精鍛機定心夾鉗液壓系統(tǒng)及其結構設計學士學位論文

摘要精鍛機是一種快速精密鍛壓設備，由幾個對稱錘頭對金屬坯料進行高頻率鍛打，鍛壓時坯料由操作機的夾頭送入鍛壓箱進行往復鍛壓。這類機器多用程序控制﹑數(shù)字控制或微處理控制系統(tǒng)自動操作﹐是一種生產(chǎn)效率高的短沖程壓力機。世界上有許多國家在冶金、機械制造、國防工業(yè)上采用了精鍛機來生產(chǎn)合金結構鋼、高強度合金鋼、鈦合金和難變形合金的產(chǎn)品。我國精鍛機的研制進程十分緩慢，至今為止只仿制了2臺中型精鍛機。一臺是由大連鋼廠牽頭制造的一臺340t精鍛機，另一臺是由大連精工鍛壓高新技術公司提供技術，中國一重制造的400t精鍛機，投產(chǎn)后已使用5年。其設備穩(wěn)定性精度等方面與國外精鍛機有很大差距。因此加快國內精鍛機的進一步開發(fā)研究迫在眉睫。本文主要對精鍛機進行了一個總體介紹和對定心夾鉗結構以及液壓控制系統(tǒng)進行設計計算。關鍵詞：精鍛機，定心夾鉗，液壓系統(tǒng)

ABSTRACTPrecisionForgingMachineisafastprecisionforgingequipmentonwhichmouldforgingblankisthrowedintoforgingpressingboxandforgedandpressedreciprocatinglywithhighfrequencybyseveralsymmetricalhammerhead.Thestylemachineisakindofhighproductionefficientshortstrokepress,whichisoperatedautomaticallywithproceduralcontrol,digitalcontrolormicroprocesscontrolsystem.PrecisionForgingMachineisusedinmanufacturingofalloystructuralsteels,highstrengthalloysteel,titaniumalloysanddifficult-to-formalloysinmetallurgy,machinemanufactureandmilitaryindustryinmanycountriesontheworld.PrecisionForgingMachinedevolpstardilyinchina,sofartwomedium-sizedPrecisionForgingMachineeshavebeenimitated.oneisa340tPrecisionForgingMachinemadeleadedwithDaliansteelfactory,theotherisa400tPrecisionForgingMachinemanufacturedbyCFHIwiththeaideofthetechniqueofDalianSeikoforginghigh-techcompanies.ThePrecisionForgingMachinehasbeenputintoproductionfor5years,comparedwithforeignequipment'sstabilityandprecision,ithaveprodigiousdifferences.Therefore,themendingininternalPrecisionForgingMachine'sfurtherexploitationresearchisstaredintheface.ThispapermainlyonprecisionforgingmachinewasageneralintroductionandCentringclampstructureandhydraulicsystemdesignandcalculation.Keywords：PrecisionForgingMachine,Centeringtongs，hydraulicsystem

目錄摘要 1ABSTRACT 2·第一章緒論 51-1鍛壓機發(fā)展過程 51-1-1蒸汽錘到電液錘 51-1-2快鍛液壓機時代 51-1-3精鍛機的開發(fā) 7第二章精鍛機 82-1精鍛機運行特點和發(fā)展方向 82-1-1精鍛機的特點 82-1-2精鍛機的發(fā)展 102-1-3精鍛機的發(fā)展趨勢 112-2精鍛機的分類 112-3精鍛機工作原理 122-4精鍛機模塊劃分 162-5各模塊功能 172-5-1齒輪箱是動力分配和速度選擇的機械系統(tǒng) 172-5-2鍛造箱是精鍛機工作核心部分 172-5-3錘頭調整是精鍛機實現(xiàn)鍛打尺寸變化的機構 182-5-4夾頭是實現(xiàn)工件夾持、軸向送給和旋轉運動的機構 182-5-5液壓控制系統(tǒng)作為精鍛機的重要組成部分 192-5-6電控系統(tǒng)是設備的中樞系統(tǒng) 20第三章夾頭設計 213-1旋轉參數(shù)設計 213-2旋轉間歇系統(tǒng)設計 223-2-1間歇時間的確定 223-2-2實現(xiàn)間歇運動機構的選擇 243-4夾頭行走系統(tǒng)設計 263-5夾頭制動系統(tǒng)設計 26第四章液壓控制系統(tǒng)設計 284.1液壓控制系統(tǒng)原理簡介 284.2液壓系統(tǒng)設計 304.2.1初選執(zhí)行元件的設計壓力 304.2.2計算和確定液壓缸的主要結構尺寸 304.2.3計算液壓缸所需流量 324.2.4編制液壓缸工況圖 324.3液壓能源裝置設計 334.3.1液壓泵站類型及其組件的選擇 334.3.2液壓泵的計算與選擇 344.4油箱的設計計算 374.5過濾器的選擇 374.5.1油液過濾器的選擇 374.5.2液壓空氣過濾器的選擇 384.6蓄能器的選擇 384.7壓力表和壓力表開關的選擇 394.8液壓工作介質的選定 394.9液壓輔件的計算與選用 394.9.1管件的與選用 394.9.2管路內徑計算 404.9.3管道壁厚的計算 414.10液壓控制元件選用與設計 424.10.1比例伺服閥的選擇 424.10.2其它閥的選擇 424.11液壓系統(tǒng)密封裝置選用與設計 43全文總結 45致謝 46參考文獻 47·第一章緒論1-1鍛壓機發(fā)展過程鍛壓技術早在金屬發(fā)現(xiàn)時期已廣泛應用。隨著工業(yè)技術的不斷進步，手工鍛打已遠遠不能滿足人們的需要，鍛壓機械隨之產(chǎn)生并不斷發(fā)展，從蒸汽錘發(fā)展到空氣錘，為節(jié)約能源而改進的電液錘，隨液壓技術不斷發(fā)展應運而生的鍛造力更大的快鍛液壓機，為滿足快速高效鍛打工藝開發(fā)的精鍛機，在當今世界鍛壓領域更是一枝獨秀，成為高合金工具鋼行業(yè)重要的生產(chǎn)設備。1-1-1蒸汽錘到電液錘蒸汽錘作為第二代大型鍛壓機，其能源消耗大，據(jù)統(tǒng)計能源利用率不到2%。為解決蒸汽錘存在的問題，國外鍛錘設計制造商加快了電液錘的研制步代，取得顯著成效。從電液錘發(fā)展歷史來看，電液錘經(jīng)歷了從放油打擊單動落錘(KH型，稱為第1代產(chǎn)品)到放油打擊雙動落錘(KHK型，稱為第2代產(chǎn)品)再到現(xiàn)在的全液壓雙動落錘(KGH，稱為第3代產(chǎn)品)。全液壓雙動落錘的打擊能量是通過控制油量多少來實現(xiàn)的，打擊閥的關閉時間可不受錘頭位置的限制，操作十分靈活可靠，徹底根除了放油打擊電液錘的許多弊病。因此，近年來這種電液錘得到較快的發(fā)展。該公司的電液錘已經(jīng)實現(xiàn)了程序化控制，即打擊能量和打擊次數(shù)都可實現(xiàn)程序控制。錘的傳動效率高達65%，為蒸汽錘和空氣鍛錘的30倍。此外，德國Beche公司還研制了全液壓錘。近10年來，我國在電液錘研制方面也取得很大發(fā)展，主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)蒸汽錘、空氣錘換頭改造上，即采用電液傳動裝置了代原有鍛錘的氣缸及動力站，保留原有機架、砧座。利用這種技術改造1-3t傳統(tǒng)蒸汽錘，取得了較好效果，能源利用率由2%提高到20%-60%。除換頭外，電液錘整機的研制仍處于發(fā)展階段，居于德國lasco公司第2代產(chǎn)品發(fā)展水平上，屬于液氣錘。全液壓錘研究和制造正在起步。1-1-2快鍛液壓機時代隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，人們對自由鍛件的尺寸精度和生產(chǎn)效率提出了越來越高的要求，因而對液壓機的鍛造速度和壓下精度的要求也隨之提高，為了適應這種要求，快鍛液壓機應運而生。國外生產(chǎn)快鍛液壓機的廠家主要有德國曼內斯曼、德馬克公司、潘因克(pahnke)公司和日本的三菱長崎機工株式會社。目前，在一些發(fā)達國家，尤其是德國，快鍛液壓機的設計制造技術已經(jīng)相當成熟。它們用油作介質，泵直接驅動，大多采用下拉式主機結構，液壓泵站一般設置在主機附近的地下室內。某些公司設計制造的快鍛液壓機具有一系列先進性，主要表現(xiàn)在：液壓系統(tǒng)采用具有快速反應的電磁閥作先導閥，其切換頻率高達250次/min，該閥動態(tài)響應快、動作靈敏、啟閉迅速，能滿足壓機快速性要求；主缸的排液設有另外的通道，使充液閥成了只有充液功能的單向閥，減少了液壓沖擊；快鍛液壓機采用微機控制，壓機與操作機之間聯(lián)動自如，當鍛件的鍛造工藝確定后，即可通過計算機控制實現(xiàn)程序化鍛造。我國從20世紀80年代至今從德國引進2000T的快鍛液壓機1臺，2500T的1臺，3000T的2臺，4000T的1臺；從日本引進2000T的快鍛機1臺。至今這些快鍛液壓機在冶金企業(yè)中正常運行。我國快鍛液壓機的主要生產(chǎn)廠家有西安重型機械研究所和蘭石新技術開發(fā)實業(yè)公司。在20世紀80年代中期，由西安重型機械研究所和北京重型機械廠研制成國內第1臺800T快鍛液壓機組，在蘭石公司投入運行。蘭石公司對該機組的液壓系統(tǒng)、主機、微機控制系統(tǒng)進行全面評估，發(fā)現(xiàn)了快速電磁閥電路板設計、高速輕型泵的泵頭閥、主機圓形立柱與調整導套間隙不易調均，運動不夠平衡等技術問題，在總結經(jīng)驗的基礎上，提出了一系列改進措施，取得了成效。目前，蘭石公司已能生產(chǎn)800T和1600T快鍛液壓機，制造水平有了很大提高，但其液壓系統(tǒng)的主要部件如泵、先導閥等還需國外配套。我國快鍛液壓機的總體水平與德國制造技術相比還有較大的差距。圖1.1西安重型機械研究所研制的鍛造操作機西安重型機械研究所研制的鍛造操作機：該所研制的鍛造機的特點是：1.該機采用的吊掛系統(tǒng)及緩沖送料機構具有良好的吸震性能。夾緊缸前置，短杠桿結構，縮小了鉗杠長度及鉗頭回轉半徑；提升機構采用液壓杠桿簡化了結構，行走機構采用鏈輪鏈條，使運行平穩(wěn)，定位精度高。2.液壓系統(tǒng)采用邏輯閥及數(shù)字控制變量泵元件，使液壓系統(tǒng)的壓力，流量隨機可調節(jié)。備有測溫、測壓、測位等完善的檢測系統(tǒng)。3.該操作機可以實現(xiàn)夾料、提升、傾斜、擺動、側移、轉料、走行等七個常規(guī)動作。在計算機控制下與壓機實現(xiàn)聯(lián)動鍛造。4.該操機轉角誤差±2。，送料誤差±10mm。1-1-3精鍛機的開發(fā)精鍛機(徑向精密鍛造機)開發(fā)于20世紀40年代，其中臥式精鍛機（見圖1.1）用得較多，分為機械驅動和液壓驅動2種形式。精鍛機以其獨特的四錘頭鍛造原理凸現(xiàn)了與汽錘等鍛造工藝完全不同的品質,無可比擬的優(yōu)勢,不論是鍛造材質內外部質量,成材率,尺寸精度,自動化程度,經(jīng)濟性和對環(huán)境保護對操縱者衛(wèi)生安全等各個方面均有明顯提高,是替代汽錘,快鍛等開坯和鍛造粗加工成形機械的更新?lián)Q代產(chǎn)品。目前國外普遍使用的多錘頭精鍛機是由奧地利G.F.M公司設計制造的第一臺小型立式精鍛機是1948年在奧地利GFM公司制成的。經(jīng)過不斷改進，精鍛機逐漸大型化、系列化。精鍛機每個錘頭的鍛壓力為15～2500噸,每分鐘打擊2000～125次?？慑懪髁现睆綖棣?0～850mm。大型精鍛機出現(xiàn)在六十年代后期。1978年制造出打擊力為1200KN，可鍛胚料直徑為650mm的精鍛機安裝在英國。目前可鍛胚料直徑為850mm,可鍛錠重為15t的大型精鍛機已經(jīng)編入產(chǎn)品系列。圖1.2精鍛機

第二章精鍛機2-1精鍛機運行特點和發(fā)展方向2-1-1精鍛機的特點精鍛機是一種快速精密鍛壓設備，由幾個對稱錘頭對金屬坯料進行高頻率鍛打的短沖程壓力機。錘頭有兩種運動：①由電動機傳動偏心軸帶動連桿使錘頭往復運動，進行鍛打；②調節(jié)機構通過偏心套調節(jié)連桿的位置，改變錘頭的開口尺寸，以獲得不同的鍛壓尺寸。鍛壓時坯料由操作機的夾頭送入鍛壓箱進行往復鍛壓。這類機器多用程序控制、數(shù)字控制或微處理控制系統(tǒng)自動操作，生產(chǎn)效率高，用以建立熱鍛火車軸等自動生產(chǎn)線和冷鍛槍管來復線等。鍛件的精度：熱鍛的外徑±0.5毫米，內徑±0.1毫米；冷鍛的外徑±0.1毫米，內徑±0.01毫米。加工實心或空心長軸類零件鍛造時，分布在棒料圓周方向的錘頭(2～8個)對工件快速和同步鍛打。如工件為圓截面，則一面低速旋轉，一面軸向進給移動；如工件為非圓截面，則只軸向進給而不旋轉，將鋼錠直接鍛成方鋼、扁鋼等。徑向鍛造的特點是不需要專用模具，能按預定程序鍛出精密的軸類零件。徑向鍛造每次壓縮量小，每分鐘鍛打次數(shù)高，這種方法可用于熱鍛或冷鍛。精鍛機每分鐘錘擊次數(shù)比快鍛液壓機高一倍，由于錘擊次數(shù)高，坯料形變產(chǎn)生的熱量可抵償坯料散失到環(huán)境中的熱量，因此加工過程中溫度變化較小。這對加工溫度范圍窄的高合金鋼、鈦合金或難變形合金的生產(chǎn)非常合適，保證了產(chǎn)品質量。在一次加熱中坯料總變形率的增加，也就提高了生產(chǎn)率和成材率。數(shù)控鍛壓能保證產(chǎn)品有更高的精度,尺寸公差達±0.1mm，減少了后續(xù)工序的加工余量。世界上有許多國家在冶金、機械制造、國防工業(yè)上采用了精鍛機來生產(chǎn)合金結構鋼、高強度合金鋼、鈦合金和難變形合金的產(chǎn)品。用不同型號的精鍛機分別將鋼錠或鋼坯鍛成圓形、方形、矩形截面的棒材或鍛成旋轉對稱軸、實心軸和空心階梯軸、錐度軸、厚壁管、炮管等。此外，徑向鍛造機自動化程度高，生產(chǎn)的鍛件精度高，表面粗糙度小。但也有不足之處，因為鍛造時，工件表面變形大于中心部位變形，如果鍛比控制不當會出現(xiàn)心部鍛不透的現(xiàn)象。另外，由于打擊頻率高，產(chǎn)生變形熱，使鍛件局部溫度上升，導致合金顯微組織不均勻，影響性能。表2.1自由鍛與精鍛對比精鍛機的缺點是工藝適應性不夠廣泛，一般只適合于鍛打軸類或管狀形類對稱鍛件，而且一定的工藝調整時間（0.4-4小時）。目前精鍛機可以鍛造的典型鍛件如圖所示圖2.1精鍛機典型鍛件奧地利GFM是世界知名的徑向鍛機生產(chǎn)公司，可生產(chǎn)3種類型的精鍛機：①機械傳動的SX型；②液壓傳動的PX型；(③連續(xù)式SD型。噸位從80～2500T,最大噸位的SX-85徑向鍛機，錘頭最大鍛打力為29420kN，打擊次數(shù)125次/min。此外，德國Eumuco公司生產(chǎn)精鍛機，以液壓傳動為主，如SMX-18型，最大打擊力2697kN，打擊次數(shù)180--320次/min。從20世紀80年代中期至今，我國已從奧地利引進了SX-25,SX-32,SX-40,SX-55,SX-65型7臺精鍛機，噸位分別為400T,500T,800T,1000T和1400T,主要用于鍛制特種鋼、工具鋼和鍛件，使用效果比較理想。2-1-2精鍛機的發(fā)展在國內外精鍛機產(chǎn)品中，按主機傳動方式分機械式和全液壓兩種形式,并且隨著液壓技術的快速發(fā)展,與控制系統(tǒng)良好的接口技術,全液壓精鍛機的優(yōu)勢更加明顯。按照控制系統(tǒng)精鍛機可分為三種類型：一種是以繼電器為主控單元的傳統(tǒng)型精鍛機；一種是采用可編程控制器控制的精鍛機；第三種是應用高級微處理(或工業(yè)控制計算機)的高性能精鍛機。三種類型功能各有差異，應用范圍也不盡相同。但總的發(fā)展趨勢是高速化、智能化。1、繼電器控制方式是延續(xù)了幾十年的傳統(tǒng)控制方式，其電路結構簡單，技術要求不高，成本較低，相應控制功能簡單，適應性不強。繼電器控制方式適用于單機工作、加工產(chǎn)品精度要求不高的大批量生產(chǎn)，也可組成簡單的生產(chǎn)線，但由于電路的限制，穩(wěn)定性、柔性差?，F(xiàn)在，國內早期引進許多精鍛機是以這種機型為主。近幾年多進行了技術改造和升級。2、可編程控制器是在繼電器控制和計算機控制發(fā)展的基礎上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，把自動化技術，計算機技術，通信技術融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。目前已被廣泛地用于各種生產(chǎn)機械及自動化生產(chǎn)過程種。隨著技術的不斷發(fā)展，可編程控制器的功能更加豐富。早期的可編程控制器在功能上只能進行簡單的邏輯控制，后來開始采用微電子處理器作為可編程控制器的中央處理單元(CPU)，從而擴大了控制器的功能，使其不僅可以進行邏輯控制，而且還可以對模擬量進行控制。因此，可編程控制器控制方式是介于繼電器方式和工業(yè)控制計算機控制方式之間的一種控制方式。可編程控制器具有較高的穩(wěn)定性和靈活性，但在功能方面與工業(yè)控制計算機相比有一定的差異。3、工業(yè)控制機控制方式是在計算機控制技術發(fā)展成熟的基礎上采用的一種高技術含量的控制方式。這種控制方式以工業(yè)控制機作為主控單元，以CNC控制技術直接應用數(shù)字閥實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制、同時利用各種傳感器組成閉合回路的控制系統(tǒng)，達到精確控制的目的，這種控制方式主要有如下特點：①具有友好的人機交互性，操作簡單。②控制精度高。數(shù)字控制的行程長度及工作行程與傳統(tǒng)的機械的行程開關控制相比，精度有極大的提高，一般控制精度可達到0.05mm。③可順利實現(xiàn)對工作參數(shù)(壓力、速度、行程等)的單獨調整。④預存工作模式，可對不同工件的工藝過程、工藝參數(shù)預先存儲和重復調用，縮短調整時間。⑤對高速下的換向沖擊可利用軟件來消除，以降低噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。⑥在安全方面，可利用軟件進行故障預診斷，并自動修復故障和顯示錯誤。⑦易實現(xiàn)生產(chǎn)線的集散控制，組成柔性生產(chǎn)線以及與上位機進行通信和實現(xiàn)調度控制。精鍛機由手動、半自動發(fā)展到自動控制，70年代又發(fā)展到用計算機控制。從工藝組成上與其他設備的聯(lián)合也有了大幅提高，采用液壓鍛壓機和精鍛機聯(lián)合作業(yè)，在高速鋼和鈦合金生產(chǎn)中較為普遍，也有采用大小精鍛機聯(lián)合作業(yè)的。70年代以來,精鍛工藝又發(fā)展為精鍛-軋制工藝，并創(chuàng)造了精鍛-軋機組,它由一臺多錘頭的連續(xù)式精鍛機后帶若干架軋機組成，主要用在合金鋼廠生產(chǎn)小型棒材。2-1-3精鍛機的發(fā)展趨勢1、高速、高效、低能耗。提高精鍛機的工作效率，降低生產(chǎn)成本。2、機電液一體化。充分合理地利用機械和電子方面的先進技術促進整個液壓系統(tǒng)的完善。3、自動化、智能化。微電子技術的高速發(fā)展為精鍛機的自動化和智能化提供了充分的條件。自動化不僅僅體現(xiàn)在加工，還體現(xiàn)在自動實現(xiàn)對系統(tǒng)的診斷和調整，具有故障預處理功能。4、液壓元件的集成化，標準化。集成的液壓系統(tǒng)減少了管路連接，有效地防止了泄露和污染。標準化的元件為機器的維修帶來方便。5、精鍛機的宜人化。隨著精鍛機的高速和自動化，限制噪聲和震動、防止環(huán)境污染、消除人身事故、保證精鍛機安全可靠地進行自動化生產(chǎn)就顯得非常重要了。獨立的模塊,每個模塊選出其代表特征的一個或幾個變量作為設計變量進行優(yōu)化。然后再對各模塊進行優(yōu)化設計,使之趨近于上級優(yōu)化得到的最優(yōu)值。利用現(xiàn)代系統(tǒng)設計及優(yōu)化理論結合現(xiàn)代科技發(fā)展，可實現(xiàn)精鍛機的最優(yōu)設計和控制。2-2精鍛機的分類隨著精密鍛造工藝范圍的不斷擴大，相應的精鍛機類型也在增加。就其用途分類，目前除了鍛制一般旋轉體的實心或空心階臺軸以及錐度軸的普通精鍛機外，在軍械，冶金行業(yè)和模鍛成型的生產(chǎn)上，還有以惡寫專用的精鍛機。按著鍛件送進的方向的不同精鍛機可分為：1.立式精鍛機鍛件沿著垂直于水平方向送進，錘頭在水平方向上打擊。這類精鍛機的噸位嬌小，占地面積也小，機器高度尺寸較大，只適用于鍛造較短的軸類鍛件。2.臥式精鍛機。鍛件沿著水平方向送進，錘頭在垂直于水平方向上打擊。這類精鍛機的高度尺寸小，不需要高廠房，但占地面積大。臥式精鍛機的噸位可以做的較大，適于鍛造長軸類鍛件，并且較之立式精鍛機更容易實現(xiàn)自動上下料，因而近年發(fā)展較快。就精鍛機的錘頭數(shù)據(jù)劃分，主要是三個錘頭和四個錘頭的，但也有2個錘頭的精鍛機。此外，在一些專用的精鍛機上，錘頭的數(shù)目多到有六個至八個的。圖2.2四錘頭液壓精鍛機總裝圖2-3精鍛機工作原理精鍛機簡單工作原理如圖所示，用夾頭1夾住鍛件，一面旋轉，一面做軸向移動，鍛件在移動和轉動的過程中，用幾個錘頭（2-8個）在鍛件周圍進行同步而又對稱的鍛擊，使毛胚逐步成型。每分鐘的鍛擊次數(shù)比較高，整個鍛擊過程都是自動的。下面舉例詳細說明精鍛機的工作原理上圖是一臺100噸的立式三錘頭精鍛機的結構和工作原理圖。圖中電動機1經(jīng)角皮帶輪2，再經(jīng)空心軸3，中心齒輪4帶動齒輪5。在齒輪5上裝有拔塊6，拔塊6可以在飛輪7帶動曲軸8轉動，再通過連桿9是錘頭10來回運動，對毛胚進行鍛擊（共有三個錘頭，三根連桿，三根曲軸，同時驅動，同步鍛擊，圖中只畫出一套）。錘頭的徑向進給是依靠徑向進給油缸12來控制的。當高壓油進入油缸12時，和活塞桿相連齒條14就帶動齒輪15，17，小軸18，小齒輪22和中心齒輪21轉動，從而帶動三個進給齒輪20.三個進給齒輪固定在三個相應的偏心套19上，因此當三個進給齒輪20轉動一定角度時，迫使相應的三個曲軸8靠近或離開毛胚。即使三個錘頭10沿徑向進給或后退有一定距離，以滿足鍛造不同尺寸鍛件的要求。錘頭除了作往復運動和徑向進給運動外，不再作軸向運動。毛胚25的軸向進給運動依靠軸向進給油缸23來控制。當油缸23進高壓油時，就推動夾頭24呆著毛胚25按一定速度作向上或向下的軸向進給運動。此外夾頭24的內部的特定機構還帶著毛胚沿軸線作回轉運動。圖2.3立式三垂頭精鍛機裝配圖該機的來連桿的錘頭是剛醒連接（與一般曲柄壓力機的球絞連接不一樣），因此必須有一個使錘頭運動導向用的擺動套，以保證各個錘頭對準毛胚的中心進行鍛擊，如圖2.3中的11及圖2.4所示。夾頭25是夾持毛胚做軸向運動和沿軸線作回轉運動的部件，其簡單結構形式和工作原理如圖2.5所示。夾頭的軸向進給運動是依靠軸向進給油缸來完成的(圖2.3，軸向進給油缸內的活塞桿和夾頭相連，當進給油缸在不太樂觀方向進油，排油時，就可以使夾頭在導軌中作向上或向下的走向進給運動。圖2.4精鍛機與一般曲柄機的曲柄連桿話機構的區(qū)別a)一般曲柄機b)精鍛機夾頭的回轉運動靠電動機來帶動，如圖2.5a所示。在夾頭內部裝有電動機。電動機啟動后，通過三角皮帶輪和蝸桿帶動渦輪4和主軸2轉動。主軸2與夾緊機構的支盤11緊固在一起，因此主軸轉動就帶著夾爪12，毛胚13，杠杠支臂10，杠杠9和斜槽鐵8一道轉動。在活塞6與斜槽鐵8之間有推力軸承7，因此當主軸及夾爪回轉時，夾頭的外壁1及氣缸5是不轉動的。該機夾頭的軸向運動和回轉運動是連續(xù)的，而錘頭只做徑向運動，沒有相應的軸向運動和回轉運動，因此錘頭鍛擊毛胚的瞬間，毛胚就產(chǎn)生瞬時的制動作用，所以夾頭要有軸向的和回轉方向的緩沖裝置。軸向緩沖裝置可采用緩沖彈簧或緩沖橡皮。回轉方向的緩沖采用彈簧。其緩沖原理如圖2.5b所示，主動輪爪通過緩沖彈簧14將回轉運動傳給被動輪爪15，而被動輪爪是固定在主軸上的，所以在正常情況下，渦輪一轉動，毛胚就隨著轉動。當錘頭鍛擊毛胚而時毛胚受到制動時，彈簧在回轉方向上就起緩沖作用，以改善夾頭各構件的工作條件。圖2.5夾頭工作原理圖夾頭夾持毛胚的過程分三個階段：1.起始階段。當壓縮空氣進入氣缸的下腔時，活塞6就向上移動并帶動斜槽鐵8一起上移，斜槽鐵8一起上移，斜槽鐵上的斜槽迫使杠桿9繞杠桿支臂10做逆時針方向轉動，于是夾爪就向中心移動夾住毛坯。此時夾爪與毛坯間的壓力迅速增加，直到氣缸內的總壓力與毛坯及主軸等可作軸向移動的零件的總重量相平衡為止。2.過度階段。起始階段一結束，由于氣缸內的總壓力繼續(xù)增加，活塞與主軸等可作軸向移動的零件就向上移動，是軸向緩沖彈簧8受到壓縮，直到氣缸內的總壓力與緩沖彈簧的反向力及主軸毛坯等的重量相平衡為止。在這一過程中由于主軸與活塞同時上升，活塞與主軸的相對移動量很小，因此夾爪與毛坯間的壓力跟起始階段比較變化不大，所以不能把毛坯夾得很牢。3.夾牢階段。過渡階段結束時，主軸基本不再上升，但活塞在氣體壓力作用下仍繼續(xù)向上移動，活塞與主軸之間的相對移動量加大，夾爪就進一步把毛坯夾牢，氣缸內的總壓力達到規(guī)定數(shù)值。松開時，壓縮空氣進入氣缸的上腔，推動活塞6向下移動，主軸毛坯等在彈簧的反力及自重作用下與活塞同時向下移動，移到一定距離后，緩沖彈簧的反力顯著減小，主軸下移減慢，最后主軸支承在支承板17上，壓縮空氣壓力仍然很大，推動活塞和斜槽鐵8繼續(xù)迅速下移，迫使杠桿9繞杠杠支臂10沿順時針方向轉動，一次夾爪就離合中心，把毛坯松開。以上介紹了這臺精鍛機錘頭鍛擊和送進運動及夾頭的夾緊和送進運動的原理。2-4精鍛機模塊劃分精鍛機是一種高效鍛打設備，可以將加熱的電渣錠、鑄錠一次成型鍛打成棒料、方坯、扁方、階梯軸等。其錘頭位置的連續(xù)可調特殊結構特點，既保證了大鍛造比的實現(xiàn)，又可實現(xiàn)不同規(guī)格坯料的輸出。四錘頭的對稱布置，使得鍛打力相對于基礎成為內力而相互抵消，大大降低了震動和對周圍環(huán)境的影響。定中心旋轉鍛打方式有效實現(xiàn)變形的一致性，使材料的均勻性得到保證，CNC控制系統(tǒng)以其高精度的位置控制超越了其它鍛造設備的精度和質量標準。液壓伺服系統(tǒng)的廣泛應用，使精鍛機的可控性、易調整等優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)，全自動鍛打模式大大降低了人的勞動強度。自動化程度的提高，必然帶來對各環(huán)節(jié)穩(wěn)定可靠性的高要求，因此利用模塊化設計理念，有助于精鍛機的優(yōu)化和整體的可靠性。精鍛機設備按功能劃分分為主機部分、夾頭組件、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、及輔助系統(tǒng)。1.主機部分由鍛造箱、齒輪箱、錘頭調節(jié)裝置組成，完成鍛打和調整尺寸等主功能。2.夾頭部分由A夾頭、B夾頭和夾頭床組成。實現(xiàn)坯料的夾持、旋轉等主要的輔助動作。3.液壓系統(tǒng)分潤滑系統(tǒng)、調整系統(tǒng)、A控制液壓站、B控制液壓站。實現(xiàn)整個系統(tǒng)的潤滑、液壓調整和夾頭的行走。4.電控系統(tǒng)由PLC、CNC及上位機組成控制核心，保證系統(tǒng)的整體運動。5.輔助系統(tǒng)由輸送輥道、上下料機及其他輔助裝置水、氣等組成。初步完成坯料的上料、鍛打、下料整體過程。各模塊獨立實現(xiàn)各自功能，并在統(tǒng)一的電控系統(tǒng)下協(xié)調工作，通過上位機實現(xiàn)設備的自動、半自動、手動操作。2-5各模塊功能2-5-1齒輪箱是動力分配和速度選擇的機械系統(tǒng)1.設計動力配置，保證傳動結構合理。精鍛機一般為四錘頭鍛打方式，四錘頭同步驅動，動力較大，大型精鍛機均采用高壓雙電機驅動方式，利于選型和配置。2.選擇合適的傳動速比，保證鍛打頻率。精鍛機以熱鍛為主，在保證鍛打過程溫度要求的情況下，同能量鍛機，頻率決定了鍛機的功率設計。3.同步機構。雙電機分左和右兩部分驅動鍛造箱連桿，要實現(xiàn)同步鍛打運動，必須有同步機械機構保證。4.選擇合適動力傳遞方式即聯(lián)軸器形式，以實現(xiàn)向鍛造箱力的傳遞。由于鍛打尺寸的變化，連桿位置需能夠連續(xù)調整，其位置變動的轉動中心與齒輪箱固定中心之間旋轉運動的傳遞，必須有特殊結構的聯(lián)軸器實現(xiàn)。精鍛機主動力由兩個電機驅動，統(tǒng)一的傳動比保證四個主齒輪具有統(tǒng)一的轉動速度，帶動四根主軸轉動。四根主軸端部凸塊通過四個十字滑槽聯(lián)軸器將轉動傳遞到偏心軸，偏心軸驅動連桿實現(xiàn)往復運動，完成鍛打過程。左右兩部分同步由一組傳動齒輪、齒盤和同步聯(lián)軸器實現(xiàn)。2-5-2鍛造箱是精鍛機工作核心部分1.承接齒輪箱傳遞的動力，形成鍛打能量。2.將旋轉運動轉換成往復運動，實現(xiàn)鍛打過程。3.實現(xiàn)連桿軸線方向調整運動的機構設計。4.保證周期性鍛打反作用力的傳遞和消除。鍛造箱由兩部分組合而成，通過兩個傾翻立柱固定在基礎上，此結構形式保證了安裝和拆卸時能轉動到水平位置，利于拆裝的順利進行。鍛造箱中四個相互正交的、且與工件軸線垂直的連桿，由齒輪箱傳動的四個偏心軸驅動，成為鍛打的直接承力部件。偏心軸安裝于調整套中，可實現(xiàn)連桿軸線方向的調整，鍛打反作用力通過調整套作用在鍛造箱體上，四連桿結構使鍛造力相對箱體相互抵消，減小了震動和對基礎的沖擊。圖2.6液壓精鍛機鍛造箱三維模型2-5-3錘頭調整是精鍛機實現(xiàn)鍛打尺寸變化的機構經(jīng)過錘頭調整可以準確的調整要求的鍛造直徑。1.實現(xiàn)對連桿位置變動功能。2.調整完畢的自鎖保持功能。3.檢測調整反作用力進行主機控制和保護功能。錘頭調整裝置主要由側面安裝在機器上的蝸輪—傘齒輪傳動裝置和兩個液壓傳動馬達組成。相對的一組錘頭由一個馬達同時實現(xiàn)調整，以保持中心線的不變。液壓馬達經(jīng)齒輪、蝸輪蝸桿傳動裝置帶動調整絲杠轉動，偏心調整套轉動帶動偏心軸和連桿移動，使連桿沿軸向移動，移動最大距離為150mm。這樣，連桿的行程位置也被調整相同的數(shù)值，實現(xiàn)直徑尺寸Φ300mm鍛打范圍的調整。當達到要求的直徑時，調整傳動裝置通過制動裝置停止并鎖緊，保證鍛打尺寸地一致性。在調整裝置中加裝了力反饋元件，通過程序實現(xiàn)鍛造力的監(jiān)控、超負荷的保護等功能。2-5-4夾頭是實現(xiàn)工件夾持、軸向送給和旋轉運動的機構1.足夠的夾持力量和合適的夾持直徑以適應工件毛坯的范圍。2.實現(xiàn)軸向大范圍無級調速的進給，并與主機鍛打過程相匹配的緩沖功能。3.實現(xiàn)工件的旋轉及與主機鍛打相匹配的間歇緩沖。4.為避免工件的扭轉，夾頭需設計與主機相匹配的高頻制動松開功能，及扁方鍛打時的保持定位。夾頭的作用是操縱工件，夾緊缸的打開和閉合是由4個夾緊油缸完成的。安裝夾緊油缸的兩個夾緊套管相對移動帶動缸體和活塞桿相對移動，完成加緊松開動作。夾緊套通過軸承定位于箱體上，在電機和蝸輪蝸桿傳動機構帶動下實現(xiàn)夾持工件的旋轉。蝸桿軸采用特殊的定位結構，利用碟簧蓄能方式緩沖鍛打時夾頭的停滯，夾頭主軸的軸向由4組板簧定位，緩沖鍛壓時夾頭軸向連續(xù)推進的停滯。高頻振蕩抱閘系統(tǒng)保證與主機鍛打頻率的一致性，使工件鍛打過程中避免了扭轉。2-5-5液壓控制系統(tǒng)作為精鍛機的重要組成部分1.潤滑系統(tǒng)保證了設備傳動系統(tǒng)齒輪軸承的潤滑，同時為主機偏心軸的動壓軸瓦提供壓力油，形成足夠的油膜強度，保證了1000T鍛打的承擊力，解決了滾動軸承不能實現(xiàn)的問題。2.阻尼系統(tǒng)實現(xiàn)了調整套被調整動作時，旋轉面間隙配合，在調整完畢定位后間隙的消除，避免了鍛打過程的震動和撞擊。3.過載保護系統(tǒng)利用調整箱上傳動系統(tǒng)設計的環(huán)間液壓腔，通過對壓力波動的檢測，標定鍛打過程的反作用力，以達到鍛造力的監(jiān)控和顯示，對超負荷進行保護和設備調整。4.錘頭調整系統(tǒng)是采用液壓閉式回路設計，伺服液壓泵帶動定量馬達實現(xiàn)。伺服模式利于CNC電控系統(tǒng)設計和控制。5.夾頭進給系統(tǒng)是用伺服泵并聯(lián)定量泵模式，既保證了夾頭工進時,速度在CNC控制下的無級調速，又實現(xiàn)了后退時的快速移動。并在CNC控制下可實現(xiàn)定點站位、主隨動轉換、及與調整聯(lián)動進行錐體鍛造。6.夾頭的夾緊系統(tǒng)是利用恒壓變量泵作為夾緊缸的動力源，通過夾緊閥塊，實現(xiàn)夾緊、松開、保持及低壓隨動夾持等功能，并通過比例壓力閥實現(xiàn)夾緊最高壓力預設定，以適應不同強度材質坯料的夾緊需要，保證加緊機構不對原料表面形成傷害。7.夾頭振蕩制動系統(tǒng)是為了防止鍛打過程坯料的扭轉而設計的一套制動系統(tǒng)，其基本原理是利用制動的方法，使夾頭的旋轉保持與主機鍛打頻率一致的停頓動作，即在壓料過程時強制夾頭停止旋轉。精鍛機利用液壓伺服系統(tǒng)的高頻響特性，設計的液壓系統(tǒng)，保證了200次/分的振蕩制動動作，有效地解決高頻次系統(tǒng)響應遲滯的問題。8.支承輥系統(tǒng)是為坯料延長后防止顫動而設計的。直徑的減小導致剛度下降，當長度延長而單夾頭鍛打時，坯料的顫動會影響主機鍛打，增加輔助支撐可有效改變工作狀態(tài)。本系統(tǒng)由CNC采用伺服閥加位置編碼器形成閉環(huán)控制，根據(jù)主機調整系統(tǒng)的坯料尺寸反饋值，自動調整支撐輥高度，使輔助支撐保持一定的支撐力和位置。2-5-6電控系統(tǒng)是設備的中樞系統(tǒng)本系統(tǒng)從高控制精度、高可靠性、抗干擾、易維護的目的出發(fā)，采用現(xiàn)場控制系統(tǒng)結構，由可編程控制器、上微機和CNC控制系統(tǒng)組成。1．上微機采用工業(yè)計算機作為人機接口，系統(tǒng)采用WIN2000操作系統(tǒng)，ntelCeleron,1800MHz,256MBRAM，系統(tǒng)軟件DIABV4.1A，人機界面VisualBasic?？蓪崿F(xiàn)操作過程的監(jiān)控，故障信息的顯示和診斷，主要參數(shù)的實時顯示，鍛打過程數(shù)據(jù)存儲，手動、半自動、自動鍛打方式選擇等功能。由GFM公司開發(fā)的PROFORGE程序，通過前臺調用，實際參數(shù)設定，能自動生成鍛打程序，實現(xiàn)設備的全自動鍛打過程控制。并配有以太網(wǎng)卡，采用以太網(wǎng)協(xié)議進行遠程數(shù)據(jù)交流。2.CNC-6000AP是GFM公司開發(fā)的CNC控制系統(tǒng)，是精鍛機控制系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)CPU型號為MVME2304，處理器MPC604,333MHz,128MBRAM。可實現(xiàn)多軸控制,位置精度可達到0.001mm，方便的操控界面進行程序編譯修改，利用令牌（ARCNET）以太網(wǎng)協(xié)議與上微機進行通訊，實現(xiàn)程序傳遞和參數(shù)修改、數(shù)據(jù)監(jiān)控、記錄。利用（ETHEMET）以太網(wǎng)協(xié)議與PLC通訊，實現(xiàn)對設備實時參數(shù)的數(shù)據(jù)交換和控制。3.可編程序控制器采用siemenss7-400PLC系統(tǒng)，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作，具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力，通訊處理器(CP)用于總線連接和點到點連接。實現(xiàn)了分布式系統(tǒng)和擴展通訊能力。SX55精鍛機電氣控制系統(tǒng)，利用GFM公司的CNC6000AP系統(tǒng)，實現(xiàn)了對精鍛機左、右錘頭，A、B夾頭行走，A、B夾頭振蕩制動，A、B夾頭支撐輥高度等八軸的模擬量伺服控制，PLC系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場設備實時數(shù)據(jù)的輸入采集和邏輯控制，上位機友好的操控界面，方便地實現(xiàn)了手動、半自動、全自動操作的轉換，多重菜單開發(fā)實現(xiàn)了鍛打工藝的的監(jiān)控和記錄，設備重要參數(shù)的實時監(jiān)控，故障信息和故障診斷顯示與記錄。保證了設備可靠穩(wěn)定的運行。

第三章夾頭設計夾頭作為精鍛機的主要輔助機械設備，其與主機相適應的輔助動作較多，功能匹配、結構設計、液壓伺服控制系統(tǒng)等相關知識結合緊密，其設計思路有很好的研究價值。夾頭是實現(xiàn)工件夾持、軸向送給和旋轉運動的機構。需要實現(xiàn)1.足夠的夾持力量和合適的夾持直徑以適應工件毛坯的范圍。2.實現(xiàn)軸向大范圍無級調速的進給，并與主機鍛打過程相匹配的緩沖功能。3.實現(xiàn)工件的旋轉及與主機鍛打相匹配的間歇緩沖。4.為避免工件的扭轉，夾頭需設計與主機相匹配的高頻制動松開功能。3-1旋轉參數(shù)設計精鍛機以圓表面成品為主，其產(chǎn)品質量重要的指標是成品的直徑誤差。與軋機的連續(xù)軋制不同，精鍛機主機鍛打非連續(xù)性與夾頭旋轉連續(xù)性、軸向送給的連續(xù)性造成表面的誤差，特別是旋轉的速度匹配，對直徑誤差影響很大。如圖3.1所示，當錘頭寬度足夠，每步轉角后錘頭有部分重疊時，若每步旋轉角度B、鍛后直徑R、鍛后形成的肩部H有以下關系式：H=R/COS（B/2）（3.1）R－坯料鍛后半徑B－坯料每鍛打一次的轉角圖3.1鍛造示意圖由于肩部引起的直徑誤差為：δ=2[R/COS（B/2）-R](3.2)根據(jù)鍛制圓鋼國家標準（GB908-87）對圓鋼直徑允許偏差規(guī)定：δ<0.02R(3.3)即2[R/COS(B/2)-R]<0.02R(3.4)求得：B<16.12°(3.5)根據(jù)SX55精鍛機主機鍛打頻率：200r/min可計算夾頭旋轉速度：U×360°/200<16.12°(3.6)U－夾頭旋轉速度計算得：U<8.95r/minSX55精鍛機采用110KW、轉速750r/min的8級電機，經(jīng)皮帶傳動（Φ315/Φ934）減速，再經(jīng)蝸桿蝸輪（1/34）減速，SX55精鍛機夾頭夾頭旋轉速度為：U=7.6r/min.SX55精鍛機鍛圓直徑根據(jù)公式（3.2）求得誤差:δ=2[R/COS（B/2）-R]=0.014R<0.02R(3.7)完全滿足國標要求。3-2旋轉間歇系統(tǒng)設計精鍛機主機鍛打過程中，夾頭如果保持連續(xù)的旋轉，必然造成坯料的扭轉或機械傳動系統(tǒng)的剛性破壞，這對產(chǎn)品和機械系統(tǒng)都是不允許的。因此夾頭旋轉系統(tǒng)緩沖即隨主機鍛打過程而必須進行間歇設計非常必要。3-2-1間歇時間的確定間歇的時間包括主機鍛料壓下時間t1,錘頭退出時為避免坯料的損傷而設定的旋轉滯后時間t2。1.鍛料壓下造成夾頭停轉時間t1主機鍛料過程中從接觸坯料開始，到鍛打設定尺寸止，夾頭夾持坯料不應出現(xiàn)轉動，其時間t1與主機速度、偏心量、壓下量有關。精鍛機主機鍛打利用偏心軸原理如圖3.2所示，R圓（中心A1）繞偏心點A作旋轉運動，偏心距為a，幾型框隨偏心圓R旋轉，在水平方向形成往復運動，形成鍛打過程。幾型框水平方向位置即為鍛打坯料位置，其坐標可用偏心圓R水平位置坐標描述。以旋轉中心A為坐標原點A（0，0）則R圓上某點坐標可用下方程式表示：(X-acosθ)2+(Y-asinθ)2=R2(3.8)A－偏心量B－偏心夾角R－偏心軸半徑圖3.2偏心軸示意圖其在水平方向最前端位置點決定了幾型框位置即Y=asinθ(3.9)將式（3.9）代入式（3.8）并取X正方向值為：X-acosθ=R(3.10)當θ=180°時X=R-a,幾型套開始向前運動，當θ=0°時X=R+a,幾型套到達最前點，開始向后運動。當鍛壓壓下量為h時，其角度為(ωt1)滿足：h=a-acos(ωt1)(3.11)ω－主機旋轉速度t1－壓下量h時到前點用時間以SX55為例，ω=200×2×3.14/60=20.93/s偏心量為：a=17mm當壓下量為：h=25mm計算得到壓下制動時間為：t1=0.098s2.錘頭退出時為避免坯料的損傷而設定的旋轉滯后時間t2錘頭回縮時為避免坯料與錘頭的干涉，系統(tǒng)對夾頭預定40°旋轉滯后角度。則滯后時間：t2=40/(200×360/60)=0.033s(3.12)則夾頭在主機壓下量為h=25mm時，每步需要做間歇時間為：t=t1+t2=0.098+0.033=0.131s(3.13)3-2-2實現(xiàn)間歇運動機構的選擇圖3.3傳動緩沖示意圖精鍛機采用了特殊的結構形式，保證了高頻率和大扭矩的傳動間歇功能。結構如圖3.3所示，電機帶動皮帶輪轉動，經(jīng)蝸桿蝸輪傳動帶動夾頭旋轉。由于蝸桿和蝸輪傳動過程中，可以實現(xiàn)相對移動，利用此特性，蝸桿的軸向采用了非固定位設計，而利用蝶簧位移存儲能量減震的特點，對蝸桿軸向定位。這樣，當夾頭隨主機的鍛打頻率制動時，蝸輪轉動被強制制動，而蝸桿的連續(xù)轉動靠蝸桿在軸向產(chǎn)生位移得以緩沖，彈簧受壓所產(chǎn)生的蓄能效應，使得夾頭制動停止后的快速啟動。3-3加緊系統(tǒng)設計精鍛機鍛造中心保持不變的鍛造特性，為夾頭設計提出了更高的要求。加緊系統(tǒng)采取了三滑套形式(見圖3.4)，兩對夾臂成對安裝于兩個滑套上，兩滑套分別通過軸承室與液壓油缸缸體和活塞桿相連，液壓油缸運動帶動滑套相對移動，使夾臂實現(xiàn)加緊松開的動作。夾臂的旋轉運動不帶動油缸，簡化了油缸配油系統(tǒng)設計。液壓壓力伺服系統(tǒng)見（圖3.5）有效的保證了加緊力的穩(wěn)定和適應不同材質所需求的不同加緊力的調整。液壓系統(tǒng)原理如圖3.5所示，加緊壓力由壓力傳感器反饋作用于伺服閥，實現(xiàn)了加緊力在于設定的壓力下工作。圖3.5夾緊液壓原理圖3-4夾頭行走系統(tǒng)設計精鍛機夾頭行走利用液壓速度伺服系統(tǒng)保證連續(xù)的無級調速，泵組利用力士樂伺服泵與定量泵組合，實行行走慢速的無級調速和快速的大流量輸出。行走液壓塊利用速度伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)夾頭速度的精密調整。液壓原理如圖3.6所示，位移光電編碼器反饋的速度信號經(jīng)CNC控制，反饋伺服閥，實現(xiàn)速度位移的精密控制，位置精度可達到0.1mm。圖3.6行走液壓原理圖3-5夾頭制動系統(tǒng)設計夾頭制動利用伺服閥的高頻響應特性，用液壓缸推動制動盤實現(xiàn)與主機同頻率的制動動作，液壓原理如圖3.7所示，主機轉動位置信號由偏心軸輸出，通過光電開關送出脈沖信號，控制伺服閥實現(xiàn)高頻換向，實現(xiàn)對夾頭的制動控制。圖3.7制動液壓原理圖

第四章液壓控制系統(tǒng)設計4.1液壓控制系統(tǒng)原理簡介對棒狀材料或管狀材料進行冷、熱加工時往往需要將工件送入并保持在某一幾何中心上。例如對圓形斷面或矩形斷面的棒料進行多方面的熱鍛打時工件必須保持在鍛打中心C上，如圖4.1a所示這就需要采用定心夾鉗。如采用普通機械式夾鉗，使上、下鉗口閉合量y1,y2相等如圖4.1b所,雖然可以達到定心的目的,但是當工件沿軸向移動,而且工件的外形生變化時,就可能產(chǎn)生偏心或卡死。如采用普通液壓傳動裝置,分別對上、下鉗口的閉合量進行控制,那么在工件外形尺寸變化時,就需要隨時進行調整。此外,如果被夾持的是矩形斷面工件,a>b如圖4.1C所示,那么一個自由度閉合量的夾鉗就無法使工件定心。圖4.1定心夾鉗工作示意采用兩自由度的機液伺服控制系統(tǒng)的定心鉗就可以自動而準確地完成定心要求。這種夾鉗具有以下主要特點：:(1)下鉗口有足夠的支持力可以支持工件的全部重量,上鉗口的夾緊力是可調的,因而可以允許工件沿軸向移動,也可使工件卡緊;(2)下鉗口在y方向上的閉合量y2能自動跟隨上鉗口的閉合量y1而變化并保持相等，因而能達到y(tǒng)方向上的自動定心；(3)上，下鉗口在x方向上可以產(chǎn)生相反方向的同步位移,并且使得x1=x2,如圖4.1C中虛線所示。因此,不僅可以使圓斷面工件定心,也可使矩形斷面工件定心。兩自由度機液伺服控制定心夾鉗的工作原理如圖4.2所示.夾鉗夾持圓形斷面工件時，僅有y方向一個自由度的機液伺服系統(tǒng)參加工作。起工作過程如下：上鉗口1可繞支點C1做上、下擺動，下鉗口2可繞支點C2作上、下擺動。上鉗口由操作液壓缸3驅動，下鉗口自由伺服液壓缸3的活塞在自重作用下接觸圓形斷面工件15，產(chǎn)生閉合量y1,同時，在比較器（由齒條10、11和齒輪12組成）上有一個位移指令y1’輸入，這樣，齒輪12連同錐體13一起下移，機液伺服閥5的閥芯向左產(chǎn)生位移量xvy，壓力油油ps進入A到液壓缸4的下腔，帶動下鉗口2向上閉合，閉合量為y2。與此同時，連桿9在比較器上產(chǎn)生負反饋y2’，使齒輪連同錐體13一起上移，直到反饋量y2’等于指令輸入量y1’為止，機液伺服閥5的閥芯回到中位，液壓缸4的活塞才不動。由于上、下鉗口結構是對稱的，因此，下鉗口的閉合量y2始終是跟隨上鉗口的閉合量y1而變化并保持相等，這樣就保證了圓形斷面工件能自動定心。當工件沿軸向移動且直徑有所變化時，上、下鉗口都能等量的張開式閉合，使工件始終保持在中心上。背壓閥7可以調整鉗口張開的阻力矩。當換向閥6的電磁鐵1YA帶電，壓力油進入液壓缸3的下腔時，活塞推動鉗口張開。圖4.2定心夾鉗液壓系統(tǒng)原理圖夾鉗夾持矩形斷面工作時，不僅y方向自由度的機液伺服系統(tǒng)參加工作，x方向自由度的機液伺服系統(tǒng)也同時參加工作，以保證矩形斷面工件自動定心。當上鉗口自重下落到矩形斷面工件表面時，要產(chǎn)生向左方向的位移量x1，直到鉗口與工件表面相吻合為止，如圖中16所示。由液壓缸22，機液伺服閥21，錐體18，比較器17組成的x方向的機液伺服控制系統(tǒng)能保證下鉗口2產(chǎn)生與上鉗口位移x1方向相反的同步位移x2。由于x、y兩個自由度機械伺服系統(tǒng)的同時工作，矩形斷面工件不僅可沿軸向移動，而且能夠隨時保持自動定心。4.2液壓系統(tǒng)設計4.2.1初選執(zhí)行元件的設計壓力在負載一定的情況下，設計壓力低，勢必加大執(zhí)行元件的結構尺寸和重量。反之設計壓力選的太高，對液壓元件的材質、密封及制造精度也要求很高，必然提高設備成本。通?？梢杂妙惐确ò粗鳈C類型選擇執(zhí)行元件的設計壓力。按主機類型選擇液壓執(zhí)行元件的工作壓力主機類型設計壓力MPa說明機床精加工機床0.8-2當壓力超過32MPa時，稱為高壓壓力半精加工機床3-5龍門刨床2-8拉床8-10農業(yè)機械、小型工程機械、工程機械輔助機構10-16液壓機、大中型挖掘機、中型機械、起重運輸機械20-32地質機械、冶金機械、鐵道車輛維護機械、各類液壓機具等25-100根據(jù)上表，初選液壓執(zhí)行元件的設計壓力為50MPa4.2.2計算和確定液壓缸的主要結構尺寸缸筒式液壓缸的主體零件，它與缸蓋、活塞等零件構成密閉容腔，形成內壓，推動活塞運動。1.液壓缸缸筒直徑D的計算液壓缸采用差動連接時，即：此時，無桿腔跟有桿腔的面積之比即：無桿腔為工作腔時，。差動連接時，有桿腔跟無桿腔壓力相等，即，代入數(shù)據(jù)得：通過上式求得=0.0091m2根據(jù)標準系列，將液壓缸內徑圓整為上述式子中：——無桿腔面積，m2；——有桿腔面積，m2；——快進時的速度，m/s;——快退時的速度，m/s;——有桿腔的壓力，pa；——無桿腔的壓力，pa；D——液壓缸的內徑，m；d——活塞桿的直徑，m；——最大工作載荷，N;——容積效率，取2.活塞桿直徑的計算活塞桿為實心桿，材料為45鋼。由式子得根據(jù)標準系列，將活塞桿內徑圓整為3.缸筒的材料缸筒的材料一般要求要有足夠的強度和沖擊韌性，目前，普遍采用的缸筒材料是熱軋或冷拔無縫鋼管。近幾年來由專業(yè)廠提供內圓已經(jīng)研磨和外圓精加工的高精度冷拔無縫鋼管按所需長度切割下料。本課題缸筒材料選用成都液壓缸廠生產(chǎn)的高精度45鋼冷拔無縫鋼管。內徑110mm，壁厚15mm。4.缸筒厚度校核在中、低壓液壓系統(tǒng)中，缸筒壁厚往往由結構工藝要求決定，一般不要求校核。但在高壓系統(tǒng)中，應按照下列情況進行校核。本課題中，，因此用下式校核：式中——最高允許壓力，一般取；本課題中——缸筒材料許用應力，；——材料屈服強度，缸筒為45鋼，；n——安全系數(shù)，一般去n=1.5-2.5，本課題中取n=2.所以滿足強度要求。4.2.3計算液壓缸所需流量液壓缸的最大流量式中A——液壓缸的有效面積，m2——液壓缸的最大速度m/4.2.4編制液壓缸工況圖工況計算公式外負載/N工作腔壓力/Pa輸入流量L/min輸入功率/W快速下降啟動加速165003529648.994.15535.7等速0094.10緩慢沖壓8639418481241.614.34404.7快速返回啟動234005620417.048.34524.4等速49001176924.948.3947.4制動136003266567.148.32929.64.3液壓能源裝置設計4.3.1液壓泵站類型及其組件的選擇1.液壓泵站類型的選擇由于本高速沖床的液壓系統(tǒng)屬于高壓系統(tǒng)，因此泵的吸入允許高度受限制。它的傳動功率較大，屬大型液壓站，而且有較大的使用空間。非上置式液壓泵站有高度低、便于維護、振動小等優(yōu)點，因此本液壓系統(tǒng)選用非上置式液壓泵站類型中的分離式液壓泵站。2.液壓泵站組件的選擇液壓泵站通常由液壓泵組件、油箱組件、控溫組件、過濾器組件和蓄能器組件五個相對獨立的部分組成。組成部分包含元器件作用液壓泵組液壓泵將原動機的機械能轉換成液壓能原動機驅動液壓泵聯(lián)軸器連接原動機和液壓泵傳動底座安裝和固定液壓泵及原動機油箱組件油箱儲存油液、散發(fā)油液熱量、溢出空氣及消除泡沫和安裝元件液位計顯示和觀測液面高度通氣過濾器注油、過濾空氣放油塞清洗油箱或更換油液時放油控溫組件油溫計顯示、觀測油液溫度溫度傳感器檢測并控制油溫加熱器油液加熱冷卻器油液冷卻過濾器組件各類過濾器分離油液中的固體顆粒，防止堵塞小截面流道，保持油液清潔度等蓄能器組件蓄能器蓄能、吸收油液脈動和沖擊支撐臺架安裝蓄能器4.3.2液壓泵的計算與選擇1.確定液壓泵的最大工作壓力液壓泵的最大工作壓力可按下式計算即：式中——液壓執(zhí)行元件工作腔的最大工作壓力，Pa；——從液壓泵出口到液壓執(zhí)行元件入口處的總管路損失。=++——進油路上管路的總沿程壓力損失——進油路上管路的總局部壓力損失——進油路上閥的總壓力損失的準確計算須在選定液壓元件并繪制出管路布置圖后才能進行。初算時可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選?。寒敼苈泛唵位蛴泄?jié)流調速閥時，取=（0.2-0.5）×106Pa；當管路復雜或有調速閥調速時，取=（0.5-1.5）×106Pa。2.計算液壓泵的最大流量本液壓系統(tǒng)中既采用了差動液壓缸回路，也采用了蓄能器輔助供油系統(tǒng)。對于采用差動缸回路的系統(tǒng)，液壓泵的最大流量為：式中A1、A2——液壓缸無桿腔與有桿腔的有效面積；Vmax——液壓缸的最大移動速度，m/s；K——系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，一般取1.1-1.3（大流量取小值，小流量取大值）；2）對于采用蓄能器輔助供油的系統(tǒng)，其液壓泵的最大流量qp按系統(tǒng)在一個工作周期中的平均流量確定，即=式中z——液壓執(zhí)行元件的個數(shù)；Vi——液壓執(zhí)行元件在工作周期中的總耗油量，m3；Ti——機器的工作周期，s；K——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.2由于，因此液壓泵的最大流量為54.5L/min。在緩慢沖壓階段，低壓大流量泵卸載，差動連接被切斷，只有高壓小流量泵供油，此時液壓缸的輸入流量為14.3L/min,因此，高壓小流量泵的流量必須大于14.3L/min。液壓泵的最大流量為54.5L/min，低壓大流量泵的流量必須大于54.5-14.3=40.2L/min。3.選擇液壓泵規(guī)格為了保證系統(tǒng)不至因過渡過程中過高的動態(tài)壓力作用破壞，液壓泵應有一定的壓力儲備量，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25％-60％（高壓系統(tǒng)取小值，中低壓系統(tǒng)取大值）；額定流量則只需大于上述所求流量即可。本液壓系統(tǒng)中液壓泵的最大工作壓力,在沖壓階段。沖壓階段只有高壓泵供油。因此高壓泵的額定壓力必須大于18481241.6×（1+25%）=23.1MPa。經(jīng)查手冊，（設計指南p202葉片泵、p207柱塞泵），高壓小流量泵選擇直軸式軸向柱塞泵的CY系列。低壓大流量泵選擇雙作用定量葉片泵的150T系列。選定的高壓泵和低壓泵的參數(shù)如下表：

系列型號公稱排量(mL/r)壓力/MPa轉速(r/min)結構特點及主要適用場合生產(chǎn)廠額定最高額定最高高壓泵CY1131.5-1500-結構簡單、體積小、重量輕、效率高、自吸能力強、壽命長。適用于機床、鍛壓、冶金、礦山等機械設備的液壓傳動系統(tǒng)江蘇恒源液壓有限公司、天津市天高液壓件有限公司、上海高壓油泵廠有限公司低壓泵150T3079-1500結構簡單、性能穩(wěn)定、排量范圍大、噪聲低、壽命長。適用于機床及其他中低壓液壓傳動系統(tǒng)榆次液壓有限公司4.計算液壓泵的驅動功率及選擇原機1）驅動功率的計算泵的輸出功率分別為：式中：p——液壓泵進出口壓力之差，對于開式系統(tǒng)即為液壓泵的最大工作壓力。本課題中系統(tǒng)的調定壓力，即最大工作壓力為31.5×0.8=25Mpa；q——液壓泵的十幾流量；——液壓泵的總效率。

電動機的選型查設計手冊，選用Y系列（IP44）中規(guī)格相近的Y160M2-2型三相異步電動機。其額定功率為15KW,滿載轉速為2930r/min。用此電動機驅動液壓泵時，在緩慢沖壓階段，輸出流量為1500×11mL/min=16500mL/min=16.5L/min。在快進快退階段，輸出流量為16.5+（1500×30）/1000=61.5L/min。因此選用的液壓泵跟電機都能滿足使用要求。4.4油箱的設計計算油箱容積的計算油箱的容量，即油面高度為油箱高度80%時的油箱有效容積，應根據(jù)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱、散熱平衡原則來計算。但一般情況，油箱的有效容積可按經(jīng)驗公式估算：按JB/T7938-1999規(guī)定（設計指南182），取最靠近的標準值=630L。式中——油箱的有效容積，L;——液壓泵的額定流量，L/min；——與壓力有關的經(jīng)驗數(shù)據(jù)：低壓系統(tǒng)=2-4，中壓系統(tǒng)=5-7，高壓系統(tǒng)=10-12。油箱的容積時，油箱的有效容積為.確定油箱長1m，寬1m，高0.63m。4.5過濾器的選擇4.5.1油液過濾器的選擇過濾器的通流能力，一般應為液壓泵流量的兩倍以上。因此選用的過濾器的通流能力應大于115L/min。參照表各類過濾器過濾精度，因為本液壓系統(tǒng)中采用的是比例伺服換向閥以及柱塞泵，因此它的過濾精度在5-10um之間。各類過濾器過濾精度類型過濾精度um使用系統(tǒng)及元件精過濾器5-10一般電液伺服、比例液壓系統(tǒng)，柱塞泵、工業(yè)伺服閥、比例閥綜合以上，選擇RFB型微型直回式回油過濾器。具體參數(shù)如下：類型技術規(guī)格生產(chǎn)廠額定壓力/MPa流量/(L/min)過濾精度/um回油過濾器RFB型微型直回式回油過濾器1.625-8001-301、31：中國黎明液壓有限公司3：溫州遠東液壓配件廠4.5.2液壓空氣過濾器的選擇空氣過濾器選擇EF系列液壓空氣濾清器，具體參數(shù)如下：類型規(guī)格生產(chǎn)廠空氣流量/(m3/min)過濾精度/um加油流量/(L/min)EF系列液壓空氣濾清器65-1512L/min10-409-1601、2、31：中國黎明液壓有限公司2：溫州市甌海臨江液壓機械廠3：溫州遠東液壓配件廠4.6蓄能器的選擇本液壓系統(tǒng)中用到了兩個蓄能器，分別用來做輔助動力源跟減小液壓沖擊。分別選擇NXQ型氣囊式蓄能器跟HXQ型活塞式蓄能器。具體參數(shù)如下：類型技術規(guī)格生產(chǎn)廠壓力/MPa容積工作壓力耐壓NXQ型氣囊式蓄能器10、20、31.50.63-1504、5、6、7、8、9HXQ型活塞式蓄能器1722.51-391、2、31：榆次液壓有限公司2：中船重工重慶液壓機電有限公司3：布柯瑪蓄能器有限公司4：浙江奉化奧萊爾液壓公司5：上海立新液壓有限公司6：上海東方液壓件廠7：四平市興中液壓件廠8：南京鍋爐廠9：成都高壓容器廠4.7壓力表和壓力表開關的選擇液壓泵的出口設置一測壓點，以便用壓力表對壓力調節(jié)活系統(tǒng)工作中的壓力數(shù)值及其變化情況進行觀測。壓力表測量范圍應大于系統(tǒng)的工作壓力的上限，即壓力表量程約為系統(tǒng)最高工作壓力的1.5倍左右。根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)應選擇Y※T型遠傳壓力表。具體參數(shù)如下：型號技術規(guī)格生產(chǎn)廠測量范圍/MPa控制精確度Y※T型遠傳壓力表0-0.1至601.5級，2級3、4、53：宜昌儀表廠4：西儀股份有限公司5：上海儀表公司4.8液壓工作介質的選定液壓工作介質的功用是載能和潤滑、冷卻，其特性對液壓系統(tǒng)的工作品質及功能具有很大影響。本液壓系統(tǒng)選用礦物油型和合成烴型液壓油系列中的抗磨液壓油。其性能如下：分類名稱產(chǎn)品代號組成、特性及使用場合礦物油型和合成烴型液壓油抗磨液壓油L-HM本產(chǎn)品為在L-HL油基礎上改善其抗磨性的液壓油。適用于低、中、高壓液壓系統(tǒng)4.9液壓輔件的計算與選用4.9.1管件的與選用液壓系統(tǒng)中的管路、管接頭、連接法蘭、螺塞及管夾等統(tǒng)稱為管件。是連接各類液壓元件、輸送液壓介質的裝置。油管的作用是將液壓元件連接起來組成液壓系統(tǒng)，為進入系統(tǒng)及返回油箱的油液或控制油液體統(tǒng)通路。常用的油管有硬管和軟管兩類，一般應盡量選用硬管。油管的規(guī)格尺寸多由它連接的液壓元件的油口尺寸決定。接頭選用錐密封焊接式管接頭，參數(shù)見下表：法蘭名稱特點標準號生產(chǎn)廠錐密封焊接式管接頭工作壓力可達31.5MPa，工作溫度-25-80℃，適用于以油為介質的管路系統(tǒng)JB/T6381-6385-1992上海液壓附件廠蘇州液壓附件廠瀘州液壓