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工學碩士學位論文
風閥閥體輥壓折邊機設(shè)計與分析
楊振琪
哈爾濱理工大學
2013年3月
國內(nèi)圖書分類號: TG35
工學碩士學位論文
風閥閥體輥壓折邊機設(shè)計與分析
碩 士 研究生：楊振琪
導 師：段鐵群
申請學位級別：工學碩士
學 科、專 業(yè)：機械設(shè)計及理論
所 在 單 位：機械動力工程學院
答 辯 日 期：2013年3月
授予學位單位：哈爾濱理工大學
Classified Index: TG35
Dissertation for the Master Degree in Engineering
Design and Analysis of the Rolling Folding Machine of Air Valve Body
Candidate： Yang Zhenqi
Supervisor： Duan Tiequn
Academic Degree Applied for： Master of Engineering
Speciality： Mechanical design and theory
Date of Oral Examination： March, 2013
University： Harbin University of Science and Technology
哈爾濱理工大學工學碩士學位論文
風閥閥體輥壓折邊機設(shè)計與分析
摘 要
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，由于金屬板材的諸多優(yōu)點已成為應用最廣泛的型材。金屬材料的產(chǎn)量和技術(shù)含量也是一個國家國民經(jīng)濟實力的重要標志。如何高效、高精度的生產(chǎn)出所需的板材，已成為各國學者研究的重要課題。
本文在充分調(diào)研國內(nèi)外板料折彎機的實際應用和分析國內(nèi)外現(xiàn)有板料折彎機的特點和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，針對中央空調(diào)中的風閥閥體需求量大、生產(chǎn)效率低的問題，提出了風閥閥體輥壓折邊機的設(shè)計方案，完成了風閥閥體輥壓折邊機的工藝性分析，并對軋制力進行了計算，得到合理的輥壓工藝工序。根據(jù)工序要求，制訂傳動方案、分配各軸的傳動比并進行動力分析。對風閥體輥壓折邊機的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計并設(shè)計出每道輥壓工藝的垂直軋輥和水平軋輥結(jié)構(gòu)，并且應用Pro/E軟件對風閥體輥壓折邊機進行三維建模，模擬真實情況下的運動，檢查是否存在干涉現(xiàn)象。最后應用ABAQUS軟件對風閥閥體輥壓折邊機的軋輥進行有限元建模，并對其進行模態(tài)分析和軋制過程的力學分析，得到軋輥的固有頻率和最大受力影響區(qū)，根據(jù)得到的結(jié)論提出軋輥的改進方案。
風閥閥體輥壓折邊機已經(jīng)制造結(jié)束并開始調(diào)試，實踐證明使用多對軋輥連續(xù)成型能很好地解決風閥閥體板料長、沖壓加工困難等問題，因此輥壓成型適用于生產(chǎn)大批量復雜剖面形狀的制件，且生產(chǎn)出的板材具有重量輕、剛度大、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，本論文風閥閥體輥壓折邊機的設(shè)計方法對其他輥壓折邊機的設(shè)計具有指導意義。
關(guān)鍵詞 風閥體；折邊機；仿真；力學分析
Design and Analysis of the Rolling Folding Machine of Air Valve Body
Abstract
Metal plates, with many merits, have been widely used in many fields of modern industrial processes. The outputs and technical skills of metal material is an important symbol of national economic strength. Therefore, the topic has attracted the attention of many scholars from various countries, which relates to increase the efficiency of metal plates production with more accuracy.
The content of this paper is based on research of plate bender’s practical application experience, feature and developing trend both at home and abroad. As a result, the paper has proposed a design solution on the special-purpose machine tool for plate bender of air valve body. To accomplish the analysis of plate bender manufacturability and the calculation of the roll force. Furthermore, improved the productivity for rolling process, which in the light of the question on current issues of huge demand and low efficiency on the central air-conditioner’s air valve body production.
According to requirements of the process, this paper presents the transmission scheme, assigns the transmission ratio of each shaft and makes dynamic analysis. It also provides overall structural design of plate bender, the design of vertical and horizontal roller structure and their rolling technologies. Through the application of the Pro/E design software into the three-dimensional modeling and simulation on plate bender, simulates the movement of real situation and checks the existence of interference phenomenon. Finally, this paper applies ABAQUS software to the finite element modeling on the roller of plate bender, makes model analysis of the roller, and forcing analysis of the rolling process, calculates the inherent frequency and the largest stress affected zone of the roller, and forward into the improvement scheme of the roller according to the results.
Air valve body plate bender has been manufactured and debugged. From the experience of practical activity proves, that the application of multiple rollers to continuous forming can well solve many problems in air valve body of the central air-conditioning vent production, such as oversize metal sheet and difficulties in stamping process issues. Thus, rolling technics can widely apply into mass manufacturing of products that required complex section shape, as due to its advantage of lighter weight, greater stiffness, and higher efficiency. The design method of plate bender in this paper has guiding significance of the design on model plate bender.
Keywords Air valve body, Bending machine, Simulation, Forcing analysis
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- III -
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題研究的背景和意義 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 4
1.3 課題研究的主要內(nèi)容 5
第2章 工藝流程及結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
2.1工藝流程 7
2.1.1 板材尺寸的計算 7
2.1.2 軋制工藝工序 8
2.2 總體設(shè)計 9
2.2.1 總體結(jié)構(gòu)布局 9
2.2.2 工作原理 10
2.2.3 傳動方案設(shè)計 10
2.2.4 軋制力計算 11
2.3 動力分析 13
2.3.1 各軸的轉(zhuǎn)矩計算 13
2.4 主要部件 14
2.4.1 箱體的選擇 14
2.4.2 水平軋制裝置設(shè)計 15
2.4.3 垂直裝置設(shè)計 16
2.5 本章小結(jié) 17
第3章 三維設(shè)計 18
3.1 Pro/E軟件介紹 18
3.1.1 Pro/E軟件主要特點 18
3.2 Pro/ENGINEER建模 19
3.2.1 幾何建模 19
3.2.2 特征建模 19
3.2.3 導入標準件 21
3.3 輥壓折邊機的虛擬裝配 22
3.3.1 虛擬裝配概述 22
3.3.2 裝配方法 22
3.4 本章小結(jié) 25
第4章 風閥閥體輥壓折邊機軋輥的有限元分析 26
4.1 有限元的基本思想 26
4.2 ABAQUS軟件的簡介 27
4.3 軋輥模態(tài)分析 27
4.3.1 模態(tài)分析基本理論 28
4.3.2 建立軋輥有限元模型 29
4.3.3 結(jié)果與分析 31
4.4 風閥閥體輥壓折邊機軋輥力學有限元分析 32
4.4.1 軋輥輥彎過程有限元建模 32
4.4.2 應用ABAQUS軟件建立有限元模型 33
4.4.3 結(jié)果與分析 34
4.5 本章小結(jié) 36
結(jié)論 37
參考文獻 39
攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文 43
致謝 44
V
第1章 緒論
1.1 課題研究的背景和意義
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，由于金屬板材生產(chǎn)效率高，重量輕，且能制出復雜剖面形狀等優(yōu)點，金屬板材成為應用最廣泛的型材，同時折邊機是最重要的金屬板材成型加工設(shè)備之一，因此風閥閥體輥壓折邊機的設(shè)計也充分體現(xiàn)了此課題研究的重要性[1]。
風閥體是風閥的重要組成部分，而風閥在中央空調(diào)、通風系統(tǒng)中起著重要作用。隨著人民生活水平的提高，生活質(zhì)量的改善，空調(diào)的需求量日益增大，使得風閥的使用量越來越大。風閥大都是由冷軋板加工而成。為了增加剛度需要彎邊，采用沖壓加工比較困難，因為板材較長，一般都長一米多，因此模具的加工困難，而用手工加工不但精度差而且效率低，沒辦法滿足高效、自動化、大批量的現(xiàn)代化生產(chǎn)要求[2]。
針對上述情況本風閥閥體輥壓折邊機是采用多對輥輪連續(xù)成形，軋輥轉(zhuǎn)速可調(diào)，工作臺可以上下升降、前后調(diào)節(jié)。能夠省時省力的制造出成型板材，具有操作簡便、便于拆裝、生產(chǎn)效率高等特點。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
板料折彎機可以對金屬板料進行各種角度的彎曲加工，具有成本低、生產(chǎn)效率高、使用簡單等優(yōu)點，因此被廣泛應用。在汽車、儀表、電器等行業(yè)有80%以上的結(jié)構(gòu)件都是通過金屬板材成型加工獲得，金屬板材加工機床中折彎機、剪切機、壓力機的應用最為普遍，下面介紹一下國內(nèi)板料加工機床的發(fā)展現(xiàn)狀[3]。
國內(nèi)生產(chǎn)板料折彎機的企業(yè)主要有上海沖剪機床廠、江蘇富力數(shù)控機床有限公司、湖北三環(huán)鍛壓機床公司、江蘇金方圓數(shù)控機床公司泰安聯(lián)達鍛壓設(shè)備制造公司、靖江三力鍛壓機床制造公司等，如圖1-1所示 [4]。
江蘇富力數(shù)控機床有限公生產(chǎn)的EB3512型全電伺服數(shù)控折彎機是通過伺服電機帶動滾珠絲杠驅(qū)動滑塊完成折彎加工，光柵尺精確檢測滑塊的位置并反饋到數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)對左右伺服電機進行同步控制，從而達到精確、節(jié)能、靜音折彎加工。MB8-500*6400型雙機聯(lián)動型數(shù)控折彎機工作臺長度達到6400mm，能夠?qū)崿F(xiàn)對長板料的折彎。
湖北三環(huán)鍛壓機床公司生產(chǎn)的W67K．100／3200型數(shù)控折彎機，采用美國Autobend數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)兩軸數(shù)控，工作臺裝有機械式撓度補償裝置，采用LVD公司的機械伺服閥控制油缸的同步性，機械擋塊控制油缸行程的結(jié)構(gòu)[5]。
上海沖剪機床廠研發(fā)的WS67K．160／3200型折彎機，采用Cybelec公司的Press Cad900數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了7軸數(shù)控(X1、X2、YI、Y2、Z1、Z2、R) [6]。
北京鍛壓機床廠研發(fā)的W67K．63／2500型折彎機，使用DelemDA．24數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)兩軸數(shù)控，主機采用扭軸機械擋塊式結(jié)構(gòu)控制滑塊行程[7]。
b）湖北三環(huán)鍛壓機床公司
a）江蘇亞威機床公司
d）無錫金立鍛壓機床公司
c）江蘇楊力集團
圖1-1 國內(nèi)先進板料折彎機
Fig.1-1 Internal advanced plate bender
輥彎成型過程是一涉及動力學、幾何學和運動學等多學科問題的復雜成型過程[8]。它的變形包含縱向、橫向的彎曲、伸縮等附加變形，而不僅只是單一某個方向上的變形。由于輥彎成型的復雜性，現(xiàn)在還沒有推導出完善的成型理論，對輥彎成型中軋輥的設(shè)計還是以經(jīng)驗法為主，通過生產(chǎn)實踐調(diào)整工藝工序，在不斷的試錯中設(shè)計出合適的軋輥，這樣大大浪費了有限的資源，降低了工作效率。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，可以對輥彎成型進行仿真，驗證折彎機設(shè)計是否合理，并且獲取合理的工藝工序，指導生產(chǎn)實踐[9]。下面介紹一下國內(nèi)應用有限元法對折彎機的研究。
國內(nèi)，王春新[10]應用有限元方法模擬了內(nèi)半徑為零的輥彎成型，并對冷彎工藝中內(nèi)彎曲半徑為零的軋輥進行了優(yōu)化。夏雁賓通過應用有限元理論分析了預沖孔板料的輥彎成型過程，通過仿真分析對軋輥進行了優(yōu)化設(shè)計。
重慶大學黃世琦教授[11]對2450大型軋機整機做了光彈分析，并且對其中板軋機做了有限元分析，分析結(jié)果顯示壓下螺母孔乘壓面上和上梁與立柱間轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)的應力值最大。
重慶大學余欽義教授[12]對冷軋機機架做了有限元計算。方法是截取橫梁的一半，然后網(wǎng)格劃分、施加約束和載荷，進行有限元分析，并把三維分析結(jié)果與二維分析結(jié)果對比，對比結(jié)果顯示三維分析的精確度遠高于二維分析。同時可以看出轉(zhuǎn)角處應力集中較大，并不是橫梁應力集中最大的位置。
劉安中和李友榮[13]兩人利用有限元分析軟件ANSYS系統(tǒng)地對1000mm粗軋機機架進行三維建模和有限元分析，分析結(jié)果顯示有限元計算的結(jié)果和實測值是高度符合的，并且準確的反映機架各零部件、尤其是應力集中地方的變形趨勢和應力分布：出現(xiàn)應力集中的位置是壓下螺母孔承壓面圓角附近，所以它是機架強度最不充足的地方。
梁興復和曲慶章[14]兩人利用光彈性實驗法和有限元法對四輥液壓機機架的剛度和強度做了分析，結(jié)果顯示：光彈性試驗和有限元分析的結(jié)論極其相近，并且利用有限元法，求解應力集中區(qū)域的應力值更加精準。半閉口式軋機機架的有限元計算結(jié)果是：建立半閉口式機架接觸應力問題的三維模型，并對模型處理，從而力學模型符更加符合實際情況。按照這個模型分析的好處是可以消除了由于簡化和接觸應力計算所造成的變形和應力誤差，從而提高了計算精度，同時實例分析結(jié)果說明該計算方法的計算結(jié)果合理，相符實際。
王俊領(lǐng)同志[15]用SAP5程序?qū)?200mm軋機機架做了有限元分析，用了7種方案對螺母孔處的圓角半徑進行了計算，計算結(jié)果是：機架對稱平面和壓下螺母孔過渡圓角相交點是機架的危險點。
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀
國外生產(chǎn)板料折彎機的著名廠家有很多，如比利時LVD、瑞典薩耀(sajo)、日本天田株式會社(Amada)、日本小松產(chǎn)機株式會社(Komatsu)、日本村田機械株式會社(Murata)、瑞士海莫樂公司(Hammerle)、德國FASTI公司(FASTI)等公司，如圖1-2所示。
b）德國 EHT
a）瑞士Bystronic
d）日本Komatsu
c）比利時LVD
圖1-2 國外先進板料折彎機
Fig.1-2 Abroad advanced plate bender
比利時LVD公司[16]生產(chǎn)的PPI系列折彎機有同步誤差檢測系統(tǒng)，能予以保護和糾正在機床斷電重新啟動時，如果滑塊沒歸零產(chǎn)生的運動誤差。PPEB系列折彎機除了具有PPI系列的功能之外，還具有精度達到0.01mm的板料厚度自動檢測裝置，它對板料厚度實際尺寸與名義尺寸比較，對凸模進入凹模的深度進行修正，進而補償板厚變化對折彎角度的影響。
日本小松產(chǎn)機株式會社(Komatsu)生產(chǎn)的一種新型無痕下模折彎機。下模兩端裝有兩塊可以回轉(zhuǎn)的模板，折彎機折彎時下模模板隨著折彎角度的變化而回轉(zhuǎn)，使模板與板料間沒有相對運動。這樣就不會在凹模開口處形成的擦痕。
日本村田制作所(Murata)開發(fā)的MPl0.165型折彎機采用Bosch公司生產(chǎn)的伺服閥和光柵對兩個各個油缸進行閉環(huán)控制，工作臺裝有數(shù)控撓度補償裝置，并用Cybelec公司的DNC90數(shù)控系統(tǒng)進行控制，提高了板料加工精度。
瑞士海莫樂公司(Hammerle) 70年代開發(fā)出結(jié)構(gòu)獨立的三點式折彎機。
1996年，G．NEFUSSI等人[17]應用彈塑性理論對軋輥彎曲成型進行模擬，模型中板定義為殼單元，隨后應用上述建模方法，建立了圓管輥彎成型模型。
2000年，A．Alsamhan[18]等人將ALE自適應網(wǎng)格（ALE adaptive meshing）技術(shù)應用于有限元仿真，并對帶鋼的滾動摩擦進行了輥彎成型仿真。后來，把對稱網(wǎng)格也引入到梯形截面槽鋼的仿真計算中[19]。
2001年，韓國的M．Kiuchi等人[20]應用有限元方法研究了成型長度與輥彎成型之間的關(guān)系，得出影響預變形板料成型長度的主要因素是加工硬化。
1.3 課題研究的主要內(nèi)容
本課題專門針對某風閥體生產(chǎn)商設(shè)計風閥體流水線生產(chǎn)過程中的其中一道工序，即將板料軋彎四個。在了解風閥體的使用狀況和軋制工藝的前提下，做一個總體設(shè)計，側(cè)重點在動力箱的設(shè)計。在熟悉板料彎曲理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計出板料彎邊機的工作原理。具體工作內(nèi)容如下。
1．總體設(shè)計 在閱讀大量軋制工藝資料的前提下，對毛坯料進行咬入條件計算和軋制力計算，安排風閥體的整個加工工藝，并確定風閥閥體輥壓折邊機的總體結(jié)構(gòu)。
2．主要部件設(shè)計 通過對比不同形式的箱體，確定箱體方案，并對垂直軋制裝置和水平軋制裝置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定每道軋制工藝的垂直軋輥、水平軋輥的結(jié)構(gòu)。
3．三維建模 對Pro/E軟件的功能和特點進行了簡單的介紹，分析幾種建模方法的特點，并且應用Pro/E軟件對風閥閥體輥壓折邊機進行三維建模，模擬真實情況下的運動，檢查是否存在干涉現(xiàn)象。
4．有限元仿真 對軋輥裝置應用ABAQUS軟件進行有限元建模，進行模態(tài)分析和軋制過程中的受力分析，得到其固有頻率和最大受力影響區(qū)，通過對結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷和可能出現(xiàn)問題的潛在區(qū)域，提出合理的優(yōu)化方案，減少設(shè)計初期出現(xiàn)問題的可能。
第2章 工藝流程及結(jié)構(gòu)設(shè)計
中央空調(diào)的通風口大部分都是由薄壁板材加工而成。為了增加剛度需要彎邊，采用沖壓加工比較困難，因為板材較長，一般都長一米多，因此模具的加工困難。而用手工加工不但精度差而且效率低。沒法滿足高效的自動化的大批量的現(xiàn)代化生產(chǎn)要求。采用輥制成型能形成各種形狀的彎曲板材，具有重量輕，生產(chǎn)率高的特點，適用于大批量生產(chǎn)各種復雜剖面形狀的制件。同時各種金屬板材成型加工設(shè)備是汽車、電子信息、家用電器、和儀表等行業(yè)最重要的工藝裝備之一[21]。因此風閥閥體輥壓折邊機軋制裝置的設(shè)計也充分體現(xiàn)了此課題研究的重要性。
2.1工藝流程
2.1.1 板材尺寸的計算
板材經(jīng)軋輥成型后截面形狀如圖2-1所示，其縱向長度總長為1424mm。板材彎曲內(nèi)側(cè)半徑為2.0mm，彎曲外側(cè)半徑為4.0mm，板材厚度為2.0mm。
圖2-1 板材截面形狀
Fig.2-1 Section?shape of plates
板材中性彎曲線弧長可表示為
Ln=πφ/180o（εT+Ri） （2-1）
式中：Ln 為板材中性彎曲線弧長，mm；φ為彎曲角度，由題目知：φ=90o；ε為彎曲系數(shù)（由Ri/T的比值決定），由Ri/T=1，可知ε=0.41；T為板材厚度，mm；Ri 為板材彎曲內(nèi)徑，mm。
將數(shù)值代入式2-1，得板材中性彎曲線弧長Ln=3.79mm。由于板材四個彎角相同，則四個彎角中性彎曲線弧長也相同，因此板材橫向長度為283.14mm。
2.1.2 軋制工藝工序
本設(shè)計要求兩次軋彎90度，參考初定每個90度分6道，共12道。第一道軋角為0度，起導向及定位作用。最后一道為90度起定型及出料作用。板料在折彎過程中前幾道折彎角度應小，中間應最大，最后幾道應小，這樣才能可以避免板料這折彎過程中產(chǎn)生冷作硬化，因此定為第一次彎90度的第一道0度，第二道8度，第三道50度，第四道50度，第五道77度，第六道90度。第二次彎90度的定為第七道8度，第八道50度，第九道77度，第十道90度，第十一道90度，第十二道為90度。最后的兩道是為了定型及板料出料。
表2-1 軋制工藝工序
Table2-1 Rolling process
軋 輥 號
道 次
拉伸角度α（o）
第一道水平軋輥
水平整形
0
第一道垂直軋輥
垂直整形
0
第二道水平軋輥
第一次彎曲
8
第二道垂直軋輥
第二次彎曲
24
第三道水平軋輥
第三次彎曲
50
第三道垂直軋輥
第四次彎曲
67
第四道水平軋輥
第五次彎曲
77
第四道垂直軋輥
第六次彎曲
85
第五道水平軋輥
第七次彎曲
90
第五道垂直軋輥
第八次彎曲
92
第六道水平軋輥
水平整形
90
第六道垂直軋輥
垂直整形
90
第七道水平軋輥
第一次彎曲
8
第七道垂直軋輥
第二次彎曲
24
第八道水平軋輥
第三次彎曲
50
第八道垂直軋輥
第四次彎曲
67
第九道水平軋輥
第五次彎曲
77
第九道垂直軋輥
第六次彎曲
85
第十道水平軋輥
第七次彎曲
90
第十道垂直軋輥
第八次彎曲
92
第十一道水平軋輥
水平整形
90
第十一道垂直軋輥
垂直整形
90
第十二道水平軋輥
定型
90
考慮每道水平軋輥彎角角度較大，板料進入軋輥困難，因此在每道軋輥之間加一道垂直軋輥，對板材進行一次預彎，能使軋制精度提高[22]。垂直軋輥每道折彎角度的布置原則與水平軋輥布置原則一樣。第一道0度，第二道24度，第三道67度，第四道85度，第五道92度，第六道90度，第七道24度，第八道67度，第九道85度，第十道92度，第十一道90度。軋制工步次序和拉伸角如表2-1所示。
2.2 總體設(shè)計
2.2.1 總體結(jié)構(gòu)布局
風閥閥體輥壓折邊機采用滾壓成形，滾壓成形是以長的金屬帶料為原材料，由若干對成形輥輪為成形工具，隨著輥輪的旋轉(zhuǎn)運動，將帶料向前送進的同時順次進行彎曲成形，以獲得所需斷面形狀的一種加工方法[23]。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1．皮帶2．電機3．水平輥裝置4．蝸桿5．蝸輪6．大齒輪1 7．大齒輪2
8．垂直軋輥裝置9．小齒輪 10．彈性柱銷聯(lián)軸器 11．萬向聯(lián)軸器
圖2-2 軋機總體圖
Fig.2-2 Assembly drawing of rolling mills
由于風閥體板料需要折 “U”型槽，成型軋輥下軋輥軸要求保持水平。為軋輥安裝方便、調(diào)整容易，因此軋機采用臥式結(jié)構(gòu)。此設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖2-2。
2.2.2 工作原理
本設(shè)備主要是由電動機、傳動箱、機架、水平軋輥、垂直輥輪組成。電動機安裝在機架上，通過皮帶傳動將動力傳遞到傳動箱。皮帶傳動具有緩沖沖擊力、傳輸距離長、過載保護等優(yōu)點。設(shè)計傳動箱時，考慮到傳輸距離長，扭矩大且應使結(jié)構(gòu)盡量緊湊等因素，所以選擇蝸桿傳動，但由于蝸桿軸向較長，所以把它分成6段，每段兩端支撐并帶動2對水平軋輥，每段之間再用聯(lián)軸器串聯(lián)聯(lián)接，這樣能滿足蝸桿的撓度要求。每段傳動的一級傳動為蝸輪蝸桿傳動，利用蝸輪的大扭矩帶動與蝸輪同軸的大齒輪，同時將動力傳動給兩組小齒輪，這樣布置傳動箱大大節(jié)約了空間，并且給軋輥提供了很大的扭矩。應用齒輪傳動可以保證每道軋輥的瞬時傳動比一致，從而每道軋輥的轉(zhuǎn)速恒定。
風閥閥體輥壓折邊機的工作原理為：電機通過帶傳動把動力傳到端部的蝸桿上，蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，與蝸輪同軸的大齒輪將動力傳遞給左右兩側(cè)的兩個大齒輪，與這兩個大齒輪同軸的小齒輪又分別與它上方的小齒輪嚙合，這樣一個蝸桿就能帶動四個小齒輪轉(zhuǎn)動，每個小齒輪的齒數(shù)相同且都為輸出軸，因此保證了輸出的轉(zhuǎn)速一致。傳動箱內(nèi)布置了6個串聯(lián)的蝸桿，它們之間用聯(lián)軸器連接，構(gòu)成了24個輸出軸，每個輸出軸通過萬向聯(lián)軸器與軋輥相連，組成了12對水平軋輥。工作時，電機輸出扭矩帶動12道水平軋輥轉(zhuǎn)動，同時布置了11道垂直軋輥輔助加工，實現(xiàn)對工件的漸進加工。
2.2.3 傳動方案設(shè)計
本設(shè)計所采用5.5KW（Y132W—4）型三相異步電機，由上可知轉(zhuǎn)速為1500r/min。軋制速度初定為10m/min=0.167m/s。則有
（2-2）
（2-3）
式中：D為軋輥直徑，mm；v為軋制速度，m/s。計算得到總傳動比為65.81。
動力箱的傳動示意圖見圖2-3。先經(jīng)過帶輪減速后再傳到動力箱，動力箱采用二級傳動，第一級為蝸桿傳動，第二級為齒輪傳動。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1．電機2．皮帶3．聯(lián)軸器4．蝸桿5．蝸輪6．小齒輪
7．萬向聯(lián)軸器 8．大齒輪9．成型軋輥
圖2-3 軋機傳動圖
Fig.2-3 Transmission system of rolling mills
考慮到蝸輪蝸桿的傳動能力較大，為進一步簡化結(jié)構(gòu)，方便零件的生產(chǎn)和加工，增強機構(gòu)的通用性，電機通過電機軸帶動小帶輪，小帶輪經(jīng)過帶輪傳動將速度傳到變速器，變速器采用二級傳動，第一級為蝸桿蝸輪傳動比稍大些，第二級為齒輪傳動采用等轉(zhuǎn)速傳動?，F(xiàn)分配如下：
1. 分配傳動比，初定帶傳動i帶=1.65；
2. 變速器第一級i1=40；
3. 變速器第二級i2=1。所以總傳動比為64。
2.2.4 軋制力計算
對每道水平軋輥進行軋制力計算為：
第一道水平軋輥拉伸角為0o，軋制力不用計算；
第二道水平軋輥拉伸角為8o，可查取摩擦系數(shù)=0.15，則αmax=8o其相應的幾何關(guān)系如圖2-4所示，根據(jù)幾何關(guān)系可知
tan a = （2-4）
式中：a為板材彎曲角度，o；h為咬入高度，mm；R為軋輥半徑，mm。
由幾何關(guān)系可知，咬入高度為0.346mm。因此軋輥半徑必須滿足即R要大于65mm，初定軋輥半徑為70mm。
圖2-4 軋制的受力幾何圖
Fig.2-4 Geometric graph of rolling force
彎曲力矩計算公式為
(2-4)
式中：為材料的屈服極限，取235MPa；b為彎曲梁高度，如圖2-4可得到彎曲梁高度為；E為彈性模量，取2.0×106 MPa；為彎曲中心層半徑，。
由上式計算可得彎曲力矩，將彎曲力矩代入彎曲力公式為
(2-5)
式中：L為彎曲長度，取8mm；為彎曲角度，取。
由上式計算可得彎曲力F=226N，將彎曲力代入阻力矩公式為
(2-6)
式中：L為彎曲半徑，。
由上式計算可得阻力矩。
摩擦力矩公式為
(2-7)
式中：為摩擦力，N；R為軋輥的半徑，取70mm。
由上式計算可得摩擦力矩，將摩擦力矩和阻力矩代入總力矩公式
(2-8)
由上式最終計算得到總力矩，根據(jù)上述的計算過程，可以得到各道次軋制力見表2-2。
表2-2 各道次軋制力
Table2-2 Each roller rolling forces
名稱
彎曲角度
α（0）
咬入高度
(mm)
軋輥
半徑
R(mm)
軋輥
徑向力
(N)
軋輥
圓周力
(N)
彎矩
(N.mm)
第一道軋輥
0
0
70
0
0
0
第二道軋輥
8
0.528
70
452.7
183.3
8463.4
第三道軋輥
50
1.138
70
2341.5
341.21
24294.9
第四道軋輥
77
0.746
70
1665.6
274.84
18303.2
第五道軋輥
90
0.346
70
226
72.34
4256
第六道軋輥
90
0.157
70
119.22
30.383
1863.84
第七道軋輥
8
0.528
70
452.7
183.3
8463.4
第八道軋輥
50
1.138
70
2341.5
341.21
24294.9
第九道軋輥
77
0.746
70
1665.6
274.84
18303.2
第十道軋輥
90
0.346
70
226
72.34
4256
第十一道輥
90
0.137
70
69.76
40.53
2742.3
第十二道輥
90
0
70
0
0
0
2.3 動力分析
2.3.1 各軸的轉(zhuǎn)矩計算
轉(zhuǎn)矩計算公式為
(2-9)
式中：p為功率，KW；n為轉(zhuǎn)速，r/min。
0軸，即為電機軸，其功率為電機功率，n0轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速一致；Ⅰ軸，即為減速器高速軸(蝸桿軸),它通過皮帶與電機連接，因此功率應考慮皮帶傳動效率的影響，查得帶傳動的效率為0.95，所以Ⅰ軸功率KW，高速軸轉(zhuǎn)速；Ⅱ軸，即為減速器蝸輪軸，共有6根，功率應平分計算，查得蝸桿傳動的效率為0.80，滾動軸承的效率為0.98，因此減速器蝸輪軸功率KW，減速器蝸輪軸轉(zhuǎn)速；Ⅲ軸，即為下軋輥軸，功率應考慮齒輪和滾動軸承的傳動效率，查得齒輪傳動的效率為0.97,滾動軸承的效率為0.98，因此下軋輥軸功率KW，下軋輥軸轉(zhuǎn)速；Ⅳ軸，即為上軋輥軸，功率應考慮齒輪的傳動效率和滾動軸承的傳動效率，因此上軋輥軸功率KW，上軋輥軸轉(zhuǎn)速。由上述計算，可得到各軸的傳動參數(shù)見表2-3。
表2-3 各軸傳動參數(shù)
Table2-3 Shaft parameters of transmission system
軸序號
功率(kW)
轉(zhuǎn)速(r/min)
轉(zhuǎn)矩(Nm)
傳動比i
效率
0
5.5
1500
35.02
1
Ⅰ
5.225
909
54.89
1.65
0.95
Ⅱ
0.68
22.75
285.45
40
0.75
Ⅲ
0.6464
22.75
269.9
1
0.95
Ⅳ
0.6145
22.75
257.8
1
0.95
2.4 主要部件
2.4.1 箱體的選擇
焊接結(jié)構(gòu)較之鑄造結(jié)構(gòu)具有強度和剛度高、重量輕、生產(chǎn)周期短以及施工簡便等優(yōu)點。如表2-4所示，對鑄造與焊接的優(yōu)缺點進行比較。
表2-4 鑄造焊接比較
Table2-4 Comparison of?casting and weldment
項目
鑄鐵機架
焊接機架
機架重量
較重
鋼板焊接毛坯比鑄造毛坯輕30%
強度、剛度及抗震性
鑄造機架的強度與剛度較低，但內(nèi)摩擦大，阻尼作用大，故抗震性好
強度高、剛度大，對同一結(jié)構(gòu)的強度為鑄鐵2.5倍，鋼的疲勞強度為鑄鐵的三倍
材料價格
鑄鐵材料來源方便、廉價
價格高
生產(chǎn)周期
生產(chǎn)周期長，資金周轉(zhuǎn)慢，成本高
生產(chǎn)周期短、能適應市場競爭的需要
設(shè)計條件
由于技術(shù)上的限制，鑄件壁厚不能相差過大。而為了取出芯砂、設(shè)計時只能用開口式結(jié)構(gòu)，影響厚度
結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、壁厚可以相差很大，并且可以根據(jù)工況需要，不同部位選用不同性能材料
用途
大批量生產(chǎn)的中小型機架
單件小批量生產(chǎn)大、中型機架等
綜上類比，最后選擇焊接箱體，選擇板材為25mm的Q235
2.4.2 水平軋制裝置設(shè)計
由于風閥體的U型槽較大，所以應用軋輥對冷軋板進行漸變加工，以保證加工精度。軋輥系統(tǒng)包含了12對水平軋輥和11對垂直軋輥。軋輥成形原理是由多對成形軋輥軸順次對板料變形并向前送進的滾壓成形。滾壓成形是從板料的兩邊開始彎曲成形，再順次成形到中間，最后成型為U型槽。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1、軋輥支架；2、端悶蓋；3、軋輥支撐體；4、調(diào)心軸承；5、端透蓋
6、密封圈；7、下軋輥；8、平鍵；9、上軋輥；10、半圓壓環(huán)；
11、壓緊絲杠；12、螺釘；13、法蘭螺母；14、螺母
圖2-5 水平軋制裝置簡圖
Fig.2-5 The rolling equipment of vertical
由于軋制的風閥體板料厚度是從2mm-4mm，所以要求水平軋制裝置的上、下軋輥之間的距離是可調(diào)的，而下排軋輥安裝時要求保持水平且受到的力較大，因此下排軋輥軸是固定不動的。由于上、下兩個軋輥都與支架槽型連接，當調(diào)整上軋輥軸承座時，需要旋轉(zhuǎn)壓緊絲杠，使壓緊絲杠帶動上軋輥軸承座向上移動，從而改變兩個軋輥的相對高度以實現(xiàn)調(diào)整上下軋輥間的間隙。水平軋制裝置的結(jié)構(gòu)見圖如圖2-5所示。其余的12軋制裝置結(jié)構(gòu)大體相似，只是上下軋輥不同。
2.4.3 垂直裝置設(shè)計
在12道水平軋輥之間共加11道垂直軋輥。第一道0度，第二道24度，第三道67度，第四道85度，第五道92度，第六道90度，第七道24度，第八道67度，第九道85度，第十道92度，第十一道90度。
11道垂直軋輥的作用：a，對板料起定向作用；b，對板料起定型作用，且垂直軸都采用一樣的軸。第一道垂直輥，板材平整無彎曲。
由上述垂直輥作用可知，垂直輥的左右上下都可以取中心對稱，且垂直輥軸中心上下處都需要安裝軸承，為保證軸承在固定位置。則需要在垂直輥的中心位置設(shè)計為凸臺形狀，且上下面用螺釘固定垂直輥端蓋。
垂直輥外框尺寸設(shè)計只須依據(jù)板料彎曲形狀來確定尺寸。取垂直輥外部臺階高b1=10mm，板料頂端與垂直輥接觸處間距L=106mm，板料上下接觸與垂直輥外框相距L1=9m。由于板材厚度為2mm，則取垂直輥間距b=2.1mm。由此尺寸設(shè)計，可畫第一道垂直裝置簡圖如圖2-6所示。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1、導輥座；2、導支板；3、扁螺母；4、導輥軸；5、導輥端蓋；
6、錐滾軸承；7、垂直輥；8、軸套；9、扁螺母
圖2-6 第一道垂直輥簡圖
Fig. 2-6 The first rolling equipment of horizontal
2.5 本章小結(jié)
本章完成了風閥閥體輥壓折邊機的工藝性分析和風閥閥體輥壓折邊機的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，通過對毛坯料進行咬入條件計算和軋制力計算，得到合理的軋制工藝工序。根據(jù)工序要求，制訂傳動方案、分配各軸的傳動比進行動力分析。并對比不同形成的箱體，確定箱體方案，同時設(shè)計水平軋制裝置和水平軋制裝置，確定每道軋制工藝的軋輥、水平輥的結(jié)構(gòu)。
第3章 三維設(shè)計
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)之間的競爭日益激烈，企業(yè)只有采用協(xié)同、并行設(shè)計才能迅速適應市場需求的變化，提高產(chǎn)品競爭力解決上市最快、成本最低、質(zhì)量最好、服務優(yōu)化等問題[24]。應用Pro/e軟件可以在設(shè)計的前期，對所設(shè)計產(chǎn)品進行三維模擬，檢驗產(chǎn)品的可行性，大大提高設(shè)計質(zhì)量。
3.1 本章小結(jié)
本章對Pro/E軟件的建模功能和特點進行了概述，分析了自上而下和自下而上兩種裝配方法的特點，根據(jù)板料折彎機的設(shè)計及特點，應用Pro/E軟件的特征建模和零件庫導入方法建立了板料折彎機三維模型并進行裝配，模擬真實情況下的運動，檢查是否存在干涉現(xiàn)象。在以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員只能根據(jù)二維圖對裝配體進行檢查，費時、費力而且難度很大，只有一些有經(jīng)驗的老設(shè)計員才能發(fā)現(xiàn)是否出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，現(xiàn)在我們可以應用Pro/E軟件對所設(shè)計的復雜裝置進行三維建模，能夠直觀的看出是否出現(xiàn)干涉。
第4章 風閥閥體輥壓折邊機軋輥的有限元分析
在上一章的分析中，對風閥閥體輥壓折邊機的垂直軋輥和水平輥進行了設(shè)計，為了驗證通過傳統(tǒng)力學計算法設(shè)計出的風閥閥體輥壓折邊機是否滿足使用要求，找出結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)并進行改進，本章根據(jù)已有的有限元原理，以ABAQUS作為有限元分析工具，對軋制進行模態(tài)分析，并分析在軋制過程中軋輥的受力，找出最大受力區(qū)，提出結(jié)構(gòu)改進方案。
本章小結(jié)
本章應用有限元理論，以ABAQUS作為有限元分析工具，對軋制裝置進行模態(tài)分析和軋制過程中軋輥的受力分析，得到前4階固有頻率和振型并找出軋制過程中最大受力區(qū)，對得到的結(jié)果進行詳細分析，提出結(jié)構(gòu)改進方案。
結(jié)論
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