机械毕业设计68沈阳理工大学SJ166型缩径机设计

沈阳理工大学学士学位论文 1 前 言 科学技术是第一生产力。”新的时代面临着新的挑战，面对着经济飞速增长和竞争日趋激烈的社会环境，新的技术的开发与应用已经成为当代企业兴衰成败的关键，掌握新技术是企业生存的根本，不懂得新的技术以及尖端的科技则会被社会革新的大潮所淹没。“落后就要挨打。”是血的教训，所以面对着竞争激烈的社会环境，我们就要不断的汲取新的理论知识，积累实践经验进而掌握新的技术，开拓新的产品。这样才能使企业在经济的大潮中撑起有力的风帆而立于不败之地。 本课题是沈阳理工大学机电设备开发公司应印度尼西亚一家加工钢管的公司的要求而设计 的。该公司用加工后的不同管径的钢管可以连接成为电线杆、路灯杆、旗杆等产品。 经过我院机电公司人员精心设计已经在 1995 年制出两台成品运往印度尼西亚，并派工程技术人员随往调试。 根据介绍，已运出口的两台机器已经正常运转，当然，原产品中还存在着许多等待改进的地方。 本产品 缩径机虽然在某些方面有着不可比拟的优点，但是它还是存在一定的缺陷，为了更好的完善该设备的功能和提高它的销售量，以适应市场需求和新技术的步伐，新的技术更新是完全必要的。 沈阳理工大学学士学位论文 2 1 SJ166 型缩径机的基本参数 系统 的公称压力： P=120T 推模缸的公称压力： P=32MPa 夹紧缸的公称压力： P=410mm 推模滑块行程： S=200mm 推模缸最大净空矩： H=700mm 夹紧缸最大净空距： H=150mm 工作台尺寸： 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 夹紧缸滑快速度： 空程： 60mm/s 回程： 40mm/s SJ166 型缩径机与其他锻压设备相比较的优缺点： 优点： 1. 执行元件（缸及柱塞或活塞）结构简单容易实现很大的工作压力，较大的工作空间和较长的工作行程，适应性强； 2可以在转换点长时间保压； 3. 可用简单的办法（各种阀）在一个工作循环中调压或者限压不易超载，容易保护各种模具； 4滑块的总行程可以在一定的范围内任意无极的改变，滑块行程的下转换点可以根据压力 或者行程来控制或者改变； 5. 滑块的速度可以在一定范围内任意地相当大的程度上进行调节，调节的速度与压力及行程无关。 缺点： 1. 用泵直接传动时，安装功率比相应的机械压力较大； 沈阳理工大学学士学位论文 3 2. 由于工作缸内升压或者降压都需要一定的时间，而且空程速度不够高，在快速方面不如机械压力机； 3. 由于液体有可压缩性，在快速卸载时，可能引起机器本题或者液压系统的振动； 4. 工作介质有一定的寿命，需要定期更换； 5液体 易于泄漏。 沈阳理工大学学士学位论文 4 2 缩径机的研制及机理分析 2.1 概述 本缩径机是钢管生产行业对钢管进行二次加工的重要设备，它是用来把钢管端部结构缩成所需要的尺寸形状的一种设备，这是目前国内外比较流行的钢管变径方法之一，也是根据国外客商的要求研制成的首台缩径加工设备，它的工作原理是钢管在外力作用下，按照模具形状进行塑性变形，设备结构简单，工作可靠操作方便，能实现自动，手动运行，是目前较流行的钢管缩径设备，它有以下三大特点： 1. 该设备的夹紧和推模采用液压执行，其推力 大，工作可靠平稳，通过电气控制可实现：夹紧 快进 工进 （保压） 拔模 快退 松开 卸荷等全过程动作，动作效率高，产品质量好。 2. 系统操作分手动和自动两种状态，自动状态下手动可以干涉控制，随时修正工作过程的每个动作，保证产品质量好。 3. 设备的快进，工进和退回速度可根据管径和实际需要有较大的调整范围，能满足钢管直径 90 166 的缩径要求。 2.2 设备的组成及主要技术指标特征 SJ166 缩径机由主机、电气控制系统、液压系统三大部分组成，主机由床座、夹具体、立柱、夹紧缸、模具、模座、 推模缸等组成，结构如图 2-1 所示。 2.3 钢管缩径成形机理 钢管缩径成形新工艺是属于塑性成形领域的前沿课题，这个形成过程比较复杂，各种经验公式比较多，这里采用了主应力法来分析研究缩径机中钢管缩径成型过程及计算缩径成型力的公式。 在薄壁管缩径成型过程中，薄壁管任意截面的壁厚与直径相比很小，沿壁厚的应力变化可以忽略不计，忽略钢管的弹性形变一般不会造成太大的计算误差，可以认为当管端达到模具出口时，缩径已经由非稳太转变为稳太，薄壁管中径由 D1=2R2 减少到D2=2R2。 在任意半径 r 处，作用在 模具内部微元体上的应力状态如图 2.2 所示，其中 q为轴向应力，即此力平行于模具表面， 0 为周向应力， P 为模具与管子接触面上的法沈阳理工大学学士学位论文 5 向应力，对应的摩擦力为 = P，为摩擦系数，忽略其他因素对缩径成型过程的影响，钢管初始进入模具时对模具产生轴向应力为： m a x 1 0 1 11 1 / / 4 1q m Y B R R T t R （ 2.1） 于是加工过程中所需要的缩径成型力 F： 1 1 m axF D t q（ 2.2） 其中： m 可调整的常数 ，由最小二乘法确定； Y 理想钢塑性材料的屈服应力； 图 2.1 SJ166 缩径机 由上述（ 2.1）（ 2.2）两公式可以看出，在相同条件下，缩径形成力随着摩擦系数和钢管壁厚的增加而增大。 由于在计算过程中，认为模具出口端钢管进入仅做无摩擦刚性移动，而实际中由于存在弹性恢复现象，模具对钢管要产生摩擦和弯曲作用，因此，实际所需推模要在理论的基础上增加 10% 15%。 沈阳理工大学学士学位论文 6 2.4 推模缩径成型过程中造成的钢管缺陷分析 钢管在缩径变形过程中，金属在三向应力的作用下而变形，由于各种因数，壁 管很薄，缩径率超过一定值时，缩径钢管就会由于失去稳定性而产生局部的或者沿钢管全长的管壁内陷，如图 2.3 所示。根据实验，当模具锥角 =10 15 时，为了防止钢管失稳，缩径时减轻 D 应该小于壁厚 t 的 b 倍，即 D bt。 图 2.2 模具内部微元体上的应力状况 缩径时钢管失稳发生在钢管和模壁开始接触的可能性最大，因而相对于变形区的其他部分，该处钢管的 t/D 值较小而模壁 作用在钢管上的径向力最大。 2.5 产品开发应用性 由 缩径机加工出来的钢管能满足不同尺寸要求，其管端不仅外形美观，而且表面光洁度高。相对过去钢管二次加工的方法，缩径机还可以节约材料，使用安装方便，基于其各项优越性，这种产品在国外已经得到广泛的应用。 经过缩径机根据所需的尺寸加工出来的缩径管主要用于灯柱、旗杆、标志杆等。就沈阳理工大学学士学位论文 7 照明灯柱而言，世界上照明灯柱经历了木杆、钢筋混凝土杆和金属杆三种阶段。 在我国，目前大部分电杆仍采用水泥的材质，这种电杆外形不美观，笨重不宜装卸，且运输不便，如今越来越多的大型广场需要高杆 的灯柱来保证充分的照明，水泥柱就很难满足这种要求，这样就体现了金属杆方便、美观等优势。随之钢管缩径机即可以发挥起钢管需要整形的功效。 用多节管径不同的钢管依次头尾对接而制成的灯柱、旗杆、标志杆等，不但外形美观而且运输方便。因此，为适应我国现代化城市建设需要，无论在我国还是在国外，钢管生产行业都将有很大的推广价值，它也是为我国钢管生产行业独自开发新产品，进而赶超世界先进水平做贡献。 沈阳理工大学学士学位论文 8 3 液压系统及结构设计 3.1 系统液压的回路设计 该液压回路是为了有 效地控制夹紧缸，推模缸、的工作，其具体结构如下图所示： 图 3.1 液压系统原理图 上图中各液压元件的名称如下： 表 3.1 液压系统个元件名称 1油箱 2液体温度计 3过滤器 4电动机 5液压泵 6压力表 7单向阀 8电磁换向阀 9液控单向阀 10.夹紧缸 11压力继电器 12.行程开关 13.推模缸 14行程阀 15.调速阀 16.电磁换向阀 17.截止阀 18.粗过滤器 沈阳理工大学学士学位论文 9 3.2 液压系统回路对工序中各动作的控制 按照课题要求，缩径机加工钢管应该先后实现的动作：（上料） 夹紧快进工进拔模松开 表 3.2 液压系统时序动作表 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 工作压力（ MPa） 夹紧 + - - - - 32 快进 - - + - - 32 工进 - - + - + 32 拔模 - - - + + 32 快退 - - - + - 32 松开 - + - - - 该液压系统的工作原理： 1 夹紧： 进油路：液压泵 5单向阀 7电磁换向阀 8（左位）液控单向阀 9加紧缸10（上腔） 回油路：加紧缸 10（下腔）液控单向阀 9电磁换向阀 8（左位）截止 阀17粗过滤器 18油箱 1 2 快进： 进油路：液压泵 5单向阀 7电磁换向阀 16（左位）行程阀 14（左位）推模缸 13（右腔） 回油路：推模缸 13（左腔）电磁换向阀 16（左位）截止阀 17粗过滤器18油箱 1 3 工进： 进油路： 液压泵 5单向阀 7电磁换向阀 16（左位）节流阀 15推模缸 13（右腔） 回油路：推模缸 13（左腔）电磁换向阀 16（左位）截止阀 17粗过滤器18油箱 1 沈阳理工大学学士学位论文 10 4 拔模： 进油路：液压泵 5单向阀 7电磁换向阀 16（右位）推模缸 13（左腔） 回油路：推模缸 13（右腔）节流阀 15电磁换向阀 16（右位）截止阀 17粗过滤器 18油箱 1 5 快退： 进油路：液压泵 5单向阀 7电磁换向阀 16（右位）推模缸 13（左腔） 回油路：推模缸 13（右腔）行程阀 14（左位）电磁换向阀 16（右位）截止阀 17粗过滤器 18油箱 1 6.松开： 进油路：液压泵 5单向阀 7电磁换向阀 8（右位）液控单向阀 9加紧缸10（下腔） 回油路：加紧缸 10（上腔）液控单向阀 9电磁换向阀 8（右位）截止阀17粗过滤器 18油箱 1 沈阳理工大学学士学位论文 11 4 电气控制系统设计 4.1 可编程序控制器概述及其发展趋势 可编程序控制器（ Programmable Logic Controller）是以微处理器为核心，综合了电子技术、自动化技术、网络通讯技术于一体的通用工业控制装置。英文缩写为 PC或者 PLC。它具有体积小、功能强、程序简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣的工业环境的能力，更是得到用户的好评。 由于控制对象的复杂性使用环境的特殊性和运行工作的连续长期性，使得 PLC在设计、结构上具有许多其他控制器无法比拟的特点： 1 可靠性高，抗干扰能力强 2 通用性强 ，使用方便 3 程序设计简单，易学易懂 4 采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便 5 系统设计周期短 6 安装方便，调试方便，维护工作量小 7 对生产工艺改变适应性强，可以进行柔性生产 PLC的发展趋势： 1 向高速、大存储容量方向发展 2 向多品种方向发展 4.2 PLC 控制系统的设计与开发 4.2.1 工艺流程图与动作顺序表的设计 如图 5.1所示，图中 1SP为行程阀， 2ST 4ST为限位开关， SB1 为启动按扭， 1YA4YA为电磁阀， KT为延时继电器， KP为压力继电器。 沈阳理工大学学士学位论文 12 图 4.1 工艺流程图 表 4.1 PLC 控制系统动 作顺序表 步序 输入条件 输出 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 原位 4ST - - - - - 夹紧 4ST SB1 + - - - - 快进 KP - - + + - 工进 1SP - - + - - 保压 2ST - - - - - 拔模 2ST KT - - - + - 快退 1SP - - - + + 松开 3ST - + - - - 4.2.2 现场器件与控制系统内部等效继电器地址编号对照表 根据动作顺序表选定与各开关、电磁阀等现场器件对应的 PLC内部等效继电 器地址编号，对照表如下所示： 沈阳理工大学学士学位论文 13 表 4.2 现场器件与 PLC 内部地址编号对照表 现场器件 等效继电器地址号 说明 输 入 SB1 00001 启动按扭 KP1 00002 夹紧到位 2ST 00003 工进到位 3ST 00004 快退到位 4ST 00005 夹紧缸原位 SB2 00006 停止到位 S5 00007 位置传感器 输 出 1YA 01001 夹紧 3YA 01002 工进 4YA 01003 拔模 2YA 01004 松开 上料装 置 01005 上料 5YA 01006 快进或快退 4.2.3 现场器件与 PLC 的连接图 图 4.2 PLC 控制系统与现场器件的连接图 沈阳理工大学学士学位论文 14 表 4.3 PLC 控制系统梯形图 4.2.4 PLC 梯形图 满足所要求工艺流程的梯形图如 5.3 所示。其具体控制过程如下： 1 按下启动按扭 SB1，输入继电器常开触点 00001 闭合，输入继电器 01001得电，驱动电磁阀 1YA，此时夹紧缸开始执行夹紧动作，同时，输出继电器 01001 的动合触点闭合自锁； 2 当夹紧动作到位，压力继电器发出信号， 00002 闭合，输出 01002 和01006，他们的动触点自动自锁； 3 快进到位时，碰到行程阀 1SP， 01006 的触电断开，只留下 01002 触点自锁，此时推模缸开始工进； 沈阳理工大学学士学位论文 15 4 工进到位时，碰到行程开关 2ST， 00003 闭合，计时器得电，开始保压； 5 当计时器规定的时间一到，输出继电器得电并且自锁，驱动电磁阀 4YA，推模缸开始拔模； 6 当碰到行程阀 1SP 时， 01006 的触点自动自锁，此时推模缸开始快退； 7 退回到位时，碰到行程开关 3ST， 00004 闭合，输出继电器 01004 得电并自锁，驱动电磁阀 2YA，夹紧缸向上动作松开被加工钢管； 8 夹紧缸退回到原位时碰到行程开关 4ST，长闭触点 00005 断开，其常开触点闭合，夹紧缸停止工作，上料装置开始上料，动作完成后发出信号给夹紧缸开始重复上述过程。 表 4.3 现场器件与 PCL 内部地址编号对照表 步序 指令 说明 步序 指令 说明 1 LD 00001 启动 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 进 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 松开 13 OUT 01006 34 OR 01004 14 LD 00002 工进 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 保压 39 AND 00006 沈阳理工大学学士学位论文 16 19 AND T001 40 OUT 01005 20 OUT T001 41 END 21 LD T001 拔模 沈阳理工大学学士学位论文 17 5 设计计算 5.1 挤压力计算 对钢管缩径尺寸要求如下： 表 5.1 钢管的缩径尺寸 序号 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）： 轴向力： 11m a x211 1 14R Y tq m Y B RR 缩径形成力 F 为： 1 1 m axF D t q其中： m 可调整的常数，由最小二乘法确定； Y 理想钢塑性材料的屈服应力； ctg 所给课题中厂家要求被加工钢管的材料为 A3 钢，取 Y=23.5kg/mm,m=2.4, 0.15，本设计的加工长度 L=100 1 2 1 22 2 4 0D D D Dtg L 12 5 . 12DDa r c t g L LLLLLLLLL 三个不同的缩径过程就要求计算三个相应的缩径形成力，计算步骤及结果如下所示： 第一组数据： . 1 166D 2 150D 1 4.5t由（ 3.1）式得 ： 沈阳理工大学学士学位论文 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 理论 又因为在计算过程中我们认为在模具出口端管子只做无摩檫刚性移动，而实际情况下由于存在弹性回复现象，模具对管壁产生弯曲和摩檫作用，因此，实际推模力要比理论值增加 10% 15%，所以实际推模力为： 1 1 2 %4 1 . 5 2 1 1 2 %4 6 . 5 1FFTT理论实际 第二组数据： D1=166 D2=124 t1=6 12021 6 6 1 2 42409 . 9 2 6DDa rc tgLa rc tg沈阳理工大学学士学位论文 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 理论 又因为在计算过程中我们认为在模具出口端管子只做无摩檫刚性移动，而实际情况下由于存在弹性回复现象，模具对管壁产生弯曲和摩檫作用，因此，实际推模力要比理论值增加 10% 15%，所以实际推模力为： 1 1 2 %4 6 . 5 9 1 1 2 %9 5 . 3 6 1 1FFT理论实际 取圆整： F 实际 =96T 第三组数据： 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 理论 沈阳理工大学学士学位论文 20 又因为在计算过程中我们认为在模具出口端管子只做无摩檫刚性移动，而实际情况下由于存在弹性回复现象，模具对管壁产生弯曲和摩檫作用，因此，实际推模力要比理论值增加 10% 15%，所以实际推模力为： 1 1 2 %6 6 . 8 1 3 2 1 1 2 %7 4 . 8 3FFT理论实际 取圆整： F=75T 所以由计算知三种不同的尺寸缩径形成力分别为： 表 5.2 三种不同尺寸的缩径成型力 一 二 三 47 96 75 如果要满足该机器的的应用要求来加工所需要不同力的四根管，则需要在这四个力中选最大值，所以选第二组力： F=96T。 5.2 油压的选择 此系统用单泵供油，选用高压泵 32MP，此压力用以实现推模和夹紧缸的快进快退。 5.3 液压缸的选择 5.3.1 推模缸的选择 单缸与双缸推模比较：（ 1）单缸结构简单，成本低廉，但是对中性 能差； （ 2）双缸运行平稳，推模产品质量高，但成本比单缸贵。 根据本设计机械的要求进行综合比较，选用双缸推模。 两个液压缸共同作用需要达到的总推模里 P=96T，则每个液压缸需要提供的力为： F=P/2=96/2=48T 又因为推模缸运行过程中油压为 32MP，则计算出推模油缸的缸径 D 为： 236/44 4 4 8 1 0 1 03 2 1 0138F P S P DFDPmm Q查机械设计手册从优先选择范围中选择液压缸的缸径：取 D=200mm 沈阳理工大学学士学位论文 21 外径 D1=245mm; 活 塞杆的直径：由速度比的要求来计算： 1dD 式中： d 活塞杆的直径 D 液压缸的直径 22221v Dv D d 活塞缸缩入速度 v2=50mm/s v1=40mm/s 取速度比为 1.25,则 d=0.56D=0.56 200=112 取标准值 d=110mm 缸长 +行程长度 =L1+S=1115mm 5.3.2 夹紧缸的选择 由于夹紧动作对中性要求不高，且为了提高效率，降低成本，夹紧缸选用单缸工作。起材料为 45#钢 安装方式 为头部法兰 推模力 P=96T 静摩檫系数 f=0.3 则夹紧力 N=P/f=96/0.3=320T 又因为油压为 32MP，由 F=P S=P /4 2D 得： 4644 3 2 0 1 03 2 1 03 5 6 .1 9FDPmm查机械设计手册从优先选择范围中选择液压缸缸径： D=400 mm，选取内径 D=360mm 外径 D=419mm 活塞杆缩入速度比的要求来计算： 1dD （ 5.2） 式中： d 活塞杆直径 D 液压缸直径 沈阳理工大学学士学位论文 22 21222vvDDd 活塞杆直径：计算过程同上述推模缸， 得 d=160mm 缸长 +行程长度 =L1+S=1240mm 5.4 模具的设计计算 5.4.1 模具的设计 此课题中模具的设计对产品的质量起到了至关重要的作用。加工过程中模具设计的优猎及合理与否直接影响到产品能否满足尺寸要求及表面质量的好坏，优化的模具应 用于机械设备中又能够省时省料，提高生产效率。总之，模具的设计是本设计的一重点环节。 根据课题要求，管外管外径尺寸又 166mm 到 150 不等，壁厚由 4.5mm 到 7mm 不等，所以需要的三个模具分别对其加工。模具材料选用 Cr6MV，此材料是冲压模具材料，虽其耐磨性、淬透性能稍差，但加入了 W元素，提高了钢的稳定性、综合力学性能，适用于弯曲模具： HRC58C 62C 。其屈服强度s=1100MP，所设计模具的基本尺寸如图5.1所示： 沈阳理工大学学士学位论文 23 图 5.1 模具的基本结构及其尺寸 表 5.3 模具的尺寸表 （单位： mm） 1 2 3 D1 170 170 155 D2 166 166 150 D3 150 124 124 说明： 本设计采用管料的空心正挤压，所以采用凹模（金属的冷挤压有多种形式的类别，当金属流与胚料相对方向相同时为正挤压，反之为反挤压。本课题需要管料的前端缩径，属于 正挤压，采用凹模对管料较为合适）。 如模具结构图所示， A-B段为导入部分，即导向盛料腔， A以左为孔口， B-C段为工作腔。孔口为了方便进料做圆角或者倒角处理，以便为 2 45 或者 R2R3，也可以将模口加工成带有锥度或者一定斜度的形状。 在挤压过程中盛料腔作为模口的一部分，兼与凹模向导，为了防止锥形与圆柱料管接触处产生裂纹，将盛料腔与工作腔分为两部分，中间圆环面过渡。 工作腔的形状主要取决于加工零件的形状、尺寸、及加工方式等，设计是应该把放料、退料、引导和挤 压形变的因数考虑进去，另外为了避免应力集中和高应力区的产生，沈阳理工大学学士学位论文 24 型腔内不允许有尖角，下凹和横断面的极度改变，不相切的圆角半径，工具的标记，刻痕，刮痕或者其他类似情况存在，因为它们都有可能成为高应力区，导致模具的端面破裂，这是任何一个承受压力的模具构件都不允许的。 5.4.2 模具的强度计算 将冷挤压凹模力视为内部受均匀压力作用的厚壁圆桶，凹模截面内径任意半径 r处的切应力 t 与径向力 rr可用厚壁圆桶理论公式表示为： 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恒为压应力，而 t恒为拉应力。沿凹模厚度，二者的变化情况如图 3.2所示，在凹模内侧面处， r=a,两者同时达到极值。因为两者均为主应力，故可记为 t= 1, r= 3 。根据最大剪应力理论，塑性和强度条件分别为： 13s （ 5.5） 13 （ 5.6） 式中 s为材料的屈服极限 以公式（ 3.1）（ 3.2） t r分别代替 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是凹模内侧面处开始出现塑性变形懂得内压力。 四套模具中 2a=D3,其 D3值各不相同，由于应力与 a成反比，因此找其中最大一个D3进行校核 ，由 3.3 表中查的最大 D3=180mm 即： 2a=180mm 故 a=90mm 四套模具中 2b值均为 240mm 则 :2b=240mm 故 b=120mm 钢管材料为 A3 则： p1=23.5MPa 由上述条件可得： 沈阳理工大学学士学位论文 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 又因为： 3 7 7 . 1 2 8 1 / 3 1 / 3 1 1 0 0 3 6 6 . 7rsM P a M P a 综上所述，可得证该模具安全可靠。 图 3.2 沿凹模厚度 拉应力 r 和应力 r 变化情况 5.5 上下夹具体及夹块的设计与计算 5.5.1 上下夹具体的设计 功能：用以固定管材使之不至于窜动而影响加工质量 材料：要求牢固耐用，故选用 A3 钢 结构图如图所示： 沈阳理工大学学士学位论文 26 图 5.3 上下夹具体基本结构 上部分圆柱内部有螺纹用来与夹紧缸的头部联结，并一侧开有定位孔以便销钉防止活塞来回运动产生松动。 加紧过程：上夹具体随着夹紧上下运动，下夹具体由螺钉固定在床座上不动，上下家具体之间装有一套可更换的夹块（ 3 个），可以对 3 种不同的管径的钢管进行夹紧，上夹具体提升时把管料放在下夹具体上 ，夹紧缸推动上夹具体由行程开关控制其行程，直到管料夹紧，待推模缸完成推模后，上下夹具体分开，此时可以卸料。 5.5.2 夹块的设计计算 功能：装在上下夹具体上，便于加工各种不同尺寸管料更换 材料：选用 45#钢 结构图如图所示： 沈阳理工大学学士学位论文 27 图 5.4 夹块的基本结构 在一组的四个夹块中 D1 值最大的危险，因为四个夹块的外径都是 254，所以由表5.1 中查得 Dmax=191mm，因此只校核夹块即可。 由夹紧缸的缸所用油压可求出作用在夹块上的力为： 623 2 1 0 0 . 3 643 2 5 5 . 6N P SKN 作用面积 A 应为夹块在水 平面上的投影面积 : 20.4 0.2540.1016A L Dm由 P=N/A 得外压强： P2=N/A= 3255.6 310 /0.1016 =32.04MP m a x 166 8322Da m m 沈阳理工大学学士学位论文 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 由此可见，夹块安全可靠 。 5.6 螺纹的设计计算 5.6.1 夹紧缸活塞杆端与上下夹具体连接 因为这里的夹紧力比较大，所以选用梯形螺纹，由于夹紧缸缸径为 360mm,这就是要求前端螺纹的公称直径在 200mm 左右。 此处内螺纹选用 Tr200 8-7H，外螺纹： Tr200 8-7h。 在机械设计手册中查得螺纹牙的强度校核公式： 对内螺纹： 1213wzwwwzF d b zKFhK d b z （ 5.9） 对外螺纹： 23wzwwwzF D b zKFhK D b z （ 5.10） 沈阳理工大学学士学位论文 29 其中： wF 最大轴向外载荷（ N），此处wF=3255.6KN； d 1 外螺纹小径（ mm）； D 内螺纹大径（ mm）； b 螺纹牙根部宽（ mm）； p 螺距（ mm）； h 螺纹高度（ mm）； 载荷不均匀系数，内螺纹均为钢时 ， Kz=0.56 螺纹材料许用剪应力（ MPa），对 45#钢的静载情况， / 3 6 0 / 2 . 5 1 4 4s n M P a w 螺纹材料许用应力（ MPa），对 45#钢 /wsn，取 n=1.4， 则： 3 6 0 / 1 . 4 2 5 7w M P a ； Z 螺纹工作圈数，对于本连接螺纹 Z=H/P=200/8=25 尺寸如图 5.5 所示。 对外螺纹： 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 所以剪切强度满足要 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 所以许用应力也满足要求。 沈阳理工大学学士学位论文 30 图 5.2 Tr200 8-7H 螺纹的具体尺寸 对内螺纹：所用到的校核公式与外螺纹的相同，但内螺纹的 D， d1 均大于外螺纹的 D，d1。 而且，这两项均在分母中，所以内螺纹的剪切力和许用应力一定小于外螺纹的，所以内螺纹的强度一定满足要求。 5.6.2 推模缸与模具底座间的连接 由于推模的力比较大，所以也选用梯形螺纹，而推模缸内径为 200mm，这就要求活塞杆头部螺纹的公称直径在 110mm 左右，此处选用内螺纹型号为 Tr110 4-7H,外螺纹型号为： Tr110 4-7h。 因为完成第四组要求缩径尺寸所需的力量最大，又因为设计中采用双缸推模，所以此步校核螺纹就用第四组加工时所需力的一半作为所受载荷，即： FW=48T，此螺纹的工作圈数： Z=H/P=110/4=27.5，尺寸如图 3.6： 对外螺纹： 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 沈阳理工大学学士学位论文 31 因为 =144MPa 所以剪切强度满足要求。 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 所以也满足应力要求。 对内螺纹：所用到的校核公式与外螺纹的相同，但内螺纹的 D， d1，而且这两项都在分母中，所以内螺纹的剪切力和许用应力一定小于外螺纹的，所以内螺纹的强度一定满足要求。 图 5.6 TR110 4-7H 5.7 立柱及其辅助件的强度校核 5.7.1 立柱的强度校核 由装备图可知四根相同的立柱，其材料为 45#钢，截面半径 D= 100mm，两头联结螺栓之间部分长度 L=1992mm，其作用是共同抵制夹紧动作。 沈阳理工大学学士学位论文 32 上述夹紧力为 N=3200000N 则每个立柱受力为： F=N/4=3200000/4=800000N =F/A =4F/ 2D =3200000/（ 3.14 100 100） =101.9MPa w=355MPa 所以立柱强度满足要求。 5.7.2 立柱与床座连接螺母的螺 纹强度校核 螺母材料为 A3钢，规格为 M64 4 50，每个立柱用 4个，一头用两个 。 / 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 由此可见，此处的螺纹强度满足要求。 5.8 推模缸后端部后坐力校核 5.8.1 推模缸后端部的结构计算 考虑被加工材料为钢，所需要的推模力较大，这样与缸体联结的 结构就有可能受后坐挤压力而受损，这就要求液压缸后端的结构要求牢固可靠。 沈阳理工大学学士学位论文 33 图 5.5 推模缸后端部的结构 图中： 1.搭悍平板 2.丁字接头焊接立板 3.丁字接头焊接筋板 4.与床坐固定螺栓 5推模缸 具体结构设计如图 5.5 所示，焊接工序如下： 1 在床座上先搭焊平板 1； 2 利用丁字接头立焊平板 2； 3 用 8 个螺栓固定平板 1 和床座； 4 用丁字接头立焊 4 个筋板 3。 这样的结构设计使推模缸后坐力由这四部分分担，其力的分配状况如下： 1 平板 1 与床座焊接在一起提供拉力； 2 平板 2 承受外矩作用； 3 筋板处焊缝承受拉力； 沈阳理工大学学士学位论文 34 4 八个螺栓 承受剪力。 3.8.2 退模缸后端部结构强度校核 由于推 模的后坐力由上述四部分结构分担，但不清楚四部分对力的分担情况，因此不能将后坐力分配到四部分去校核，由此可用下述方法进行近似的强度校核： 1. 分别对四部分结构的许用应力值进行计算； 2计算各部分所能承受的最大载荷； 3将四项最大载荷之和与推模缸的后坐力比较 由 5.1 节内容可知：实际推模力为 96T，每个缸最多提供 48T 的推模力，即两推模缸的最大为 96T，以下分别计算 4 各部分所能承受的最大力。 1.搭焊的平板 1 与床座可承受的拉力 查看焊接结构一书中 表 3-2知： 在搭接的正面焊缝受拉力情况下有： / 1 .4P K L 则 m a x 1 .4P K L 其中： K 焊角高度 L 焊缝长度 焊缝许用应力 将 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丁字接头焊接的立板 2 所承受的最大力 查看焊接结构一书中表 3-2知：在丁字接头 M垂直板面的情况下有： /MW ， 3 31 . 4 / 6 1 . 4W L k k （ 5.11） 材料为 45#钢：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 油缸的中心线到板 2底边的距离； L 焊缝长度； 钢板的厚度 k 焊角的高度 将 h=320 mm , L=1300 mm , =30 mm ,k=7 mm 代入上述公式得： 沈阳理工大学学士学位论文 35 3 31 . 4 / 6 1 . 4W L k k =196223.74 =320 maxP /W maxP= W/320=144 196223.74=8.83T 3. 四个筋板所能承受的最大剪力 查看焊接结构一书中表 3-2知：在丁字接头无坡口， P平行于焊条的情况下有： 22m 合 其中： 23 / 0 .7m pl kh / 1.4p kh 上式中： l 推模缸中心线到底板 1的距离 h 板的宽度 k 焊角高度 将 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 四个筋板所能承受的力为： 4maxP=4 98874.5=39.57 T 4 八个螺母可以承受的最大剪力 螺栓的材料为 45#钢， 360s MPa / 3 6 0 / 1 . 5 2 4 0s S M P a m a x m a