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工學(xué)碩士學(xué)位論文
風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)設(shè)計(jì)與分析
楊振琪
哈爾濱理工大學(xué)
2013年3月
國內(nèi)圖書分類號(hào): TG35
工學(xué)碩士學(xué)位論文
風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)設(shè)計(jì)與分析
碩 士 研究生：楊振琪
導(dǎo) 師：段鐵群
申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：工學(xué)碩士
學(xué) 科、專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論
所 在 單 位：機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院
答 辯 日 期：2013年3月
授予學(xué)位單位：哈爾濱理工大學(xué)
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(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文
風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)設(shè)計(jì)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(diǎn)已成為應(yīng)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(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志。如何高效、高精度的生產(chǎn)出所需的板材，已成為各國學(xué)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(jī)的實(shí)際應(yīng)用和分析國內(nèi)外現(xiàn)有板料折彎機(jī)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，針對(duì)中央空調(diào)中的風(fēng)閥閥體需求量大、生產(chǎn)效率低的問題，提出了風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)的設(shè)計(jì)方案，完成了風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)的工藝性分析，并對(duì)軋制力進(jìn)行了計(jì)算，得到合理的輥壓工藝工序。根據(jù)工序要求，制訂傳動(dòng)方案、分配各軸的傳動(dòng)比并進(jìn)行動(dòng)力分析。對(duì)風(fēng)閥體輥壓折邊機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)出每道輥壓工藝的垂直軋輥和水平軋輥結(jié)構(gòu)，并且應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)風(fēng)閥體輥壓折邊機(jī)進(jìn)行三維建模，模擬真實(shí)情況下的運(yùn)動(dòng)，檢查是否存在干涉現(xiàn)象。最后應(yīng)用ABAQUS軟件對(duì)風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)的軋輥進(jìn)行有限元建模，并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和軋制過程的力學(xué)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(jìn)方案。
風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)已經(jīng)制造結(jié)束并開始調(diào)試，實(shí)踐證明使用多對(duì)軋輥連續(xù)成型能很好地解決風(fēng)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(fù)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(diǎn)，本論文風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)的設(shè)計(jì)方法對(duì)其他輥壓折邊機(jī)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞 風(fēng)閥體；折邊機(jī)；仿真；力學(xué)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(jì) 7
2.1工藝流程 7
2.1.1 板材尺寸的計(jì)算 7
2.1.2 軋制工藝工序 8
2.2 總體設(shè)計(jì) 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(dòng)方案設(shè)計(jì) 10
2.2.4 軋制力計(jì)算 11
2.3 動(dòng)力分析 13
2.3.1 各軸的轉(zhuǎn)矩計(jì)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(jì) 15
2.4.3 垂直裝置設(shè)計(jì) 16
2.5 本章小結(jié) 17
第3章 三維設(shè)計(jì) 18
3.1 Pro/E軟件介紹 18
3.1.1 Pro/E軟件主要特點(diǎn) 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(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)件 21
3.3 輥壓折邊機(jī)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(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)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(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)軋輥力學(xué)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(yīng)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(xiàn) 39
攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)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(fù)雜剖面形狀等優(yōu)點(diǎn)，金屬板材成為應(yīng)用最廣泛的型材，同時(shí)折邊機(jī)是最重要的金屬板材成型加工設(shè)備之一，因此風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)的設(shè)計(jì)也充分體現(xiàn)了此課題研究的重要性[1]。
風(fēng)閥體是風(fēng)閥的重要組成部分，而風(fēng)閥在中央空調(diào)、通風(fēng)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(fēng)閥的使用量越來越大。風(fēng)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?yàn)榘宀妮^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(dòng)化、大批量的現(xiàn)代化生產(chǎn)要求[2]。
針對(duì)上述情況本風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)是采用多對(duì)輥輪連續(xù)成形，軋輥轉(zhuǎn)速可調(diào)，工作臺(tái)可以上下升降、前后調(diào)節(jié)。能夠省時(shí)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(diǎn)。
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(jī)可以對(duì)金屬板料進(jìn)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(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)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(jī)床中折彎機(jī)、剪切機(jī)、壓力機(jī)的應(yīng)用最為普遍，下面介紹一下國內(nèi)板料加工機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀[3]。
國內(nèi)生產(chǎn)板料折彎機(jī)的企業(yè)主要有上海沖剪機(jī)床廠、江蘇富力數(shù)控機(jī)床有限公司、湖北三環(huán)鍛壓機(jī)床公司、江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床公司泰安聯(lián)達(dá)鍛壓設(shè)備制造公司、靖江三力鍛壓機(jī)床制造公司等，如圖1-1所示 [4]。
江蘇富力數(shù)控機(jī)床有限公生產(chǎn)的EB3512型全電伺服數(shù)控折彎機(jī)是通過伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)左右伺服電機(jī)進(jìn)行同步控制，從而達(dá)到精確、節(jié)能、靜音折彎加工。MB8-500*6400型雙機(jī)聯(lián)動(dòng)型數(shù)控折彎機(jī)工作臺(tái)長度達(dá)到6400mm，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)長板料的折彎。
湖北三環(huán)鍛壓機(jī)床公司生產(chǎn)的W67K．100／3200型數(shù)控折彎機(jī)，采用美國Autobend數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩軸數(shù)控，工作臺(tái)裝有機(jī)械式撓度補(bǔ)償裝置，采用LVD公司的機(jī)械伺服閥控制油缸的同步性，機(jī)械擋塊控制油缸行程的結(jié)構(gòu)[5]。
上海沖剪機(jī)床廠研發(fā)的WS67K．160／3200型折彎機(jī)，采用Cybelec公司的Press Cad900數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了7軸數(shù)控(X1、X2、YI、Y2、Z1、Z2、R) [6]。
北京鍛壓機(jī)床廠研發(fā)的W67K．63／2500型折彎機(jī)，使用DelemDA．24數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩軸數(shù)控，主機(jī)采用扭軸機(jī)械擋塊式結(jié)構(gòu)控制滑塊行程[7]。
b）湖北三環(huán)鍛壓機(jī)床公司
a）江蘇亞威機(jī)床公司
d）無錫金立鍛壓機(jī)床公司
c）江蘇楊力集團(tuán)
圖1-1 國內(nèi)先進(jìn)板料折彎機(jī)
Fig.1-1 Internal advanced plate bender
輥彎成型過程是一涉及動(dòng)力學(xué)、幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等多學(xué)科問題的復(fù)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(gè)方向上的變形。由于輥彎成型的復(fù)雜性，現(xiàn)在還沒有推導(dǎo)出完善的成型理論，對(duì)輥彎成型中軋輥的設(shè)計(jì)還是以經(jīng)驗(yàn)法為主，通過生產(chǎn)實(shí)踐調(diào)整工藝工序，在不斷的試錯(cuò)中設(shè)計(jì)出合適的軋輥，這樣大大浪費(fèi)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(duì)輥彎成型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證折彎機(jī)設(shè)計(jì)是否合理，并且獲取合理的工藝工序，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐[9]。下面介紹一下國內(nèi)應(yīng)用有限元法對(duì)折彎機(jī)的研究。
國內(nèi)，王春新[10]應(yīng)用有限元方法模擬了內(nèi)半徑為零的輥彎成型，并對(duì)冷彎工藝中內(nèi)彎曲半徑為零的軋輥進(jìn)行了優(yōu)化。夏雁賓通過應(yīng)用有限元理論分析了預(yù)沖孔板料的輥彎成型過程，通過仿真分析對(duì)軋輥進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
重慶大學(xué)黃世琦教授[11]對(duì)2450大型軋機(jī)整機(jī)做了光彈分析，并且對(duì)其中板軋機(jī)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(yīng)力值最大。
重慶大學(xué)余欽義教授[12]對(duì)冷軋機(jī)機(jī)架做了有限元計(jì)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(jìn)行有限元分析，并把三維分析結(jié)果與二維分析結(jié)果對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示三維分析的精確度遠(yuǎn)高于二維分析。同時(shí)可以看出轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中較大，并不是橫梁應(yīng)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(duì)1000mm粗軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行三維建模和有限元分析，分析結(jié)果顯示有限元計(jì)算的結(jié)果和實(shí)測值是高度符合的，并且準(zhǔn)確的反映機(jī)架各零部件、尤其是應(yīng)力集中地方的變形趨勢和應(yīng)力分布：出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置是壓下螺母孔承壓面圓角附近，所以它是機(jī)架強(qiáng)度最不充足的地方。
梁興復(fù)和曲慶章[14]兩人利用光彈性實(shí)驗(yàn)法和有限元法對(duì)四輥液壓機(jī)機(jī)架的剛度和強(qiáng)度做了分析，結(jié)果顯示：光彈性試驗(yàn)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(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力值更加精準(zhǔn)。半閉口式軋機(jī)機(jī)架的有限元計(jì)算結(jié)果是：建立半閉口式機(jī)架接觸應(yīng)力問題的三維模型，并對(duì)模型處理，從而力學(xué)模型符更加符合實(shí)際情況。按照這個(gè)模型分析的好處是可以消除了由于簡化和接觸應(yīng)力計(jì)算所造成的變形和應(yīng)力誤差，從而提高了計(jì)算精度，同時(shí)實(shí)例分析結(jié)果說明該計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果合理，相符實(shí)際。
王俊領(lǐng)同志[15]用SAP5程序?qū)?200mm軋機(jī)機(jī)架做了有限元分析，用了7種方案對(duì)螺母孔處的圓角半徑進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果是：機(jī)架對(duì)稱平面和壓下螺母孔過渡圓角相交點(diǎn)是機(jī)架的危險(xiǎn)點(diǎn)。
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀
國外生產(chǎn)板料折彎機(jī)的著名廠家有很多，如比利時(shí)LVD、瑞典薩耀(sajo)、日本天田株式會(huì)社(Amada)、日本小松產(chǎn)機(jī)株式會(huì)社(Komatsu)、日本村田機(jī)械株式會(huì)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(shí)LVD
圖1-2 國外先進(jìn)板料折彎機(jī)
Fig.1-2 Abroad advanced plate bender
比利時(shí)LVD公司[16]生產(chǎn)的PPI系列折彎機(jī)有同步誤差檢測系統(tǒng)，能予以保護(hù)和糾正在機(jī)床斷電重新啟動(dòng)時(shí)，如果滑塊沒歸零產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)誤差。PPEB系列折彎機(jī)除了具有PPI系列的功能之外，還具有精度達(dá)到0.01mm的板料厚度自動(dòng)檢測裝置，它對(duì)板料厚度實(shí)際尺寸與名義尺寸比較，對(duì)凸模進(jìn)入凹模的深度進(jìn)行修正，進(jìn)而補(bǔ)償板厚變化對(duì)折彎角度的影響。
日本小松產(chǎn)機(jī)株式會(huì)社(Komatsu)生產(chǎn)的一種新型無痕下模折彎機(jī)。下模兩端裝有兩塊可以回轉(zhuǎn)的模板，折彎機(jī)折彎時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)。這樣就不會(huì)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(jī)采用Bosch公司生產(chǎn)的伺服閥和光柵對(duì)兩個(gè)各個(gè)油缸進(jìn)行閉環(huán)控制，工作臺(tái)裝有數(shù)控?fù)隙妊a(bǔ)償裝置，并用Cybelec公司的DNC90數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)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(dú)立的三點(diǎn)式折彎機(jī)。
1996年，G．NEFUSSI等人[17]應(yīng)用彈塑性理論對(duì)軋輥彎曲成型進(jìn)行模擬，模型中板定義為殼單元，隨后應(yīng)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(yīng)網(wǎng)格（ALE adaptive meshing）技術(shù)應(yīng)用于有限元仿真，并對(duì)帶鋼的滾動(dòng)摩擦進(jìn)行了輥彎成型仿真。后來，把對(duì)稱網(wǎng)格也引入到梯形截面槽鋼的仿真計(jì)算中[19]。
2001年，韓國的M．Kiuchi等人[20]應(yīng)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(yù)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(duì)某風(fēng)閥體生產(chǎn)商設(shè)計(jì)風(fēng)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(gè)。在了解風(fēng)閥體的使用狀況和軋制工藝的前提下，做一個(gè)總體設(shè)計(jì)，側(cè)重點(diǎn)在動(dòng)力箱的設(shè)計(jì)。在熟悉板料彎曲理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出板料彎邊機(jī)的工作原理。具體工作內(nèi)容如下。
1．總體設(shè)計(jì) 在閱讀大量軋制工藝資料的前提下，對(duì)毛坯料進(jìn)行咬入條件計(jì)算和軋制力計(jì)算，安排風(fēng)閥體的整個(gè)加工工藝，并確定風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。
2．主要部件設(shè)計(jì) 通過對(duì)比不同形式的箱體，確定箱體方案，并對(duì)垂直軋制裝置和水平軋制裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(duì)Pro/E軟件的功能和特點(diǎn)進(jìn)行了簡單的介紹，分析幾種建模方法的特點(diǎn)，并且應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)進(jìn)行三維建模，模擬真實(shí)情況下的運(yùn)動(dòng)，檢查是否存在干涉現(xiàn)象。
4．有限元仿真 對(duì)軋輥裝置應(yīng)用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元建模，進(jìn)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(duì)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)
中央空調(diào)的通風(fēng)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?yàn)榘宀妮^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(dòng)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(diǎn)，適用于大批量生產(chǎn)各種復(fù)雜剖面形狀的制件。同時(shí)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(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)軋制裝置的設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)彎角相同，則四個(gè)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(jì)要求兩次軋彎90度，參考初定每個(gè)90度分6道，共12道。第一道軋角為0度，起導(dǎo)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(yīng)小，中間應(yīng)最大，最后幾道應(yīng)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(hào)
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(jìn)入軋輥困難，因此在每道軋輥之間加一道垂直軋輥，對(duì)板材進(jìn)行一次預(yù)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(jì)
2.2.1 總體結(jié)構(gòu)布局
風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)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(duì)成形輥輪為成形工具，隨著輥輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將帶料向前送進(jìn)的同時(shí)順次進(jìn)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(jī)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(jī)總體圖
Fig.2-2 Assembly drawing of rolling mills
由于風(fēng)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(jī)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(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱、機(jī)架、水平軋輥、垂直輥輪組成。電動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)架上，通過皮帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到傳動(dòng)箱。皮帶傳動(dòng)具有緩沖沖擊力、傳輸距離長、過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)傳動(dòng)箱時(shí)，考慮到傳輸距離長，扭矩大且應(yīng)使結(jié)構(gòu)盡量緊湊等因素，所以選擇蝸桿傳動(dòng)，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(dòng)2對(duì)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(dòng)的一級(jí)傳動(dòng)為蝸輪蝸桿傳動(dòng)，利用蝸輪的大扭矩帶動(dòng)與蝸輪同軸的大齒輪，同時(shí)將動(dòng)力傳動(dòng)給兩組小齒輪，這樣布置傳動(dòng)箱大大節(jié)約了空間，并且給軋輥提供了很大的扭矩。應(yīng)用齒輪傳動(dòng)可以保證每道軋輥的瞬時(shí)傳動(dòng)比一致，從而每道軋輥的轉(zhuǎn)速恒定。
風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)的工作原理為：電機(jī)通過帶傳動(dòng)把動(dòng)力傳到端部的蝸桿上，蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與蝸輪同軸的大齒輪將動(dòng)力傳遞給左右兩側(cè)的兩個(gè)大齒輪，與這兩個(gè)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(gè)蝸桿就能帶動(dòng)四個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)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(dòng)箱內(nèi)布置了6個(gè)串聯(lián)的蝸桿，它們之間用聯(lián)軸器連接，構(gòu)成了24個(gè)輸出軸，每個(gè)輸出軸通過萬向聯(lián)軸器與軋輥相連，組成了12對(duì)水平軋輥。工作時(shí)，電機(jī)輸出扭矩帶動(dòng)12道水平軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)布置了11道垂直軋輥輔助加工，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的漸進(jìn)加工。
2.2.3 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)所采用5.5KW（Y132W—4）型三相異步電機(jī)，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(jì)算得到總傳動(dòng)比為65.81。
動(dòng)力箱的傳動(dòng)示意圖見圖2-3。先經(jīng)過帶輪減速后再傳到動(dòng)力箱，動(dòng)力箱采用二級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)為蝸桿傳動(dòng)，第二級(jí)為齒輪傳動(dòng)。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1．電機(jī)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(jī)傳動(dòng)圖
Fig.2-3 Transmission system of rolling mills
考慮到蝸輪蝸桿的傳動(dòng)能力較大，為進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)，方便零件的生產(chǎn)和加工，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的通用性，電機(jī)通過電機(jī)軸帶動(dòng)小帶輪，小帶輪經(jīng)過帶輪傳動(dòng)將速度傳到變速器，變速器采用二級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)為蝸桿蝸輪傳動(dòng)比稍大些，第二級(jí)為齒輪傳動(dòng)采用等轉(zhuǎn)速傳動(dòng)?，F(xiàn)分配如下：
1. 分配傳動(dòng)比，初定帶傳動(dòng)i帶=1.65；
2. 變速器第一級(jí)i1=40；
3. 變速器第二級(jí)i2=1。所以總傳動(dòng)比為64。
2.2.4 軋制力計(jì)算
對(duì)每道水平軋輥進(jìn)行軋制力計(jì)算為：
第一道水平軋輥拉伸角為0o，軋制力不用計(jì)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(yīng)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算得到總力矩，根據(jù)上述的計(jì)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(dòng)力分析
2.3.1 各軸的轉(zhuǎn)矩計(jì)算
轉(zhuǎn)矩計(jì)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(jī)軸，其功率為電機(jī)功率，n0轉(zhuǎn)速與電機(jī)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(jī)連接，因此功率應(yīng)考慮皮帶傳動(dòng)效率的影響，查得帶傳動(dòng)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(yīng)平分計(jì)算，查得蝸桿傳動(dòng)的效率為0.80，滾動(dòng)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(yīng)考慮齒輪和滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率，查得齒輪傳動(dòng)的效率為0.97,滾動(dòng)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(yīng)考慮齒輪的傳動(dòng)效率和滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率，因此上軋輥軸功率KW，上軋輥軸轉(zhuǎn)速。由上述計(jì)算，可得到各軸的傳動(dòng)參數(shù)見表2-3。
表2-3 各軸傳動(dòng)參數(shù)
Table2-3 Shaft parameters of transmission system
軸序號(hào)
功率(kW)
轉(zhuǎn)速(r/min)
轉(zhuǎn)矩(Nm)
傳動(dòng)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(qiáng)度和剛度高、重量輕、生產(chǎn)周期短以及施工簡便等優(yōu)點(diǎn)。如表2-4所示，對(duì)鑄造與焊接的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。
表2-4 鑄造焊接比較
Table2-4 Comparison of?casting and weldment
項(xiàng)目
鑄鐵機(jī)架
焊接機(jī)架
機(jī)架重量
較重
鋼板焊接毛坯比鑄造毛坯輕30%
強(qiáng)度、剛度及抗震性
鑄造機(jī)架的強(qiáng)度與剛度較低，但內(nèi)摩擦大，阻尼作用大，故抗震性好
強(qiáng)度高、剛度大，對(duì)同一結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度為鑄鐵2.5倍，鋼的疲勞強(qiáng)度為鑄鐵的三倍
材料價(jià)格
鑄鐵材料來源方便、廉價(jià)
價(jià)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(yīng)市場競爭的需要
設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)只能用開口式結(jié)構(gòu)，影響厚度
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)架
單件小批量生產(chǎn)大、中型機(jī)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(jì)
由于風(fēng)閥體的U型槽較大，所以應(yīng)用軋輥對(duì)冷軋板進(jìn)行漸變加工，以保證加工精度。軋輥系統(tǒng)包含了12對(duì)水平軋輥和11對(duì)垂直軋輥。軋輥成形原理是由多對(duì)成形軋輥軸順次對(duì)板料變形并向前送進(jìn)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(fēng)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(shí)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(dòng)的。由于上、下兩個(gè)軋輥都與支架槽型連接，當(dāng)調(diào)整上軋輥軸承座時(shí)，需要旋轉(zhuǎn)壓緊絲杠，使壓緊絲杠帶動(dòng)上軋輥軸承座向上移動(dòng)，從而改變兩個(gè)軋輥的相對(duì)高度以實(shí)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(jì)
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(duì)板料起定向作用；b，對(duì)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?zhàn)饔每芍?，垂直輥的左右上下都可以取中心?duì)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(jì)為凸臺(tái)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(jì)只須依據(jù)板料彎曲形狀來確定尺寸。取垂直輥外部臺(tái)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(jì)，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(dǎo)輥?zhàn)?、導(dǎo)支板；3、扁螺母；4、導(dǎo)輥軸；5、導(dǎo)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(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)的工藝性分析和風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對(duì)毛坯料進(jìn)行咬入條件計(jì)算和軋制力計(jì)算，得到合理的軋制工藝工序。根據(jù)工序要求，制訂傳動(dòng)方案、分配各軸的傳動(dòng)比進(jìn)行動(dòng)力分析。并對(duì)比不同形成的箱體，確定箱體方案，同時(shí)設(shè)計(jì)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(jì)
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(jì)才能迅速適應(yīng)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(wù)優(yōu)化等問題[24]。應(yīng)用Pro/e軟件可以在設(shè)計(jì)的前期，對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行三維模擬，檢驗(yàn)產(chǎn)品的可行性，大大提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。
3.1 本章小結(jié)
本章對(duì)Pro/E軟件的建模功能和特點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)，根據(jù)板料折彎機(jī)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，應(yīng)用Pro/E軟件的特征建模和零件庫導(dǎo)入方法建立了板料折彎機(jī)三維模型并進(jìn)行裝配，模擬真實(shí)情況下的運(yùn)動(dòng)，檢查是否存在干涉現(xiàn)象。在以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員只能根據(jù)二維圖對(duì)裝配體進(jìn)行檢查，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力而且難度很大，只有一些有經(jīng)驗(yàn)的老設(shè)計(jì)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(yīng)用Pro/E軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的復(fù)雜裝置進(jìn)行三維建模，能夠直觀的看出是否出現(xiàn)干涉。
第4章 風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)軋輥的有限元分析
在上一章的分析中，對(duì)風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)的垂直軋輥和水平輥進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證通過傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算法設(shè)計(jì)出的風(fēng)閥閥體輥壓折邊機(jī)是否滿足使用要求，找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行改進(jìn)，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(duì)軋制進(jìn)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(jìn)方案。
本章小結(jié)
本章應(yīng)用有限元理論，以ABAQUS作為有限元分析工具，對(duì)軋制裝置進(jìn)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(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。
結(jié)論
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