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- 2020-06-29 11:09-

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  内容提示:湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书 题 题 目:铝型材挤压机液压部分的设计 专 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 学 号: 姓 姓 名: 指导教师: 完成日期: 2012 年 5 月 29 日 湘潭大学兴湘学院 毕业设计任务书 论文(设计)题目 铝型材挤压机液压部分的设计 学号 2008963032 学生姓名 专业 机械设计制造及其自动化 指导教师姓名 陈格平 ...

  湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书 题 题 目:铝型材挤压机液压部分的设计 专 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 学 号: 姓 姓 名: 指导教师: 完成日期: 2012 年 5 月 29 日 湘潭大学兴湘学院 毕业设计任务书 论文(设计)题目 铝型材挤压机液压部分的设计 学号 2008963032 学生姓名 专业 机械设计制造及其自动化 指导教师姓名 陈格平 系主任 周友行 一、主要内容及基本要求 1. 介绍了挤压技术的相关知识及其对液压系统的相应要求,针对设计要求应用了新型节能泵源,并在此泵源基础上确定了整体滑阀回路。对部分主要回路进行了插装阀改进,同时,突破传统滑阀向等效插装阀的简单转换,将油路换向与元件运动分别控制,简化了系统。 2. 阐述了理论基础,对溢流阀动态特性进行了计算机仿真,达到了多方面知识的综合训练。 3. 对液压机构的几个部分都进行了基本的求解,液压缸机构形式的确定,挤压力的计算,液压缸尺寸的计算及其元件电机的选择。 二、重点研究的问题 1. 挤压机的结构分析 2. 液压缸机构形式的确定 3. 挤压力的计算 4. 系统原理设计 5. 元件及电机的选择 6. 泵源及液压缸尺寸的计算 三、进度安排 各阶段完成的内容 起止时间 1 查阅资料、调研 2012 年 3 月上旬 2 开题报告、制定设计方案 2012 年 3 月中旬 3 设计 2012 年 4 月上旬 4 分析、验证 2012 年 4 月中旬 5 写出初稿 2012 年 4 月下旬 6 修改,写出第二稿 2012 年 5 月上旬 7 写出正式稿 2012 年 5 月中旬 8 答辩 2012 年 5 月下旬 四、应收集的资料及主要参考文献 【1】 上海煤矿机械研究所. 液压传动设计手册. 【M 】上海:人民出版社,1974. 【2】 张利平. 液压气动技术速查手册. 【M 】北京:化学工业出版社,2007. 【3】 张士林等. 简明铝合金手册. 【M 】上海:科学技术文献出版社,2001. 【4】 姜继海等. 液压与气压传动. 【M 】 北京:高等教育出版社,2001. 【5】 东北工学院. 机械零件设计手册. 【M 】 北京:冶金工业出版社,1989. 【6】 成大先. 液压传动. 【M 】 北京:化学工业出版社, 2004. 【7】 雷天觉. 液压工程手册. 【M 】北京:机械工业出版社,1991. 【8】 北京钢院. 冶金机械液压系统 100 例. 【M 】北京:冶金工业出版社,1973. 【9】 陈愈. 液压阀. 【M 】 北京:中国铁道出版社,1982. 【10】 郭云飞. 大学计算机基础. 【M】北京:邮电大学出版社,2004. 湘潭大学兴湘学院 毕业设计评阅表 学号 2008963032 姓名 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计)题目: 铝型材挤压机液压部分的设计 评价项目 评 价 内 容 选题 1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到综合训练的目的; 2.难度、份量是否适当; 3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。 能力 1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力; 2.是否有综合运用知识的能力; 3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力; 4.是否具备一定的外文与计算机应用能力; 5.工科是否有经济分析能力。 论文 (设计)质量 1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范; 2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何; 3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。 综 合 评 价 评阅人: 年 月 日 湘潭大学兴湘学院 毕业设计鉴定意见 学号:2008963032 姓名: 专业: 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计说明书)42 页 图 表 2 张 论文(设计)题目: 铝型材挤压机液压部分的设计 内容提要:为满足建材装饰市场对各种铝型材的大量需求,由此,设计了铝型材挤压。一方面要保证产品的高质量,另一方面也要保证生产的高效率。我采用的 800 吨卧式 挤压机,挤压回程力 650KN。铅棒挤压机采用继电器电路控制,通过 PLC 编程实现挤压机各道工序。多采用定量泵节流调速系统,优点是流量变化的线性度好,小流量输出时保持稳 定,低速稳定性极佳,且控制油采用变量泵供给,功率损失小发热少,可大大提高快 速响应性。多采用滑阀实现控制,这对挤压机大吨位大流量来说存在一个致命的矛盾,大流量伴随着大的液压动力,普通电磁阀难以实现。而且,滑阀系统存在死区,使得 精确控制成为纸上谈兵。另外,滑阀采用面密封形式,泄露较大难以实现前述保压等 功能。可以考虑用插装阀系统。它可以实现不同回路单独控制的功能,大大便利了对 系统提出的不同要求的满足。以往多采用单步骤工况逐步实现循环。这大大延长了工 作循环周期,而且不利于能源的有效利用,考虑如何在同一时间段内完成多个动作将 是传统的一大突破。本次设计将在采用容积调速回路、插装阀控制以及多动作同时进 行的思路下设计。 指导教师评语 该同学能够较好综合运用大学所学专业知识,在老师的指导下,完成毕业设计课 题,设计方案,设计图纸资料,符合设计规定要求。同意该同学参加毕业设计答辩。建议答辩成绩为:“良”。 指导教师: 2012 年 5 月 31 日 答辩简要情况及评语 答辩材料基本完整,回答问题有错误,基本知识和技能掌握一般。 工作量一般,说明书、图纸有较多错误,须进行修改完善。2000吨挤压机铝棒尺寸规格请指导老师把关。 根据答辩情况,答辩小组同意其成绩评定为“及格”。 答辩小组组长: 2012 年 5 月 31 日 答辩委员会意见 经答辩委员会讨论,同意该毕业论文(设计)成绩评定为“ ”。 答辩委员会主任:________________ 2012 年 月 日 目录 摘要1 文献综述 ............................................................................................. 3 第一章 挤压机的结构分析 ............................................................. 5 第二章 液压缸机构形式确定 ....................................................... 8 第三章 挤压力确定 ....................................................................... 10 第四章 液压缸尺寸计算 ............................................................... 13 第五章 泵源的确定 ....................................................................... 17 第六章 系统原理设计 ................................................................. 19 第七章 元件选择 ............................................................................. 22 第八章 电机选择 ....................................................................... 23 第九章 各电液换向阀改装 ........................................................... 24 第十章 系统回路的组合与优化 ............................................... 26 第十一章 附加液压系统图 ............................................................. 30 结束语及感谢 ................................................................................... 32 参考文献 ........................................................................................... 33 附录Ⅰ 外文文献原文 ..................................................................... 34 附录Ⅱ 外文文献翻译 ..................................................................... 39 铝型材挤压机液压系统的设计及研究 【摘要】 本文讲述铝合金挤压机液压系统的原理及设计过程。 本文首先介绍了挤压技术的相关知识及其对液压系统的相应要求,针对设计要求应用了新型节能泵源,并在此泵源基础上确定了整体滑阀回路。接着,对部分主要回路进行了插装阀改进,同时,作者突破传统滑阀向等效插装阀的简单转换,将油路换向与元件运动分别控制,简化了系统。 此外,本文还对气电控制系统进行了经验设计,并将溢流阀动态特性进行了计算机仿真,达到了对机、电、液、计算机等多方面知识的综合训练。 关键字 铝型材、挤压机、液压系统 The design of the aluminium extruded section extruder Abstract This text related the principle and the process of the aluminum alloy extruder system. The text firstly introduced both the related knowledge technical of the extruding and the related requirements of the hydraulic system, aiming at applying the request of the design, the author used the new energy pump, and designed the whole slide valve loop. Then, the author made some improvement to the valves of the chief loop; completed simple conversion of valve from the traditional to the inserted pattern, let the switch of the oil loop and the movement of the parts respectively controlled, simplified the system. This text also designed the electrical control system in order to gain the comprehensive training containing machinery, electricity, hydraulics. Key Word: Extruder、Cartridge Valve、Hydraulic system 文献综述 当代经济的飞速发展促动城市建设的稳步推进,进而对行业提出了更高的要求,高强度、低重量的铝型材结构钢架日益成为建筑领域的主导。由此,如何高效率、大批量生产各种高质量的铝型材成为机械行业的一大课题。传统的铸造、熔炼方法已经不能满足对产品质量和大批量生产的要求,因此,将目标集中在压力加工领域成为必然。挤压机的系统设计应运而生。用机械方式实现挤压伴随而来的是高噪音,挤压速度不稳定等问题,这对型材质量来说是致命的危害,而用液压系统实现却有结构简单、挤压平稳、自动化程度高等优点,完全可以满足对材料的要求,由此,我们承担了此次铝型材液压系统的设计任务。 所谓挤压,就是通过对放在容器(挤压筒)中的锭坯施加压力,使之通过模孔成形的一种压力加工方法。在生产断而较复杂的管材、型材方面,挤压法是唯一可行的压力加工方法。因此,铝型材加工采用挤压法实现。一台性能优良的挤压机是决定挤压产品质量的关键。挤压机按其总体机构形式一般分为卧式挤压机与立式挤压机两大类。目前,用于铝及其合金型、棒、带材的挤压机主要的是卧式的。按其驱动方式不同,又分为油压机和水压机。根据挤压机的用途与机构的不同,卧式挤压机又分为棒型挤压机和管式挤压机,或称之为单动式复动式挤压机,两者之间区别是前者没有独立的穿孔系统。卧式挤压机按其挤压方法又分为正向挤压机、反向挤压机和联合挤压机(即在此种设备上可以实现正挤压或反挤压)三种类型。正向挤压机与反向挤压机在基本结构上没有的差异。 目前我国铝材挤压机的数量已居世界前列,但装机水平仍很落后,工业发达国家 98%挤压机的挤压力超过 15MN,而我国 90%挤压机的挤压力在 15MN 以下。可以预见,在今后十多年内,我国现有大多数小压机将被淘汰,计算机辅助挤压系统,以使等温挤压期间都处于最大挤压水平作用下,尽量缩短实际时间,提高铝材质量;超精细的液压油过滤器,并有连续侧液压油质量与温度的仪器;各项工艺参数显示与监控电子系统;管理信息与诊断显示系统,显示各项工艺参数与生产情况的种种信息,以及对设备故障及时发出警告与显示信号,指导维护与检修,最大限度地缩短停机时间等,使挤压机工作达到最大优化。 铝及其铝合金具有一系列优异特性,在金属材料的应用中仅次于刚才而居第二位。目前,全世界铝材的销量1800万吨以上,其中由用于交通运输的铝材约占27%,用于建筑装修的铝材约为 23%,用于包装工业的铝材约占 20%。我国铝材消费趋向更有独特的情况,尤其是进入改革开放的 80 年代以来,建筑铝型材、特薄铝板、软包装铝箔等急剧增加,铝型材的应用已经扩展到了国民经济的各个领域和人民生活的各个层面。1980 年我国铝型材的消费量约 30 万吨,到 1992 年猛增到 70万吨,12 年增长了 1.3 倍。 建筑业是国民经济的支柱产业,也是铝消费最大的市场之一。铝材在建筑业上 主要用做门窗、幕墙框格、铝塑复合板和管材等。目前建筑用铝已占全世界铝产量的 25%左右,而我国建筑用铝材已超 100 万吨/年,占据产量的 1/3 以上,其中铝型材已超过 100 万吨/年,占据产量的 1/3 以上,其中铝型材年消耗量达 90 万吨。 高节能建筑的兴起催进了门窗制品的结构、功能及相关材料的迅速发展。国家建设部 1996 年 9 月就颁发了“建筑节能政策” ,1000吨挤压机棒长怎么算具有规定了发展节能窗的方针与方法, 明确提出了到 2000 年要实现节能 50%的新目标,这给铝合金门窗和幕墙的结构设计、挤压工模具的设计与制造以及铝合金挤压与热处理工艺优化提出了新的要求。由此,设计了铝型材挤压机。 第一章 挤压机的结构分析 挤压机就其结构来看主要分为三大部分:机械部分、液压部分、电气部分。由于该课题由三人完成,我承担是液压系统设计部分,因此对于机械和电气部分在此只做简单介绍,后面不再对此做叙述。 1、 主要机构 此铝型材挤压机主要包括以下几个机构部分: 供锭机构 用于将加到一定温度的铝锭运送至挤压中心上。它利用一只活塞的上下往复运动实现。其运动过程速度当可控,以便实现快速上升、慢速调整到位、快速返回等不同过程。 合模机构 靠两个柱塞缸将料胆筒在整个挤压过程始终紧压模口以进行挤压而不出现飞边(流涏)等不良现象,为实现此功能,要求液压系统有保压环节,普通滑阀系统多采用蓄能器或压力继电器等措施来完成。 挤压机构 鉴于活塞缸对内筒加工要求高且大吨位挤压设备中需要很大的活塞面积,相比之下柱塞缸机构简单,输出同样挤压所需要面积小等原因,采用柱塞缸来实现整个平稳挤压过程。伴随而来,需要两个侧缸保证柱塞返程,这个过程也要经历推锭到位、挤压、保压、快退等不同阶段,且挤压阶段速度要求高,因此也要求速度可调,传统方式采用定量泵节流系统实现。 剪切机构 挤出的型材达到一定长度后,需要将型材剪断或将压余部分分离,用剪切筒来完成。它是一个立式柱塞缸,运动过程要求剪切速度恒定,无冲击、爬行现象。 换模机构 为了实现对不同形状型材的加工,需要更换模座,它由一活塞缸往返运动实现。要求在挤压过程中模座不动,常用双向液压锁达到目的。整个压力过程简述如下: 泵启动料胆缸前进,料胆筒紧压模座供锭缸上升送锭至挤压中心挤压缸快进推锭入模供锭缸复原挤压缸工进挤压成形料胆缸退使压余、垫片脱离料胆筒挤压缸快退复原料胆缸复原剪切缸下行剪断型材剪切缸复原模座缸下行换模模座缸复原并锁定。一个循环结束 2、 液压系统 该部分是我这次毕业设计的主要任务,对此先在这里做一个概括性的介绍,后面将非常详细的介绍液压系统的每个方面。 液压系统设计思路 (1)多采用定量泵节流调速系统。这无疑对系统能源不能充分利用,而且积累节流调速系统往往不能达到精确控制的目的。但铝型材在挤压过程中是否能精确均 匀挤压将直接影响泵其表面及整体质量 。因此,考虑在本次设计中采用变量泵容积调速系统。较先进的速度反馈控制系统见图 1.1 所示。 其工作原理是这样的,给定电压信号经放大后输入给电液比例阀电控器。使比例阀动作,阀口打开一定量,控制泵输出油经比例阀动作,阀口打开一定量,控制泵输出油经比例阀口驱动变量机构,改变泵输出流量而实现挤压调速。同时泵变量机构上装有位移 传感器进行位置反馈,产生位移电信号与给 定电压信号相减直到为零,此时变量机构不 再动作,泵输出流量固定在某一稳定值上,挤压速度保持不变。 这种传动方式的突出优点是流量变化的线 调速系统液压原理图 性度好,小流量输出时流量任保持稳定,低 速稳定性极佳;且控制油采用变量泵供给,功率损失小,发热少,更可以大大提高快速响应性。设计中将考虑移植。 (2)多采用滑阀实现控制。这对挤压机大吨位大流量来说存在一个致命的矛盾:大流量伴随大的液压动力,普通电磁阀难以实现。甚至需要电液阀,大大增加了系统复杂性。而且,滑阀系统存在死区,使得精确控制成为纸上谈兵。另外,滑阀采用面密封形式,泄露较大难以实现前述保压等功能。而插装阀系统不存在上述问题。它靠独特的线密封保证泄露少,基本可以在不外加设备(如蓄能砌等)的情况下现实保压。更有,插装阀系统可以实现不同回路单独控制的功能,大大 便利了对系统提出的不同要求的满足。 (3)以往系统多采用单步骤工况逐步实现循环。(例如,挤压缸工进与供锭缸下降复原,本可以在同一时间段内完成却采用了分步执行)这大大延长了工作循环周期,而且不利于能源的有效利用,考虑如何在同一时间段内完成多个动作将是传统的一大突破。 综上,本次设计将在采用容积调速回路、插装阀控制以及多动作同时进行的思路下进行。 3、 电气控制 该部分的内容是本次设计所要了解的部分,随着信息化的时代来临,要真正掌握一台机床的每个方面已不能只停留在单纯的人工控制了。为了减少劳动强度,提高生产率,自动控制是当代机械领域的一个必不可少的环节。 20 世纪 80 年代以后,随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展,16 位和 32 位微处理器应用于 PLC 中,使 PLC 得到迅速发展。PLC 不仅控制功能增强,同时可靠性提高,功耗、体积减小,成本降低,编程和故障检测更加灵活方便,而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能,使 PLC 真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。 自从第一台 PLC 出现以后,日本、德国、法国等也相继开始研制 PLC,并得到了迅速的发展。目前,世界上有 200 多家 PLC 厂商,400 多品种的 PLC 产品,按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品,各流派 PLC 产品都各具特色,如日本主要发展中小型 PLC,其小型 PLC 性能先进,结构紧凑,价格便宜,在世界 市场上占用重要地位。对于挤压机控制环节采用 PLC 是一个即实惠又可以很好的满足设计要求。 机械、液压、电控三大部分很好的连接起来设计是该课题的关键,脱离了其中任何一样都可能最终引起挤压机的设计问题。因此,为了能将三大部分很好的连接,我们这组成员在设计中应该很好的配合。在确定好方案之后,各自的设计最终能够组合起来构成一台完整的机器。 第二章 液压缸机构形式确定 由挤压工艺要求,挤压系统应当由模座、料胆、机械手、剪刀、挤压等五部分组成,其中各部件运动的实现应当由液压缸完成。下面分别设计。 模座缸 用来更换挤压缸模以达到加工不同铝锭材的目的。工作时,应当保证稳定不动,所以应当有锁紧装置。可用普通活塞缸实现,如图 2.1 料胆缸 用于限制锭坯横向运动。由于在挤压过程中,它要以左边模座接受锭坯,且模座缸在其右的中央位置,故料胆缸不宜采用单臂工作。将其设计为水平双缸操作是合理的,其机构见图 2.2. 机械手(供锭手) 用来将热锭坯运送到挤压中心线上。它的工作循环仅仅是上升下降,故机构也应为普通活塞缸。见图 2.1 剪切缸 它将挤压结束后棒料剩余部分剪下,剪切完毕后自动退回,其运动方向应是竖直平面内的上下往复,故机构形式也应如图 2.1,只不过在柱塞状头部加一合金刀具而已(图 2.3)。 主缸 主缸是整个挤压过程的关键,其要求有很多特点: 图 2.1 模座缸、机械手机构示意 图 2.2 料胆缸机构示意 图 2.3 剪切缸 结构示意 (1)承受大的挤压力,要求有较大油压面积。 (2)主缸在推动棒料进入料胆时,应当是快速前进。 (3)全压挤压时,速度缓慢,应当可调。 (4)主缸退回也应当快速进行。 由以上四项要求,不难发现许多矛盾之处:大的承压面积将要求大的流量,对泵的规格要求偏大,不符合节能原则。同一个挤压过程同时要求两种挤压速度。显然,用普通活塞缸是无法实现的。因此考虑采用图 2.4 所示主要侧缸的复合形式。它的工作原理就是:在快速推锭与快速返回时只对侧缸共同接受泵来油。这样不仅大大节约了耗油量,而且不会降低挤压力。至于主缸与油箱之间可通过电磁阀控制针阀实现。 以上初定各缸机构,至于具体尺寸则要根据 设计任务书中的数据要求加以确定,见表 2.1。 1侧缸 2主缸 图 2.4 挤压缸结构示图 表 2.1 800 吨铝型材挤压机性能参数表 最大挤压力 高吨位 7850KN 低吨位 6540KN 挤压回程力 650KN 挤压速度 (高吨位) 工进 54 ~12.5mm/s 快退 130mm/s 最大挤压力 高吨位 7850KN 低吨位 6540KN 机械手 最大负载 15 KN 最大运动速度 100 mm/s 料胆缸 前进阻力 80 KN 锁紧力 80 KN 前进速度 140 mm/s 模座缸 推力 25 KN 移动速度 280 mm/s 剪 切缸 剪切力 350 KN 剪切速度 110 mm/s 第三章 挤压力确定 要计算挤压力必须了解一下挤压原理,挤压法的实现方式又可分为两种:正挤压和反挤压。正挤压时,金属的流动方式与挤压杆的运动方向相同,其主要特征是锭坯与挤压筒内壁间存在着较大的外摩擦。反挤压时,金属的流动方向与挤压的运动方向相反,其特点是金属与挤压筒内壁间无相对滑动,继而也就不存在外摩擦。正挤压和反挤压的不同特点对挤压过程、产品质量和生产效率都有着极大影响。 本设计采用正向法,原因如下: (1) 铝合金流动性较大,摩擦力对型材质量影响较小。 (2) 反向挤压是将模子设置在挤压杆内部,这样对挤压杆挤压强度要求较高,且模座更换异常复杂,生产效率不高。 (3) 反向挤压法对型材长度有一定限制,应用场合将大大减小。 正向挤压法产生棒材、线材、型材的示意图如图 3.1 所示,通常是将铸锭加热至规定的温度后放入挤压筒中,比挤压筒内径稍小的挤压杆迫使金属通过模孔流出而变成与模孔形状、尺寸相同的制品。为了减少挤压杆磨损,将挤压杆直径做得比挤压筒内径稍小,并在其端头加一个直径几乎与挤压阀中的部分金属 1棒材 2模座 3模子 4锭坯 5垫片 挤压机构由挤压机和挤压工具组成。 6挤压筒内衬 7料胆 8挤压缸 挤压机分卧式和立式两类。挤压杆运动 3.1挤压示意图 方向与地面平行的称其为卧式机,能力 一般为 1000~5000 吨;挤压杆运动方向与地面垂直的为立式机,能力一般为 300~1000 吨。考虑到立式机对型材长度要求有限制,故本设计采用卧式挤压机。 挤压工具一般包括模子、穿孔针(管材用),挤压垫和挤压筒(或称料胆筒)以及一些其他配件。 模座 模座是挤压产生中重要的工具,它的结构形式,各部件尺寸,以及所用材料和加工处理挤压力、金属流动均匀性、制品尺寸的精度、表面质量及其使用寿命都有极大影响。最基本的使用最广泛的是平模和锥模。 穿针孔 穿孔针或芯棒是用来确定空心制品内部尺寸和形状的工具。当用实心锭挤压时,用来穿针工具称为穿孔针,而在用空心锭挤压时,称为芯棒。 挤压垫 它用来将锭坯与挤压杆隔离,一方面防止骤热损坏挤压杆表面质量;一方面代替挤压杆与挤压筒内壁摩擦。二者都有利于提高挤压质量。 挤压杆 它用来向锭坯施加压力。由于在挤压过程中长时间承担大吨位压力,故对其质量要求也相当严格。否则,挤压不均匀或者使管材偏心都是常见的废品形成原因。此外,工作时挤压杆还可能产生压溃、龟裂和碎裂等,都会影响产品质量。 挤压筒 它由两层或者三层以上的村套以过盈热配合组装在一起,是挤压过程中的关键部件。挤压筒内表面装态和润滑情况决定了铸锭与筒壁相接触表面上摩擦力的大小。当表面光滑且润滑良好时,摩擦力小,挤压均匀。所以将挤压筒设置多层铜套降低摩擦,且摩损后易更换。加工过程中挤压筒应紧靠模座,并保持一定锁 紧力,以避免出现飞边、流涏。以上部件见图 3.2. 1. 模子 2. 挤压杆 3.穿孔针 4. 挤压筒内衬 5.挤压垫 图 3.2 挤压机部件图 在对挤压原理有了以上认识后,下面我们着重阐述液压系统的挤压力计算。 挤压力 P 就是挤压杆通过垫片作用在被挤压的金属坯料上的力,它的大小、方向随挤压杆的行程而变化(见图 3.3) 图 3.3 正向挤压 在挤压的第一阶段填充阶段,坯料受到垫片和模壁的镦粗作用。其长度缩短,直径增加,直至充满整个挤压筒。在此阶段内,坯料变形所需的力和圆柱体镦粗一样,随着挤压杆向前运动,P 不断增加。第二阶段为(平流阶段)。在此阶段内,对正向挤压来说,挤压力随挤压的推进下降;而对反向挤压,则 P 几乎保持不变。在上述两个阶段中间,有一个过渡阶段,其特点是填充还没完成,但坯料已从模口向外流出,所以压力还继续上升,直到坯料完全充满挤压筒,进入稳定挤压阶段为此。第三阶段为挤压中了阶段(紊流阶段)。这时挤压残余已很薄,坯料依靠垫片与模壁间的强大压力而产生横向流动,到达模口处再转流出模口,垫片与横壁 的摩擦影响增强,所以挤压力出现回升。此阶段在正常生产中很少出现,因为这部分金属挤出的制品,大部分将出现粗晶环、缩尾等缺陷。 计算挤压力的公式很多,下列为一个简便的计算公式: 式中:P挤压力,MPa; A挤压筒或挤压筒减挤压针面积,cm2; 0 与变形速度和温度有关的变形抗力,MPa; (D+d)L ) (: 正向不润滑挤压管材时) (正向挤压型棒材时:合金取上限)。 ,硬质合金取下限,软 修正系数( ; 挤压针直径, ; 镦粗后锭坯长度,; 挤压筒直径, 系数, 挤压系数; 00 0 03 / 13 / 15 . 1 ~ 3 . 13 / 1+ =+ =In A PDL In A Pcmcmcm0dLD 第四章 液压缸尺寸计算 1、 液压缸尺寸计算公式 (1)根据 A=F/(p)计算面积; (2)根据 d= A 4计算杆径 d 并圆整; (3)计算面积 A=4 d2; (4) 根据 P=F/(A),计算实际工作压力 P; (5)根据 Q=vA 计算所需流量。 2 、主缸尺寸计算 初定液压缸工作动力 P=28MPa,综合考虑摩擦和负载,取机械效率=0.96. A 1 为柱塞缸柱塞面积;d 1 为柱塞直径; A 2 为侧缸无杆腔面积;d 2 为侧缸内径; A 3 为侧缸有杆腔有效面积;d 3 为活塞杆直径; A 1 -A 2 即活塞杆面积。列方程组如下: p 1 (A 1 +2A 2 )=96 . 010 78503× p 1 A 1 =96 . 010 65403× 2p 1 A 3 =96 . 010 6403× A 1 =0.23834m2 A 2 =27.07 × 103 m2 A 3 =12.32×103 m2 侧 d 1 = 14A×103 =23834 . 0 4××10 3 = 550.88mm d 2 = 24A×103=310 07 . 27 4× ××10 3 = 185.66mm d 3 = / ) ( 43 2A A ×103=310 ) 32 . 12 07 . 27 ( 4× ××10 3 =137.04mm 对柱塞及活塞杆直径进行圆整。 取 d 1 =560mm, d 3 =125mm, d 2 =180mm,侧 A 1 = 4 d21 ×106 =4×5602×106 =0.2463m2 A 2 2 =4 d22 ×106 =4×1802×106 =0.02545m2 A 3 = A 2 -4 d22 ×106 =0.02545-4 ×1252×106 =0.01317m2 各工作阶段实际工作压力及流量计算如下: 工进时:p= ) 2 (1 2A AF+=) 2 02545 . 0 2463 . 0 ( 96 . 010 78503× +××106 =27.51MPa Q=(A 1 +2A 2 ) min =(0.02545×2+0.2463) × 103 ×5.4×60×10 3 =96.26L/min 快退时: p=32AF=96 . 0 01595 . 0 210 6403× ×××106 =20.9MPa Q=2A 3 v=2×0.013175×130×103 ×60×10 3 =205.58L/min 工进时: Q=(A 1 +2A 2 )max =2×0.02545×13.5×60+0.2463×13.5×60 =240.7L/min 若无特别说明,以下缸速比均为 1:1.25,以后将不再说明。 3、 剪切缸尺寸计算 剪切缸要求压力较高可以与主缸同压,取 p=280MPa; =0.9,由表 3.1,剪切缸面积 A= PF=9 . 0 10 210 35063× ××=0.0127 m2 D= A 4×10 3 =01276 . 0 4 ××10 3 =127.4mm 取标准系列 D=140mm A=4 D2=4 1402×106 =0.0154m2 剪切缸工作压力 p= PF=9 . 0 0154 . 010 3503××=25.2MPa 工作所需流量 P=v A= 0.0154 ×110×60=101.64L/min 4、 料胆缸尺寸计算 初定其工作压力为 p=10MPa (两个 缸的缘故),由表 2.1,液压缸面积 2A 环 = PF= 9 . 0 10 1010 8063× ××, A 环 =0.004445m2,即4 D2-4 d2=0.004445m2。 取D=80mm,经上式筛选d=28mm,速比1 . 15较合适。此时,A 环=4 (0.082-0.0282)=0.004409m2,侧 料胆缸工作压力 p=环AF2=9 . 0 004409 . 0 210 803× ×××106 =10.07MPa 工作所需流量 Q=2A 环 v=2×0.004409×240×60=117.8L/min 5、 机械手计算 机械手负载力较小,可初设其工作压力 P=15MPa,由表 2.1,计算机机械手活塞缸面积 A= PF=9 . 0 10 1510 1563× ××=1.1 ×103 m2 D= A 4×10 3 = 310 1 . 1 4× ××103=37.4mm 按标准(资料 1)圆整为 D=40mm。 侧 A=4 d2=4 ×(40×103 )2=12.564×104 m2 机械手工作压 P= AF=9 . 0 10 564 . 1210 1543× ×××106 =13.262MPa 所需工作流量 Q=vA=100×103 ×12.564×104 ×60×103=7.54L/min 6、 模座缸尺寸计算 模座缸用来固定模子,其工作压力也较低,初设为 p=15MPa,由表 3.1 计算液压缸面积。 A= AF=9 . 0 10 1510 2563× ××=1.85 ×103 m2 D= A 4=310 85 . 1 4× ××103=48.56mm 由标准(见资料 1)圆整为 D=50mm。侧 A=4 D2×106 =4 502×106 =19.64×104 m2 所以模座缸工作压力为 P= AF=9 . 0 10 64 . 1910 2543× ×××106 =14MPa 所需工作流量为 Q=v A=19.64×104 ×280×60×103=33L/min 将以上计算结果列表 4.1。 表 4.1 液压缸尺寸参数 料胆缸 剪切缸 机械手 模座缸 挤压缸 主缸 侧缸 数量 2 1 1 1 1 1 直径/mm 45 140 50 50 560 180 负载/mm 80 350 15 15 7859KN 五章五章 泵源的确定泵源的确定 因为挤压缸的工作稳定性要求最高(这样才能保证产品质量),所以选择泵源应从挤压缸要求入手。 在开题报告部分,介绍了由定量泵与变量泵相互组合并由同一电机带动的泵源,分析过它的优点是低速稳定性极佳、流量变化的线性度好。这正是铝型材挤压所需要的,因此我们选用此泵。同时注意到其调速想系统又是由一小功率 PGY 恒压变量泵在一定压力下流量可迅速减小至系统所需值,因此功率损失小,发热小,又有节能之功效。其控制部分见图 5.1 所示。 当主泵选好后,我们再看其他执行元件。剪切缸压力大于 25MPa ,而剪切缸与料胆缸二者所需流量均超过 100L/min 因而将二者主缸共用主泵是合理的。这样做同时带来的好处是:主缸、剪切缸、料胆缸动作全部采用了容积调速方式,大大速度/mms1 240 110 100 280 工进 快退 5.4~13.5 130 压力/MPa 10.07 25.2 13.26 14 7.51 流量/Lmin1 117.8 101.54 7.54 33 96.29~22.8 205.58 供油泵 泵1、2 泵1、2 泵1 泵1 泵1、2 此栏为泵源设计结果 降低了系统的功率损失。可以说在这一点上,本次设计比以往有了一个新突破。 然而,当我们再看机械手和模座缸两个执行元件时却发现它们的压力均很低, 流量又很小。这时将面临是否再选择小规格泵的问题。经过深入考虑,我们放弃 了这种思路。原因如下: ( 1 )我们已经用昂贵的代价装置了上述新型泵源,若再设置外源则存在利用不足问题。 ( 2 )机械手和模座缸动作时间相对主缸挤压时间来说微不足道,因此,若用单独泵源来控制,则在大部分工作循环中此泵将闲置。这样,将下来的问题就是要使选泵源为此低压回路供油的问题。 首先,这两个执行元件所需流量不大,故无须双泵合流。至于采用定量 图 5.1 变量控制部分 泵还是变量泵单独供油,则需考虑各自调速方式的可行性。采用变量泵 虽有容积调速的优点,但我们可发现在动作循环中变量泵从大到小流量调整的跳 跃,这会对其控制部分产生冲击,降低泵源寿命,同样对执行元件的初始动作也 会产生冲击等现象。而采用定量泵则无此缺点,至于由此带来的节流调速的功率 损失则因为其工作时间短而变得微不足道了。 综上,可画出泵源示意 图 5.2 (其作用列入表 4.1 )。 泵的规格应当按主侧缸工作、料胆缸和剪切缸所需最大规格来选。由表 4.1 可知 P max 为 27.95MPa , Q max 为 205.58L/min 。由此可选择泵额定压力 31.5MPa , Q额为 125L/min 的 CY ( P ) 14 1 。 而控制泵 3 则只需最小流量规格的 PCY 泵,考虑到要用它对料胆缸实行保 压压力为 P=AF=004409 . 0 210 803×××106 =9.07MPa 因而泵选取额定压力为 10MPa 完全符 合,这同时满足控制油路用低压的要求。 其规格为 30MPaY14 1B 。 图 5.2 泵源示意 第六章 系统原理设计 1 、 挤压回路设计 挤压回路最大的问题就是在于挤压终了不能立即返程。因为此时回路内压力很高,若换向阀立即换向,则会引起很大的冲击。这样必须在换向阀加置一个缓冲阀(它是由液控单向阀来完成的)。 此外,主缸在快进时不用泵供油,就要求一个上置油箱来为主缸充液,而充液阀必须在主缸工进时关闭,并且,只有当侧缸压力达到规定压力( 27.5MPa )才会主缸共同挤压,这又要求一个顺序阀。为了保证快退时主缸回路通畅,还应需要在顺序阀下加一个单向阀。 充液阀的开关是由辅助泵来控制的,他需要一个两位四通阀来换向。 考虑到挤压时流量过大,因而必须伴随极大的液动力,用普通换向阀显然是不合要求的。电液换向阀的选择成为必然,其控制的油应当由压力身来提供,以保证换向可靠。 先导比列电磁溢流阀用来调定主油路所需压力。 此部分原理图见 6.1 。其工作顺序如下: 11DT 得电,主侧缸快进,待到位后压力渐升,继电器发讯, 2DT 得电,挤压成型,12DT 得电, 2DT 失电,挤压缸卸荷并快退返回。 2 、剪切回路的设计 剪切缸由泵 1 、2 供油,速度可根据对变量泵比列阀施加不同信号得以控制。所以设计的只要任务就应当是保证剪切缸不能有爬行现象,也即剪切缸可以在任意位置锁紧。因此,回路中添加单向阀是必要的。 其回路原理见图 6.2 。使用电液换向阀也是为了满足的需要。其循环原理较简单,不再多述。 图 6.1 挤压回路设计 图 6.2 剪切回路 3 、料胆缸回路的设计 料胆缸动作时所需要较大流量,应当由泵 1 、2 合流供应。这就需要一个液动换向阀。当合模结束,主缸工进进行挤压时,必须有一定的锁紧力作用于料胆缸上,也就是说料胆缸应在一定压力下保持一段时间。在滑阀系统中考换向阀置中位切断油路是不能满足要求的,这是由滑阀面密封的局限性决定的。因此需要保压泵供油。考虑到泵 3 此时无甚动作,故取其油源。这样需要一个两位三通阀来切换。另外,泵 3 在主缸工进前一瞬间要关闭充液阀,因而压力将骤减,为避免引起流动缸卸压,应串联单行阀。回路见图 6.3 。 动作顺序如下: 5DT 得电、合模,到位后 5DT 失电, 13DT 得电保压。挤压结束后 13DT 失电,由其自然卸荷。 6DT 得电,料胆缸复原。 4 、供锭回路设计 供锭缸流量需求较小,可单定量泵控制。因为供锭手速度要求可调,故而应当增加节流阀调速。加入双节流阀后会导致回油路不畅,应在节流阀旁并联单向阀。另外,供锭手供锭到位后应能保持一定时间不会发生爬行下滑现象,所以液控单向阀也是必要的。回路见图 6.4 ,动作顺序略。 图 6.3 料胆缸回路 5 、模座缸回路设计 模座缸流量也较小,故任采用单定量泵节流调速回路。但是模座缸的更高要求是出于特定位置后应当有双向锁定装置,否则会引起严重质量问题。办法是加双液控单向阀。如图 6.5 所示。因为在中位时液控单向阀控制部分必须接油箱才能保障单向阀准确关闭,因而换向阀中位应为 Y 型。动作顺序略。 图 6.4 供锭回路 图 6.5 模座缸回路 6 、 合分流装置 因为整个系统有两种供油方式,即定、变量泵合流供料胆缸、剪切缸、挤压缸、定量泵单独供应机械手、模座缸、所以应有分流措施。图 6.3 已经示出了用单向阀加以分离的措施,但是,当定量泵单独工作时变量泵是闲置的,为避免定量泵再次通过单向阀与变量泵同时卸荷,变量泵应处于系统工作在高压时压力建立不起,全部从低压回路溢流阀流掉。为此我们增加了液控单向阀,如图 6.4 所示。 第七章 元件选择 元件选择的原则是: ( 1 )满足回路压力要求; (2)满足执行元件所需流量。 将图 6.1 、 6.2 、 6.3 、 6.4 、 6.5 组合成系统回路,见“挤压机液压系统图”,各元件详见图中明细表。 图 7.1 泵源回路 第八章 电机选择 考虑选用冶金及起重用三相异步电机。它具有较大的过载能力和较高的机械强度,特别适用于短时间或继续周期运行、频繁启动和制动、有时过负载及有显著震动冲击的设备,并能在金属粉尘和高温的环境下工作。这类电机大多采用绕线型转子。 从系统看,泵 1 、2 周期性负荷叫严重,且负荷均较大,适于选用 Y 系列电机。而泵 3 负载较小,工作平稳,若功率满足要求,可选鼠龙式 YZ 系列。 泵驱动功率可用式 N=tn p Qp( W )计算。 本系统:泵 1 、2 实际工作压力 pp 为缸最大工作压力加上损失 △ p (设为 1MPa ),则 Pp =27.51+1=28.51MPa 泵 1 、2 在最大工作压力下实际总流量为 222.8L/min ,考虑泄露, Q max =222.8 × 1.1=245L/min ,设 t =85% 则 N=85 . 0 6010 245 10 51 . 283 6×× × ×=136.9kw 泵 3 最大工作压力 p=9.07MPa,实际工作流量极小,故选取小规格即可, 综上,电机 1(供泵 1、2)选 Y280M2,电机 2(供泵 3)选 YZ112M6. 第九章 各电液换向阀改装 传统液压控制方向阀普通采用“圆柱滑阀型”,这种阀通过阀芯在阀体孔内的往复运动改变阀口过流面积来控制。其缺点是显著的:动作不灵敏、有死区;并且其各阀口是同步控制的,不能单独调整,局限性大。特别在大流量下伴随液动力大,动作不可靠的问题。 为了解决以上问题,早在 70 年代初,就有用锥阀控制阀口启闭的控制形式,通过多个锥阀组合实现各种换向要求,因其仅仅表现为阀口的开启与闭合,故称之为“逻辑阀“之后,随着先导控制技术的揉和,越来越发展成为方向、流量、压力的综合控制,此时,锥阀称之为主级。因为这种锥阀结构采用阀芯与阀套组合为单元,配之以控制盖板和先导阀直接插入阀体孔内。因此又称之插装阀。因为每一个锥阀单元仅有一个进口,一个出口,因此称为二通插装阀。目前,已广泛应用于液压系统中,特别是与比例控制技术结合之后,已构成一种新控制技术电液比例插装技术。 内嵌式逻辑锥阀,虽然单个成本高,但将其集成化后,与现实的功能相比,成本是不值一提的,况且实践证明,此种结构在应用中有体积小,易安装,故障检测方便可靠等优点,鉴于此,本设计将液压系统进行插装阀改进,各部分改进如下。 1、剪切缸控制阀(见图 9.1) 由表 4.1 可知,剪切缸下行所需要流量 101.64L/min,在其反向运动时回油流量为 127.05L/min,故选用 LD16 规格的逻辑阀即可。其控制部分则由一个三位四通阀的得失电实现。但是这样的回路是不完善的,因为当主油路去执行其他元件时,会发生压力降低的情况,此时,二通插装阀不能可靠地关闭,原因是剪切缸下腔由于承受较大的剪切杆重量建立另外一定压力,此压力与主油路压力比较时(作用面积对换向阀来说是 1:1),会使插装阀芯开启产生误动作。因此,在三位四通阀上设置梭阀,由主油路压力与剪切缸下腔压力比较,较高者来锁定阀芯。见图 9.2。 选用ф6 规格换向阀的动作顺序为:1DT得电,PA,剪刀上行,上腔回油BO:2DT得电,PB剪刀下行,下腔回油AO:中位O型。 图 9.1 剪切缸插装阀回路 2、 料胆缸回路改装 料胆缸回路的改装较简单,只需选用三位四通阀控制的四个插装阀单元即可,其规格由流量确定。 料胆缸合模时流过油量为 117.8L/min (表 4.1 ),同时回油流量为 135.47L/min(速比 1.15 )。可见 LD 型满足要求。 其动作简单,此处不多述。 3、 挤压缸回路改装 挤压缸回路要求快进时柱塞缸与压力油切断由充液阀补油;等...