异形管精密脉冲锻造设备开发Word格式.docx
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同轴度由轴承和下面3对配合关系保证:
前轴和活动盖板之间、活动盖板和主盖板之间、主盖板和主机体外壳之间。
活动盖板不仅可以支撑前轴,还可以定位前轴的轴向。
由于主机体和镶圈之间存在比较大的过盈配合,所以这两者在配合时需要热压配合。
精密脉冲锻造设备的辅机装置由芯棒、送料装置、接料装置和隔音减噪装置等组成。
进料装置和送料装置有利于加工坯料的进料和出料。
精密脉冲锻造设备运行时产生较大的噪声,为了减小噪声,需要在精密脉冲锻造机的外面加装一套隔音减噪装置。
1.2主机结构设计
1.2.1主机体
主机体是精密脉冲锻造机的主要承载部分,不仅固定和支撑主传动系统上的各个零部件,而且还确保主轴的运转精度。
主机体的设计要考虑如下四个方面的问题[48]:
(1)主机体的结构必须要有一定大的刚度和强度;
(2)主机体应便于加工,具有良好的工艺性;
(3)主机体应具有良好的密封性,有利于主传动系统的润滑;
(4)主机体应具有匀称和美观的外观设计。
主机体的材料选用应该考虑吸震效果和机械性能,因此选用45钢锻件,设计图如图3-2所示。
图3-2主机体
1.2.2主轴
主轴是异形管精密脉冲锻造设备主机的关键零部件,它的作用是支撑零件、承受载荷和传递动力。
主轴与保持架之间互相拔叉并且用螺栓紧密连接,主轴转动带动着保持架一起转动,保持架内的12个滚柱依次打击每一个锤头并使锤头在前轴的卡槽中做径向相对往复运动,从而将打击力从锤头传至调整垫片和锻模,最终作用在坯料上,完成对锻件的高频率、短冲程的锻击。
(1)主轴的材料
轴的常用材料如表3-1所示,选择主轴的材料时应主要考虑如下因素:
主轴的强度、刚度等力学性能;
主轴的耐磨性要求;
主轴的热处理方法;
主轴的机加工工艺性的要求;
主轴的材料的经济性。
由于精密脉冲锻造设备要承受周期性的冲击力,以及主轴需要考虑耐冲击性和耐磨性,因此本设计选用40Cr做为主轴的材料,精加工前需调质处理到32~38HRC。
表3-1轴的常用材料及用途
材料牌号
热处理
用途
Q235-A
热轧或锻后空冷
用于不重要及受载荷不大的轴
45
调质、正火、回火
应用最广泛
40Cr
调质
用于载荷较大,而无很大冲击的重要轴
40CrNi
用于很重要的轴
38SiMnMo
用于重要的轴,性能近于40CrNi
38CrMoAlA
要求高耐磨性、高强度且热处理变性很小的轴
20Cr
渗碳、淬火、回火
用于要求强度及韧性较高的轴
3Cr13
用于腐蚀条件下的轴
1Cr18Ni9Ti
淬火
用于高、低温及腐蚀条件下的轴
QT600-3
用于制造复杂外形的轴
QT800-2
(2)主轴的主要结构参数
1)主轴的最小直径
主轴的设计必须首先确定主轴的最小直径。
电动机的转速为760r/min,输出功率为P=76kW,取电动机带动的皮带轮的传动效率η=0.96,从而就可以计算得到主轴上的功率
=76×
0.96kW=72.96kW,又
=760/3≈253r/min,因此主轴上的转矩为T1=9550000P1/n1≈2754024Ngmm。
根据机械设计第八版[47]表15-3,A01取116mm,取内外径比为0.6,由此可以计算出主轴的最小直径:
仅仅作为承受载荷和传递动力及扭矩的最小轴段的参考尺寸,在实际的设计过程中,设计值一般要比这个计算数值大。
2)主轴的直径
主轴的直径一般包括前轴颈D1、后轴颈D2和平均直径D,三者必须满足以下关系:
在本设计中,选定主轴的前轴颈D1=345mm,后轴颈D2=90mm。
(3)主轴的结构
主轴的结构设计的主要任务是设计出主轴的合理的外观形状和全部的形状尺寸,决定主轴的结构的主要要素如下:
1)主轴上装配的零件的具体情况及主轴的连接形式;
2)载荷的类型、大小等具体情况;
3)主轴在设备中的安装位置及主轴的制造工艺。
主轴结构的设计要求如下:
1)合理的结构设计;
2)足够的刚度和结构强度;
3)足够的耐磨性及尺寸稳定性;
4)足够的抗疲劳强度
5)良好的制造工艺性。
因此,在主轴的结构设计过程中,一方面必须要保证主轴上的各个零部件和主轴的相对位置精准,另一方面还必须要保证主轴上安装的各个零部件能够方便地装拆。
主轴的大圆盘要与保持架互相拔叉并螺栓紧密连接,使得保持架随主轴一起转动。
主轴左端小内圈的零件有定位轴承,通过定位轴承使主轴和前轴紧密连接在一起并保证主轴和前轴的同轴度。
主轴外圈的零部件依次是滚动轴承、轴承挡板、轴承收紧套、皮带轮、螺纹锁紧套,滚动轴承用来对主轴进行轴向定位,轴承挡板和轴承收紧套用来固定主轴上装配的滚动轴承,螺纹锁紧套用来固定主轴和皮带轮的螺纹连接。
主轴的结构的设计图如图3-3所示。
图3-3主轴
(4)主轴的支撑
主轴的支撑一般由主机体的支撑基座、轴承和相关的零部件组成。
在选择主轴的支撑的合适配置形式和结构时,要充分考虑转速、耐冲击性、抗震性、耐磨性、承载力等因素。
在设计主轴的支撑的合适配置形式时,首先必须需要依照轴承的适用情况来选定的各个轴承的种类,再依照主轴的结构来确定选用的轴承的合适尺寸。
由于主轴的前端主要受径向力,因此选定深沟球轴承作为支撑轴承,再根据主轴的尺寸参数选取了深沟球轴承6318。
主轴的后端选用调心球轴承2218作为支撑轴承。
主轴前端的支撑轴承通过与前轴的配合来固定。
主轴后端的轴承的轴向紧固是通过选用如图3-4所示的轴承挡板来紧固的,轴承挡板的材料选用45钢。
为了确保主轴后端的轴承和主轴的横向固定,在主轴后端的轴承和皮带轮之间用一个如图3-5所示的轴承收紧套套在主轴外端来进行主轴和轴承的横向固定,轴承收紧套的材料选用45钢。
。
图3-4轴承挡板
图3-5轴承收紧套
1.2.3保持架和滚柱
保持架是用来装配各个滚柱,使滚柱均匀隔离,并使滚柱随其一起转动的零部件。
另外,保持架还要与主轴互相拔叉并螺栓紧密连接,并随主轴一起转动。
其功能要求保持架具有以下性能要求:
(1)具有足够的的结构强度、刚度和韧性,能够承受一定大的冲击力;
(2)与滚柱之间的摩擦因数小,并具有足够的耐磨性;
(3)具有足够的抗疲劳强度;
(4)具有良好的导热性;
(5)由于保持架结构设计复杂,因此要具有良好的制造工艺性。
本设计选用模具钢Cr12MoV作为保持架的材料,Cr12MoV具有足够的耐磨性、强度和韧性等。
保持架的设计图如图3-6所示。
图3-6保持架
滚柱是精密脉冲锻造设备中不可或缺的零件,装配在保持架内并随保持架一起转动。
滚柱的作用是在随保持架转动时锻击锤头,最终打击力传递到坯料上,完成对加工坯料的数次锻打。
在同样大的转速下,随着滚柱的数量的增加,滚柱锻打锤头的次数不断增加。
但是当滚柱的数量越来越多时,保持架越来越不容易制造,使得滚柱的同心度、对称度的精度大幅度降低,因而导致打击力不能均匀地分布,最终会影响精密脉冲锻造质量。
本设计为了提高锻打频率,选用12个滚柱的结构形式,滚柱的材料为模具钢Cr12MoV,Cr12MoV具有足够的耐磨性、强度和韧性等。
滚柱的尺寸为φ50mm,h=70mm。
1.2.4前轴
前轴是用来安装锻模、调整垫片和锤头,并使之在前轴的十字槽中作径向往复运动的零部件。
前轴的前端通过活动盖板支撑,前轴的后端通过支撑轴承与主轴配合。
在主轴的转动过程中,前轴是不随主轴转动的。
为了确保前轴和主轴之间的同轴度,在两者的相接处需要使用轴承作为支撑,而前轴的另一端由活动盖板、主盖板、主机体外壳承担。
同轴度由轴承和以下3对配合关系保证:
本设计选用45钢锻件作为前轴的材料,精加工前需调质处理到32~38HRC。
前轴的设计图如3-7所示。
图3-7前轴
1.2.5镶圈
镶圈是用来安装在主机体的内部,防止滚柱在转动的过程与主机体的摩擦造成主机体的损坏的零部件。
镶圈必须要有足够的强度、刚度、耐冲击性及耐磨性。
根据机械设计手册,本设计选用Cr12MoV作为镶圈的材料,硬度要求达到60HRC以上。
由于主机体和镶圈之间有较大的过盈配合,所以这两者在配合时需要热压配合。
镶圈的设计图如图3-8所示。
图3-8镶圈
1.2.6锻模
锻模是异形管精密脉冲锻造设备的成型零部件。
(1)锻模的材料
对于精密脉冲锻造设备的锻模来说,其材料的耐磨性和耐冲击性是至关重要的,但为了防止材料的耐冲击能力不足而导致锻模的过早破坏,有时不得不损失一些对耐磨性的要求。
[49]精密脉冲锻造的冷锻模的常用材料有Cr12、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2等,其硬度范围为55~62HRC。
Cr12MoV冷作模具钢是高碳、高铬的,具有良好的耐磨性和耐冲击性。
本设计选用Cr12MoV作为冷锻模的模具用钢。
(2)锻模的外形结构
精密脉冲锻造设备所用的锻模的外形结构有:
二锻模、三锻模和四锻模,如图3-9所示。
在生产加工过程中,往往依照锻件的具体形状选用不同的锻模结构形式。
图3-9中e为常常使用的锻模结构,可以用来加工圆形件和方形件;
图3-9中f只能用来加工方形件。
a)二锻模;
b)三锻模;
c)四锻模;
d)方、圆形件成形;
e)圆形件成形;
f)方形件成形
图3-9锻模的外形结构
本设计选用四锻模结构外形结构,锻件的表面质量和尺寸精度比较好,还能大大降低精密脉冲锻造过程中对芯棒的载荷。
(3)锻模的圆锥进料角
锻模的圆锥进料角是确保加工坯料能够无误地进入锻模并不断缩减截面形状,避免加工坯料在锻模中不均匀变形所需要的角度。
精密脉冲锻造设备工作时,加工坯料进入锻模的圆锥进给部分,锻模与加工坯料的接触表面上形成压力F和摩擦力Ff,如图3-10所示。
图3-10变形区受力分析
由图3-10可知:
,
在F2和Ff2的作用下加工坯料金属处于被压的状态,当Ff1<F1时,加工坯料向前的延伸的力小于向后的挤出的力,因此必须需要更大的推进力才能够使加工坯料向前移动;
而当Ff1>
F1时,加工坯料进入到圆锥进料部分就不会再受摩擦力的阻碍。
此外,由摩擦原理可知:
,式中:
β—摩擦角。
当
=2β时,只有增加推进力才能将加工坯料推进,因此锻模的圆锥进料部分的圆锥进料角
不宜大于摩擦角β的两倍。
锻模的圆锥进料角
的大小不但对加工坯料的推进力有一定的影响,而且还影响着加工坯料的变形区,如图3-11所示,随着圆锥进料角
的增大,加工坯料的延伸率减小,而加工坯料的锻透效果得到提高。
锻模的圆锥进料角的大小还跟道次压下量有关,当道次压下量小时,圆锥进料角不宜过大;
道次压下量大时,为了保证精密脉冲锻造顺利进行应该增大圆锥进料角。
图3-11圆锥角对加工坯料变形区的影响
综上,本设计圆锥进料角取10°
(4)锻模的工作型面
一般情况下,锻模的工作型面由成形段和预成形段组成,图3-12为目前常用的三种锻模工作型面。
a)一段带预成形段;
b)两端带预成形段;
c)不带预成形段
图3-12锻模的工作型面
本设计选用两端为预成形段和中间为成形段组成的锻模工作型面。
锻模的工作型面的尺寸主要有三个参数:
预成形段的长度Lc、成形段的长度Lf和预成形段的角度α。
图3-13预成形段的长度与其角度的关系图
预成形段的长度Lc与预成形段的角度α的大小有关,如图3-13所示。
在相同尺寸的送进口的条件下,预成形段的长度Lc减小时预成形段的角度α增大,预成形段的角度α增大时可以使锻造变形力减小,但是却会大大增加变形的不均匀性,情况严重时甚至会导致裂纹的产生,因此预成形段的长度Lc不适宜特别小,其最小长度可按式3-1计算确定:
(3-1)
其中,d—坯料直径,mm;
D—锻件直径,mm;
f—摩擦系数,mm。
一般情况下,Lc=0.6L(L为锻模长度)即可。
成形段的长度Lf长时,锻件的锻造效果好,但是Lf过长时由于参与变形的金属增多,导致精密脉冲锻造设备的负荷增加,延伸率也降低,不利于锻件的锻造效果。
成形段的长度Lf一般与转速、锻件进给速度和锻件表面质量的要求有关,可以按照式3-2计算确定:
(3-2)
其中,Lf—成形段的长度,mm;
v—锻件进给速度,mm/s;
n—转速,(°
)/s;
另外,成形段的长度Lf还可以依据锻件的直径缩减率和锻件的直径计算:
当锻件的直径缩减率不大于25%时,
;
当锻件的直径缩减率大于25%时,
根据以上计算得到:
Lf=25mm,Lc=30mm;
α=10°
(5)锻模的厚度
如图3-14所示,锻模的厚度与最小锻造直径和固定锻模的基准平面到打击圆弧的中心的距离有关,可以按照式3-3计算确定:
(3-3)
其中,s1—固定锻模的基准平面到打击圆弧的中心的距离,mm;
dmin—最小锻造直径,mm。
图3-14锻模的厚度
最终计算得到的精密脉冲锻造机的锻模厚度为45mm。
(6)锻模的楔角
为了避免锻模在有些位置互相碰撞而导致锻模抱死情况的发生,四个锻模的楔角β=89°
,如图3-15所示。
图3-15锻模楔角
(7)锻模的包角
锻模的包角
是加工坯料与精密脉冲锻造模具内表面的真正接触角,其大小主要与锻模的椭圆度和加工坯料有关。
当锻模的椭圆度逐渐增大时,锻模的包角不断变小;
当加工坯料的直径逐渐增大时,锻模的包角不断变大。
锻模的包角的大小对精密脉冲锻造的影响如表3-2所示,从表中可以看出,锻模包角的适当范围在120°
到150°
之间。
适当的锻模包角
不仅能够改善加工坯料的形变特征,还可以提高锻件的表面质量。
表3-2包角对精密脉冲锻造过程的影响
包角/(°
)
局部直径增大
表面质量
延伸程度
20
明显增大
粗糙
不大
60
较大
增大
90
120
没有
光洁
最大
150
台阶状
(8)锻模侧向有效间隙
全部的精密脉冲锻造锻模之间必须要有一个有效间隙,能够便于金属流动,避免加工坯料和锻模的粘连,提高精密脉冲锻造锻件的表面质量。
相邻的锻模侧向有效间隙z应该大于等于1~2mm。
(9)锻模的尺寸公差和表面粗糙度
一般情况下,锻模的厚度公差应小于±
0.020mm。
为了降低锻模工作型面尺寸和形状的误差,同一组锻模的工作型面应该同时放在专用的夹具中进行最后的精加工。
本设计中取锻模的表面粗糙度为0.8。
(10)小结
锻模的材料为Cr12MoV。
锻模选用四锻模外形结构,楔角β=89°
=10°
锻模的厚度为45mm。
锻模的表面粗糙度为0.8。
由上计算分析设计出锻模,方形锻模如图3-16所示。
图3-16方形锻模
1.2.7锤头
锤头是依靠与保持架内的滚柱的碰撞,将滚柱的打击力传递给调整垫片和锻模,以完成对加工坯料精密脉冲锻造的零部件。
滚柱打击锤头并使锤头在前轴的卡槽中做径向相对往复运动,从而将打击力从锤头传至调整垫片和锻模,最终作用在坯料上,完成对锻件的高频率、短冲程的锻击。
在精密脉冲锻造过程中,锤头不仅要传递打击力,还要承受一定的冲击力和压力,因此锤头必须要具有足够的强度、刚度、耐冲击性及耐磨性。
根据机械设计手册,本设计选用Cr12MoV作为锤头的材料,硬度要求达到60HRC以上。
锤头数量一般有2个、3个、4个、6个。
随着锤头数量的增加,精密脉冲锻造时锻件的受力越来越均匀;
但是会增大前轴的加工难度,同时也会降低前轴的结构强度和疲劳寿命。
本设计选用4个锤头的形式。
锤头如图3-17所示。
图3-17锤头
1.2.8主盖板和活动盖板
一般的精密脉冲锻造机只有一个盖板,在更换锻模时就需要把整个盖板拆下,费时费力。
在本设计中,设计了一个主盖板和一个活动盖板,在需要更换锻模时,不需要拆下主盖板,仅需拆下活动盖板就可以快速完成锻模的更换,设计简单巧妙。
主盖板和活动盖板都选用45钢作为材料,其设计图分别如图3-18和3-19所示。
主盖板与主机体通过螺栓连接,一般情况下都不拆卸。
活动盖板的固定是通过活动盖板和主盖板的螺栓连接以及活动盖板和前轴的螺栓连接实现的。
活动盖板不仅有利于快速更换锻模,还起到支撑前轴和定位前轴的轴向的作用。
活动盖板中间的圆孔不仅可以引导加工坯料到锻模中,还可以定位端面。
图3-18主盖板
图3-19活动盖板
1.2.9皮带轮
皮带轮(图3-20)通过轴承收紧套(图3-5)和螺纹锁紧套(图3-21)与主轴紧密配合,皮带轮带动主轴和保持架旋转。
图3-20皮带轮
图3-21螺纹锁紧套
1.2.10保护套筒
一般情况下,精密脉冲锻造后的锻件都是通过主轴的内孔向前前进的,在前进的过程中由于锻打力的作用锻件会上下振动,不可避免地会与主轴的内孔发生碰撞,因此会影响锻件的表面质量。
因此,本文设计了一种保护套筒,安装在主轴的内部,可以明显改善锻件的表面质量。
保护套筒的材料为铝,结构示意图如3-22所示。
保护套筒分为3部分组成:
主筒、前引入端、后伸出端。
前引入端不仅可以引导加工后的坯料进入主筒,还可以起到定位锻件的作用。
加工后的锻件进入主筒后,由于振动主筒的内壁发生碰撞,但碰撞作用力比与主轴内壁直径相碰会大大减小。
最后再通过后伸出端离开保护套筒,后伸出端也可以定位锻件。
另外,前引入端和后伸出端可以根据锻件的尺寸更换,设计灵活方便。
图3-22保护套筒示意图
1.3辅机结构设计
辅助结构主要由芯棒、送料装置、隔音装置等组成,是精密脉冲锻造设备的辅助组成部分。
1.3.1芯棒
在精密脉冲锻造时,下列几种情况都必须使用芯棒进行加工:
(1)在加工坯料的内径不发生变化的前提下,使加工坯料的外径减小。
(2)在减小加工坯料的内径的前提下,使加工坯料的外径减小。
(3)在加工坯料的内表面加工其他形状,从而加工出內异形管件。
依据芯棒在精密脉冲锻造中的工作状况,芯棒通常选用具有足够的强度、刚度、耐冲击性及耐磨性的高速钢和工具钢来加工,还要进行淬火处理来进一步提高芯棒的硬度;
对耐磨性和锻件内表面粗糙度有特别要求的芯棒,其表面还要进行镀铬处理。
精密脉冲锻造通常选用五种类型的的芯棒,如图3-23所示。
a)塞式芯棒;
b)轴式芯棒;
c)低熔合金芯棒;
d)薄壁专用芯棒;
e)整长式芯棒。
图3-23芯棒的类型
本设计选用整长式芯棒,如图3-24所示。
芯棒结构分为芯棒和芯棒夹持端,芯棒选用T10钢,淬火加回火处理,硬度达到55~58HRC,芯棒加持端选用45钢,芯棒和芯棒夹持端焊接固定。
图3-24芯棒示意图
有芯棒精密脉冲锻造前,务必要用专用的润滑油对芯棒和加工坯料进行润滑。
润滑的目的是为了避免芯棒和加工坯料在精密脉冲锻造过程中出现胶着现象,从而不利于精密脉冲锻造继续进行或芯棒的退出。
有芯棒精密脉冲锻造前,为了避免工艺操作和锻件表面质量出现严重的问题,必须要保证加工坯料的表面洁净度。
加工坯料在精密脉冲锻造前必须按照严格的清洗流程进行清洗,确保内、外表面没有附着任何脏东西,否则将对锻模、芯棒、精密脉冲锻造设备造成极大地损害。
1.3.2送料装置
在精密脉冲锻造过程中,由于锻模和坯料表面作用时产生摩擦扭矩,从而会造成锻件扭曲,因此严重影响锻件的表面质量和精度。
为了克服上述的缺点,本文设计了一种异形管精密脉冲锻造送料装置,如图3-25所示。
该送料装置能够解决因精密脉冲锻造时对锻件的扭矩引起的扭曲变形,同时具有自导向的芯棒,可以确保在精密脉冲锻造过程中锻件内表面的成形不会发生错位,提高了锻件加工的精度,此外还具有结构简单、操作方便、稳定性好、适用性强、控制精度高的优点。
该送料装置由送料机构和芯棒动作机构组成,送料结构中送料平台的下导轨面与圆形导轨的上导轨面配合,芯棒动作机构中芯棒进给台的下导轨面与圆形导轨的上导轨面配合,圆形导轨安装在送料装置的床身上,送料结构和芯棒动作机构分别与液压缸连接。
图3-25送料装置结构示意图
该送料装置的工作原理为:
自上一个异形管锻造周期结束,送料装置和芯棒动作机构均处在初始锻造加工位置,然后将坯料装夹到送料平台的三爪卡盘上夹紧,确保坯料在精密脉冲锻造过程中的固定。
然后与芯棒动作机构连接的2号液压缸推动芯棒动作机构进入到锻打工作位置,开始锻打,通过与送料结构连接的1号液压缸推动送料台和坯料轴向进给。
由于精密脉冲锻造设备中的锻模不断对坯料进行锻打,坯料内表面会由于芯棒改变形状。
坯料加工完毕后,2号液压缸会快速带动芯棒动作结构退回到初始锻造加工位置,1号液压缸也会带动送料台退回到初始位置,取下锻件,一个锻造周期结束。
1.3.3隔音减噪装置
精密脉冲锻造机工作时,会产生特别大的高频加载的机械性冲击噪音。
噪音不仅会干扰工人的交谈,还会使工人产生烦躁,使得工作效率大大降低。
另一方面,噪音能够分散工人的注意力,容易导致安全生产事故的发生。
为了减小噪音,本设计在精密脉冲锻造设备的主机的外面加装一套隔音减噪装置从噪声的源头来降低噪声。
隔音装置本质上是一个隔音罩,其内壁上铺衬了吸音材料隔音棉来降低噪声。
2异形管精密脉冲锻造设备主机部分三维实体建模与装配
在传统的机械设
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- 关 键 词:
- 异形 精密 脉冲 锻造 设备 开发