硅棒切斷機床夾緊機構設計與仿真

1、本科畢業(yè)設計（論文）題目：硅棒切斷機床夾緊機構設計與仿真院 （系）： 機電工程學院專 業(yè)： 機械設計及其自動化班 級： 080210姓 名： 李永超學 號： 080210110指導教師： 曹 巖2012年06月08日硅棒切斷機床夾緊機構設計與仿真摘要太陽能和光伏產業(yè)中硅材料的使用越來越廣泛，硅棒的加工也逐漸由原來的半自動化向全自動化過渡。硅棒的外形特點基本是較為規(guī)則的圓柱形，但也有一部分硅棒由于設備本身的缺陷和工人操作水平不到位拉伸成圓錐狀或曲折形。本文設計的是一種簡單、自動化程度高、夾緊點固定、夾緊力可靠、裝夾工件快速、能減少工人的勞動強度和人為因素不穩(wěn)定性的夾具，有效的解決了硅棒在切割過程

2、中的相關問題。關鍵詞：硅棒；自動化；夾具ISilicon bars cut off the machine tool clamping mechanismdesign and simulationAbstractMore widespread use of solar and PV industry in the silicon material, semi-automated to fully automated processing of silicon rods gradually from transition.Silicon rod shape is basically charac

3、terized by regular cylindrical, but there are also part of the silicon rods due to equipment defects and the level of workers to operate in place stretch into a cone-shaped or zigzag.In this paper the design is a simple and high degree of automation, clamping point fixed, clamping force and reliable

4、, clamping work-piece fast, can reduce the labor intensity and human factors not stability of fixture, effectively solve the silicon rods in cutting process of the related problem.Key words:：silicon rod；automation；fixtureII目錄1 緒論 . 11.1 畢業(yè)設計題目. 11.2 畢業(yè)設計的目的. 11.3 題目背景. 11.4 研究意義. 11.5 國內相關研究情況. 11.6

5、 畢業(yè)設計（論文）的主演內容與要求. 21.6.1畢業(yè)論文的主要內容 . 21.6.2畢業(yè)論文的要求 . 22 硅棒切斷機床工作原理及特點 . 32.1 硅棒切斷機床結構. 32.2 硅棒切斷機床的工作原理. 32.2.1夾緊原理 . 32.2.2切斷原理 . 4 3 夾緊機構的整體結構 . 63.1 整體結構設計. 6 4 液壓缸的設計和選用 . 84.1 液壓缸設計的一般問題. 84.1.1設計原則： . 84.1.2設計步驟 . 84.2 液壓缸缸筒的設計計算. 94.2.1工作壓力的確定 . 94.2.2受力分析 . 104.2.3安全系數 . 114.2.4缸筒的結構及尺寸 . 11

6、4.2.5缸筒壁厚 . 114.2.6缸筒的彈性變形 . 124.2.7缸筒的結構設計和連接強度計算 . 134.2.8缸筒的材料和技術要求 . 134.3 活塞桿的設計與計算. 144.3.1活塞桿的結構設計 . 144.3.2活塞桿的設計與計算 . 154.3.3活塞桿的校核 . 154.4 活塞的設計. 174.4.1活塞的結構 . 174.4.2活塞的材料及技術要求 . 174.5 缸蓋和缸底的選擇. 184.5.1材料和技術要求 . 184.5.2校核 . 204.6 導向套的選擇. 204.6.1最小導向長度的確定 . 214.6.2導向套的材料和技術要求 . 214.7 密封裝置

7、. 224.8 液壓缸油口的設計. 224.8.1液壓缸管接頭的選擇 . 224.8.2液壓缸油口的連接螺紋 . 224.8.3液壓缸油口尺寸的確定 . 234.9 液壓缸穩(wěn)定性計算. 234.9.1撓曲值的計算 . 234.9.2穩(wěn)定性計算 . 24 5 壓桿 . 245.1 壓桿的結構設計及材料的選擇. 265.2 壓桿的剪力和彎矩. 265.3 壓桿校核. 28 6 導軌的選擇. 296.1 導軌的作用和設計要求. 296.2 導軌設計的主要內容. 296.3 導軌的結構設計. 296.3.1滑動導軌的基本形式 . 296.3.2導軌的確定 . 306.4 導軌的材料. 30 7 彈簧的

8、設計與選擇 . 317.1 幾何參數的計算. 317.2 驗算. 328 畢業(yè)論文總結 . 33致謝 . 34參考文獻 . 35附錄H 畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明 . 37畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明 . 37附錄 I 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 . 38畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 . 381 緒論1.1畢業(yè)設計題目此次畢業(yè)設計的題目是：硅棒切斷機床夾緊機構設計與仿真1.2畢業(yè)設計的目的機械類畢業(yè)設計是培養(yǎng)學生綜合運用本學科的基本理論、專業(yè)知識和基本技能、提高分析和解決問題的能力的重要手段,是從事 科學研究工作和專業(yè)工程技術工作的基本訓練。通過畢業(yè)設計鞏固和發(fā)展所學知識，學習設計機器設備的一

9、般方法和步驟，熟悉并掌握設計的基本技能，如計算、繪圖(計算機輔助設計)和學習使用設計資料、手冊、標準和規(guī)范。硅棒切斷機床的設計包括動力、傳動、進給、執(zhí)行等機構，合理的設計上述機構可以很好的保證硅棒在加工中的準確定位和高精度的加工。1.3題目背景太陽能和光伏產業(yè)中硅材料的使用越來越廣泛，硅棒的加工也逐漸由原來的半自動化向全自動化過渡。硅棒的外形特點基本是較為規(guī)則的圓柱形，但也有一部分硅棒由于設備本身的缺陷和工人操作水平不到位拉伸成圓錐狀或曲折形。不規(guī)則的硅棒截圖如下圖1.1所示。如何有效的夾緊硅棒并保證加工面之間平行一直是硅材料加工的一大難題。圖1.1不規(guī)則硅棒示意圖單晶拉制后的棒材切斷加工，過

10、去歷來不被生產和工藝所重視。同樣也不被設備制造單位重視。因為它即不需復雜的工藝技術，又無需對設備提出過于苛刻的要求。再加上長期以來，國內硅材料的生產僅限于滬75毫米以下。而共中勢50毫米左右的硅棒又占了絕大多數。因此長期以來，對切斷設備的要求和需求量與其它材料的加工設備相比只占了很少的比重。然而，在半導體材料的整個加工過程中，棒材的切斷加工又是必不可少的一個環(huán)節(jié)。尤其是隨著國內近年來硅工業(yè)的不斷發(fā)展，使得用于制造芯片的硅單晶棒的直徑也隨之不斷增大。近年來，國內許多單位都購置或引進了一批大直徑的單晶爐和其它的材料加工設備。這樣，過去傳統(tǒng)的棒材切斷加工方法和加工設備已不能滿足大直徑材料的切斷及部分

11、用戶提出的定向切斷要求。同時用戶又都希望切斷后的表面質量能夠得到改善。1.4研究意義為解決大批量產品的加工，20世紀50年代國外就開始研究高速機床、專用機床、高速刀具、專用刀具。隨著以上課題不斷的攻破，機械制造業(yè)獲得了重大進展，但是共建的定位、夾緊所必須的夾具仍是不可缺少的工藝裝備，機床、刀具的快速、耐用對夾具也提出了更高的要求，顧客需要一種簡單、自動化程度高、夾緊點固定、夾緊力可靠、裝夾工件快速、能減少工人的勞動強度和人為因素不穩(wěn)定性的夾具。為了滿足高速、專用機床的加工要求，研制液壓夾具，它選用標準液壓元件，根據加工零件特性設計機械部件并把其有機的裝配、連接在一起設計的。它具有以下特點：一是

12、針對某個零件設計的專用工裝；二是液壓元件為標準化、系列化的模塊，可以實現工件裝夾的自動化；三是液壓夾具的使用可以提高生產效率及產品質量，解決技術關鍵，提高企業(yè)的工藝裝備系數。1.5國內相關研究情況作為一種取之不盡的清潔能源，太陽能的開發(fā)利用正引起人類從未有過的極大關注。商業(yè)化太陽能電池采用的是無毒性的晶硅，單晶和多晶硅電池的特點是光電轉換效率高、壽命長且穩(wěn)定性好，但成本較高。隨著半導體制造技術的不斷完善，硅片制造成本不斷降低，但是太陽能電池所用硅片的切割成本一直居高不下，要占到太陽能電池總制造成本的30%以上。雖然目前已能采用多線鋸切割方法生產出面積較大（25cm³25cm）而又較薄

13、的硅片，但由于多線鋸切割受到多種力的激勵以及機械結構方面的影響，導致其在切割過程中不可避免產生變形與振動，從而對切割的硅片產生瞬間沖擊。因此要使用目前的大尺寸硅片切割厚度從300m左右進一步降低，并減少切縫損耗，實現低成本高效切割技術難度相當大。太陽能硅片目前常規(guī)切割方法主要有：內圓切割（ID saw）和多線切割（Wire saw）。內圓切割時，圓盤型刀片高速旋轉會產生軸向振動，刀片與硅片的摩擦力增加，切割時會產生較大的殘留切痕和微裂紋，切割結束時易出現硅片崩片甚至飛邊現象；作為目前硅片切割主流技術的多線切割，其切割過程是以鋼絲帶入切縫的金剛砂粒對硅材料進行切磨作用，金剛砂切磨硅材料時產生的切

14、削力會對脆性硅材料表面產生沖擊，同樣使得大尺寸超薄硅片切割非常困難。為了使大尺寸硅片切割厚度進一步降低，并減少切縫損耗，國內外許多研究機構和學者對硅片放電切割技術做了深入的研究。低速走絲電火花線切割（LSWEDM）切割硅片的技術在國外已有報道。日本岡山大學則采用類似我國高速走絲電火花切割（HSWEDM）方式，仍以去離子水務工作介質，采用晶體管脈沖電源并以高熔點鉬絲進行單晶硅棒切割研究，研制出多線放電切割原理樣機。該方法的依據是取向生長法形成的單晶硅錠電阻率低（0.01²cm），使HSWEDM加工所獲得的硅片總厚度變化（TIV）和彎曲程度（Warp）與多線切割的結果幾乎一樣。1.6 畢

15、業(yè)設計（論文）的主演內容與要求1.6.1畢業(yè)論文的主要內容要求針對硅棒的加工要求，設計一種夾緊機構。具體要求如下：1）無論硅棒直徑如何變化，夾緊中心始終不變無需更換工裝。2）夾緊力大小可以通過液壓缸大小進行任意調節(jié)。3）上料和取料方便省力，節(jié)省大量的重復勞動。4）不規(guī)則的硅棒加工時也可實現很好的平面度并保證加工面之間的相互平行。5）應用繪圖軟件繪制該夾緊機構的裝配圖，利用Solidworks對機構進行建模和仿真。1.6.2畢業(yè)論文的要求工作量要求：畢業(yè)論文一篇，字數不少于10000字；1） 實驗（時數）或實習（天數）：2周；2） 圖紙（幅面和張數）：機構裝配圖，A0圖紙（折合）2張；3） 其他

16、要求：外文翻譯不少于3000字，參考文獻不少于15篇。2 硅棒切斷機床工作原理及特點2.1 硅棒切斷機床結構硅棒切斷機床主要用于對直徑小于300大于200的各種硅棒進行切片，切面的平面度小于等于0.20mm。這種機床加工精度高，自動化程度高，和以前的硅棒切斷機床相比節(jié)省很大一部分勞動力。本機床夾緊機構具有以下優(yōu)點：無輪硅棒直徑如何變化夾緊中心始終不變無需更換工裝；夾緊力大小可以通過調節(jié)液壓缸大小進行任意調節(jié)；上料和取料方便省力；節(jié)省了大量重復勞動；不規(guī)則的硅棒加工時也可實現很好的平面度并保證加工面之間的相互平行。加工面的技術要求也有了很大提高,操作工在減輕勞動負擔的同時也很好地提高了經濟效益。

17、2.2 硅棒切斷機床的工作原理2.2.1夾緊原理夾緊機構采用液壓缸帶動導桿運動，液壓缸活塞桿與導桿之間采用球面墊圈加上雙螺母固接，即能保證連接不會松開又能保證運動時可以進行自位。夾緊臂固定在導桿上，導桿1適當加粗并局部淬火(與鋼球接觸部分)增加抗彎性和耐磨性,夾緊臂2通過銷4在導桿1槽中的限位可以上下運動并且在上位時可以通過手動轉位把夾緊臂轉離硅棒表面用以取出硅棒，V形塊固定在圓柱形導軌面上可以通過絲桿進行微量移動，圓柱形導軌面可以微量轉動，通過微量移動和轉動并加以鎖緊以保證V形塊跟硅棒完全接觸形成剛性支持，再讓夾緊臂運動到硅棒表面完全夾緊。夾緊力通過夾緊臂傳遞到導桿上，充分利用了導桿的可靠抗

18、彎性也保證了能夠夾緊。示意圖如圖2.1所示圖2.1硅棒夾緊機構示意圖2.2.2切斷原理太陽能和光伏產業(yè)中硅材料的使用越來越廣泛，硅棒的加工也逐漸由原來的半自動化向全自動化過渡。目前常用的切斷方法有激光切削和磨削。（1）激光加工激光切割是由激光器所發(fā)出的水平激光束經45°全反射鏡變?yōu)榇怪毕蛳碌募す馐浲哥R聚焦，在焦點處凝聚成一極小的光斑，處于焦點處的工件受到高功率密度的激光光斑照射，會產生10000以上的局部高溫，使工件瞬間氣化，達到切割的目的激光切割技術比其他方法有明顯優(yōu)點：1）切割質量好。切口寬度窄（一般為0.1-0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1-0.4mm，輪廓尺寸

19、誤差0.1-0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra 為12.5-25m），切縫一般不需要再加工即可焊接。2）切割速度快。例如采用2KW 激光功率，8mm 厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm 厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區(qū)小，變形極小。3）清潔、安全、無污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優(yōu)點足以證明：CO2激光切割已經和正在取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法，特別是各種非金屬材料的切割。它是發(fā)展迅速，應用日益廣泛的一種先進加工方法。4）非接觸式切割。

20、激光切割時割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數。激光切割過程噪聲低，振動小，無污染。5）切割材料的種類多。與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現出不同的激光切割適應性。但激光加工由于受激光器功率和設備體積的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。激光切割設備費用高，一次性投資大。所以目前在這方面的應用不是很廣泛。（2）磨削加工超精磨削是靠砂輪

21、工作面上可以修整出大量等高的磨粒微刃這一特性而得以進行的。這些等高微刃能從工作表面上切除微薄的、尚具有一些微量缺陷以及微量形狀和尺寸誤差和余量。因此，運用這些等微刃具是大量的，如果磨削用量適當，在加工面上有可能留下大量的極微細的切削痕跡，所以可得到很低的表面粗糙度。此外，還由于在無火光花光磨階段，仍有很明來的磨擦、滑擠、拋光和壓光等作用，故使加工得到的表面粗糙度進一步降低。磨削注意事項及可能出現的問題：1）磨削時要注意砂輪與要件的接觸情況：當工件表面接觸砂輪時,可聽到咝咝的連續(xù)聲,工件表面的水跡可被放置的砂輪帶走,同時可見微弱的火花,昆時即可加大冷卻液,冷卻液的濃度比普通磨削用的皂化液稍高,但

22、要求過濾清潔,而后進行進給。每次進給量為每雙行程0.005mm，磨削到最后，直至無火花為止。此時將橫向進給手輪向進給方向按住，使砂輪微微向工件奪進，但不作進給，即等于對工件進行一次拋光，這樣不保證了工件表面粗糙度可達Ra0.02m。2）防止工件膨脹： 夏季磨削時，機床照明燈有能靠近工件，以防止燈炮散熱致使工件膨脹而影響磨削質量。3）工件表面拉毛：這是冷卻液不干凈或砂輪表面有浮砂造成的，要嚴格近濾冷卻液或將浮砂刷掉。4）有局部燒傷：這是由于冷卻液不充分，進給量過大，或砂輪用鈍所致。5）工件表面局部有波紋：加工完畢，工件表面絕大部分很好，但局部有微細的波紋。這可能是主軸松動、電機振動或其它原因造成

23、的，需根據具體情況，采取相應措施加以解決。3 夾緊機構的整體結構3.1整體結構設計太陽能和光伏產業(yè)中硅材料的使用越來越廣泛，硅棒的加工也逐漸由原來的半自動化向全自動化過渡。硅棒的外形特點基本是較為規(guī)則的圓柱形，但也有一部分硅棒由于設備本身的缺陷和工人操作水平不到位拉伸成圓錐狀或曲折形。所以普通的夾具無法達到完全夾緊和可靠夾緊的目的。為了有效的夾緊硅棒并保證加工面之間平行，本人設計了如下的夾緊機構。整體結構如圖3.1所示。圖3.1夾具整體結構本夾緊機構具有以下優(yōu)點：無輪硅棒直徑如何變化夾緊中心始終不變無需更換工裝；夾緊力大小可以通過調節(jié)液壓缸大小進行任意調節(jié)；上料和取料方便省力；節(jié)省了大量重復勞

24、動；不規(guī)則的硅棒加工時也可實現很好的平面度并保證加工面之間的相互平行。加工面的技術要求也有了很大提高,操作工在減輕勞動負擔的同時也很好地提高了經濟效益。隨著科學技術的發(fā)展，硅材料使用的越來越廣泛，實用性、經濟性、通用性的夾具需求量越來越大，此類夾具將得到認可。4 液壓缸的設計和選用4.1液壓缸設計的一般問題4.1.1設計原則：1）保證液壓缸能獲得所要求的往復運動的速度，行程和作用力；2）保證液壓缸每個零件有足夠的強度、剛度和壽命；3）在保證以上兩個條件的前提下，盡量減小液壓缸的外形尺寸和重量；4）在保證液壓缸性能的前提下，盡量減少零件數量，簡化結構；5）要盡量避免液壓缸承受橫向載荷，活塞桿上工

25、作時最好承受拉力，一避免產生縱向彎曲；6）液壓缸的安裝形式和活塞桿頭部與外部負載的連接形式要合理，盡量減少活塞桿伸出后的有效長度，避免產生“憋勁”現象，增加液壓缸穩(wěn)定性；7）密封件的選用要合理，保證性能可靠、泄露少、摩擦力小、壽命長、更換方便；8）根據液壓缸的工作條件和具體情況設置舍適當的緩沖、防塵和排氣裝置；9）各零件的結構尺寸應盡量采用標準形式和尺寸系列，盡量選用標準件；10）要求做到成本低，制造容易，維修簡單方便。4.1.2設計步驟不同類型和結構的液壓缸，設計內容是由區(qū)別的。由于各參數之間往往具有內在的聯系，所以液壓缸的設計步驟沒有硬性的規(guī)定，一般情況下，應根據已掌握的各種資料和條件，靈

26、活的選擇設計程序和步驟，反復推敲和驗算，知道符合設計原則，獲得滿意結果為止。本設計中的液壓缸設計工作可參考下列步驟進行：1）根據設計依據，初步確定設計方案；2）對液壓缸進行受力分析，選擇適當的結構形式、安裝方式；3）根據工作載荷、重力、摩擦力和慣性力確定液壓缸在行程各階段上負載的變化規(guī)律及有關的技術數據4）根據工作負載和選定的額定壓力，確定活塞端面面積并計算活塞直徑（即缸筒內孔直徑）和缸筒外徑；5）根據缸徑和運動速度比或者工作負載和材料的許用應力，確定活塞桿直徑6）選擇缸蓋的機構形式，計算厚度和強度；7）審定全部設計計算資料，進行修改和補充；繪制裝配圖和零件圖4.2液壓缸缸筒的設計計算4.2.

27、1工作壓力的確定在計算液壓缸參數之前，首先應大體定出工作壓力的數值，以便初步考慮采用什么樣的密封裝置，并且為下一步設計計算做好準備。工作壓力的大小不僅影響液壓缸的推力、尺寸、體積、重量以及零件和密封件的機構形式、而且會影響液壓泵參數的選擇以及整個液壓系統(tǒng)的設計和成本。選擇工作壓力可以采用類比的方法，參照其他相同類型的機械設備的工作壓力，并按照實際情況適當加以調整。表4.1所為各種機械液壓系統(tǒng)常用的工作壓力表4.1各種機械液壓系統(tǒng)常用的工作壓力有些機械則是根據液壓缸的推力是數值確定其工作壓力的。應當指出，液壓缸額定工作壓力、系統(tǒng)工作壓力和液壓泵額定工作壓力三者并不相同。系統(tǒng)工作壓力必須考慮回路的

28、效率。因此往往必須大于實際供給液壓缸的液壓力。液壓泵工作時不能經常處于滿載狀態(tài)，因此泵的額定工作壓力一般最好大于系統(tǒng)工作壓力的1015。如下表4.2所示為機床液壓缸推力與工作壓力的關系。表4.2機床液壓缸推力與工作壓力的關系根據此次設計的要求，初步確定工作壓力為1MPa4.2.2受力分析 將硅棒看做受力體，對硅棒進行受力分析。硅棒受到重力、壓桿壓片對它的壓緊力、V形塊對它的支持力以及刀具對它的切削力。它是受力示意圖如圖4.1所示。圖4.1硅棒的受力示意圖硅棒的重力：設硅棒的直徑D為300mm，長度L為1000mm，查得硅材料的密度為2.34g/cm3。所以硅棒的重力為：DG=mg=vg=()2

29、L23002=2.343.14()10009.8 2=1639.08N刀具是由電動機帶動，取電機的功率W為2.2KW，輸出轉速n為1225r/m。 所以硅棒受到的扭矩為：M=9.55103P2.2=9550n1225=17.15N m硅棒受到的剪切力F切為：MF切=114N R4.2.3安全系數液壓缸安全系數的選定，直接影響液壓缸的質量和經濟性。但液壓缸零件的強度計算中，設計者通常嚴格遵循公式的使用條件，力求得到準確的計算結果。然而，倘若安全系數選取不當，計算出的數值將會是不合理的。安全系數的選定并沒有硬性的規(guī)定，但是必須在充分保證安全的條件下，盡量選擇較小的數值。安全系數取的過大，不僅會造成

30、不必要的浪費，提高了成本，而且設計的液壓缸外形尺寸大，重量也較大，常常不能適應工業(yè)機械的要求。但是安全系數也不能取的太低，以免發(fā)生事故。根據設計的需要，選擇安全系數為2。設硅棒受到的壓緊力為800N。則根據牛頓定律液壓桿受到的總壓力P為1228N。4.2.4缸筒的結構及尺寸缸筒一般采用圓筒結構，這種結構受力均勻，節(jié)省材料，便于加工和裝配，應用最普遍。長行程液壓缸可以采用分段式缸筒。對于大型高壓液壓缸，還可以采用加強環(huán)式缸筒或雙筒壁缸筒。這兩種缸筒能使較薄的壁厚得到較高的強度和剛度。缸筒的外部輪廓也可呈矩形，四個角部可設置螺孔。但它只適用于直徑小，行程短的液壓缸。近年來，國內外都在大型液壓機上試

31、驗了鋼帶纏繞式缸筒，它將預施拉伸應力的鋼帶纏繞在缸筒上，能大大的提高抗內壓的能力。與同噸位的缸筒相比，這種缸筒體積小、重量輕，但是由于工藝復雜，需要專用設備，造價較高，所以還未普遍應用。在本設計中，根據缸筒的受力，選擇圓筒形的缸筒。根據已算出的工作壓力和液壓缸的壓力，得出缸筒內徑D為D=39.5查表(JB826-66)，取圓整后的內徑為40mm。4.2.5缸筒壁厚從材料力學的知識可知道，缸筒壁厚不同，液壓力、負載力和意外沖擊力作用在缸壁上的應力分布情況是不同的，因此設計液壓缸時，必須考慮薄壁筒和厚壁筒的區(qū)別。區(qū)別薄壁筒和后壁筒可按下式計算DK=11.1 1.2 D或 t0.1 D1式中 D1缸

32、筒外徑（mm）D缸筒內徑（mm）t壁厚（mm）滿足此條件者為薄壁筒，在此范圍外者為厚壁筒，液壓缸的缸筒絕大部分都屬于薄壁筒。本次設計屬于一般機械液壓系統(tǒng)，因此選擇薄壁筒。根據有關資料，查表（JB1068-67）得到缸筒外徑為50mm。所以壁厚t=5mm。4.2.6缸筒的彈性變形缸筒在液壓力作用下產生彈性變形，會增大活塞與缸筒的間隙，從而影響密封效果。另外，油路封閉的液壓缸，在受到很強外力作用時，由于缸筒變形，會使活塞機活塞桿產生微小的位移。因而，在高壓以上的工作壓力下計算缸筒壁厚時，不僅要校核強度，而且還要校核剛度。以便將彈性變形控制在允許范圍內。 計算薄壁缸筒的彈性變形，應考慮圓周拉應力和軸

33、向拉應力的雙重作用力。胡克定律，彈性應變?yōu)椋?t=(t-a) E由于缸筒比較薄，圓周方向的拉應力可視為均布應力，并且近似的認為1a= 2將此式帶入上式得11t=(t-t)=t(1-) E2E2所以彈性應變?yōu)椋簆Dt=(2-) 4Et因此直徑方向的變形量可按下式計算：D(-a)E 2pD=(2+)4EtD=Dt=式中 D徑向變形量t圓周方向彈性應變E彈性系數采用鋼材作為缸筒材料，彈性系數取2.1105泊松系數取0.3時薄壁缸筒的變形量為：pD2D=(2+)4Et1502=(2+0.3) 42.11055=0.00137mm4.2.7缸筒的結構設計和連接強度計算缸筒的兩端分別于缸底和缸頭連接，構成

34、密閉的壓力腔，因而它的結構形式往往和缸底及缸頭密切相關。設計缸筒結構的同時，應該一起考慮。缸筒是液壓缸的主體，其余零件裝配其上，它的結構形式對加工和裝配有很大的影響，因此其結構必須盡量便于裝配、拆卸和維修。(1)結構形式缸筒與缸蓋、缸底的連接形式有很多種，不少于60多種，它們按連接方式分，大致有以下幾種：法蘭連接、螺釘連接、外螺紋連接、內螺紋連接、外卡鍵連接、內卡鍵連接、彈性卡圈式、焊接式、銷釘式、拉桿式。在本設計中采用螺紋連接，這種連接方式簡單，主要用于柱塞液壓缸和低壓液壓缸。(2)連接強度計算用螺紋標準件連接端蓋與缸筒或缸底與缸筒時，要計算其強度，如果強度不夠，應該修改連接件的直徑和數量。

35、螺紋的拉應力為： KP1.2512281.223.14 =d12Z=339.48N/cm2螺紋的剪應力為：KK1Pd00.121.2512281.2= 0.2d3Z0.21.234=159.89N/cm2=4.2.8缸筒的材料和技術要求選擇缸筒的材料和毛坯時，主要考慮的是它的機械性能，其次才是工藝性和經濟性。由于缸筒是液壓缸的主體件，它承受很大的液壓力，只要它損壞，液壓缸基本上就報廢了，所以選擇缸筒的材料時，必須要慎重。缸筒內孔的光整加工大多是采用滾壓，為了保證滾壓質量，材料的塑性要比較好。采用無縫鋼管作毛坯時，準備周期短，加工余量小，工藝性好，適用于大批量生產和強度高的液壓缸。無縫鋼管分冷拔

36、和熱拔兩種，小直徑的缸筒大多用冷拔管制作，冷拔管的外圓可以不加工，內孔加工余量也很小，有的甚至可以不進行粗加工就可直接進行精加工和光整加工，經濟性好；大直徑的缸筒往往用熱軋管，這主要是因為大直徑的無縫鋼管無法冷拔，壁厚，直徑大。熱軋管的金相組織也比冷拔管的好，能承受較大的液壓力。本次設計里，屬于中低壓的范圍，所以采用20號鋼管。缸筒內徑一般采用H7或H8級配合，表面粗糙度Ra值一般為 0.160.32m ，其圓度、錐度、圓柱度不大于0.03，缸筒端面對內徑的垂直度不大于0.04/100。通往油口、排氣閥孔的內徑口必須倒角，不允許有飛邊、毛刺，以免劃傷密封件。為了便于裝配和不損壞密封件，缸筒內孔

37、口應倒15°角。需要在缸筒上焊接法蘭、油口、排氣閥時，都必須在半精加工以前進行，以免加工后焊接而引起內孔變形。必要時，缸筒內孔可鍍鉻，以防腐蝕生銹，提高使用壽命。缸筒的結構如圖4.2所示。圖4.2缸筒的三維結構4.3 活塞桿的設計與計算活塞桿是液壓缸傳遞力的主要元件，它必須具有足夠的強度和剛度，以便承受拉力、壓力、彎曲力、振動和沖擊等載荷的作用。同時還要注意到它對活塞有效工作面積的影響，保證液壓缸達到所要求的作用力和運動速度?；钊麠U應具有一定的耐磨性。它的端部要選擇適當的連接形式，并應有較好的連接強度。此外還應具有較高的尺寸精度、幾何精度和表面光潔度。4.3.1活塞桿的結構設計活塞桿

38、有實心和空心兩種。缸筒運動的液壓缸，空心孔可以用來導通油路；大型液壓缸的活塞桿（或柱塞桿）為了減輕重量，也采用空心桿，有的情況為例增加活塞桿的抗壓能力也采用空心桿?；钊麠U（或柱塞桿）的外端頭部與負載的拖動機構相連接，為了避免活塞桿在工作中產生偏心負載力，適應液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應該根據負載的具體情況，選擇適當的連接形式。一般的說，凡液壓缸工作時軸線固定不動時，活塞桿頭部多采用外螺紋、內螺紋、螺釘等形式；凡液壓缸工作時軸線擺動的，活塞桿頭部多采用單耳環(huán)、雙耳環(huán)、球頭、球鉸、銷軸等形式?；钊麠U與活塞的連接形式有：整體式和焊接式（結構簡單，連接強度高，一旦損壞，兩者俱廢）、螺紋連接（應

39、采取防松措施，如加緊定螺釘或鎖緊螺母等）、螺釘固定式（不便于設計緩沖柱塞、活塞桿縮回撞擊缸底時，螺釘損壞）、卡鍵式（裝拆方便，連接強度高）、彈性擋圈式（強度不高，只適用于推力大而拉力小或無拉力的液壓缸）、圓銷式（形式簡單，連接強度不高，圓銷容易產生松動，甚至會掉出拉環(huán)缸筒）。作用力較小的情況下?？刹捎娩N釘連接，但是一般情況下都采用螺紋連接。在本次設計里也采用螺紋連接。4.3.2活塞桿的設計與計算根據不同的要求，活塞桿的外徑應按不同的方法進行計算。對于雙作用單活塞桿液壓缸，活塞桿直徑可以根據它的往復速度比來確定。查表得出往復速比為1.33。即d=19.92圓整后取活塞桿直徑為20mm。4.3.3

40、活塞桿的校核(1）活塞桿強度校核活塞桿在穩(wěn)定工況下，如果只受軸向壓力或拉力，可以近似地用直徑桿承受拉壓負載的簡單強度計算。即P=4=391.08d212283.144 其中為40KN/cm2 4活塞桿設計有螺紋和退刀槽，這些部位是活塞桿上的危險截面，為了保證其強度，也要進行計算。危險截面處的合成應力應滿足的條件為：1.8P1228=1.8d121.62=863.44(2）活塞桿軸肩強度的計算活塞桿安裝活塞部位的軸肩擠壓強度按下式計算：=P2(d-2c12)-(d2+2c2)4=956.35(3）活塞桿連接螺紋的計算螺紋外徑的計算，假設可忽略螺頂與螺底的尺寸差別，則可用下式概略計算：d0=7.6

41、8mm 取d0為16。螺紋的圈數（有效工作圈數）按下式計算：N=P212283.142(d0-d12)=(16-14.52)=46.3q41504表4.3螺紋允許接觸面壓力（³0.098MPa）螺紋強度的校核（活塞桿與活塞連接螺紋），其強度可根據第四強度理論：1.25P1.251228拉=930.04Pa 2d114.5244=20Pd0k201228160.07=287.35Pa d133.1414.53合KPa（4）活塞桿的材料和技術要求活塞桿采用中碳鋼45號鋼。為了提高其抗拉強度，進行調質處理，但對只承受推力的單作用活塞桿和柱塞，則不必進行調質處理，更沒有采用高強度合金鋼的必要

42、活塞桿要在導向套中滑動，采用H8/h7配合。太緊了，摩擦力太大，太松了，容易引起“憋勁”現象和單邊磨損。其幾何精度誤差不大于直徑公差之半。安裝活塞的軸頸與外圓的同軸度允許誤差不大于0.01mm，這是為了保證活塞桿外圓與活塞外圓的同軸度，以免活塞與缸筒、活塞桿與導向套的“憋勁”現象。安裝活塞的軸肩端面與活塞桿軸線的垂直度允差不大于0.04/100，以保證活塞安裝不產生歪斜?；钊麠U的外圓粗糙度值為0.320.63m，太光滑了，表面形成不了油膜，反而不利于潤滑。為了提高耐磨性和防生銹，活塞桿表面需要進行鍍鉻處理，鉻層厚0.030.05mm，并進行拋光加工和磨削加工達到粗糙度的要求，對于工作條件惡劣，

43、碰撞機會較多的情況，工作表面需要先經高頻淬火后再鍍鉻?；钊麠U是三維結構如圖4.3所示。圖4.3活塞桿三維結構4.4活塞的設計活塞是將液壓能轉化為機械能的主要零件，它的有效工作面積直接影響液壓缸的作用力和運動速度?；钊鶑瓦\動與缸筒內壁摩擦應采用精度較高的間隙配合，間隙不能過大，也不能過緊。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的滑動配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內部泄露，降低容積效率，加速密封件的破壞，使液壓缸達不到要求的設計性能。4.4.1活塞的結構按照結構特點，可分為：普通活塞、整體活塞、裝配活塞、耐磨環(huán)活塞、燒焊銅合金活塞等不同形式。按照密封形式可分為：

44、密封圈活塞、活塞環(huán)活塞、支撐環(huán)活塞、間隙密封活塞、裝配式活塞。不設計里，所選用的液壓缸為中低壓液壓缸，沒有什么特殊要求，所以選擇普通式的密封圈活塞就可以了。4.4.2活塞的材料及技術要求活塞材料的選用因結構形式的不同而不同。支撐環(huán)活塞用45號鋼，裝配式活塞外環(huán)可用錫青銅，其他活塞可用灰鑄鐵、耐磨鑄鐵或鋁合金等。所有本設計里可用HT250作為活塞材料。活塞外徑的精度采用f9，外徑對內孔的同軸度允差不大于0.02mm，端面與軸線的垂直度允差不大于0.04/100，形狀公差不大于外徑公差之半，表面粗糙度視結構形式不同而異?；钊娜S結構哦如圖4.4所示。圖4.4活塞的三維結構4.5缸蓋和缸底的選擇在

45、單活塞液壓缸中，有活塞桿通過的缸蓋可叫做端蓋，無活塞桿通過的缸蓋叫做缸底。缸蓋、缸底與缸筒構成封閉的壓力容腔，它不僅要有足夠的強度以承受液壓力，而且必須具備一定的連接強度。缸蓋可根據連接形式分為螺釘連接、螺紋連接、卡鍵連接、鋼絲連接、整體式、焊接式、銷釘連接、拉桿連接等。由于本設計里，所需的液壓缸不需要特殊的用途，所以選擇螺釘連接，結構簡單，裝配方便，可以達到要求。4.5.1材料和技術要求缸蓋常用45號鋼的鍛件或鑄造毛坯，也可用HT20-40、HT25-47、HT30-54等灰鑄鐵。本次設計里用45號鋼的鑄造毛坯。端蓋的技術要求如下：端蓋內孔尺寸公差一般取H7、H8，光潔度不低于6.端蓋內孔d

46、與止口外徑D的圓度、圓柱度誤差不大于直徑公差的一半 端蓋內孔d與止口外徑D的同軸度誤差不大于0.03mm。端面的軸線圓跳動，在直徑100mm上部大于0.04mm。缸蓋、缸頭和缸底的的三維結構如圖4.5、圖4.6和圖4.7所示。圖4.5缸蓋的三維結構圖4.6缸頭的三維結構圖4.7缸底的三維結構4.5.2校核法蘭連接螺栓強度計算: 螺紋的拉應力KP0.121228=1.51N/mm2 23.14d1Z15.5844螺紋的剪切應力=K1KPd01.50.121228122 =1.43N/mm330.2d1Z0.210.58合成應力為n=1.3=4.6導向套的選擇導向套在活塞桿往復運動時起導向支撐作用。導向套配合精度的選擇是否合適，耐磨性的好壞，能否承受活塞桿因外力而引起的彎曲、沖擊、自重力和振動的作用、對液壓缸的性能有相當大的影