说明书-张光宇

本科毕业设计(论文)1570mm滚筒式切头飞剪的设计Designof1570mmdrumtypeflyingshear学院：机械工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化机械092学生姓名：张光宇学号：010911221指导教师：周建来（教授）2013年5月

毕业设计（论文）中文摘要1570mm滚筒式切头飞剪的设计摘要：剪切工艺是在现代金属轧制生产线上很重要的一个步骤，它能将带材剪切为需要的尺寸来适应生产的需要。本文设计的1570mm滚筒式切头飞剪主要由上下滚筒、剪刃、分配齿轮和剪刃间隙调整机构组成。此飞剪的工作特点是旋转平衡性好，剪切速度高，两滚筒的转向相反，滚筒上装设两对不同的剪刃，所以能分别完成切头、切尾的不同工作要求。滚筒式切头飞剪的轴承座与机架不是一个整体，为了能实现快速的跟换剪刃，提高生产效率，采用滚筒座成套更换的方式来跟换剪刃。这台飞剪最大剪切宽度为1570mm，在900摄氏度时剪切含碳量0.25%的碳素钢，最大剪切厚度为40mm，剪切速度为1.5—3m/s。关键词：滚筒；剪刃侧隙；滚筒轴承座

毕业设计（论文）外文摘要Designof1570mmdrumtypeflyingshearAbstract:Modernmetalcuttingprocessisaveryimportantstepontherollingproductionline,Itcancutthestriptotherequiredsizetoaccommodatetheneedsofproduction.Thisdesignof1570mmdrumflyingshearismainlycomposedofroller,lowerroller,cuttingedges,distributiongearsandbladegapadjustmentmechanism.Thisflyingshear'sworkcharacterizedisgoodrotationalbalance,highshearrate,tworollersrotateinoppositeandtherollersareInstalledtwopairsofdifferentcuttingedges,tocompletethedifferentjobrequirementsofcuttingheadandcuttail.Drumflyingshear'sbearingseatandtherackarenotinawhole.inordertochangecuttingedgesquicklyandimproveproductionefficiency,weusethecompletereplacementofthedrumseatforwaystochangethecuttingedges.Thisflyingshearsmaximumshearwidth1570mm,shearat900degreesCelsius,thecarboncontentof0.25%carbonsteel,maximumshearthickness40mm,ashearrateof1.5-3m/s.Keywords:roller;cuttingedgebacklash;rollerbearing目录1绪论………………11.1研究的意义…………………11.2我国飞剪的发展状况………11.3发展趋势……………………12滚筒式飞剪的结构介绍………32.1设备组成……………………32.2工作原理……………………63基本参数的确定………………83.1飞剪剪刃圆周速度的计算……………………83.2剪刃重合度、剪切时的剪刃轨迹和半径……83.3确定剪刃的侧向间隙…………………93.4确定剪切角…………………103.5剪切力的计算………………103.6剪切力矩的计算……………143.7剪切功的计算………………154主电动机的功率和转速的选择…………………165滚筒的校核…………175.1根据扭转强度条件来计算………………175.2按弯扭合成强度条件来计算……………186齿轮的校核………………………206.1选用齿轮类型、精度等级及齿数…………206.2按齿面接触强度设计……………………206.4几何计算……………………237键的选择和校荷………………25结论…………………26致谢…………………27参考文献……………28淮海工学院二〇一二届本科毕业设计（论文）第28页共28页1绪论1.1研究的意义飞剪机是一种非常重要的板带材剪切的设备，主要作用是在轧制生产线上对板带材进行剪切，是连续轧制生产线上非常重要组成设备，其工作性能的好坏直接影响着整个轧制生产的效率和产品质量。随着科技的发展现代的带钢轧机轧制速度的提高，飞剪的剪切速度也出现了明显的提高。现在的板带材加工车间里的飞剪按用途分可分为切头飞剪和定尺飞剪两类，其中又包括曲柄式、滚筒式、滑座式和摆式等。图1-1三种常见的飞剪形式1.2我国飞剪的发展状况由于我国的社会发展起步慢，各类行业的发展基本上都比国外要落后，飞剪机的发展同样比较慢。多年来，我国的比较先进的大型飞剪机都是从国外引进的，价格十分昂贵，许多企业由于价格的原因而无力购买，国内在飞剪机的设计制造技术方面有很大一片空白。后来随着我国机械行业的快速发展，开始研制出各种类型的飞剪机，虽然与国外比起来还有一定的差距，但是基本上能满足普通生产的需要了。1.3发展趋势飞剪的类型有很多种，但是总的来说按工作制来分，飞剪机大致可以分为连续制飞剪和起停制飞剪两大类。1、连续制飞剪机：工作时系统的动力由电动机提供，带动系统工作进行连续不断的运转，使剪切机构做连续不断地空切动作。当带材运送到剪刃前面的时候，需要进行剪切时，可以调节空切机构的位置，使剪切机构进行剪切的动作，剪切完成以后再回到空切运转的状态，这种飞剪的主要构件为空切机构。2、起停制飞剪机：现在国际上一般使用的启停制飞剪机有两种。一种是离合器制动器式飞剪，另一种则是电机直接起停式飞剪。离合器制动式飞剪主要靠离合器将传动装置和剪切装置连接起来的。当需要进行剪切的时候用离合器将运转的传动装置和静止不懂的剪切装置连接到一起，然后剪切装置开始运动，进行带材的剪切。剪切完成后，离合器脱开制动器合上，剪切装置就由机器控制停止在某一个固定的地点等待下一次的剪切，而传动装置则继续不停的运转。这种机型传动部分的转动惯量很大，剪切部分的转动惯量很小。离合器式启停制飞剪适合飞剪需要平凡的停止和启动的机器上。电机直接起停式飞剪机例如滚筒式切头飞剪一般都是采用采用低惯量大扭矩直流电动机，整机直接起动、剪切、制动。整台机器都处于静止状态，当需要剪切时启动电动机通过传动装置将动力传动到滚筒上，使滚筒转动带动剪刃进行剪切，停止时直接停止电动机使整台机器停止转动。直流电动机的另一个特点是电动机可以反向转动，从而保证每一次剪切完成后都能将剪刃停止到某一个特定的位置以备下一次的剪切。因此，这种飞剪结构简单，维护保养方便，剪切精度较高此外飞剪机的价格和重量的改变也是飞剪发展的趋势，一种飞剪机虽然功能齐全但是价格太贵的话也会影响人们对它的使用，因为人们买东西的时候首先会对他的性价比进行了解，若价格太高，则不会成为首选之物。飞剪的重量也是一个很重要的因素，太笨重的机器不方便运输，安装，影响用户的工作。2滚筒式飞剪的结构介绍滚筒式切头飞剪主要有两种形式,一种是机架与滚筒合二为一,整台机器为一个整体，重量较轻，结构也比较简单，这种飞剪的刚性比一般的飞剪大，所以剪切精度高,目前的滚筒式切头飞剪大多都采用这种先进的结构；另一种是轴承座可以从侧面送到机架里面然后通过固定装置将轴承座固定在机架上,这种飞剪的优点是可以设置备用的跟换装置，快速的跟换轴承座来跟换剪刃。缺点是由于滚筒轴承座与机架不是固定的所以剪切精度没有前面一种的精度高,而且设置额外的轴承座装置会加大资金的投入，设备的重量也很大，不利于使用。2.1设备组成传动装置：飞剪机的动力是通过电动机由一个二级圆柱齿轮减速器传到下滚筒，再通过上下滚筒的同步齿轮使上下滚筒同速转动，实现同步剪切的。减速器是用来增大扭矩和降低转速的，其特点是效率及可靠性比较高，工作寿命长，维护也很简单，因此齿轮减速器的应用范围很广。图2-1二级圆柱齿轮减速器飞剪机的本体：滚筒式飞剪机的本体主要由机架和滚筒轴承座组成，机架的牌坊是铸造成的，底座是焊接的。机架承受带钢的冲击力和拉力，轴承座承受倾翻力矩，而且为了加强机架的刚度，用上下横梁将机架连接起来，并且用地脚螺栓将机架固定在底座上。滚筒轴承座上装有一对安装有剪刃的滚筒，滚筒通过分配齿轮连接。滚筒式飞剪的上下滚筒都各有两对剪刃，飞剪的间隔可以是90也可以是180度，飞剪用固定套固定在滚筒上并用螺栓拧紧。剪刃底部与滚筒间有垫片，可以调整剪刃的高度。为了减轻滚筒的重量，滚筒上面有几个槽。图2-2剪刃装配图而且为了获得舌行的带头和带尾，剪刃刃口应该为弧形的，B刃与C刃的形状是一样的，弧形剪刃的刃口都向外侧突出，剪刃的长度为1710毫米；A刃与D刃相同，弧形的刃口向内侧凹入，剪刃的长度为1690毫米。切头的时候，下滚筒的剪刃B与上滚筒的剪刃与从带钢的中间开始逐渐的向两边咬合，切尾的时候则是相反的，是从两边逐渐向中间咬合。弧形剪刃的曲率半径为19320.4毫米。图2-3剪刃飞剪使用的时候要根据带钢来选取剪刃间隙，剪刃间隙的调整较为简便，首先将小车推入滚筒轴承座的下面，然后松开下楔块和轴向固定装置，小车将滚筒轴承座整体拖出机架，运送到专门用于剪刃调整的地方。将万向接轴与下滚筒操作侧伸出的轴连接起来，有一台电动机带动下滚筒转动，待到飞剪的剪刃慢慢的重合以后，用工具检测剪刃的间隙，再做出一定的调整。图2-4上滚筒剪刃调整机构调整时先将锁紧螺栓拧出，是调整套与支持套不再是固定的，而是可以自由调节的，首先转动调整套，则上滚筒做轴向移动，由于上下滚筒的分配齿轮是斜齿的所以，随着上滚筒的移动，下滚筒会稍微的转动一定的角度，这样两剪刃的间隙就会随着改变，调节完成后用锁紧螺钉将调整套固定死，然后再由小车将滚筒轴承座送入机架内，并且夹紧轴承座。在调整套上均匀分布有20个调整空，每个孔的间隔为18度，由于调整螺纹的螺距是5毫米，所以调整套每转动一个孔距，滚筒则会轴向移动0.25毫米，这样就可以较为准确的计算出间隙调整的距离。从滚筒的操作侧一面来看，若是顺时针转动调整套，那么上滚筒会向操作侧移动，下滚筒则做逆时针转动，两剪刃的间隙就会变大。如果逆时针转动调整套，那么上滚筒会向操作侧反方向移动，下滚筒则做顺时针转动，两剪刃的间隙就会变小，所以应该根据需要来进行合理的转动。图2-5上滚筒剪刃调整机构上滚筒作轴向运动后，上下两剪刃的位置会发生一定的改变，所以应该松开对上剪刃的固定，调节上剪刃使上下两剪刃保持中心线重合后，再用螺栓固定住上剪刃。2.2工作原理滚筒式飞剪的一对剪刃在滚筒的带动下转动，切头时，在转动85度左右的时候剪刃与带钢接触，开始进行剪切，剪切完成后由于剪刃的速度大于带钢的速度，所以剪刃将废料退入废料槽中，而后剪刃继续转过95度以后停止转动并开始冷却。然后是切尾，切尾时剪刃首先往回转一定的角度，再顺向进行剪切图2-6剪刃剪切运动轨迹3基本参数的确定当飞剪的形式确定以后，就应该选定机构的主要几何尺寸和运动学参数。例如飞剪的基本转速、剪刃速度、剪切时剪刃的轨迹、剪刃重合度、上下两剪刃回转中心的距离以及开始剪切时的初始角、剪刃侧向间隙及其调整范围等。3.1飞剪剪刃圆周速度的计算飞剪剪刃圆周速度的选取是按一定的原则的。在切头的时候飞剪剪刃圆周速度的水平分量应该比带钢的运行速度稍微大3%～10%左右，在切尾的时候飞剪剪刃的圆周速度的水平分量则应该比带钢的运行速度稍微小一点，大概3%～10%左右，即是=（1.03～1.1）=（0.9～0.97）式中，————轧件的运动速度，米/秒；————飞剪剪刃在水平方向上的分速度；但是在实际生产中的速度常常大于给定的值。所以此飞剪的圆周速度在水平方向上的分速度为=（1.03～1.1）×2m/s=2～2.06m/s,=（0.9～0.97）×2m/s=1.8～1.94m/s3.2剪刃重合度、剪切时的剪刃轨迹和半径飞剪的剪刃重合度对于带钢的剪切时非常重要的，若剪刃重合度太大，发生不平行的运动时可能产生打刀等事故，因此飞剪剪刃的重合度应该有一定的数值。因为此飞剪的最大厚度为40mm,根据资料《板带材生产工艺及设备》中有关于不同厚度的带钢的重合度和剪刃间隙的要求，选择重合度a=13mm,飞剪的剪刃间隙为1.2mm。飞剪剪刃剪切时的轨迹半径和剪刃中心线的间距及剪刃重合度有关，如下图图3-1飞剪机的剪切过程由上图可知A=（+）-a式中的和为飞剪剪切瞬时的剪刃的轨迹半径，A为两个滚筒中心的距离，由于上下两滚筒的转速相同，所以等于。因此A=2R-a∴R=(A-a)/2=(1113-13)/2=550mm，所以剪切瞬时的两个剪刃的轨迹半径为R=550mm。3.3确定剪刃的侧向间隙飞剪剪刃的侧向间隙的大小会影响到剪切质量和飞剪的剪切力，而且剪刃间隙过大轧件还可能剪不断。所以，根据带钢的横截面厚度的大小，剪刃间隙也会随之调整。对于那些剪刃做非平面的运动的剪切机构，剪切过程中的剪刃间隙的变化可用作图法来确定它的变化范围，并且设计时还要必须保证它的最小值，否则可能产生卡刀或者顶刀的事故，在飞剪剪切厚板时应该尽可能保证在剪切区内的剪刃的间隙不发生改变。由资料《板带材生产工艺及设备》中有关不同厚度带钢在剪切时需要的侧向间隙表中可以查到，当剪切厚度为40mm的带钢时的剪刃侧向间隙为1.2mm。表3-1剪刃不同的厚度的钢板时的剪刃重合度和侧向间隙3.4确定剪切角当飞剪剪切轨迹形成以后，就可以很容易的根据作图法求得飞剪在剪切时的角度。当飞剪剪切运动轨迹为两个直径一样的圆周时候，飞剪剪切开始时它的剪切角度为式中，A————两个转毂间的中心距；h————轧件的厚度；R————转股半径；————剪刃剪切开始时的瞬时角度；所以剪切过程任意位置的角度为：式中为对应所求切入深度ε时的剪切角度，a为剪刃重合度。3.5剪切力的计算根据带钢材质为25钢，剪切断面62800mm2.剪切力是飞剪机的主要参数，对于合理设计飞剪机；有非常重要的作用。(1)首先根据所剪切的断面尺寸来确定飞剪机的公称能力。最大剪切力Pmax可按下式计算，式中，————————被剪轧件材料在相应剪切温度下的剪切强度，MPa；————————被剪轧件的最大剪切断面，mm2；K=1.1Pmax=0.6×1.1×59×62800

=2445KN飞剪机在剪切过程中，除了克服剪切过程的剪切力外，在水平方向还有拉力。又由于剪刃的线速度高于轧件的运行速度，因而剪刃上受一侧向附加拉力。根据胡克定律，〔1〕P330页由有轧件中的拉应力为式中，E——弹性模数，对25钢在终轧温度为900℃，E=196000MPa；l——剪切终了，在轧件与最后一架轧机的轧件长度；△l——剪切终了时，在轧件长度l段内由拉应力产生的伸长量；根据资料可得，L初步取3米伸长量△l可由剪切过程中刀片与轧件的水平位移量的差值来确定△l=△l1－△l0式中，△l1——剪切时间内刀片在水平方向的移动量；△l0————剪切时间内轧件的移动量轧件的移动量l0=v0t当刀片轨迹半径为R的整圆时，剪切时间为(2)下面计由〔1〕P331页公式角相当于剪切轧件厚度为h时的开始剪切角度，由下式确定式中，a————刀片的重叠量；h————剪切厚度；R————旋转半径；在此处取h=40mm,R=550mm,实测得a=1.8=0.98角为剪切终了的角度，考虑到剪切终了是的相对切入深度ε0,，得﹙3﹚ΔL的计算ΔL=ΔL1－ΔL0式中，ΔL1————剪切时间内刀片在水平方向移动量；Δl0————————剪切时间内轧件的移动量；代入得式中，————轧件的运动速度；————剪切速度；根据设计所给=0.85m／s,=0.94m／s代入公式得=1.73ΔL1=R(sin-sin)=550(0.38-0.2)=9ΔL=99-1.73=97.27(4)运动轧件产生的拉力由[1]330页E在式中近似的取196000MPa代入各值得=399KNT与Pmax的合力是剪刃所受的剪切力（5）总的剪切力计算=2447KNPPmaxTP图3-2剪切力3.6剪切力矩的计算(1)计算咬入角当P最大时，ε=0.8代入咬入角公式：式中，Z————切入深度；Z=εh=0.8×40=32mm=0.97咬入角为剪切过程最大剪切角，此时的剪切力矩最大。（2）最大剪切力矩的计算对轧制过程的受力分析，剪切力矩可以按下式计算=539.78KNm3.7剪切功的计算根据剪切功可以近似计算出剪切机的功率。由﹝1﹞P267页当不考虑刀片磨钝等因素时，可按下式计算式中，a————单位剪切功；F————被剪切件的原始断面；单位剪切功可按﹝1﹞P268页公式通过查表8-8﹝1﹞P268,得a=30Nmm.mm-3代入公式得剪切功A=F.h.a=62800×40×30=75.4kNm4主电动机的功率和转速的选择根据切头飞剪的剪切方式、剪切要求和飞剪的工作环境，滚筒式切头飞剪为启动工作制，飞剪在旋转不超过90度的时候就开始剪切，加速度的时间约为0.1秒，加速时间很短，飞剪电动机的总功率和总的飞轮力矩都应该满足下列的两个要求（1）保证飞剪按照他本身规定的单个剪切循环的时间工作，循环时间应与剪切带钢定尺长度相适应的。（2）满足飞剪在剪切的瞬间电动的的过载的要求使电动机不至于损坏。图4-1电动机特性曲线根据需要选择低惯量直流电动机，这种电动机的特点是：启动快，低速特性好，换向、变速方便。电动机的额定功率为560千瓦，转速为720转/分。5滚筒的校核因为飞剪的设计要求为剪切的带材为900摄氏度的热轧钢，所以根据带钢要求选取剪刃的长度为1690毫米，对应的转毂长度为1870mm。因为滚筒式飞剪在切头和切尾的时候承受的冲击力很大，所以滚筒式飞剪的上下两个滚筒两边都采用四列圆柱滚子轴承，选用滚动轴承时由于轴承外径较大所以选取辊径的尺寸的时候辊径的尺寸d不能太大。近似的根据公式d=(0.5～0.8)D=（0.5～0.8）×973mm式中，D————转毂直径,9辊颈长度L=（0.83-1.0）d=(0.83~1.0)×750=623～750mm，此处选L=5.1根据扭转强度条件来计算这只是按轴所受的扭矩来计算轴的强度的，主要用来初步估算轴径轴的扭转强度条件是式中，————扭转切应力，MPa；T————轴所受的扭矩，Nmm；————轴的抗扭截面系数，；n————轴的转速，r/min；P————轴传递的功率，KW；d————计算截面处轴的直径，mm；查《机械设计》P370页表15-3，选取转毂材料为碳素锻钢，得，由上面的式子可以得到轴的直径式中因为d=750＞305，所以满足要求。5.2按弯扭合成强度条件来计算对滚筒的结构设计后，滚筒的各方面的尺寸数据都已经得出，滚筒的受力情况也已经知道，就可以对轴的弯扭合成强度进行计算图5-1轴的载荷分析图由公式，。当扭转切应力为对称循环变应力时，取对于直径为d的圆轴，他的扭转切应力，弯曲应力为由上面的公式得，轴的弯扭合成强度条件式中，————轴的计算应力，MPa；M————轴所受的弯矩，Nmm；T————轴所受的扭矩，Nmm；W————轴的抗弯截面系数，，计算公式见《机械设计》P373页表15-4————对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，其值计算公式见《机械设计》P373页表15-1选用。校核结果满足要求。6齿轮的校核6.1选用齿轮类型，精度等级及齿数a.根据切头飞剪剪刃间隙需要调整，所以在此选用斜齿圆柱齿轮；b.选一般的8级精度；c.材料的选择表10-1选择下齿轮材料为合金铸钢（调质），硬度为210HBS，上齿轮材料也为合金铸钢（调质）硬度为210HBS；d.下齿轮齿轮齿数选择Z1=30大齿轮齿数选择Z2=30e.选取螺旋角=13°6.2按齿面接触强度设计即（1）确定公式中各计算的值试选载荷系数Kt=1.3计算下齿轮的传动的转矩T1=81.5KNmc.由〔5〕P205页表10-7选择齿宽系数φd=0.4d.由表10-6查得材料的弹性影响系数=189.8MPe.由图10-21d按齿面硬度查得下齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=562.62MP；上齿轮的接触疲劳极限σHlm2=562.62MPf.有图10-26查得，，则g.由图10-30选取区域系数h.由图10-19接触疲劳寿命系数KHN1=KHN2=0.87i.计算接触疲劳许用应力取失效的概率为1%，安全系数S=1得许用接触应力（2）计算a.试算下齿轮的分度圆直径d1t，代入接触疲劳许用应力较小的值代入公式得=835.23mmb．计算圆周速度V计算齿宽b及模数计算纵向重合度d.计算载荷系数K由〔5〕表10-2查得使用系数KA=1.5，由〔5〕图10-8查得动载系数kv=1.15，KHα=1.4由表10-4得KHβ=1.272，由图10-13查得KFβ=1.45代入公式K=1.5×1.15×1.4×1.272=3.078式中,KA————使用系数kv————动载荷系数KF————齿间载荷分配系数KFβ_————齿向载荷分配系数e.按实际载荷校正所计算的分度圆直径f.计算模数6.3按齿根弯曲强度设计由式（1）确定计算参数a.计算载荷系数=1.5×1.15×1.4×1.45=3.502b.根据纵向重合度，从10-28中查得螺旋角的影响系数c.计算当量齿数d.查取齿形系数由表10-5查得e.查取应力校正系数由表10-5查得f.计算上下齿轮并加以比较g.由图10-20差得下齿轮的弯曲疲劳强度极限上齿轮的弯曲疲劳强度极限h.由图10-18取弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4,得计算上下齿轮的并加以比较两个齿轮数值一样大（2）设计计算=9.78mm对比计算结果，为了同时满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，应该按照接触疲劳的强度算的结果来计算齿轮的的各种参数。分度圆直径取6.4几何计算（1）计算中心距将中心距圆整为1113mm。（2）将圆整后的中心距修正螺旋角因为β值改变不多，故参数等不必修正计算上下齿轮的分度圆直径（4）计算齿轮宽度mm7键的选择和校荷（1）选择下齿轮上的键根据齿轮安装处的轴径d=575mm，查询机械设计手册选择圆头平键b=120mmh=90mm轴t=61mm毂t1选取键长430mm（2）选择上齿轮上的键根据小齿轮处的轴径d=575mm,查询机械设计手册选择单圆头平键b=120mmh=90mm轴t=61mm毂t选取键长430mm(3)校荷键的联接强度对下齿轮上的键联接强度进行校荷查的键的许用挤压力键的工作长度l=168-70=98mm,键与轮毂的键槽的接触高度k=18.由〔5〕P106页