鍛造操作機(jī)與夾緊及前提升機(jī)構(gòu)設(shè)計,鍛造操作機(jī)與夾緊及前提升機(jī)構(gòu)設(shè)計,鍛造,鑄造,操作,夾緊,提升,晉升,機(jī)構(gòu),設(shè)計 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 開題報告 一、設(shè)計題目： 鍛造操作機(jī)與夾緊及及前提升機(jī)構(gòu)設(shè)計 二、課題研究的目的和意義 鍛造操作機(jī)是鍛造車間實現(xiàn)鍛造機(jī)械化與自動化的重要設(shè)備，它主要用于夾持鍛件來配合主機(jī)完成鍛造工藝，也可用于坯料的裝出爐，運輸和堆放以及夾持模具或工具進(jìn)行操作。鍛造操作機(jī)不僅對提高生產(chǎn)率和設(shè)備利用率，提高鍛件質(zhì)量和降低成本有著極其重要的作用，而且還時減輕勞動強(qiáng)度，改善勞動條件的重要途徑。 為了滿足鍛造操作機(jī)的鍛造工藝要求，鍛造操作機(jī)一般具有以下幾個動作： 1． 鉗口的夾緊與松開； 2． 鉗桿的旋轉(zhuǎn)； 3． 夾鉗的平行升降及傾斜； 4． 臺架回轉(zhuǎn)或夾鉗擺移； 5． 大車行走。 為了實現(xiàn)以上動作，操作機(jī)應(yīng)具有以上五個機(jī)構(gòu)。其本體可分為夾鉗，臺架，大車三大部分。夾鉗支承在夾鉗平行升降及傾斜機(jī)構(gòu)上，它包括鉗口夾緊機(jī)構(gòu)和鉗桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)鉗口松夾和鉗桿旋轉(zhuǎn)動。操作機(jī)的臺架包括夾鉗平行升降及傾斜機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)夾鉗平行升降及傾斜動作。夾鉗在鍛造過程中承受沖擊力，故在夾鉗和臺架之間還設(shè)置了垂直緩沖裝置和水平緩沖裝置。操作機(jī)的大車支承著整個臺架，在大車上裝有大車行走機(jī)構(gòu)，來驅(qū)動大車實現(xiàn)使其前進(jìn)或后退。操作機(jī)除本體結(jié)構(gòu)外，還配有電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動和控制裝置。 操作機(jī)按運行方式可分為有軌操作機(jī)和無軌操作機(jī)。有軌操作機(jī)的活動范圍和服務(wù)的鍛造設(shè)備是確定的，一般都裝在鍛錘或鍛造液壓機(jī)旁。這種操作機(jī)在工作時比較容易與鍛錘或液壓機(jī)對中，司機(jī)操縱臺可設(shè)在機(jī)上也可設(shè)在地面上，易于實現(xiàn)遙控或與主機(jī)聯(lián)動。無軌操作機(jī)的機(jī)動性好，活動范圍較大，可以為多臺設(shè)備服務(wù)，既能操作鍛件，又能裝出爐，還可擔(dān)任車間內(nèi)外的運輸工作。 操作機(jī)按驅(qū)動方式可分為液壓傳動，機(jī)械傳動和混合操作式。液壓傳動操作機(jī)的各個機(jī)構(gòu)均由油缸和液壓馬達(dá)驅(qū)動，因此工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活方便，便于實現(xiàn)與主機(jī)聯(lián)動及自動化，但加工及安裝精度較高。機(jī)械傳動操作機(jī)的各個動作均由電動機(jī)通過減速器帶動各個工作機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，因此結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，但加工精度及安裝精度不高，容易制造。混合傳動操作機(jī)中的鉗口松夾，夾鉗平行及傾斜機(jī)構(gòu)通常由油缸或氣缸來驅(qū)動，而大車行走，鉗桿旋轉(zhuǎn)和臺架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由電動機(jī)驅(qū)動，其優(yōu)缺點介于液壓傳動與機(jī)械傳動之間。 有軌操作機(jī)按夾鉗在水平面上的運動形式可分為直移式，擺移式和回轉(zhuǎn)式操作機(jī)。直移式操作機(jī)的夾鉗具有平行升降、傾斜及大車作前后直線運動。這種操作機(jī)剛性好，適合制成大噸位的操作機(jī)。擺移式操作機(jī)除能實現(xiàn)直移式操作機(jī)的動作外，夾鉗還可以在水平面上作小角度的左右擺動和小距離的左右平移，可完成一些輔助工作?；剞D(zhuǎn)式操作機(jī)除能實現(xiàn)直移式操作機(jī)的動作外，夾鉗隨臺架還可在水平作360度回轉(zhuǎn)，這種操作機(jī)具有較廣泛的工藝用途。 大型操作機(jī)都傾向擺移式操作機(jī)。 三、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 鍛造操作機(jī)作為進(jìn)行鍛造工藝的重要設(shè)備，眾多國外公司對其進(jìn)行系統(tǒng)化研究，目前，德國DDS公司、韓國HBE PRESS公司以及捷克ZDAS公司的鍛造操作機(jī)的制造水平處在世界前列。其中，德國DDS公司和WEPUKO公司是世界著名的鍛造操作機(jī)專業(yè)研發(fā)、制造企業(yè)，在重型鍛造操作機(jī)領(lǐng)域有70多年的歷史。此外，日本三菱長琦生產(chǎn)的操作機(jī)因擁有告高速、高精度的機(jī)械手及控制系統(tǒng)而著稱。 國內(nèi)鍛造操作機(jī)的研究起步很晚，在一些技術(shù)方面與國外相比還有一定的差異。與萬噸壓機(jī)配套的大型鍛造操作機(jī)全部采用進(jìn)口設(shè)備，自主開發(fā)的大型鍛造操作機(jī)至今尚未問世，如中國一重與上海交大聯(lián)合開發(fā)的1600kN鍛造操作機(jī)和北方重工自主開發(fā)的2000kN鍛造操作機(jī)的整機(jī)水平還有待于進(jìn)一步驗證。 為解決我國重大裝備制造中一批關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)問題，實現(xiàn)重大裝備及其成套技術(shù)的自主研發(fā)，科技部在“十一五”國家科技支撐計劃中設(shè)立了“大型鑄鍛件制造關(guān)鍵技術(shù)及裝備的研制”項目，在重點完成的工作中明確提出“150MN自由鍛造水壓機(jī)及配套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”和“165MN自由鍛造壓油機(jī)及配套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究” 鍛造操作機(jī)60年代前就已問世，近二、三十年發(fā)展期來。最早是在美國、原蘇聯(lián)，而后在日本、英國、奧地利等國發(fā)展期來，并成為系列化產(chǎn)品進(jìn)入工業(yè)性生產(chǎn)。最早的操作機(jī)多為全機(jī)械傳動，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，到60、70年代出現(xiàn)了混合傳動和全液壓傳動、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活的鍛造操作機(jī)。它與水壓機(jī)、臥式徑向鍛造機(jī)和自由鍛錘配用，使主機(jī)大大的提高了生產(chǎn)效率，提高了鍛件質(zhì)量。到了80年代，各國對鍛造操作機(jī)的設(shè)計、制造、技術(shù)改造方面又有了更高的要求，不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝，促進(jìn)了鍛壓技術(shù)的發(fā)展。 我國的鍛造操作機(jī)起步于60年代，開始只能由某些廠家自己制造有軌操作機(jī)，這些操作機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，鉗子的張合夾緊靠與吊鉗分離開的電動方頭扳手來完成，因而夾緊鍛件不方便，用于鋼錠開坯、拔料還是可以的。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，70年代開始研制出全機(jī)械傳動和一些液壓傳動有軌操作機(jī)，載重量可達(dá)10噸，夾緊力矩25千牛米。隨后，小型液壓傳動有軌操作機(jī)得到發(fā)展，并出現(xiàn)了液壓傳動無軌操作機(jī)。1974年我國首次制訂了自己的鍛造操作機(jī)系列標(biāo)準(zhǔn)，大力推廣液壓傳動操作機(jī)。到了80年代全液壓有軌鍛造操作機(jī)在全國相繼出現(xiàn)，90年代初期我國自行設(shè)計制造的100千牛鍛造操作機(jī)主要技術(shù)性能已達(dá)到世界80年代水平，能替代國內(nèi)外進(jìn)口同類產(chǎn)品。 目前，國外大型快鍛油壓機(jī)與操作機(jī)聯(lián)動技術(shù)已經(jīng)成熟，而國內(nèi)生產(chǎn)的鍛造操作機(jī)還沒有100千牛以上的聯(lián)動操作機(jī)。而100千牛鍛造操作機(jī)則屬于最新開發(fā)的聯(lián)動型鍛造操作機(jī)。它是31.5兆牛水壓機(jī)的配套設(shè)備，用于鈦合金的鍛件生產(chǎn)，也可用于配套16兆牛、20兆牛自由鍛造操作機(jī)。能夾持10噸及以下的鍛件作翻轉(zhuǎn)、升降、傾斜、側(cè)移、側(cè)擺、夾緊放松和進(jìn)退七個動作。在和水壓機(jī)的配合下，能完成鋼錠開坯、拔長、鐓粗、整圓等一系列鍛造工藝。 國外操作機(jī)的載重力矩已發(fā)展到3000千牛米，大型操作機(jī)與30000千牛自由鍛造水壓機(jī)聯(lián)動操作，不斷的提高了水壓機(jī)生產(chǎn)能力。國外操作機(jī)大多數(shù)為液壓馬達(dá)驅(qū)動，由油缸活塞實現(xiàn)升降等運動，其液壓系統(tǒng)由油壓泵站，電控操作閥和管路等部件組成。該系統(tǒng)安裝在大車架上,隨機(jī)行走，系統(tǒng)容易實現(xiàn)多種動作，功率大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，零部件易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，系統(tǒng)批量制造成本低，傳動結(jié)構(gòu)已多樣化。 四、畢業(yè)設(shè)計方案的擬定 為實現(xiàn)操作機(jī)應(yīng)完成的基本動作，其相應(yīng)具有：鉗口夾緊和鉗桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，活動架前后提升機(jī)構(gòu)和大車行走機(jī)構(gòu)。 操作機(jī)的本體結(jié)構(gòu)可分為夾鉗、臺架和大車三部分。夾鉗包括鉗口夾緊和鉗桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，臺架包括平行升降及傾斜機(jī)構(gòu)，在夾鉗和臺架之間還設(shè)置有垂直緩沖和水平緩沖裝置，大車支承整個臺架和活動架，大車行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動大車使其前進(jìn)或后退。 要求該操作機(jī)所具有的主要基本參數(shù)和技術(shù)參數(shù)如下： 額定夾持工件重量 1噸 夾持力矩 2噸力.米 夾持鍛件范圍 Φ140～Φ420毫米 升降鍛件高度 500毫米 傾斜角度 +6度 鉗桿旋轉(zhuǎn)速度 30轉(zhuǎn)/分 大車行走速度 45轉(zhuǎn)/分 力求控制重量 7～8噸 軌距 1500毫米 夾鉗伸出量 1400毫米 純機(jī)械結(jié)構(gòu)由電器驅(qū)動。 在鉗口夾緊機(jī)構(gòu)中，夾鉗擬采用長杠桿式結(jié)構(gòu)以盡量減小拉緊力，拉緊方式擬定為機(jī)械拉緊，采用絲杠螺母配合來實現(xiàn)圓周運動轉(zhuǎn)化為平行移動，鉗臂及連桿等活動聯(lián)接處采用銷軸聯(lián)接，殼體擬采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。不同直徑毛坯選用不同的鉗墊來實現(xiàn)夾緊。其拉緊力及旋轉(zhuǎn)力矩由鉗桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供。 前提升機(jī)構(gòu)中，各部件布置形式為：電機(jī)通過帶制動輪型聯(lián)軸器和相配和的制動器以及減速器相聯(lián)接，減速器與卷繞鋼絲繩的空心卷筒通過法蘭聯(lián)接在一起。鋼絲繩把卷筒、定滑輪、動滑輪和活動架聯(lián)接在一起，并通過螺栓聯(lián)接與機(jī)架聯(lián)接在一起。工作時，電機(jī)驅(qū)動減速器，帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩通過定滑輪和動滑輪卷繞在卷筒上，從而實現(xiàn)將活動架和鉗頭抬高，同理，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動卷筒反轉(zhuǎn)， 從而放開鋼絲繩，實現(xiàn)將活動架放低。在后提升高度一定的前提下，前提升可實現(xiàn)鉗頭及活動架的小角度傾斜。 五、課題研究的時間分配： 工作量： 1. 總體設(shè)計 2. 原理圖 3. 夾緊機(jī)構(gòu) 4. 前提升機(jī)構(gòu) 5. 主要零件設(shè)計 時間安排： 3月5日——3月23日 查資料，完成文獻(xiàn)翻譯和考題報告； 3月24日—— 4月3日 總體方案設(shè)計； 4月4日——4月30日 機(jī)械部分設(shè)計； 5月1日——5月22日 部件及零件草圖； 5月23日——6月12日 上機(jī)繪圖； 6月13日——6月19日 完成設(shè)計（論文）說明書，40~60，要求打印； 6月20日——6月24日 評審、答辯。 六、參考文獻(xiàn) [1] 機(jī)械設(shè)計師手冊 [2] 鍛造機(jī)械化與自動化 [3] 鍛造生產(chǎn)機(jī)械化自動化 [4] 馮辛安主編.機(jī)械制造裝配設(shè)計.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005 [5] 鍛壓機(jī)械、液壓傳動 [6] ?起重機(jī)設(shè)計手冊 [7] 鍛壓機(jī)械液壓傳動的設(shè)計基礎(chǔ) [8] 畢業(yè)論文撰寫規(guī)范 [9] 科技期刊上發(fā)表的相關(guān)研究方向的論文 [10] http://www.cnki.net(中國期刊網(wǎng)) 共 5 頁 第 5 頁 鍛造操作機(jī)與夾緊及前提升機(jī)構(gòu)設(shè)計 【摘要】 鍛造操作機(jī)是鍛造壓力機(jī)的重要配套設(shè)備，也是匯集機(jī)械，液壓、電氣于一體的重載機(jī)械裝備之一，掌握大型鍛造操作機(jī)的核心設(shè)計制造技術(shù)，對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)具有深遠(yuǎn)的影響。精密鍛造是一個領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域里決策可支持系統(tǒng)，它可能是被有效和廣泛應(yīng)用的，還取決于來自鍛造磨具設(shè)計工程師過去經(jīng)驗的一些知識和規(guī)則。對于嘗試減少成本和提高可靠性，精確的組成部分變得相當(dāng)重要，因此在很多應(yīng)用領(lǐng)域中，本身的規(guī)則變成了固有相對于程序的某些部分。在鍛造磨具設(shè)計中，尺寸精度是主要目標(biāo)之一。承載能力和任何產(chǎn)品的壽命極大地受尺寸精度影響。為了預(yù)測部分精密尺寸和確定對于精密鍛造的磨具尺寸，分析影響尺寸精度的因素是很有必要的。磨具和產(chǎn)品的三維演化在每個鍛造階段都應(yīng)被分析。在這項研究中，由于圓柱形工件的使用，徑向和切向應(yīng)力在磨具應(yīng)力決定方面常遇到。為了保持鍛造的尺寸精度，鍛造產(chǎn)品和磨具插入的差異，例如出現(xiàn)彈性磨具擴(kuò)張和產(chǎn)品收縮。 關(guān)鍵詞 精密鍛造 磨具應(yīng)力 The design on forging manipulator with clamping and fomer lifting mechanism 【Abstract】 forging manipulator is a important corollary equipment to forging pressure machine.It is also one of the heavy load machinery equipments which compile the machinery :hydraumatic electric into one organic whole.It has a profound effect to national economic construction and the building up of national defence since it commands core design and manufacture technology of heavy forging manipulator. Precision forging is a field in which decision support systems can be effectively and widely applied and depends on knowledge and rules derived from the past experience of forging die design engineers. Precise components are becoming quite important in attempts to reduce cost and improve reliability. There are thus many application areas in which the rules themselves become inherent to the parts or the processes. In forging die design, dimensional accuracy is one of the main goals. The load carrying capacity and life of any forged product is greatly affected by its dimensional accuracy. To predict the precise dimension of the part and determine the die dimension for precision forging, it is necessary to analyze the factors which affect dimensional accuracy. Dimensional evolution of die and product should be analyzed at each stage of forging. In this study, both radial and tangential stresses are encountered in the determination of die stresses since cylindrical workpieces were used. In order to sustain dimensional accuracy of the forging die, differences between the forging product and the die insert such as elastic die expansion and product contraction are presented. 【Keywords】 Precision forging . Die stress 1 緒論 建國前，國內(nèi)僅有少數(shù)工廠擁有數(shù)量極少的鍛壓裝備及其輔助設(shè)備，他們分布在機(jī)械、冶金、鐵路、水電、兵器、船舶等基礎(chǔ)工業(yè)部門并主要從事那些體積小，形狀相對簡單的鍛件的制造工作。目前，我國大鍛件鍛造行業(yè)已有一定規(guī)模和水平，且擁有的100MN級大型液壓機(jī)數(shù)量已躍居世界第三位，但是輔助配套設(shè)施還很不齊全，如鍛造操作機(jī)、大截面切割機(jī)、鍛件尺寸測量控制裝置、工具操作機(jī)、鍛造加熱爐等都不配套，從而大大影響了被鍛鋼錠的材料利用率。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對鍛件質(zhì)量的要求越來越高，顯然，傳統(tǒng)的鍛件已不能滿足人們使用的需求，為了解決這種現(xiàn)狀，所以必須引進(jìn)技術(shù)革新。 1.1我國鍛壓行業(yè)的現(xiàn)狀 鍛壓行業(yè)是國際工業(yè)化程度的重要標(biāo)志，作為機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，鍛壓行業(yè)對裝備制造業(yè)和國防建設(shè)有重要的影響，我國已成為世界鍛壓業(yè)大國，但還不能稱其為世界鍛壓業(yè)強(qiáng)國，與鍛造技術(shù)先進(jìn)的國家相比還存在一定的差距。我國鍛造行業(yè)在“九五”期間有了新的進(jìn)展，主要表現(xiàn)在以下方面：鍛造行業(yè)獨立鍛造企業(yè)在增多，也就是從全年能廠中獨立出許多自負(fù)盈虧、有獨立法人資格的鍛造企業(yè)；鍛造生產(chǎn)向產(chǎn)品專業(yè)化發(fā)展有了明顯進(jìn)步，許多專業(yè)生產(chǎn)線已經(jīng)形成；鍛造行業(yè)“九五”期間技術(shù)改革最大的特點是填平補(bǔ)齊，形成了一批利用現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)精密產(chǎn)品的生產(chǎn)線和技術(shù)；“九五’期間鍛造企業(yè)重視市場運作，已有鍛件成批量出口；特種鍛造工藝推廣應(yīng)用取得新成效，采用楔橫軋機(jī)精鍛中間軸及凸輪軸類生產(chǎn)線約100條，該技術(shù)已受到美國公司的重視；國外鍛造企業(yè)在中國合資、獨資鍛造企業(yè)達(dá)17家；模鍛件在鍛造行業(yè)內(nèi)的比重進(jìn)一步提高，約達(dá)60%，這標(biāo)志著我國鍛造業(yè)已進(jìn)入新的發(fā)展階段；現(xiàn)階段，國內(nèi)有成功開發(fā)了一批高科技含量的鍛造設(shè)備及其輔助工具。 盡管我國鍛造業(yè)取得了一定成績，但與國外發(fā)達(dá)國家比，仍存在不少問題。目前，制約我國鍛造行業(yè)發(fā)展的因素很多，但淘汰少或不淘汰則是行業(yè)發(fā)展受阻的重要因素之一。在我國鍛件生產(chǎn)過程中，部分骨干企業(yè)采用了熱模鍛壓力機(jī)及相應(yīng)的輔助設(shè)備，但大多數(shù)企業(yè)仍采用雙盤摩擦壓力機(jī)、空氣錘等人工操作生產(chǎn)工藝，使鍛件精度，磨具壽命，鍛件質(zhì)量穩(wěn)定性均受影響。然而隨著時代的發(fā)展，工業(yè)對鍛件的質(zhì)量要求越來越高，顯然傳統(tǒng)的鍛造方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們使用的要求，所以，要想生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品，科技創(chuàng)新和技術(shù)投入是必不可少的。 大型鍛造操作機(jī)屬于當(dāng)前世界體積相對較大的多自由度重載機(jī)器人，屬于機(jī)、電、液高度一體化的復(fù)雜裝備，它是萬噸鍛造壓機(jī)重要配套設(shè)備，也是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)急需的重大機(jī)械裝備之一。并且，大型鍛件制造業(yè)是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，是關(guān)系到國家安全和國家經(jīng)濟(jì)命脈的戰(zhàn)略性行業(yè)，其發(fā)展水平是衡量國家綜合國力重要標(biāo)志。通過深入開展大型鍛造操作機(jī)的研究工作，將逐步實現(xiàn)大型鍛造操作機(jī)的國產(chǎn)化，對提升我國大型裝備及關(guān)鍵零部件的自主設(shè)計和制造能力、滿足國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求、結(jié)束我國不能設(shè)計大型鍛造操作機(jī)的歷史都具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)效益。 1.2鍛造操作機(jī)的發(fā)展歷史 1.2.1鍛造操作機(jī)的起源 鍛造操作機(jī)最早出現(xiàn)在美國和原蘇聯(lián)，而后在日本、英國、奧地利等國發(fā)展起來，并成為系列化產(chǎn)品進(jìn)入工業(yè)性生產(chǎn)。最初的操作機(jī)多為全機(jī)械傳動，60、70年代出現(xiàn)了混合傳動和全液壓傳動、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活的鍛造操作機(jī)。到了80年代，各國對鍛造操作機(jī)的設(shè)計、制造、技術(shù)改革方面又有了更高的要求，不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝，促進(jìn)了鍛壓技術(shù)的發(fā)展。特別是鍛造操作機(jī)的需求量不斷增加，引起了國內(nèi)外大、中型企業(yè)對鍛造操作機(jī)在生產(chǎn)中作用的重視。90年代中期，國外大型鍛造操作機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，大型操作機(jī)與30000kN自由鍛造水壓機(jī)聯(lián)動操作，不斷提高水壓機(jī)生產(chǎn)能力。 我國鍛造操作機(jī)起步于60年代，開始只能由某些工廠自己制造有軌操作機(jī)。90年代初期，我國自行設(shè)計制造的100kN鍛造操作機(jī)于1992年5月在太原試制成功，其主要技術(shù)性能已達(dá)到世界80年代水平，能替代同類進(jìn)口產(chǎn)品。至今，我國自主研發(fā)投放的全液壓鍛造操作機(jī)最大夾持能力也只有500kN。 世界上裝備的萬噸級自由鍛造壓力機(jī)近30臺，最大的模鍛水壓機(jī)載荷能力高達(dá)7.5萬噸，最大的六自由度鍛造操作機(jī)操作力矩達(dá)7500kN·m，最大承載能力高達(dá)2500kN。目前我國已具備了萬噸級鍛壓裝備的設(shè)計與制造能力，如中國一重自主設(shè)計、制造的世界上最先進(jìn)的150MN自由鍛造水壓機(jī)，2006年末已經(jīng)投放使用，但與之配套的大型鍛造操作機(jī)仍在研發(fā)當(dāng)中。 1.2.2大型鍛造操作機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 鍛造操作機(jī)作為進(jìn)行鍛造工藝的重要設(shè)備，眾多國外公司對其進(jìn)行系統(tǒng)化研究，目前，德國DDS公司、韓國HBE PRESS公司以及捷克ZDAS公司的鍛造操作機(jī)的制造水平處在世界前列。其中，德國DDS公司和WEPUKO公司是世界著名的鍛造操作機(jī)專業(yè)研發(fā)、制造企業(yè)，在重型鍛造操作機(jī)領(lǐng)域有70多年的歷史。此外，日本三菱長琦生產(chǎn)的操作機(jī)因擁有告高速、高精度的機(jī)械手及控制系統(tǒng)而著稱。 國內(nèi)鍛造操作機(jī)的研究起步很晚，在一些技術(shù)方面與國外相比還有一定的差異。與萬噸壓機(jī)配套的大型鍛造操作機(jī)全部采用進(jìn)口設(shè)備，自主開發(fā)的大型鍛造操作機(jī)至今尚未問世，如中國一重與上海交大聯(lián)合開發(fā)的1600kN鍛造操作機(jī)和北方重工自主開發(fā)的2000kN鍛造操作機(jī)的整機(jī)水平還有待于進(jìn)一步驗證。 為解決我國重大裝備制造中一批關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)問題，實現(xiàn)重大裝備及其成套技術(shù)的自主研發(fā)，科技部在“十一五”國家科技支撐計劃中設(shè)立了“大型鑄鍛件制造關(guān)鍵技術(shù)及裝備的研制”項目，在重點完成的工作中明確提出“150MN自由鍛造水壓機(jī)及配套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”和“165MN自由鍛造壓油機(jī)及配套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究” 1.2.3大型鍛造操作機(jī)的技術(shù)特征 大型鍛造操作機(jī)與萬噸鍛造壓機(jī)是配合在一起聯(lián)合工作的，工作過程中操作機(jī)保持著頻繁的重復(fù)動作，對其性能的要求為動作速度高、空行程時間短、精整時定位準(zhǔn)確，以達(dá)到快速鍛造，并得到尺寸精確的鍛件。與加工裝備相比，大型操作機(jī)的特點是載荷大、慣量大、自由度多、操控能力強(qiáng)。 大型鍛造操作機(jī)的主要技術(shù)特征：一是在重載操作條件下，操作機(jī)構(gòu)件的分布式柔性變形直接影響末端執(zhí)行器的操作精度，因此，在裝備的機(jī)構(gòu)設(shè)計中，既要保證操作裝備在整個工作空間中具有理想的剛度特性，又要通過運動學(xué)設(shè)計對結(jié)構(gòu)變形在裝備運動鏈中的傳遞特性進(jìn)行控制。此外，鍛造操作機(jī)長期在非連續(xù)工作條件下進(jìn)行操作，其動力學(xué)性能在空載和負(fù)載操作情況下存在顯著差別。二是大型鍛造操作機(jī)制造成本高，設(shè)計與制造周期長，通常采用單臺制造模式。重載操作機(jī)通常很難通過物理樣機(jī)實驗對其操作性能進(jìn)行分析和驗證，因此，計算機(jī)數(shù)值模擬是鍛造操作機(jī)設(shè)計、性能評估與優(yōu)化的重要支撐技術(shù)。 2鍛造操作機(jī)整機(jī)介紹 鍛造操作機(jī)是一種用以夾持鍛坯配合水壓機(jī)或鍛錘完成送進(jìn)、轉(zhuǎn)動、調(diào)頭等主要動作的輔助鍛壓機(jī)械，或稱其為液壓鍛造機(jī)械手，是重型鍛壓機(jī)的重要配套設(shè)備，也是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)急需的重大機(jī)械裝備之一。經(jīng)實踐證明，大型鍛造操作機(jī)的應(yīng)用不僅能提高大型鍛件的制造性能、制造精度、生產(chǎn)效率和材料利用率，還能降低能耗和減輕工人的勞動強(qiáng)度，在一定程度上消除安全隱患，實現(xiàn)生產(chǎn)的合理化，系統(tǒng)化。掌握大型鍛造操作機(jī)的核心設(shè)計制造技術(shù)，是目前我國重型機(jī)械制造行業(yè)的重要任務(wù)。 鍛造操作機(jī)結(jié)構(gòu)可分為有軌式和無軌式兩種，其傳動方式有機(jī)械式、液壓式和混合式等，在工作期間，操作機(jī)能完成大車在軌道上自由行走；鉗架前后升降、傾斜；鉗頭夾持、松開、旋轉(zhuǎn)等動作。大車架采用整體框架式結(jié)構(gòu)，由電機(jī)或液壓馬達(dá)驅(qū)動。鉗架升降有鋼絲繩或油缸帶動，可實現(xiàn)前后同步升降或分別升降，使鉗架到達(dá)水平或?qū)崿F(xiàn)一定角度的傾斜。鉗頭夾緊由大螺距絲桿或油缸帶動夾持拉桿水平移動實現(xiàn)。并且有緩沖保險裝置。鉗頭旋轉(zhuǎn)由電機(jī)減速機(jī)或液壓馬達(dá)帶動，并設(shè)有過載保護(hù)裝置。鉗架的前后、兩側(cè)及鉗架與升降機(jī)之間均設(shè)有防震動的緩沖裝置，因此大大提高了鍛件第中效率和鍛造精度。此外，還有專門用于某些輔助工序的操作機(jī)，如裝取料操作機(jī)和工具操作機(jī)等。為了配合操作機(jī)的工作，有時還配置鍛坯回轉(zhuǎn)臺。以方便鍛坯的調(diào)頭，已完成鍛造工廠所需要的鐓粗、拔長、沖孔、擴(kuò)環(huán)、切斷等鍛造工藝要求。 3設(shè)計方案綜述 為實現(xiàn)操作機(jī)應(yīng)完成的基本動作，其相應(yīng)具有：鉗口夾緊和鉗桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，活動架前后提升機(jī)構(gòu)和大車行走機(jī)構(gòu)。 操作機(jī)的本體結(jié)構(gòu)可分為夾鉗、臺架和大車三部分。夾鉗包括鉗口夾緊和鉗桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，臺架包括平行升降及傾斜機(jī)構(gòu)，在夾鉗和臺架之間還設(shè)置有垂直緩沖和水平緩沖裝置，大車支承整個臺架和活動架，大車行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動大車使其前進(jìn)或后退。 要求該操作機(jī)所具有的主要基本參數(shù)和技術(shù)參數(shù)如下： 額定夾持工件重量 1噸 夾持力矩 2噸力.米 夾持鍛件范圍 Φ140～Φ420毫米 升降鍛件高度 500毫米 傾斜角度 +6度 鉗桿旋轉(zhuǎn)速度 30轉(zhuǎn)/分 大車行走速度 45轉(zhuǎn)/分 力求控制重量 7～8噸 軌距 1500毫米 夾鉗伸出量 1400毫米 純機(jī)械結(jié)構(gòu)由電器驅(qū)動。 在鉗口夾緊機(jī)構(gòu)中，夾鉗擬采用長杠桿式結(jié)構(gòu)以盡量減小拉緊力，拉緊方式擬定為機(jī)械拉緊，采用絲杠螺母配合來實現(xiàn)圓周運動轉(zhuǎn)化為平行移動，鉗臂及連桿等活動聯(lián)接處采用銷軸聯(lián)接，殼體擬采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。不同直徑毛坯選用不同的鉗墊來實現(xiàn)夾緊。其拉緊力及旋轉(zhuǎn)力矩由鉗桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供。 前提升機(jī)構(gòu)中，各部件布置形式為：電機(jī)通過帶制動輪型聯(lián)軸器和相配和的制動器以及減速器相聯(lián)接，減速器與卷繞鋼絲繩的空心卷筒通過法蘭聯(lián)接在一起。鋼絲繩把卷筒、定滑輪、動滑輪和活動架聯(lián)接在一起，并通過螺栓聯(lián)接與機(jī)架聯(lián)接在一起。工作時，電機(jī)驅(qū)動減速器，帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩通過定滑輪和動滑輪卷繞在卷筒上，從而實現(xiàn)將活動架和鉗頭抬高，同理，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動卷筒反轉(zhuǎn)， 從而放開鋼絲繩，實現(xiàn)將活動架放低。在后提升高度一定的前提下，前提升可實現(xiàn)鉗頭及活動架的小角度傾斜。 4鉗口夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計 4.1 工作原理及分類 鉗口夾緊機(jī)構(gòu)由鉗頭和拉緊裝置組成。 鉗口夾緊機(jī)構(gòu)可分為長杠桿式、短杠桿式和滑塊斜槽式。長杠桿式鉗頭鉗臂的后臂比前臂長，拉緊力較小，但行程較大，使鉗頭外形尺寸增大，鉗頭零件多，加工制造較困難。 短杠桿式鉗頭后臂比前臂短，拉桿的行程較小，結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，但拉桿上所需拉緊力較大。滑塊斜槽式鉗頭效率較低。 鉗頭的鉗口形式： 1． 直線狀V形鉗口用于夾持軸類鍛件，當(dāng)鍛件被夾持的長度較短或夾持力矩較時，鍛件容易松脫。 2． 交叉式V形鉗口的鉗口閉合時，兩個鉗口能夠交錯在一起，因此擴(kuò)大了一副鉗口夾持鍛件的尺寸范圍。 3． 直線狀偏心V 形鉗口可防止鍛件松脫，但由于鉗口前后不對稱，鉗口處于垂直正中位置時，鉗口后端較重而下垂，使受料時很不方便。 4． 中凹狀V形鉗口與直線狀鉗口相比較，可有效防松脫。 5． 旋轉(zhuǎn)鐓粗鉗口主要用于鐓粗鍛件。 拉緊裝置的作用是在拉桿上產(chǎn)生拉緊力，從而使鉗口夾緊鍛件，有機(jī)械式、液壓式、氣動式。 機(jī)械式拉緊裝置的基本原理是采用螺母螺桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生夾緊松開動作，利用壓縮彈簧保持拉桿上的拉緊力，并起過載保護(hù)作用。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用時容易發(fā)生故障。 液壓式拉緊是利用油缸的油壓在拉桿上產(chǎn)生拉緊力，工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，加工精度要求較高。 4.2 鉗頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計確定 畢業(yè)設(shè)計注重的是設(shè)計過程的經(jīng)歷與體驗，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新則在其次，受自身水平限制，同時作為一個機(jī)械專業(yè)學(xué)生，機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)更加重要，我們一組三個同學(xué)擬定設(shè)計小噸位全機(jī)械式的鍛造操作機(jī)。 因此我在設(shè)計時首先以結(jié)構(gòu)簡單可行易實現(xiàn)為目的，綜合考慮實際情況，我采用長杠桿式鉗頭以減小拉緊力，采用中凹狀Ｖ型前口以防棒料脫落，采用機(jī)械式拉緊裝置拉緊。 4.3 鉗頭幾何參數(shù)的確定 鉗口的松夾行程應(yīng)滿足操作機(jī)夾持鍛件的尺寸范圍的要求，并且與鉗口的角度及鉗口的安裝方式有關(guān)。一般取鉗口角度2＝90～120度。采用90度的鉗口既能夾持原料又能夾持方料。但是，為了適應(yīng)夾持鍛件的尺寸范圍，通常必須有三副大小不同的鉗口。采用120度的鉗口，可以擴(kuò)大一副鉗口的夾持范圍，但它不能夾持方料，因此擬采用90度鉗口。鉗口的安裝方式有兩種，一種是小鉗口直接安裝在前臂上，一種是套裝在大一號的鉗口內(nèi)。擬采用90度鉗口直接安裝。 工件尺寸范圍：Φ140～Φ420毫米 4.3.1 鉗口的松夾行程（開閉范圍）： 鉗口非套裝， 式中 ——系數(shù)，鉗口角度； ——操作機(jī)夾持鍛件的最大直徑和最小直徑（毫米）。 4.3.2 鉗口銷軸最大中心距： 取700毫米。 4.3.3 鉗臂固定銷軸中心距： 取600毫米。 4.3.4 鉗頭的喉口深度： 取300毫米。 4.3.5 鉗臂杠桿比： 長杠桿式， 為減小拉緊力，取最大值1.45。 式中 ——鉗口銷軸中心至鉗臂固定銷軸中心間的距離； ——鉗臂后銷軸中心至固定銷軸中心間的距離。 4.3.6 鉗臂外張角： 不大于20o 即 取為300毫米，則 4.3.7 拉桿行程： 精確數(shù)字應(yīng)根據(jù)鉗口松夾行程、和鉗口銷軸最大中心距 以及鉗頭零件尺寸由作圖決定，最后修正為335毫米。 4.4 拉緊力的計算 拉桿上所需的拉緊力的計算，是作為設(shè)計拉緊裝置及鉗頭中各相關(guān)零件的強(qiáng)度校核的依據(jù)。 在各種鍛造工藝中，軸類鍛件總是最重最長的，因此，拉緊力的計算是從夾持軸類鍛件的夾持重量和夾持力矩及采用V形鉗墊出發(fā)的。軸類鍛件的直徑d可根據(jù)操作機(jī)公稱載重量G和夾持力矩M來求。 鍛件長度 式中——鍛件重心至鉗口中心的距離； ——為鉗墊長度，據(jù)經(jīng)驗取250毫米。 由 , 得 式中為鍛件的比重，單位 。 由于鍛造過程中，鉗頭經(jīng)常旋轉(zhuǎn)，鉗口相對于水平面的位置以隨之變化，而當(dāng)鉗口的位置變化時，受力狀況也隨之變化，因此拉緊力也就隨著鉗口位置而改變，一般鉗口在水平位置和垂直位置兩種情況時的拉緊力較大，取其較大的拉力作為設(shè)計拉緊裝置設(shè)計和強(qiáng)度計算的依據(jù)。 4.4.1 鉗口在水平位置時拉緊力分析： (1) 毛坯受力分析如圖4-1： 圖4-1 鉗口在水平位置毛坯受力圖 圖中 G——毛坯重量，即操作機(jī)公稱載重量； ——鉗口對毛坯正壓力的合力； ——鉗口對毛坯的全反力； ——在垂直方向的分力； ——在水平方向的分力； ——鉗墊角度； ——鉗口與毛坯間的摩擦角，； ——鉗口對毛坯摩擦力的合力，毛坯由于重量的作用，有順時針翻轉(zhuǎn)的趨勢，欲使鉗口分開，在兩鉗口上側(cè)邊有向上滑出趨勢，所以向下；在兩鉗口下側(cè)邊有向下滑出趨勢，所以向上，在臨界平衡狀態(tài)下，同時達(dá)最大靜摩擦力； ——鉗口與毛坯間的摩擦系數(shù)； ——鉗墊長度； ——毛坯重心至鉗口銷軸中心的距離； ——鉗口兩側(cè)邊正壓力合力之間的距離，其值與正壓力沿鉗墊長度的分布情況有關(guān)。 取。 （2） 拉緊力計算： 由前圖可知： 求得： 又 則 圖4-2 鉗口在水平位置拉緊力示意圖 由圖4-2可知， 拉桿上的拉緊力為： 式中 ——鉗臂力臂比； K——考慮拉緊力儲備系數(shù)，取K＝1.2～1.25； η——鉗口夾緊機(jī)構(gòu)的效率，取η＝0.8～0.85。 （3） 鉗口受力分析 圖4-3 鉗口在水平位置受力圖 圖4-3中，H——鉗口銷軸水平反力； Z——鉗口銷軸對鉗口的垂直支承力； X——鉗口銷軸在x方向的剪切反力； Y——鉗口銷軸在y方向的剪切反力； ——鉗口銷軸與其銷孔間的摩擦力矩，若銷直徑為d1,銷軸與孔間的摩擦系數(shù)為f1，則 。 由圖4-3（c）可見，為防止鉗口松開，造成毛坯下垂現(xiàn)象，必須足夠大： 為此，銷軸直徑應(yīng)滿足下列條件： d1≥＝＝ 4.4.2 鉗口在垂直位置時拉緊力分析： （1）毛坯受力分析：意義同圖4-1： ——鉗口對毛坯摩擦力的合力。這時毛坯由于G的作用，有順時針翻轉(zhuǎn)趨勢，在上鉗口，毛坯有向右滑出趨勢，所以向左；在下鉗口處則相反； ——換算至垂直平面內(nèi)時毛坯的壓力； ——與，與的合力，必定通過鉗口銷軸中心A,B點； ——換算摩擦角，即當(dāng)上鉗口處毛坯相對于鉗口將轉(zhuǎn)動而未轉(zhuǎn)動時，對垂直線的偏角，,式中為換算摩擦系數(shù)，由下式確定： ——對垂直線的偏角，因,而 所以，，即下鉗墊的換算摩擦角未達(dá)最大值。 ——對鉗墊中心的距離； φ——毛坯在重量G作用下，下墜轉(zhuǎn)動角度。 (2) 拉緊力計算： 圖4-4 鉗口在垂直位置毛坯受力圖 當(dāng)φ＝0式，由圖4-4（b）可知： 求得： 圖4-5 鉗口在垂直位置拉緊力示意圖 由圖4-5可知，兩鉗臂上的夾緊力為： 拉桿上的拉緊力P為： (1) 鉗口受力分析： 圖4-6為上鉗口受力情況，下鉗口受力情況與上鉗口類似。由于與的合力必定通過鉗口1銷軸中心A點，而與間的夾角（換算摩擦角）是一個只與摩擦系數(shù)有關(guān)的定值，因此有： 圖4-6 鉗口在垂直位置受力圖 式中，h為鉗墊與毛坯接觸面至銷軸中心A的距離。 當(dāng)摩擦系數(shù)f＝0.3，＝45度時，＝0.43 如果鉗口銷軸布置在鉗墊長度中間，則鉗墊長度應(yīng)滿足下列關(guān)系： 4.4.3 討論： 令為鉗口在水平位置與垂直位置所需拉緊力的比值，則： 若>1，則鉗口在水平位置所需的拉緊力較大；相反，若<1，則鉗口在垂直位置所需的拉緊力較大。 確定A： 當(dāng)兩銷開至最大距離590毫米時，應(yīng)能裝夾最大工件φ420，由圖4-7可計算： 大鉗墊最小能夾φ200工件，此時， 則銷軸距離,即夾持φ200工件時銷軸距離為389 毫米。加上小鉗墊后能夾持最小工件φ140。 圖4-7 鉗口在垂直位置夾持最小工件示意圖 由圖4-7所示， 使用小鉗墊時，必須保證其在夾持φ200工件時，銷軸距離控制在700以內(nèi)： 因此在許用范圍內(nèi)。 當(dāng)夾持為計算直徑φ196工件時，如圖4-8所示， 圖4-8 鉗口在垂直位置夾持計算直徑工件示意圖 故鉗口在垂直位置時拉緊力最大。 K——拉緊力儲備系數(shù)，K＝1.2～1.25，這里取K＝1.2； η——夾持機(jī)構(gòu)的效率，η＝0.8～0.85，這里取η＝0.85； 鉗臂力臂比，其中，a為鉗臂固定軸中心至鉗口銷軸中心的垂直距離，b為鉗臂固定軸中心至拉桿軸線的垂直距離， 由設(shè)計作圖， 故 。 4.5 其它部件尺寸的確定及校核 4.5.1 鉗口銷軸直徑： 其中取0.15，取，材料35鋼。 4.5.2 鉗臂后銷軸直徑的確定： 圖4-9 鉗臂后銷軸受力圖 拉緊力11.95噸力，即,則彎矩 取材料35鋼調(diào)質(zhì)，由機(jī)械設(shè)計師手冊查得，， 則計算應(yīng)滿足下列條件： 即 故其強(qiáng)度滿足要求，可以實現(xiàn)。 4.5.3 固定銷軸尺寸的確定： 圖4-10 固定銷軸受力圖 由圖可知，該銷軸受最大力 噸力 ＝8000×9.8＝78400N 即圖中 彎矩 則計算應(yīng)滿足下列條件： 選取固定銷軸直徑，35鋼調(diào)，， 則 故其強(qiáng)度滿足要求，可以實現(xiàn)。 4.5.4 拉塊傳動選擇： 拉塊的傳動采用螺旋傳動。這種傳動的特點時傳動比大，用較小的傳動力矩可以獲得很大的軸向力，傳動平穩(wěn)無噪聲，但是系統(tǒng)剛度較低?？紤]鉗口拉緊塊的工作情況，選用滑動螺旋傳動，為適應(yīng)其12噸力的拉緊力，采用梯形螺紋。 螺距 轉(zhuǎn)速 拉緊速度 選用鋼對青銅，螺桿選用45號鋼，螺母選用鑄造ZQSn10-1,許用比壓，螺桿中徑 式中 F——軸向載荷N,； ——整體式螺母取1.2～2.5，這里取2； 按標(biāo)準(zhǔn)取60mm。 螺母高度 由選取國家標(biāo)準(zhǔn)螺距p為16。 旋合圈數(shù) 螺旋的工作高度 工作比壓 可取35～45，這里取40 則，能滿足強(qiáng)度要求。 螺桿強(qiáng)度校核： 式中 F——螺桿所受拉力，F(xiàn)=12噸力； ——轉(zhuǎn)矩，其值為0； 拉桿材料為45號鋼， 故 拉桿滿足強(qiáng)度要求。 4.5.5 固定端絲杠螺母的螺釘確定： 許用拉應(yīng)力 式中為安全系數(shù) ，則 式中 取d為18mm。 4.6 鉗臂的強(qiáng)度校核 當(dāng)鉗口夾持鍛件直徑為計算直徑時，可以確定鉗臂在鉗殼中的位置。鍛造過程中，當(dāng)鉗口處于垂直位置時，下鉗臂受力較大，故只按下鉗臂的受力情況進(jìn)行校核。 圖4-11 鉗臂受力示意圖 由圖可知，當(dāng)鉗口處于垂直位置時，下鉗口處摩擦力必定通過鉗口軸中心，并且與垂直平面的夾角為，則鉗口作用于鉗臂的合力為： 由以上已知，，則 ，，， ，，則 校核斷面1-1 將鉗口夾緊力分解為垂直和水平分力，顯然垂直分力對截 面1-1產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，水平分力對截面1-1產(chǎn)生壓應(yīng)力。 故彎曲應(yīng)力 故鉗臂上1-1截面的最大壓應(yīng)力為： 強(qiáng)度允許，可以實現(xiàn)。 又有 故 強(qiáng)度允許，可以實現(xiàn) 因此鉗臂2-2截面的最大應(yīng)力為： 強(qiáng)度允許，可以實現(xiàn)。 5前提升機(jī)構(gòu)設(shè)計 5.1 設(shè)計方案 鍛造操作機(jī)前提升機(jī)構(gòu)包括：鋼絲繩卷繞系統(tǒng)以及驅(qū)動裝置等部分，與后提升機(jī)構(gòu)相配和用來實現(xiàn)夾鉗的上升、下降及傾斜動作，是鍛造操作機(jī)必不可少的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。鋼絲繩卷繞系統(tǒng)由減速器、卷筒、鋼絲繩、定滑輪和動滑輪等基本零件構(gòu)成。驅(qū)動裝置可由油缸、氣缸或電動機(jī)來驅(qū)動，這里采用電動機(jī)驅(qū)動。其提升基本原理類似于起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)，因此其設(shè)計過程主要參考起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算。 前提升機(jī)構(gòu)最大提升速度可由提升高度及最大加速度 來確定，取 。鉗桿上下最大傾角為5～10度，這里取8度，鉗桿長度估算為5000毫米（以上數(shù)據(jù)參考青島北海機(jī)械設(shè)備公司鍛造操作機(jī)產(chǎn)品技術(shù)說明書）。 則起升高度 由條件限制，活動架和夾鉗以及工件總重很大，速度不能太大，這里取取。 驅(qū)動裝置布置形式：電機(jī)通過帶制動輪的聯(lián)軸器與大傳動比減速器 相連，減速器兩輸出軸與卷筒相連，在高速軸上裝有機(jī)械制動器以便是夾鉗和活動架安全的停止于懸空狀態(tài)并自鎖。鋼絲繩一端固定在卷筒上，另一端繞過定滑輪、動滑輪固定在機(jī)架上。定滑輪固定在機(jī)架上，動滑輪由擋板加銷軸支撐，擋板固定在活動架上。 5.2 各部件的選用 由非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備手冊，對于一般的機(jī)械加工車間，機(jī)構(gòu)的利用級別可定位T4（總的設(shè)計壽命為3200小時），載荷情況可定位L2，即機(jī)構(gòu)經(jīng)常承受中等載荷，較少承受最大載荷，查表4.3，機(jī)構(gòu)工作級別為M4。 5.2.1 電動機(jī)選用 類型的選擇：查機(jī)械設(shè)計師手冊，起升機(jī)構(gòu)電動機(jī)起動制動頻繁，起動制動轉(zhuǎn)矩較大，故采用繞線異步電動機(jī)。 容量的確定：初步估計起升載荷重量，機(jī)構(gòu)總功率， 則電機(jī)靜功率 綜合考慮，最終確定電機(jī)型號YR160M-8,額定電壓380V，額定 功率4千瓦，同步轉(zhuǎn)速705r/min。 5.2.2 鋼絲繩的選用 線接觸鋼絲繩消除了點接觸鋼絲繩所具有的二次彎曲應(yīng)力，能降低 工作時總的彎曲應(yīng)力，抗疲勞性能好，結(jié)構(gòu)緊密，金屬斷面利用系數(shù)高，壽命長。金屬芯鋼絲繩強(qiáng)度大，能承受較高的橫向壓力，可用在多層卷繞及高溫環(huán)境。室內(nèi)工作選用一般光面鋼絲繩。鋼絲繩極限強(qiáng)度高者可縮小尺寸，但太高時，僵性太大，對工作反而不利。起重設(shè)備中以選用155～185抗拉強(qiáng)度的鋼絲繩為宜。 滑輪或卷筒直徑與鋼絲繩直徑之比e越大，鋼絲彎曲應(yīng)力越小，有 利于提高壽命。鋼絲繩繞過滑輪或卷筒的包角常小于180度。 鋼絲繩工作時承受的最大靜拉力：采用單聯(lián)滑輪組（繞入卷筒 的鋼絲分支數(shù)為1）， （千克力） 式中 ——起升載荷重量，初步估計為5噸； m——滑輪組倍率，m=2； ——導(dǎo)向滑輪效率，查起重機(jī)手冊，包角，采用滾動軸承，； ——滑輪組效率，選滾動軸承，m=2,； （千克力） 鋼絲繩許用拉力 式中 ——鋼絲繩破斷拉力（千克力）； ——根據(jù)機(jī)構(gòu)重要性、工作類型及載荷情況而定的鋼絲繩安全系數(shù)，查表，起升用，機(jī)動，輕級載荷， 取5.0。 （千克力） 初選7×7金屬芯鋼絲繩， 查起重機(jī)手冊，， 查非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備手冊，鋼絲繩直徑為： 式中 C——選擇系數(shù)，查非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備手冊表4.9，選擇系數(shù)C＝0.095，則 (mm) 綜合考慮，選用鋼絲繩型號為6X(19)-15.0-170-Ⅱ。 5.2.3 滑輪的選用 滑輪使鋼絲繩導(dǎo)向。在輕級和中級工作類型起重機(jī)上可采用鑄鐵滑輪。 繩槽尺寸： 鋼絲繩直徑為d，一般取 滑輪繩槽兩側(cè)面夾角 為了減少鋼絲繩磨損，繩槽可加塑料襯墊。 滑輪名義直徑，鋼絲繩為Ⅱ類，查表e=20, 則 5.2.4 卷筒的選用 卷筒用于卷繞提升鋼絲繩。為了卷繞整齊，繩間不產(chǎn)生摩擦，卷筒 表面切成螺旋槽，有深槽和標(biāo)準(zhǔn)槽兩種。 卷筒直徑 周長，起升高度H=696mm,則卷筒有效螺旋槽為兩圈。 采用標(biāo)準(zhǔn)槽，繩槽半徑 槽深 節(jié)距 卷筒長度確定： 單層卷繞，單聯(lián)卷繞，如下圖所示， 圖5-1 卷筒長度計算示意圖 卷繞長度： 各變量含義同上，則 由圖1，——根據(jù)構(gòu)造需要選定，這里取50mm； ——固定鋼絲繩所需長度，； 結(jié)合作圖，最終確定為300mm。 5.2.5 減速器的選用 驅(qū)動裝置傳動比： 式中 ——電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速,n=705（r/min）； ——穩(wěn)定運行時卷筒轉(zhuǎn)速（r/min）； 式中 m——滑輪組倍率，m=2； v——物品上升速度，v=1.5m/min； D——卷筒直徑,算到鋼絲繩中心，D=0.3m； （r/min） 為滿足傳動比要求，查起重機(jī)手冊，選擇三級傳動的ZQ型大傳動比減速器，型號為ZQ-400+100,傳動比最大為265.71，允許輸入功率1.92千瓦。這種減速器是早年特為起重機(jī)設(shè)計制造的低硬度齒面的減速器，制造工藝較容易，又很多中小型廠均有現(xiàn)成產(chǎn)品供貨。 減速器與卷筒通過法蘭和平鍵連接。 5.2.6 制動器的選用 提升機(jī)構(gòu)在驅(qū)動裝置斷電后，電機(jī)軸由于慣性會繼續(xù)轉(zhuǎn)動，同時重物由于重力作用會下落，所以必須設(shè)置制動裝置鎖緊高速軸，即電機(jī)軸。起重機(jī)提升機(jī)構(gòu)的制動器應(yīng)選擇由彈簧壓力或重塊重力閉合的常閉式制動器。松閘的方法可以是電磁的或液壓的。要求制動器有足夠大的制動轉(zhuǎn)矩。起重機(jī)常采用外抱塊式制動器，查起重機(jī)手冊，選用JWZ-200型電磁制動器，制動輪半徑200mm。 5.2.7 聯(lián)軸器的選用 為使結(jié)構(gòu)緊湊，選擇HLL型帶制動輪彈性柱銷聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器就是將普通聯(lián)軸器的一個輪轂做成帶有制動輪的形式，帶有制動的一邊與減速器的輸入軸聯(lián)接。制動輪半徑與制動器相匹配，輸入輸出孔徑與電動機(jī)軸和減速器軸相匹配。 5.3 提升機(jī)構(gòu)校核計算 5.3.1電動機(jī)校核 鍛造操作機(jī)正常工作時可認(rèn)為負(fù)載恒定或基本恒定，因此這類生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)容量不須按發(fā)熱觀點校驗電機(jī)，只要在電機(jī)樣本中依照工作環(huán)境選擇容量略大于需要容量轉(zhuǎn)速又合適的電機(jī)就可以了。這里所選電動機(jī)容量裕度已足夠大。 5.3.2 制動器校核計算 提升機(jī)構(gòu)制動器的制動力矩須滿足下列條件： （千克米） 式中 ——制動安全系數(shù)，查表，輕級載荷取值1.5； ——滿載時制動軸上的靜力矩； 式中 ——機(jī)構(gòu)總效率， 查起重機(jī)手冊表8-8，采用滾動軸承， m=2,，則 （千克米） （千克米） 所選制動器制動力矩為16千克米，足夠用。安裝時調(diào)整到稍大于6.09千克米。 5.3.3 聯(lián)軸器校核計算 提升機(jī)構(gòu)采用的聯(lián)軸器，通常按其工作條件確定選用何種型式，再按其所承受的力矩、被連接軸的軸徑尺寸和轉(zhuǎn)速，從系列表中選出具體型號，使之滿足： 式中 ——聯(lián)軸器傳遞的計算轉(zhuǎn)矩； [M]——聯(lián)軸器需用轉(zhuǎn)矩； 對于柱銷聯(lián)軸器，主要受強(qiáng)度控制，其計算力矩按下式確定： 式中 ——第二類載荷動力系數(shù)，查起重機(jī)手冊表3-1，取值2.0； ——第二類載荷安全系數(shù)，查起重機(jī)手冊表4-1，取值1.8； ——電動機(jī)額定力矩，查機(jī)械設(shè)計師手冊，其值為2.2千克米； 查機(jī)械設(shè)計師手冊，HLL2型聯(lián)軸器，[M]＝630，足夠用。 5.3.4 卷筒校核計算 大批量生產(chǎn)卷筒時多用鑄造方法，大型單件卷筒不宜用鑄造方法，可用鋼板卷彎然后焊接，如果材料允許，也可直接用鋼管切槽。這里材料選用Q235，滿載上升到最高位置時，在鋼絲繩拉力作用下，卷筒承受最大扭矩、彎矩及鋼絲繩對卷筒壁的壓力作用。 L<3D時,彎矩和扭矩的合成應(yīng)力一般不超過壓應(yīng)力的10％～15％，所以只計算壓應(yīng)力是允許的。此時卷筒壁內(nèi)表面上的最大壓應(yīng)力為： （） 式中 ——卷筒壁厚，鑄鐵卷筒； t——節(jié)距，t＝18mm； 圖5-2 卷筒受力矩示意圖 ——應(yīng)力減小系數(shù)，考慮繩圈卷入時對筒壁應(yīng)力有減小作用，一般可取； 5.3.5 減速器側(cè)卷筒法蘭與減速器輸出軸的連接校核計算 查起重機(jī)手冊，ZQ-350+100減速器,，查機(jī) 械設(shè)計師手冊，普通平鍵，其聯(lián)接情況如圖5-3所示。 計算載荷 式中 ——平均起動力矩，對三相交流繞線式電機(jī)， 取 圖5-3減速器與法蘭的鍵聯(lián)接示意圖 式中 N——電動機(jī)額定功率； ——電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速； （千克厘米） （千克厘米） 傳動比， 傳動效率取0.85，則 （千克厘米） 鍵所傳遞的扭矩，鍵材料為45鋼， 靠鍵剪切傳遞的扭矩為： 許用剪切應(yīng)力 ，則 （千克厘米）＝554.4（千克米） 靠鍵擠壓傳遞的扭矩為： 許用擠壓應(yīng)力 ，則 （千克厘米）＝739.2（千克米） 取與之小者，即（千克米） 故能實現(xiàn)。 5.3.6 鋼絲繩在卷筒上的固定及計算 鋼絲繩應(yīng)可靠的固定于卷筒上并易于更換。其方法有：用壓板 固定；用長條板固定；用楔子固定。用壓板固定構(gòu)造簡單，鋼絲繩更換 容易，且安全可靠，目前用的最廣。 鋼絲繩固定處的拉力： （千克力） 式中 ——鋼絲繩最大拉力； ——鋼絲繩與卷筒表面間的摩擦系數(shù)，； ——安全圈（通常為1.5～2圈）在卷筒上的包角； ——自然對數(shù)的底數(shù)，； 安全圈數(shù)取2，則，（千克力） 螺栓扣緊力： 壓板槽為半圓形， 螺栓合成應(yīng)力： 鋼絲繩固定螺栓的拉力包括由拉緊力N引起的拉力及由墊圈與壓板之間的摩擦力使螺栓彎曲引起的拉力，故 （） 式中 Z——固定鋼絲繩用的螺栓數(shù)量,取值3； ——螺栓螺紋內(nèi)徑,取值1.2cm； ——墊圈與鋼絲繩壓板之間的摩擦系數(shù)，可取為0.16； l——摩擦力作用的力臂，由圖，取值1.8cm； ——螺栓許用拉應(yīng)力，取，, （）， 則 故強(qiáng)度允許，可以實現(xiàn)。 5.3.7 薄弱處螺栓的校核 （1） 機(jī)架上固定鋼絲繩的螺栓： 此處仍采用與卷筒處相同的壓板固定，所以其校核方式相同，各 參數(shù)也相同，只是此處螺栓數(shù)量Z為2，螺栓內(nèi)徑為1.5cm。 （） （2）活動架上固定動滑輪的螺栓： 參考機(jī)械設(shè)計教程，此處螺栓只承受縱向拉力，為受拉緊螺栓聯(lián) 接，且屬于受預(yù)緊力及工作載荷的緊螺栓聯(lián)接。 工作載荷 （千克力） 因為工作載荷可認(rèn)為無變化，則剩余預(yù)緊力 ， ?。ㄇЭ肆Γ? 螺栓總拉力 （千克力） 螺栓的預(yù)緊力 式中 ——相對剛度系數(shù)； 因為無墊片，取，則有 所以螺栓的預(yù)緊力 （千克力） 強(qiáng)度條件 代入各參數(shù)： （） 對, （） 故強(qiáng)度允許，可以實現(xiàn)。 5.4 軸承壽命的計算 本機(jī)構(gòu)所選為圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承，滾動軸承的負(fù)荷與壽命的關(guān)系方程為 常數(shù) 式中 P——當(dāng)量動負(fù)荷（N）； ——基本額定壽命（轉(zhuǎn)）； C——基本額定動負(fù)荷（N） ——壽命指數(shù)，對滾子軸承。 由上式可得滾動軸承的基本額定壽命為 在實際工程計算中，軸承壽命常用小時表示，此時基本額定壽命（h）為： 式中 n——軸承轉(zhuǎn)速（r/min）， 因為軸承裝在滑輪內(nèi)，所以軸承轉(zhuǎn)速即滑輪轉(zhuǎn)速，提升速度為1.5m/min，則滑輪線速度為3m/min，則（r/min）。 （1）查機(jī)械設(shè)計師手冊，對所選用的圓柱滾子軸承N220，基本額定動負(fù)荷，軸承只受徑向力，本機(jī)構(gòu)采用4個滑輪，每個滑輪內(nèi)裝2個軸承，共8個軸承，故當(dāng)量動負(fù)荷 則代入各參數(shù)： （h）。 （2）查機(jī)械設(shè)計師手冊，對所選用的圓錐滾子軸承30213，基本額定動負(fù)荷，本機(jī)構(gòu)采用2個圓錐滾子軸承，軸承受軸向力和徑向力，但軸向力遠(yuǎn)小于徑向力，查機(jī)械設(shè)計師手冊，e=0.4,時， ，按徑向力為總負(fù)荷的1/10計算為， 則代入各參數(shù)： （h）。 5.5 短軸的設(shè)計與校核計算 本機(jī)構(gòu)最危險的軸為固定動滑輪處的銷軸和階梯短軸，以下依次 計算并校核。這兩處軸均不受轉(zhuǎn)矩，只受彎矩，軸本身不轉(zhuǎn)，受靜應(yīng)力。 按工作載荷5噸計算，四根軸與支撐板均為過盈配合，同時承受載荷作 用，則每根軸所受載荷為1.25噸力，即 。 5.5.1階梯短軸設(shè)計校核： 軸徑確定： 由圖5-4， 圖5-4 階梯短軸受力示意圖 軸只受彎矩，， ， 軸材料選用35鋼調(diào)質(zhì)，由機(jī)械設(shè)計師手冊 查得，則計算應(yīng)滿足下列條件： 這里保守取為直徑70mm。 安全系數(shù)校核： 顯然Ⅰ-Ⅰ截面為應(yīng)力集中的危險截面，下面對其進(jìn)行校核。只受彎矩，不受扭矩，校核公式： 式中 ——彎矩作用的有效應(yīng)力集中系數(shù)； ——表面狀態(tài)系數(shù)； ——影響彎曲應(yīng)力得尺寸系數(shù)； ——材料對循環(huán)載荷的敏感性系數(shù)； ——壽命系數(shù)，，為循環(huán)基數(shù)，為循環(huán)次數(shù)； 軸材料35鋼調(diào)質(zhì)，，由《機(jī)械設(shè)計》表8-5所列公式可求得疲勞極限： 由式 得 Ⅰ-Ⅰ截面的彎矩為： 在此截面處，有軸直徑變化，過渡圓角3mm, 則 ， 由《機(jī)械設(shè)計》第8章附錄表1查得。 由《機(jī)械設(shè)計》第8章附錄表5，，查得。 由《機(jī)械設(shè)計》第8章附錄表6，毛坯直徑>70～80，查得。 按無限壽命取值為1。 則代入各參數(shù)，安全系數(shù)為： 又由 ，查《機(jī)械設(shè)計》表8-4，查得 故此軸足夠安全。 5.5.2 銷軸校核 粗選銷軸直徑，與上節(jié)短軸校核類似，如圖5-5， 圖5-5 銷軸受力示意圖 故此銷軸一定是安全的。 6 總結(jié) 鍛造操作機(jī)作為與鍛造壓機(jī)協(xié)調(diào)作業(yè)的重要輔助設(shè)備，對于鍛件鍛造質(zhì)量和機(jī)組設(shè)備生產(chǎn)效率的提高起著至關(guān)重要的作用。全液壓式鍛造操作機(jī)由于其工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊，便于實現(xiàn)與主機(jī)聯(lián)動及自動化，逐漸成為操作機(jī)的發(fā)展趨勢。近年來，我國鍛造液壓機(jī)尤其是快速鍛造液壓機(jī)設(shè)計制造能力飛速發(fā)展，譬如國內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計的某臺快速鍛造液壓機(jī)鍛造次數(shù)已超過80次/分，鍛件精度相對較高，但受到國內(nèi)操作機(jī)研發(fā)水平的限制，操作機(jī)輔助操作動作時間仍較長，導(dǎo)致整個鍛造循環(huán)周期緩慢，無法充分發(fā)揮快鍛液壓機(jī)組快速性的優(yōu)勢，影響了整套機(jī)組生產(chǎn)效率的提高。 7致謝 通過這三個月來的忙碌和學(xué)習(xí)，本次畢業(yè)設(shè)計已接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多不懂不了解的地方，在這里由衷地感謝指導(dǎo)老師的督促指導(dǎo)，以及身邊同學(xué)的支持和幫助，讓我按時完成了這次畢業(yè)設(shè)計。 在畢業(yè)設(shè)計中，我遇到了很多很多困難，所學(xué)到的知識不會很好的融會貫通。在此，我要感謝我的指導(dǎo)老師丁寧教授，給我悉心的幫助和對我耐心而細(xì)致的指導(dǎo)，我的畢業(yè)設(shè)計較為復(fù)雜繁瑣，但是老師仍細(xì)心糾正圖中的錯誤。除了敬佩丁老師的專業(yè)水平以外，她的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作，我才得以解決畢業(yè)設(shè)計中遇到的種種問題。同時還要感謝身邊的同窗朋友，一路走來對我的幫助和鼓勵，也讓我的大學(xué)生活充滿了歡樂和色彩。 畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，通過設(shè)計，讓我深刻體會到基礎(chǔ)的重要性，畢業(yè)設(shè)計不僅僅能幫助大學(xué)生體驗大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果，更多的是畢業(yè)設(shè)計可以幫助我們更加清楚的認(rèn)識自己，磨練我們的意志和耐性，這會為我們的日后工作和生活帶來很大的幫助。 8 參考文獻(xiàn) [1]余國發(fā)，等.鍛造操作機(jī)的回顧與展望[J].機(jī)械設(shè)計與研究，2007:11-15. 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