热轧变形抗力随试验温度、变形速度、变形程度的变化规律和应变残留率与变形温度、道次间歇时间及应变间的函数关系。试验完全模拟鞍钢半连轧厂加热及1700mm热连轧机组的实际生产工艺制度进行的。试验方法如下：1）试验温度大于等于1000时，以10/s的加热速度把试样加热到试验温度，保温5min后进行压缩，然后空冷；2）试验温度小于1000，保温5min后，以3/s的冷却速度把试样冷却到试验温度，冷却气体为或，保温2min后开始压缩，其后空冷；3）当试验温度大于等于1000时，试样以10/s的加热速度把试样加热到试验温度，保温5min后进行第一次压缩，其应变为1040，经间歇时间0.85s后进行第二此压缩，然后空冷。当试验温度小于1000时，试样以10/s的加热速度加热到1000，保温5min后以3的冷却速度进行冷却，冷却气体为或。一直冷却到试验温度，保温2min后进行第一次压缩，经道次间歇的时间0.85s，进行第二此压缩，然后空冷。试样是在真空下采用感应加热，用吹或气、水冷系统冷却试样。为保证试样在变形过程中处于单向压缩状态，在试样上、下端面加入适应不同温度范围要求而配制的玻璃粉润滑剂，以减少试样上下端面与接触面间的摩擦。试验结果与分析：金属弹性模量主要取决于金属原子本身的性质，弹性模量、弹性变形都随温度升高而降低。这是因为在小弹性变形范围内可以认为： 成比例，当温度变化时，原子间结合力P和原子间距离X都在变化，并都影响弹性模量E值，故： 。从上式可看出，弹性模量随温度变化涉及到两个方面：一是表现在 项，温度影响原子振动能量增大，而且振动的振幅随温度的升高而加大，原子间结合力受到削弱，因此总是小于零；二是随温度的变化影响物体的体积，表现在项。一般情况下，物体有正的膨胀系数，故上式右端为负值，所以金属材料的弹性模量总是随温度的升高而减小。此外，试验数据还表明，弹性模量随温度升高而降低的幅度也在增长。如45钢。8001000时降低15，11001200时降低17.5，从8001200总降低达到46.0左右。产生这种现象主要是由于温度提高使塑性变形的影响加剧所致。金属在轧制过程中产生很大的塑性变形，由于弹性变形量比塑性变形量小得多，所以被测量的弹性模量值明显减小。4 矫直机构设计平行辊矫直机是目前应用范围最广的矫直机，其门类、品种和规格最多。其基本分类方法，按用途分为板材与型材两大类矫直机。其细化分类则有多种方法，如板材矫直机，有按厚、中、薄三类来划分板材矫直机；也有用板厚来标称板材矫直机；还有用重型及普通型来区分板材矫直机；以及用板宽来编排矫直机系列等。在特定条件下各种分类都有自己的理由。从趋势上看以厚度来区分板材矫直机是最基本的方法。不过厚度对矫直和对轧钢却存在着不同的意义。因为矫直机与厚度平方成正比，而轧制力并无这种关系。因此不一定有厚板轧机就一定有厚板矫直机与其对应。采用如下分类法比较切实可行，如：中厚板矫直机，其能力上限可矫厚板，下限可矫中板；中薄板矫直机，其能力上限为中板，下限为薄板；薄板矫直机为厚度很薄、宽度较大的薄板材矫直所使用。板宽及板厚与矫直机的能力及结构复杂程度有密切关系。首先是板厚决定辊径尺寸；其次是板宽决定辊长尺寸；第三是辊数决定矫直质量；第四是辊子重叠数决定着矫直质量及表面粗糙程度；第五是矫直温度决定矫直机的结构特点。在矫直机的标称中不管写法如何和顺序如何，总得反映出上述五个特点。型材矫直机过去多用辊距与辊数，以及用途等项来标称机器种类、规格及型号。近年来在辊系方面取得不少进展，如异辊距矫直机及变辊距矫直机在生产中不断出现。因此，辊系特征在新矫直机的标称中也应有所反映。过去一些简支结构的矫直机架尚在使用，但越来越多的采用悬臂式结构，这种机架为辊距及辊位调整提供了方便。型材矫直机的牌坊特征，如：机架闭式或开式，能力特征如轨梁、大型、中型及小型等都可以反映到其标称中。除异辊距及变辊距之外，还有平立辊复合辊系的矫直机。现代矫直机也有用最大矫直弯矩及辊数加入标称之中的。20世纪70年代开始实现矫直机的计算控制，控制生产线上各种设备包括矫直机的从速度同步开始，到控制辊位、设定压弯量及矫直全过程的程序。计算机控制的辊式矫直机作为一个新的门类将获得越来越大的反展。平行辊矫直机属于连续性反复弯曲的矫直设备，这种矫直机克服了压力矫直机断续工作的缺点，使矫直效率成倍提高，使矫直工序得以进入连续生产线。4.1 平行辊矫直机的工作原理从压力矫直机到辊式矫直机在技术上完成一次较大的跨越，这个跨越的理论基础就使金属材料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度有多大区别在弹复后所残留的弯曲程度差别会显著减小，甚至会趋于一致。随着压弯程度的减小其弹复后的残留弯曲必然会一致趋近于零值而达到矫直目的。因此平行辊矫直机必须具备两个基本特征，第一是具有相当数量交错配置的矫直辊以实现多次的反复弯曲；第二是压弯量可以调整，能实现矫直所需要的压弯方案4。现以5辊式矫直机为例，相应的5辊式矫直法示于图4-1a，金属条材通过两排交错配置矫图4-1a五辊矫直法Fig.4-1a Five roller strightening law直辊的辊缝时经受3次反复弯曲而被矫直5。其矫直过程的理论分析可参看图4-1b。图中曲线代图4-1b矫直过程理论分析图Fig.4-1b Strightening process theoretical analysis表工件的弯曲弯矩比与弯曲曲率比的关系。它既包含弯矩与弯曲程度的关系，也包含弹复能力与弯曲程度的关系。当工件原始的最大弯曲用曲率比表示时，第一次压弯达到。对于的原始弯曲增加一部分同向的弹性压弯；对于的原始弯曲增加很大反向弯曲，由增加到；对于原始无弯曲的部分即零曲率部分也压成的弯曲。结果当工件离开第2辊之后三条压弯曲线（）皆需从与垂直线交点的1、及处按弹性规律弹回到、及处。原始的弯曲程度为，一次弯曲后残留弯曲程度差为。这不仅表明新的弯曲状态已经由异向变为同向，而且弯曲程度也减少得十分明显。当工件行进到第3辊处用减小的压弯将其原始弯曲（）及（）压成反弯。至于第一次残留的的弯曲将一直处在两个边界值之间而不必讨论。当工件离开第3辊后两条曲线将由及点弹回到及处。二次弯曲后的残留弯曲程度差为又有明显的减小，同时各自的弯曲程度也有显著的减小。曲线的收敛性也表现在这里。当工件进入第4辊时，从（）及（）开始的两条曲线与压弯量的等值线交于点3及。在工件走出该矫直辊缝后，工件由3及弹复到及两点，若与的绝对值都不超过矫直质量允许范围，则为合格。从这个矫直过程看，压弯量增大时残留量的差值减小，当压弯次数增加时残留量的差值也减小，递减量合适时残留量才能趋近于零值。这也说明矫直过程必经的两个阶段，第一段是减小差值，第二段是消除残完。也可以说是先统一（残留弯曲）后矫直。4.2 结构参数计算4.2.1 辊系与辊数本次设计根据所要矫直工件的形状的要求，采用如图4-2所示的辊系：图4-2五辊矫直机原理图Fig.4-2 Five roller straightening machine schematic diagram在辊系确定之后，要进一步考虑辊数应该如何确定。小变形逐步矫直法所需辊数从图4-1的定性分析中已经可以看到用三次弯曲即用5辊矫直机可使残留弯曲变得很小6。以下进行定量讨论：根据矫直曲率比方程式为6： (4-1)此式所代表的关系曲线示于图4-3。图4-3关系曲线Fig. Relational diagram of curves按着这条曲线可以很容易根据原始曲率（比）找到最小变形所需之矫直曲率（比）。由于一根条材上各部位的原始曲率不同，必须先把最大的值矫直，同时又会把最小的值（=0）压弯变成下一次矫直的对象即新的最大值。如此逐步进行矫直，直到最后达到允许残留弯曲时便完成了矫直工作。其间所需辊数就是理论辊数。在这一计算过程中，首先需要算出的是压弯曲率（比）；其次需要算出的是残留曲率（比），即矫直部位经第二次压弯所残留的曲率（比），其表达式为： (4-2)此式所代表关系曲线示于图4-4。图4-4 关系曲线图Fig.4-4 Relational diagram of curves工件的原始曲率为极限曲率： (4-3)其中金属的弹性极限应变金属的弹性极限工件的断面高度金属的弹性模量根据已知条件，460； 88mm；12000。（由于工件是在1000左右的高温条件下进行矫直工作的，所以弹性模量被极大削弱1）带入数值，得出。则原始曲率比 （4-4）考虑到弯曲的方向性，则第一次将其中矫直，而在第二次反弯中矫直。将原始曲率比带入中，得出，因此两次所用之。此结果带入中，得出残留曲率。便是下道矫直工序开始的原始曲率比，即，继续以上步骤，将带入中，得出1.54。类推得出0.11。至此，三次矫直工序已经完成，第三次反弯后残留曲率为： （4-5）与此相应的曲率半径为： （4-6）每米长工件的相应挠度为： （4-7）所以基本符合矫直标准。也就是说，采用五辊矫直机已经能够满足矫直精度的要求，因此确定矫直机的辊子数量为5。4.2.2 辊径、辊距与辊长矫直辊的主要任务是使工件得到矫直所需曲率的压弯，其次还需考虑咬入条件和强度上的需要。矫直所需压弯曲率要明显大于弹性极限曲率（），其增大的倍数与工件材质和断面有关，如一般强度且强化特性较小的矩形类断面所用的曲率倍数为34；强化特性较大的或金属集中于中性层的菱形或圆形类断面所用倍数为45。由于压弯曲率比（）相当于压弯曲率（）与弹性极限曲率（）之比，即上述的矫直曲率所用的倍数。因此，各种值便可算出矫直曲率，用其反数便是矫直曲率半径，即用，算出矫直辊半径为： （4-8）矫直辊直径为： （4-9）带入数据，得 459，此结果作为参考的一个数据，并非最终确定的辊子直径。还需从咬入条件以及工件的加工时的状态来讨论，引入在工件能够被咬入的条件下辊子直径最大值公式： （4-10）带入数值，算出结果为103mm，综合以上两个结果得出最后结果，取辊子之间的距离由公式 （4-11）确定，式中。辊子压弯量单独确定时取大值，集体调节时取小值。式中的为辊子的最大直径。根据这个公式，带入数值得，即，取整得辊子长度主要决定于工件宽度及孔型线数。其次要考虑辊子两端及孔型间的结构余量。因此型材矫直辊辊身长为 （4-12）式中孔型线数 工件的最大宽度孔型间的结构余量，辊端的结构余量，其中，；。带入公式，得出，即4.2.3 力能参数计算辊式矫直机的力能参数包括矫直力、工作转矩及驱动功率。在矫直辊按照压弯方案调定之后，各辊对工件的压弯程度，即压弯曲率（比）便可确定。在已知原始曲率（比）条件下可以计算总曲率（比）变化并进一步计算矫直弯矩、矫直力、传动转矩及驱动功率。矫直弯矩为 （4-13） （4-14） （4-15）式中弹性极限弯矩 弯矩比 总曲率的变化量 工件最大宽度 工件断面高度 工件原始曲率 工件矫直曲率综上 （4-16）即矫直力为 （4-17）其中辊距带入数值，即矫直辊所受的矫直力直接作用到轴承上。由于机架与辊轴的结构不同，轴承压力的计算方法也不同。本次设计采用简支式结构，如图4-5所示：图4-5简支式结构图Fig.4-5 Simple support type structure drawing矫直辊转矩计算公式为 （4-18） 式中工件与滚面的滚动摩擦系数，通常取 轴承摩擦系数，采用滚动轴承 轴颈直径 带入数值，得，即驱动功率公式为 （4-19） 式中矫直辊转矩 矫直速度，这里 矫直机传动系统效率，取，0.99一对滚动轴承效率，0.97开式齿轮传动效率，0.99齿轮联轴器的效率，则 矫直辊半径 带入数值，得，即5 动力系统的选择设计采用上部三个辊为主动辊，单个辊子的驱动功率为0.85kW，辊子的转速为20，选用沧州金隆减速器有限公司生产的8135型直联型减速器，配四极电机，电机功率1.1千瓦，频率60赫兹，输入转速1800r/min，减速器传动比达到877，输出转速为21r/min，速度提高5，在允许范围内。6 传动系统的选择与设计减速器与矫直辊采用链传递，计算过程如下8：选择链轮齿数为，确定链节数，初定中心距，则链节数为 （6-1），即链节数初定为81。工作情况系数查表得，链轮齿数系数查图得，多排链系数，选定链条得额定功率 （6-2）。根据小链轮转速和功率，选择链条型号16A单排链，节距9。确定中心距，理论中心距 （6-3），中心距减小量，实际中心距，即。链轮基本尺寸计算如下10：分度圆直径 （6-4）齿顶圆直径 （6-5）齿根圆直径 （6-6）节距多边形以上的齿高 （6-7）最大齿根距离 （6-8）辊子定位圆弧半径 （6-9）齿侧圆弧半径 （6-10）辊子定位角 （6-11）7 结论我国发展矫直技术起步较晚，与世界上一些工业发达国家，如德国比，还是存在一定差距的，为了适应我国不断加快的社会主义现代化建设步伐，振兴我国工业，能够生产高精度、多功能的矫直机，无论是对于我国的钢铁工业还是新兴的汽车工业已成当务之急。本文主要围绕金属在挤压条件下的变形特性，结合设计矫直机的一整套参数计算公式，并且参考现有矫直机的外形特征，提出本设计方案。设计出的矫直机基本实现了对火车制动梁用异型材的矫直，并且具有较高的矫直精度和工作效率，不仅能够满足单一工件的矫直，而且还能够胜任大批量流水线作业。设计出的方案结构紧凑，操作简便，便于保养与维修。采用上辊集体驱动，可以避免负转矩对于矫直功率的影响11。所谓负转矩是指在矫直过程中某一辊轴或几个辊轴不出力，反而还要其他辊子拖着走，故在该辊轴上出现负转矩。但是由于结构的简单，导致功能结构的单一，只能完成一种工件的矫直。由于超前接触，即矫直辊对工件的压弯作用点不在辊子对工件的垂直接触点，而向咬入侧倾斜，矫直机会出现较一定的噪声，但属于正常情况。至于如何解决这一问题，还需进行进一步的研究与试验。致谢本设计在师建国老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择、方案论证到具体设计，每一步骤都有师老师的细心帮助，使我受益匪浅。在此向导师表示深深的感谢和崇高的敬意。参考文献1 崔甫.矫直原理与矫直机械M.第二版.北京:冶金工业出版社,2005.2 A.M.马斯基列讯等.管材矫直机.西安重型机械研究所译.北京:机械工业出版社,1979.3 陈振韬,刘品瑞,付国昕.高温弹性模量与弹性变形的研究J.轧钢1997年第5期.4 徐萃平,赵灿,何凡等.现代机械设计方法与应用M.北京:高等教育出版社,2004,1.5 邹家祥.轧钢机械理论与结构设计M.北京:机械工业出版社,1994.6 崔甫,施东成.矫直机压弯量计算法的探讨A.冶金设备.1999. 7 成大先.机械设计手册（单行本）机械传动M.北京:化学工业出版社,2004,1.8 朱孝灵.中国机械设计大典M.江西科学技术出版社,2002,1.9 王洪欣.机械设计工程学M.徐州:中国矿业大学出版社,2001,1.10 邹慧君.机械系统设计原理M.北京:科学出版社,2003.11 崔甫.87.1.05049.8号专利.多辊矫直机.1989.附录A数控系统与数控机床技术发展趋势摘要:本文主要阐述了数控系统及数控机床的产生、发展以及其将来，较全面的说明了现阶段及未来的发展趋势。关键词：数控系统；数控机床1 数控系统发展趋势 从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了46年历程。数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶段： 分立式晶体管式小规模集成电路式大规模集成电路式小型计算机式超大规模集成电路微机式的数控系统。到80年代，总体发展趋势是：数控装置由NC向CNC发展；广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；CNC装置向人工智能化方向发展；采用新型的自动编程系统；增强通信功能；数控系统可靠性不断提高。总之，数控机床技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比也越来越高。到1990年，全世界数控系统专业生产厂家年产数控系统约13万台套。国外数控系统技术发展的总体发展趋势是：1.1 新一代数控系统采用开放式体系结构 进入90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心（NCMS）与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。开发研究成果已得到应用，如Cincinnati-Milacron公司从1995年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的A2100系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。数控系统继续向高集成度方向发展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统体积更小，更加小型化、微型化。可靠性大大提高。利用多CPU的优势，实现故障自动排除；增强通信功能，提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动。1.2 新一代数控系统控制性能大大提高 数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统已实用化。 总之，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。2 数控机床发展趋势 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：2.1 高速、高效、高精度、高可靠性 要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。2.1.1 高速、高效 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 新一代数控机床（含加工中心）只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，应不失时机地开发应用新一代高速数控机床。 依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已达到5000米8000米/分以上；主轴转数在30000转/分(有的高达10万转/分)以上；工作台的移动速度：（进给速度），在分辨率为1微米时，在100米/分（有的到200米/分）以上，在分辨率为0.1微米时，在24米/分以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12米/分。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。2.1.2 高精度 从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（10nm），其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。 当前，机械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.010.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心的加工精度则从35m，提高到11.5m。2.1.3 高可靠性 高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。 当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上。2.2 模块化、智能化、柔性化和集成化2.2.1 模块化、专门化与个性化 机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。2.2.2 智能化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面： 为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成； 为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等； 简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等； 智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。2.2.3 柔性化和集成化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其