新型125吨深喉颈曲柄压力机结构优化设计_毕业论文.doc
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1、编编 号号 本本科科生生毕毕业业设设计计( 论论文文 ) 题目:题目:新型 125 吨深喉颈曲柄压力机结 构优化设计 机械工程机械工程 学院 机械工程及自动化 专业 摘要 I 摘摘 要要 锻压机械在工业中占有极其重要的地位,广泛应用于几乎所有的工业部门。而在锻 压机械中又以曲柄压力机最多,它被广泛应用在板料的冲压成型和材料的锻造成型生产 中,通过传动系统把电动机的运动和能量传给工作机构,从而使坯料获得确定的变形, 制成所需的工件。 本次设计为新型 125 吨深喉颈曲柄压力机的结构优化:新型体现在采用伺服电机驱 动,取消了传统压力机的飞轮、离合器和制动器,简化了传动系统;由于目前生产中设 备自动
2、化程度的提高,对于中小吨位的曲柄压力机在进行平板材料的自动进料时,设备 的台面深度尺寸往往会制约板料的宽度尺寸,造成送料效率的降低。盲目加大喉深会造 成床身的变形。本次设计主要进行中小吨位大台面深度曲柄压力机的结构优化,在满足 床身的强度与刚度的条件下对其进行优化设计以扩大中小吨位的曲柄压力机的适用范围。 关键词:关键词:曲柄压力机;伺服驱动;深喉颈;床身优化 Abstract ABSTRACT Forging machinery occupies an extremely important position in the industry ,it is widely used in alm
3、ost all industrial sectors.While in them the crank press machine occupies most,it is widely used in the stamping of sheet metal and the forging of material.It transmits the movement and the energy of the motor to the operating mechanism through the transmission system to make the blank obtain the de
4、termining deformation and turns to the desired workpiece. My design is the structure optimization of a new 125 t deep-throat crank press machine.Its new reflects in the driving of servo motor,cancel the traditional press flywheel, clutch and brake, simplifying the transmission system.Due to the impr
5、ovement of the automation degree in current production,for the small and medium-tonnage press crank machines ,when they are working during the time of the automatic feed of the plate material,their width of throat restricts the countertop depth of sheet,resulting the reducing of the feeding efficien
6、cy.But increasing the depth blindly will cause the deformation of the body of the machine .My design is mainly for the structural optimization of deep-throat small and medium-tonnage press crank machines ,to expand its application range under the condition that its strength and inflexibility is sati
7、sfying the demand. Keywords: Crank press machine; servo motor driving ; deep throat; body optimization 目录 i 目目 录录 摘 要I ABSTRACT.II 目 录I 第 1 章 绪论1 1.1 引言.1 1.2 伺服压力机的国内外发展情况1 1.2.1 伺服压力机的基本工作原理及优点1 1.2.2 国外伺服压力机发展现状2 1.2.3 国内伺服压力机发展现状3 1.3 深喉压力机的优点 .4 1.4 本课题研究的主要内容.5 第 2 章 曲柄滑块机构的设计计算7 2.1 曲轴的设计与计算7
8、 2.1.1 曲轴的设计7 2.1.2 曲轴的强度计算.8 2.2 连杆和调节螺杆的设计与计算9 2.2.1 连杆和调节螺杆的设计9 2.2.2 调节螺杆的强度校核 .10 2.2.3 调节螺纹的强度校核 .10 2.3 连杆和封闭高度调节装置.11 2.3.1 连杆和封闭高度调节装置的结构 .11 2.3.2 蜗轮蜗杆的设计及调节电机的选取11 2.4 滑块的设计.12 2.5 导轨的设计.12 第 3 章 传动系统及电动机的选择15 3.1 传动系统的设计.15 3.2 电机的选择16 第 4 章 轴承与联轴器的选用.17 4.1 滑动轴承 17 4.1.1 滑动轴承的选用17 4.1.2
9、 滑动轴承的润滑及轴瓦结构.17 4.1.3 滑动轴承的校核.17 目录 4.2 滚动轴承18 4.3 联轴器的选择.18 4.3.1 调速电机与蜗杆的连接18 4.3.2 伺服减速电机与曲轴的连接.18 第 5 章 机身21 5.1 机身的结构设计21 5.2 机身的有限元分析22 5.2.1 机身强度分析24 5.2.2 机身刚度分析25 5.3 机身的优化.26 第 6 章 附属装置.29 6.1 过载保护装置.29 6.2 打料装置 29 6.3 调整装置 30 第 7 章 结论与展望.31 7.1 结论31 7.2 不足之处与未来展望 31 参考文献 .32 致 谢.33 新型 12
10、5 吨深喉颈曲柄压力机结构优化设计 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 引言引言 在许多制造厂的生产线上大量使用的是机械压力机,其传动方式主要是由电机的转 动经过飞轮、曲轴连杆机构转变为滑块的直线运动。滑块在一定的行程范围和行程次数 作上下运动,使安装在滑块和工作台之间的模具加工所需的零件。近年来随着科技的发 展,市场对高精度、高质量、低价格产品的需求越来越大,用于制造产品的材料越来越 丰富,使得制造业的国际竞争越来越激烈。为此制造业对于能够缩短制造周期,高效率 制造高精度、高品质产品的加工设备的需求越来越强烈。世界许多压力机生产厂家都把 精力集中在开发高速度、高精度的压力机上。我国目前对压
11、力机机身的设计长期以来还 沿用经验、类比的传统设计方法,设计出的床身不仅性能差,结构笨重,速度、精度提 不高,而且设计周期长,制造成本高,更新换代慢,这些问题使得国产压力机在高档次 压力机领域内无法与国外压力机相抗衡。这就要求我们引入现代设计理念与手段,开发 研制新型压力机。 1.2 伺服压力机的国内外发展情况伺服压力机的国内外发展情况 1.2.1 伺服压力机的基本工作原理及优点伺服压力机的基本工作原理及优点 伺服压力机的基本工作原理同传统压力机是相似的,即将伺服电机的旋转运动通过 中间传动机构转化为滑块的直线往复运动。上模装在滑块上,下模装在垫板上。因此当 材料放在上下模之间时,即能进行冲裁
12、或其它变形工艺,制作工件。伺服压力机与传统 压力机相比不仅保持了机械压力机和液压机所具有的高刚度、高精度和高做功能力等优 点,最为关键的是伺服压力机可以根据不同的加工工艺选择滑块运动曲线。这不仅扩大 了成形的工艺范围,提高了压力机的智能化程度,而且可以最大限度的优化加工工艺。 下面依据板材深拉延的过程分析伺服压力机的优势。 传统压力机的滑块运动曲线是不可调的。如某些滑块运动曲线为正弦曲线的曲柄压 力机使得零件深拉延过程中凸模一开始就高速接触并冲击板材,而金属板材动力学特性 的实验研究表明,在板材的深拉延加工工程中,如果凸模下行接触板料的瞬间降低滑块 运动速率,可以实现凸模与板材的柔性接触;当材
13、料发生塑性变形进而流动到凹模里时, 此时材料的摩擦类型由静摩擦转变为动摩擦,摩擦系数减小,成形阻力变得相对较小, 因而可以适当提高滑块的下行速度,提高工作效率;深拉延加工接近终点时,控制滑块运 动使得凸模减速,并以较小的速度上下运动数次,并停止保压几秒钟,可以防止板材的 回弹,提高成形加工精度。从上述分析可知,正弦曲线形式的运动特性违背了板材加工 所应用的规律性,因而,在加工过程中很容易造成工件的破裂,废品率高,而且工件的 成形精度不高。滑块运动曲线任意可调的伺服压力机的出现,完全改观了这一现状。 根据深拉延的工艺特点设置最优化的滑块运动曲线,由于压力机的工作负荷时间很 短,整个工作周期的绝大
14、部分时间是空行程。可以在空行程期间加快滑块的运动速度, 江南大学学士学位论文 使得冗余加工时间大大减少,进而提高了生产效率。 当模具与板材接触时控制模具接触板材时的速度,实现模具与待加工板材的柔性接 触以及加工零件弹性变形能的平稳释放,进而降低振动和噪声,而且可以提高模具的使 用寿命。 深拉延过程中,即使在滑块变形最大的公称力发生的位置,伺服压力机也可以实现 滑块位置的全闭环控制,将滑块位置的精度控制在微米级以下。因而可以提高深拉延成 形的精度。 由于伺服电机完全靠电机的扭矩工作,省去了在传统压力机中储存能量的飞轮。而 且伺服电机可以直接控制起停,传统压力机中的制动器和离合器就显得多余,相应的
15、润 滑油的消耗量也相应减少。 由于伺服压力机制成品的高精度、极为改善的工作环境,尤其是良好的节能性等优 点,因此,伺服压力机必将引导今后压力设备的发展方向。 1.2.2 国外伺服压力机发展现状国外伺服压力机发展现状 上世纪末,在日、欧洲等工业发达国家兴起了交流伺服电动机直接驱动压力机的研 究与开发,这种伺服压力机与传统机械压力机相比,具有结构简单、生产效率高、产品 质量好、滑块运动柔性好、降噪节能显著等优点。这类压力机在日本进入了普及期,随 着其在汽车零件、电子零件等高精度、难成形零件加工领域中的应用和其优良的节能性, 已经显示出了其他压力机所无可比拟的优越性,成为世界冲压技术及装备发展的主要
16、潮 流之一。日本在伺服压力机研发、生产及商品化等方而处于国际领先水平,掌握了伺服 压力机的设计和制造技术,日本会田、小松、网野等压力机制造企业相继推出了多种传 动结构、不同规格的伺服压力机,几乎垄断了所有高端压力机的市场,获取了巨大的经 济利益。 日本会田公司自 1993 年起开始独立研发大功率伺服电机,并从 1997 年开始推出 NSI-D 系列伺服压力机产品。该系列产品由自行研发的大功率伺服电机经齿轮传动直接驱 动曲柄连杆机构进行工作。其独立开发的伺服驱动技术(Servo Pro)性能优良,单台伺服电 机可产生高达 3000kN 的滑块冲压力。 日本小松公司先后推出了 H1F 和 H2F
17、等多个系列的大型伺服压力机产品。分别采用 伺服电机经带轮、齿轮或螺杆驱动的六连杆肘杆机构进行工作。其中 H1F 伺服压力机的 冲压能力规格在 350kN-2000kN 之间,H2F 伺服压力机有冲压能力规格 2000kN,3000kN 等产品。还可根据客户需要提供 8000kN ,10000kN 等更高规格的伺服压力机产品。 日本网野公司自 1995 年开始研制大型伺服压力机,采用交流伺服电机作为驱动源, 通过减速器驱动特殊螺杆,进而驱动对称六连杆肘杆机构,再带动冲头滑块运动。该公 司 2005 年开发出世界上最大的大型伺服压力机,冲压能力高达 25000kN。目前公司根据 各种生产需求,已经
18、生产出机械连杆伺服压力机、曲柄多连杆伺服压力机、液压式伺服 压力机等多种类型的伺服压力机。此外,还有日本天田(AMADA)公司的 SDH 系列伺服压 力机,以及山田(YAMADA DOBBY)公司的 SVO 系列伺服压力机产品。 新型 125 吨深喉颈曲柄压力机结构优化设计 3 图 1-1 AMINO 公司生产的 1300 吨大型钣金加工伺服压力机 欧洲一些压力机厂商也加入到这一行列中,如德国凯撒(KAIBER、舒勒(SCHULER), 其中德国 SCHULER 公司在 2007 年北京国际机床展(CIMT07)上推出了 2500-3600kN 的一 系列压力机产品。2010 年,舒勒推出了新
19、一代伺服驱动机械压力机。这种新的落料与成 型压力机用途相当广泛。集合了所有压力机特点的可编程伺服直接驱动技术 SDT 确保了 如此广泛的应用。这种新的压力机配备指定的模具和自动化概念可被设计为多工位或者 级进模压力机。这类新型压力机配备高性能扭矩电机,既没有飞轮,也没有离合器和刹 车,因此灵活度很高。这种新的冲压和成型伺服压力机公称力范围从 2500-30000kN。 1.2.3 国内伺服压力机发展现状国内伺服压力机发展现状 我国压力机制造企业自 80 年代开始,通过技术引进,合作制造和自主创新等模式积 极吸收、消化国外机械压力机先进设计及制造技术,目前已经完全掌握机械压力机设计 和制造技术。
20、如今,随着我国经济的快速增长,对高精度、高效率的大型伺服压力机的 需求不断增加。以占行业总销售额 68%的汽车冲压件为例,正以每年 25%的速度增长。 但国产高端产品和技术与国际存在差距、尤其是自主知识产权设备和技术的匾乏,已远 远 满足不了我国国民经济发展的需要,更难以应对日益激烈的国际竞争。近年来,国 家开始重视伺服压力机研究与开发工作,在国家数控重大专项立项。 大型伺服压机等先进装备具有广阔的市场前景和市场空间,也给传统压机制造企业 带来巨大的生存压力,我国压力机行业必须迎接挑战,变被动为主动,开发新型伺服压 力机,占领广阔的市场。随着我国经济的快速增长,对高精度、高效率的大型压力机的
21、需求不断增加。目前,国内对压力加工设备的需求主要在以下几个领域:传统机械、电 力工业,约占总需求的 50%;汽车制造业,约占总需的 30%;军工产业,约占总需求的 11.1%;高新技术产业,约占总需求的 7.5% ,而且随着我国高新技术的发展,这一比重将 越来越高。很显然,在这些高速发展的领域内,蕴藏着巨大的市场和商机。以占行业总 江南大学学士学位论文 销售额 68%的汽车冲压件为例,正以每年 25%的速度增长,大型压力机等制造装备需求 量大。 我国目前还没有自己成熟的大型伺服压力机产品,济南二机床 2007 年 10 月刚刚研 制出我国第一台大型伺服压力机试验样机,冲压力为 10000kN,
22、该类型伺服压力机在空载 阶段采用交流伺服电机调速来提高滑块运行速度、负载阶段仍然通过飞轮速降来释放能 量的模式进行工作,保留了飞轮和离合器等耗能部件。台湾金丰企业开发了 CM1 型伺服 压力机,该型压力机可提供的冲压能力在 800-2600kN 之间。 广州锻压机床厂先开展了伺服压力机的研究,先后开发了多种传动结构的伺服压力 机,其在 2007 年与华南理工大学联合设计制造的 GDKS 系类肘杆伺服压力机,通过连杆、 混合肘杆增力机构驱动滑块运动,最大规格为 6300kN。 齐二机床为了进一步提高压力机技术水平,缩短与国外先进技术的差距,企业近年 来又先后引进了瑞典 APT 研配试冲液压机技术
23、,与上海交通大学合作成功研制了伺服压 力机技术。2008 年,企业又与掌握着当今世界最高水平的大型数控多工位压力机核心技 术的德国汉克自动化公司签订引进技术协议。2008 年齐二机床厂与上海交通大学采用冗 余容错技术联合开发成功了 2000kN 对称肘杆伺服压力机。在 2008 年中国国际博览会上, 齐齐哈尔第二机床集团展出完全自主研究的第一台全数控伺服压力机,突破伺服电机技 术,打破了国外大型伺服电机对中国市场的垄断,经济价值巨大。 中国一重依托国家数控机床重大专项,研究开发大型伺服闭式四点压力机,主要用 于汽车外覆盖件的冲压,该伺服压力机最大公称压力为 25000kN,其研制开发将推动并提
24、 升我国大型伺服压力机的整体水平。 1.3 深喉压力机的优点深喉压力机的优点 深喉冲床是冲床的一种,一般用在板料冲孔方面,如大型电气箱电器柜中间开的百 叶窗,防盗门门中间开的猫眼,因料孔距离板边距离通常在 300mm 以上或更多,而普通 冲床喉深只有 180-230 左右,板料放进去冲床后墙板挡抵住了板料,无法实现料孔距板边 300 或 500 的距离,这就需要用深喉冲床来实现。深喉冲床大大的提高了板料的利用率, 扩大了可加工产品的范围。图 1-2 为国内知名锻压企业扬锻的深喉冲床。 新型 125 吨深喉颈曲柄压力机结构优化设计 5 图 1-2 JB21S 系列开式深颈固定台式压力机 1.4
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