毕业设计说明书(滚圆机)

中南林业科技大学本科毕业论文 铜排滚圆机机构设计第1章 绪论1.1概述机械加工行业在我国有着举足轻重的地位，它是国家的国民经济命脉。作为整个工业的基础和重要组成部分的机械制造业，任务就是为国民经济的各个行业提供先进的机械装备和零件。它的规模和水平是反映国家的经济实力和科学技术水平的重要标志，因此非常值得重视和研究。滚圆机是一种广泛应用的冷加工成形设备。根据三点成圆的原理，利用工件相对位置变化和旋转运动使工件产生连续的塑性变形，以获得预定形状的工件。该产品广泛用于锅炉、造船、石油、木工、金属结构及其它机械制造行业。在国外一般以工作辊的配置方式来划分。国内普遍以工作辊数量及调整形式等为标准实行混合分类，一般分为：在国外一般以工作辊的配置方式来划分。国内普遍以工作辊数量及调整形式等为标准实行混合分类，一般分为：1、三轴滚圆机：包括对称式三轴滚圆机、非对称式三轴滚圆机、水平下调式三轴滚圆机、倾斜下调式三轴滚圆机、弧形下调式三轴滚圆机和垂直下调式三轴滚圆机等。2、四轴滚圆机：分为侧辊倾斜调整式四轴滚圆机和侧辊圆弧调整式四轴滚圆机。3、七轴滚圆机：有侧辊倾斜调整式七轴滚圆机。滚圆机采用机械传动已有几十年的历史，由于结构简单，性能可靠，造价低廉，至今仍广泛应用。在低速大扭矩的滚圆机上，因传动系统体积庞大，电动机功率大，起动时电网波动也较大，所以越来越多地采用液压传动。近年来，有以液压马达作为电源控制工作辊移动但主驱动仍为机械传动的机液混合传动的滚圆机，也有同时采用液压马达作为工作辊旋转动力源的全液压式滚圆机。滚圆机的工作能力是指工件在冷态下，按规定的屈服极限卷制最大工件厚度与宽度时最小卷筒直径的能力。国内外采用冷卷方法较多。冷卷精度较高，操作工艺简便，成本低廉，但对工件的质量要求较高（如不允许有缺口、裂纹等缺陷），金相组织一致性要好。1.2滚圆机的原理1.2.1 滚圆机的运动形式滚圆机的运动形式可以分为主运动和辅运动两种形式的运动。主运动是指构成滚圆机的上辊和下辊同步旋转从而带动工件前进。辅运动是滚圆机在滚圆过程中后辊的升降便产生不同曲率的圆弧。该机构形式为非对称式三轴滚圆机,其布局结构如图1.1图1.1非对称三轴滚圆机1.2.2弯曲成型的加工方式在钢结构制作中弯制成型的加工主要是卷板（滚圆）、弯曲（煨弯）、折边和模具压制等几种加工方法。弯制成型的加工工序是由热加工或冷加工来完成的。滚圆是在外力的作用下，使钢板的外层纤维伸长，内层纤维缩短而产生弯曲变形（中层纤维不变）。当圆筒半径较大时，可在常温状态下卷圆，如半径较小和钢板较厚时，应将钢板加热后卷圆。在常温状态下进行滚圆钢板的方法有：机械滚圆、胎模压制和手工制作三种加工方法。机械滚圆是在滚圆机（又叫轧圆机）上进行的。1.3滚圆的发展趋势加入WTO后我国滚圆机工业正在步入一个高速发展的快道，并成为国民经济的重要产业，对国民经济的贡献和提高人民生活质量的作用也越来越大。预计“十五”期末中国的滚圆机总需求量为600万台，相关装备的需求预计超过1000亿元。到2010年，中国的滚圆机生产量和消费量可能位居世界第二位，仅次于美国。而其在装备工业上的投入力度将会大大加强，市场的竞争也愈演愈烈，产品的更换也要求滚圆机装备工业不断在技术和工艺上取得更大的优势：1.从国家计委立项的情况看，滚圆机工业1000万以上投入的项目达近百项；2.滚圆机工业已建项目的二期改造也将会产生一个很大的用户群；3.由于滚圆机的高利润，促使各地政府都纷纷投资（国家投资、外资和民间资本）滚圆机制造。其次，跨国公司都开始将最新的车型投放到中国市场，并计划在中国加大投资力度，扩大产能，以争取中国更大的市场份额。民营企业的崛起以及机制的敏锐使其成为滚圆机工业的新宠，民营企业已开始成为滚圆机装备市场一个新的亮点。滚圆机制造业作为机床模具产业最大的买方市场，其中进口设备70%用于滚圆机，同时也带动了焊接、涂装、检测、材料应用等各个行业的快速发展。滚圆机制造业的技术革命，将引起装备市场的结构变化：数控技术推动了滚圆机制造企业的历史性的革命，数控机床有着高精度、高效率、高可靠性的特点，引进数控设备在增强企业的应变能力、提高产品质量等方面起到了很好的作用，促进了我国机械工业的发展。因此，至2010年，滚圆机工业对制造装备的需求与现在比将增长12%左右，据预测，滚圆机制造业：对数控机床需求将增长26%；对压铸设备的需求将增长16%；对纤维复合材料压制设备的需求增长15%；对工作压力较高的挤或冲压设备需求增长12%；对液压成形设备需求增长8%；对模具的需求增长36%；对加工中心需求增长6%；对硬车削和硬铣消机床的需求增长18%；对切割机床的需求增长30%；对精密加工设备的需求增长34%；对特种及专用加工设备需求增长23%；对机器人和制造自动化装置的需求增长13%；对焊接系统设备增长36%；对涂装设备的需求增长8%，对质检验与测试设备的需求增长16%。在今后的工业生产中，滚圆机会一直得到很好的利用。它能节约大量的人力物力用以弯曲钢板。可以说是不可缺少的高效机械。时代在发展，科技在进步，国民经济的高速发展将对这个机械品种提出越来越高的要求，将促使这个设计行业的迅速发展。第2章 方案的选择与确定2.1设计原则 根据产品的特点，我们确定了几条设计原则，1、机器必须有较高的加工精度。2， 转子线圈端部滚弧成形后， 剩余直线边越短越好，不用压头机。3、机器必须有较宽的加工工件厚度范围，要求机器能适用厚度s=315ram左右。4、操作调整方便，能快速调整厚度s和滚弧半径R。5 给操作者提供合理的站位条件。2.2滚圆机的选择与确定滚圆机按轴可分：三轴滚圆机、四轴滚圆机、七轴滚圆机。根据本次产品的要求，我选择三轴滚圆机。三轴滚圆机是一种应用广泛的冷加工成形设备。主要有二种滚圆形式，一种是三轴对称分布形式，见图4。这种形式结构简单紧凑，三轴受力接近，易于设计制造，但是加工后，工件两端剩余直线边很长，其理论剩余直线边长为t2， 实际常比理论值大， 为(620)S。为此工件上滚圆机前， 必须先在压头机上压二端， 即增加一台压头机及压头工序，且压头机上压出的是非圆弧曲线。如转子线澍端部厚s=12ram贝9最大剩余直线边长为240ram，线圈端部是一段圆弧， 卒身并不长， 滚圆加工后，两端还存在不短的直线边， 即使经压头，也不能达到形状准确。国内生产滚圆机厂家很多，产品规格不少。但是形式单一，大多数是三轴对称式。另一种是三轴不对称分布形式，见图5。这种形式结构比对称式稍复杂， 辊轴受力较大但是采用这种形式加工的工件剩余直线边短，理论剩余直线边长为(152)s，实际是对称式的(161l0)，与理论值相差不太，按照这一数据，如滚轧12m-m厚转子线圈端部，剩余直线边长约2扭m，在加工中辅之操作者加以修正，基本上能达到线圈质量标准。虽然三轴不对称式结构复杂，辊轴受力又大，但是可以不压头，不设置压头机，基本上能使工件全长范围上弯曲成形。因此决定用三轴不对称形式。第3章 传动设计3.1主运动方案的设计图1.2主传动链示意图3.1.1上下主轴辊的传动上下主轴辊的传动式由电机带动减速机构及过桥齿轮实现的，主传动链如图1-2所示。上下主轴辊传动如图1-3所示，上下轴辊的传动式用一对三联块和一对二联块固定两个过桥齿轮使其与上下主轴辊齿轮啮合实现的。该方案机构紧凑即实现了上下轴辊的同速反向运动又可使上下主轴辊在调整间隙时主轴辊传动齿轮不发生脱离，保证了正常传动。 图1-3 上下主轴辊传动示意图 3.1.2上下主轴辊间距的调整上下主轴辊间距的调整是通过蜗杆带动上轴滑块上的蜗轮转动,蜗轮内径是丝母,当丝母转动时带动丝杠转动,使丝杠上的滑块做上下移动,在滑块上的轴承带着轴同时上下移动从而实现了间隙的调整。3.2进给方案的设计3.2.1.后轴辊的运动 后轴辊的上升才能使铜排受阻弯曲，所以后轴辊的上升、下降（在一定的角度下）便产生了不同曲率的圆弧。后轴辊的调节用一单独电机带动减速机构来实现。蜗轮、蜗杆减速机构通过空套齿轮带动与箱体相关的螺母沿固定的丝杠旋转，从而 使箱体沿直线方向运动，由箱体带动后轴辊实现进给。 后轴辊的调整（根据所需要的不同曲率半径R大小进行调整）可采用电动机粗调和人工细调两种方式来实现。第4章 非对称三轴滚圆机设计分析4.1.主要参数已知设备参数要求为 （1）输出速度n=15.6rpm。（2）侧滚自动进给速度V=0.093m/s。（3）侧滚进给驱动电机功率N=390W，转速n=1400rpm。根据使用要求并参照同类型机床（滚圆机、滚板机）估算出的上下主轴辊及后轴辊直径如图2-1所示。 图2-2各轴辊几何位置示意图上主轴辊 D=120mm 下主轴辊 D=120mm 后轴辊 D=100mm 后轴辊的调节方向与竖直方向的夹角参照其它同类产品标准，推荐值为2040度，本机床为35。上下主轴辊中心线与竖直方向的夹角为，按=（0.4-0.8），取=182.非对称式三轴辊滚圆机床的外型尺寸为长：L=620mm 宽：B=625mm 高：H=1265mm 4.2主轴运动参数的计算4.2.1受力情况分析当所滚铜排尺寸最大且滚圆半径最小时轴辊所受阻力位极限状况，结构尺寸如图2-2所示：通过对极限参数的计算而得到的输入功率即为本机工件的最大功率。极限状况下的通篇尺寸为：铜排的最大宽度： b=100mm 铜排的最大厚度： h=12.5mm 要求滚制的最小半径： r=200mm （1） 计算受力端的弧长AB：（2） AB弧段的受力分析根据简支梁在纯弯曲状况下横截面上最大正应力产生在最大变形处的最外缘，故其正应力为式中 M弯矩，； Ymax简支梁外缘到中性层的矩离，m； IZ横截面对中性层的惯性矩，m4； 当最大正应力时,M即为横截面上的极限弯矩,且当弯矩大于极限弯矩时，简支梁发生塑性变形。铜的许用应力（3） 计算轴辊与铜排间的摩擦力轴辊与铜排之间静摩擦系数取f=0.54轴辊与铜排间的静摩擦力为F=f*N又N=P。所以F=fP=0.5422802=12313.08N4.2.2驱动轴辊的转矩与功率4.2.3计算电机功率因为式中 总传动效率所以=0.980.980.99=0.825 因为电机的输入功率大于1.45kw,为了安全起见，选取的电机型号为Y100L-6。其参数N=1.5KW、n=940r/m。4.2.4传动比的分配式中 -总的传动比； -轴辊的输出转速； -电机的输入转速；为了避免带轮尺寸过大，取=3.7，则=60.256/3.7=16.285,在闭式圆柱直齿传动减速机构中，（1.21.3）2=，所以=3.6，=4.5。4.3传动装置各轴的参数计算4.3.1各轴的转速=940r/min4.3.2计算各轴的功率4.3.3计算各轴的转矩4.4各齿轮的计算4.4.1同步齿形带的计算小带轮齿数Z1=20,大带轮齿数Z2=74，传动比i=3.71. 确定计算功率 式中 -工作情况系数，； 2. 齿形带模数 取3. 确定小带轮的节圆直径 4. 确定齿形带速v 5. 确定大带轮的节圆直径6. 计算中心距A0=(0.72)(D1+D2)=164.5470mm初取A0=450mm所以实际中心距中心距的变化范围为164.5470mm7. 计算齿轮带带长和齿数8. 验算小带轮上的包角9. 检验 合格10. 单位带宽的离心力所产生的张力 式中q每米齿形长度上的重力，查文献【1】，取11.确定齿形带宽b式中P-齿形带许用拉力P=9.8N;=12. 齿形带传动对轴的作用力 f=(1.11.2)P式中P-传递的圆周力，N;13. 同步齿形带齿轮的齿形角 带轮顶圆直径齿高式中 h-齿形带齿高h=1.8mm; e-径向间隙e=0.82mm;所以 分度圆直径 分度圆齿距 分度圆齿厚式中，-齿形带齿高中心线处的齿厚;； f-齿侧间隙 f=0.6mm;所以齿根圆角半径 r=0.1m=0.12.5=0.25mm齿顶圆角半径带轮宽度B=b+(310)=75+5=80mm由以上的计算知同步齿形带张力较小，一般在带与两轮切点中央的力为重力（)，如果中点的挠度在1028范围内便认为是合格的。4.4.2第二级传动设计1.齿轮参数选择 1）选用圆柱直齿传动。2） 材料选择：因此级传递功率校大，磨损严重，考虑磨损对齿轮强度的削弱，小齿轮材料为40Cr，表面需调质处理，齿面硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS。3） 选取精度等级：选7级精度(GB10095-88)。4） 选小齿轮齿数Z1=24，大齿轮齿数Z2=244.5=108。2. 按齿面接触强度计算和确定齿轮尺寸 (5.1)（1） 确定公式内各计算数值a) 试选载荷系数：Kt=1.3 b) 小齿轮传递扭矩：T2=5.339104 Nmmc)齿宽系数d)材料的弹性影响系数e)按齿面硬度查得大小齿轮的接触疲劳强度极限f)计算应力循环次数：N1=60n1JLn=609401（2830015）4.06109N2=4.06109/3.2=1.269109g)查得接触疲劳寿命系数。h)计算接触疲劳许用应力安全系数S1 ，（2）计算1）试算小齿轮分度圆直径d1t,代入中较小的值。由式（5.1）得 d1t=51.897mmb)计算圆周速度V:c)齿宽b:d)齿宽与齿高之比b/h：模数： mtd1t/Z152.53/242.195mm 齿高： h2.25mt2.252.1954.939mm齿高之比 ： b/h51.897/4.93910.51e)计算载荷系数：根据v=2.55m/s，7级精度动载荷系数15：Kv=1.11 KH=KF=1 使用系数：KA=1 KH=1.415KF=1.26故载荷系数：K=KAKVKHKH=11.1111.415=1.571f)按实际载荷系数校正分度圆直径：g)计算模数m： m=d1/Z1=55.278/24=2.3mm3. 按齿根弯曲强度设计 （5.2）(1)确定公式内的各计算数值a)查大小齿轮的弯曲疲劳强度极限： b)查得弯曲疲劳寿命系数：c)计算弯曲疲劳许用应力：取安全系数S1.4，d)计算载荷系数K：e)查取齿形系数： f)查取应力校正系数:g)计算大小齿轮的并加以比较:故大齿轮数值较大。(2) 模数设计计算因为齿轮模数m的大小是由齿根弯曲疲劳强度计算所得的承载能力决定的，而齿面接触疲劳强度计算所得的承载能力仅与齿轮直径有关，又因齿面接触疲劳强度计算的模数m大于齿根弯曲疲劳的计算模数，故取弯曲强度算得模数m1.68mm，圆整后m2mm。校正后的分度圆直径d1=55.278mm。齿数Z1、Z2： Z1=d1/m=55.278/2=28 ； Z2=Z1=4.528=1264.几何尺寸计算a)两齿轮的分度圆直径：b)中心距： c)齿宽：取B2=56mm,B1=61mm.4.4.3第三级传动设计1.齿轮参数选择 1）选用圆柱直齿传动。2）材料选择：因此级传递功率校大，磨损严重，考虑磨损对齿轮强度的削弱，小齿轮材料为40Cr，表面需调质处理，齿面硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS。3）选取精度等级：选7级精度(GB10095-88)。选小齿轮齿数Z1=24，大齿轮齿数Z2=243.6=86.4，取Z2=863. 按齿面接触强度计算和确定齿轮尺寸 (5.1)（2） 确定公式内各计算数值c) 试选载荷系数：Kt=1.3 d) 小齿轮传递扭矩：T3=2.269105 Nmmc)齿宽系数d)材料的弹性影响系数e)按齿面硬度查得大小齿轮的接触疲劳强度极限f)计算应力循环次数：N1=60n1JLn=609401（2830015）4.06109N2=4.06109/3.6=1.128109g)查得接触疲劳寿命系数。h)计算接触疲劳许用应力安全系数S1 ，（2）计算1）试算小齿轮分度圆直径d1t,代入中较小的值。由式（5.1）得 d1t=85.318mmb)计算圆周速度V:c)齿宽b:d)齿宽与齿高之比b/h：模数： mtd1t/Z185.318/243.555mm 齿高： h2.25mt2.253.5557.999mm齿高之比 ： b/h85.318/7.99910.67e)计算载荷系数：根据v=0.25m/s，7级精度动载荷系数：Kv=1.08 KH=KF=1 使用系数：KA=1 KH=1.415KF=1.35故载荷系数：K=KAKVKHKH=11.0811.415=1.528f)按实际载荷系数校正分度圆直径：g)计算模数m： m=d1/Z1=90.04/24=3.75mm4. 按齿根弯曲强度设计 （5.2）(1)确定公式内的各计算数值a)查大小齿轮的弯曲疲劳强度极限： b)查得弯曲疲劳寿命系数：c)计算弯曲疲劳许用应力：取安全系数S1.4，d)计算载荷系数K：K=KAKVKHKH=11.0811.35=1.458e)查取齿形系数： f)查取应力校正系数:g)计算大小齿轮的并加以比较:故大齿轮数值较大。(3) 模数设计计算因为齿轮模数m的大小是由齿根弯曲疲劳强度计算所得的承载能力决定的，而齿面接触疲劳强度计算所得的承载能力仅与齿轮直径有关，又因齿面接触疲劳强度计算的模数m大于齿根弯曲疲劳的计算模数，故取弯曲强度算得模数m2.66mm，圆整后m3mm。校正后的分度圆直径d1=90.4mm。齿数Z1、Z2： Z1=d1/m=90.4/3=30 ； Z2=Z1=3.630=1084.几何尺寸计算a)两齿轮的分度圆直径：b)中心距： c)齿宽：取B2=90mm,B1=95mm.5.4.3 第四级传动设计：1过桥齿轮参数选择IV轴上的小齿轮与轴上的齿轮以及过桥齿轮的齿数为 Z4=Z5=Z6=Z7=245） 材料选择：小齿轮材料为40Cr，表面需调质处理，齿面硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS。6） 选取精度等级：选7级精度(GB10095-88)。4. 按齿面接触强度计算和确定齿轮尺寸 (5.1)（3） 确定公式内各计算数值e) 试选载荷系数：Kt=1.3 f) 小齿轮传递扭矩：T2=7.604105Nmmc)齿宽系数d)材料的弹性影响系数e)按齿面硬度查得大小齿轮的接触疲劳强度极限f)计算应力循环次数：N1=60n4JLn=6015.71（2830015）6.78107N2=6.78107/1=6.78107g)查得接触疲劳寿命系数。h)计算接触疲劳许用应力安全系数S1 ，（2）计算1）试算小齿轮分度圆直径d1t,代入中较小的值。由式（5.1）得 d1t=148.24mmb)计算圆周速度V:c)齿宽b:d)齿宽与齿高之比b/h：模数： mtd1t/Z1148.24/246.17mm 齿高： h2.25mt2.256.1713.9mm齿高之比 ： b/h148.24/13.910.66e)计算载荷系数：根据v=0.12m/s，7级精度动载荷系数：Kv=1.05 KH=KF=1 使用系数：KA=1 KH=1.44KF=1.26故载荷系数：K=KAKVKHKH=11.0511.44=1.512f)按实际载荷系数校正分度圆直径：g)计算模数m： m=d1/Z1=155.9/24=6.5mm5. 按齿根弯曲强度设计 （5.2）(1)确定公式内的各计算数值a)查大小齿轮的弯曲疲劳强度极限： b)查得弯曲疲劳寿命系数：c)计算弯曲疲劳许用应力：取安全系数S1.4，d)计算载荷系数K：e)查取齿形系数： f)查取应力校正系数:g)计算大小齿轮的并加以比较:。(4) 模数设计计算因为齿轮模数m的大小是由齿根弯曲疲劳强度计算所得的承载能力决定的，而齿面接触疲劳强度计算所得的承载能力仅与齿轮直径有关，又因齿面接触疲劳强度计算的模数m大于齿根弯曲疲劳的计算模数，故取弯曲强度算得模数m3.94mm，圆整后m4mm。校正后的分度圆直径d1=155.9mm。齿数Z1、Z2： Z1=d1/m=155.9/4=39 ； Z2=Z1=139=394.几何尺寸计算a)两齿轮的分度圆直径：b)中心距： c)齿宽：4. 轴的设计校核计算：5.6.1 四个轴的结构设计各轴材料为45号钢， A=112mm。轴：轴：P2=1.42kw n2=254r/min 故轴可设计为齿轮轴。轴的结构如图1.1轴：P3=1.34kw n3=56.4r/m 结构如下轴：P4=1.25kw n4=15.7r/m 结构如下轴：P7=1.18kw,n7=15.6r/m 结构如下5.6.2 轴的校核计算：1. 轴的弯矩计算由于轴的作为输出轴其转速最小，扭距最大故只对轴进行校核计算。根据受力图绘出轴的弯矩、扭矩图和当量弯矩图5.6。0图3-1 上轴辊受力图1. 垂直方向的支反力及弯矩图3-2 上轴辊垂直方向受力图2. 作用在齿轮上的力2. 水平方向的支反力及弯矩 图3-3 上轴辊水平方向受力图当量弯矩 式中 是调整系数；图3-4 上轴辊弯距图所以B剖面为危险截面，只需要校核该点的强度。B点的直径d=90mm 所以截面B安全其它轴的强度校核同此，且均安全。 3.2.2 轴的刚度校核（仅校核上轴的刚度） 轴的材料弹性模量E=210GPa 图3-5 上轴辊受力图由文献2表8-1公式得图3-6 上轴辊各详细情况受力图Fv单独作用时,当Rva单独作用时，由于AB段与BC段直径不同不能直接应用文献2表8-1的公式，先设轴上的B点截面不转动，AB段视为悬臂梁，查表得假设再将B销右处截开，截面上作用有剪力，弯矩，其中剪力由B端支座反力平衡，不引起轴弯曲。而相当于一个集中力偶。此时截面A产生与相同的转角,并产生挠度在此基础上再考虑AB段的转角,截面A总转角及挠度位所以及共同作用时， 将水平方向与垂直方向的转角及挠度用勾股定理来合成0.006rad0.006rad所以轴的刚度合格. (5)轴承的选择选择轴承类型的依据：安装轴承处的最小直径和轴承所受负荷的大小、方向及性质；轴向固定形式；调心性能要求；刚度要求；转速与工作环境等。a 轴II、轴轴承的选择选择圆锥滚子轴承，可以同时承受径向载荷及轴向载荷，一般成对使用。（1） .轴II：d=40mm,选择的圆锥滚子轴承代号为30208，其尺寸为dDT=408019.75mm，Cr=63KN，Cor=74kN。（2） .轴：d=65mm，选择的圆锥滚子轴承代号为30213，其尺寸为dDT=6512024.75mm，Cr=120KN，Cor=152kN。32