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毕业设计--φ219矫正机设计-精品

1绪论

1.1矫直设备的发展

1.1.1矫直设备的发展概况

矫直技术多用于金属条材加工的后部工序,在很大程度上决定着产、成品的质量水平。20世纪初已经有矫直圆材的二辊式矫直机。20世纪30年代中期发明222型六辊式矫直机,显著提高了管材矫直质量。20世纪60年代中期,为了解决大直径管材的矫直问题,美国萨顿公司研制成功313型七辊式矫直机。20世纪70年代我国改革开放以后接触到大量的国外设计研制成果,有小到φ1.6mm金属丝矫直机和大到φ600mm管材矫直机。有速度达到300m/min的高速矫直机和精度达到0.038mm/m的高精度矫直机。

同时也引进许多先进的矫直设备。进入90年代我国在赶超世界先进水平方面又迈出了一大步,一些新研制的矫直机获得了国家的发明专利;一些新成果获得了市、省及部级科技成果进步奖;有的获得了国家发明奖。近年来我国在反弯辊形七斜辊矫直机,多斜辊薄壁转毂式矫直机,平行辊异辊距矫直机及矫直液压自动切料机等研制方面相继取得成功,

1.1.2矫直作用

轧制和热处理后的管材有一系列的缺陷,其中主要的是纵向弯曲和横断面的椭圆度。为了消除这些缺陷,需设置斜辊式钢管矫直机,在矫直过程中,钢管在矫直辊间作直线前进的同时还进行旋转运动,通过钢管在矫直辊中反复多次弹性弯曲使钢管达到矫直的目的。

1.2矫直设备分类

1.2.1矫直机的分类

按工作原理不同划分为五大类。第一类称为反复弯曲矫直机,它们是靠压头或辊子在同一平面内对工件进行反复压弯并逐渐减小压弯量,直到压弯量与弹复量相等而变直。第二类称为旋转弯曲式矫直机,是工件在塑性弯曲状态下以旋转变形方式从大的等弯矩区向小的等弯矩区过渡,在走出塑性区时弹复变直。第三类称为拉伸矫直机,它依靠拉伸变形把原来长短不一的纵向纤维拉成等长度并进入塑性变形后经卸载及弹复而变直。第四类称为拉弯矫直机。它是把拉伸与弯曲变形合成起来使工件两个表层的较大拉伸及全截面的拉伸变形三者不在同一时间发生,全断面各层纤维的弹复变形也不是同时发生的,既防止了板带的断裂,又提高了矫直质量。第五类称为拉坯矫直设备,它是

在拉动连铸坯下行的同时使铸坯的弧形弯曲渐伸变直,其拉力主要用于克服外部阻力,而铸坯本身在高温状态下所需的矫直力是较小的。

具体进一步分类如图1.1所示:

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,图1.1

(5)拉坯矫直机

拉坯矫直机在连铸系统中占有重要位置,取得了很大发展,已经自成体系。

1.2.2钢管矫直机分类及适用范围

在矫直管、棒等圆形断面条材时若采用平行辊矫直机则存在两个致命的缺点:第一,只能矫直圆材垂直于辊轴的纵向剖面上的弯曲。若矫直其它各方面的纵向剖面的弯曲常需要进行多次的变方位的矫直过程;第二,圆材在矫直过程中容易产生自转现象,不仅达不到矫直目的,反而要产生严重的螺旋形弯曲(俗称麻花弯),使产品报废。为了消除上述的缺点,在生产中常采用斜辊矫直机。

常见的斜辊矫直机的类型及用途:

1、2斜辊矫直机:这种矫直机用于矫直棒材,也可用于矫直厚壁管材。

2、3斜辊矫直机:只适用于矫直长度较小,直径较大,壁厚很薄的小量管材,故至

今没有发展起来。

3、多斜辊矫直机

(1)、212型5辊式矫直机:适用范围宽,表面质量好,可以一机多用。但上辊

稳定性低,传动系统复杂,制造成本高。

(2)、222型6辊式矫直机:这种矫直机既可以矫直管材又可以矫直棒材。

4、6辊以上的斜辊矫直机

(1)、12121型7辊式矫直机:这种矫直机主要用于矫直高强度管材及厚壁管材,

不仅可以矫直管材的弯曲度也可以消除管材的随圆度。

(2)、1-12(8)型8辊式矫直机:它有较广的适用范围,可以用于管材张力减

径生产线、焊管生产线、挤压生产线、电镀生产线及有色金属管的轧制生产线。

5、313型斜辊矫直机:这种矫直机只能用于大直径圆材的矫直。

1.2.3斜辊矫直机的典型辊系

1、1-1(5)辊系如图1.2(a)所示,上下辊一一交错,此辊系常驻由5个辊子组成,上三下二,上辊短,下辊长。入口侧长辊处可使圆材得到较大的均匀的塑性弯曲,到出口侧长辊处则按较小的塑性弯曲进行压弯在反复后达到矫直的目的。

2、212辊系如图1.2(b)所示,5辊式管材矫直机的专用辊系,它把原来辊系中两端短辊移到长辊上方,形成两对压紧辊。

3、2辊系如图1.2(c)所示,它的矫直功能来自辊形的凸凹变化,它是以矫直短圆材的独特性而受到重视,又以能矫直圆材两端和能压光圆材表面而得到不断发展。

4、12121辊系如图1.2(d)所示,可以把它看成是图1.2(a)和图1.2(b)两

种辊系的综合。圆材在压紧辊间的塑性变形区得到延长,压扁矫直和圆整能力得到增强,矫直速度有所提高,对管棒材矫直都可适用。

5、222或2-2(6)辊系如图1.2(e)所示,6个辊子全部为驱动辊,这种辊系的两端辊主要起压扁矫直和圆整作用,并有利于工件的咬入,中间辊可以保证较长的塑性弯曲区,使已经压扁矫直部分尚存的弯曲得到矫直。

6、2221或2-21(7)辊系如图1.2(f)所示,此辊系是在222辊系后面增加一辊,新增加一个辊子起的作用很大,它可以增大第3对辊处塑性弯曲区的长度,并在压下量合适的条件下易于达到工作弹复变直的要求。而且这种改进的辊系对于矫直管材也有提高质量的作用。

7、21-1(9)辊系如图1.2(g)所示,这种矫直辊系入口端的一对压紧辊可以保证工件快速咬入和对管材的压扁矫直作用,3个长辊处可以实现3段递减的等曲率性变性区,有助于提高矫直速度。

8、313辊系如图1.2(h)所示,此辊系比较特殊,前后各用3个斜辊按相隔120°环抱管材,既可以按三角压扁方式起到矫直和圆整作用,又可以利用中间辊进行三段的连续压弯,可用较小的压弯改善压扁矫直效果,使大直径薄壁管找到了较好的矫直途径。

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图1.2 斜辊矫直机的典型辊系

1.3斜辊矫直的工作原理

斜辊矫直机一般采用旋转反弯矫直原理,旋转反弯矫直主要用于圆材矫直,旋转矫直中最常见的方法是多斜辊矫直法,是在斜辊矫直机上进行的。由于圆材的原始弯曲是多方位的。因此,在矫直时要使圆材绕轴线旋转,并在旋转的同时能使其反弯程度由小到大,再由大到小连续变化,才能使任何方位的原始弯曲都能得到可靠的反弯矫直。斜辊矫直机的作用是强迫圆材在反弯状态下旋转前进,达到矫直的目的。如图1.4所示:

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1——K-x曲线2——M-x曲线

图1.4 旋转反弯矫直过程中弯矩与塑性区分布

圆材在斜辊间反弯前进,走过每一个螺旋导程时反弯量的减少梯度和圆材塑性变形层的深度及均匀度是矫直质量的决定因素。因此,圆材在塑性区内旋转次数或称高频弯曲次数越多,各处纵向纤维的变形量差别越小,结果各处的残余曲率差也越小,从而使圆材变直。相对而言,如果使弯曲延长,在旋转导程不变的条件下,也等于增加高频弯曲次数,同样可提高矫直质量。

1.4φ219矫正机简介

本次毕业设计的φ219矫正机采用八柱预紧式封闭机架和2-2-2-1复合辊系统。

下面简述工作过程和结构特点。

矫直机组具有手动控制和半自动控制两种工作方法。手动控制用于安装调试,换辊,检修作业;半自动控制用于正常矫直生产作业。其机组工作过程简述如下:上料台架上排布好待矫直的钢管后,拔料器动作将一支待矫直钢管送入输送辊道。布轩在输送辊道的光电检测装置检测到钢管后,入口辊道升起,输送钢管前进;当布轩在入口辊道出口端的光电检测装置检测到钢管后,入口导板动作,使钢管对中顺利进入矫直机;当钢管头部被咬入第一对矫直辊后,入口导板打开,入口辊道下降,钢管在桥直机城经反复旋转弯曲变形后被矫直。当钢管尾部离开第七号辊(导辊)后,出口辊道升起,将矫直后的钢管输送到下一工序,即完成一根钢管的矫直。当钢管离开第三对辊子后,主传动系统发出信号指令输入辊道抬起迎接下一根待矫钢管。

2、结构特点:

(1)、采用了八柱预紧式封闭机架和2-2-2-1复合辊系统,提高机架刚度和矫直度。

(2)、上辊座升降采用二柱导向,导向精度较高,安装调整方便。

(3)、上辊采用液压平衡和锁紧,消除了螺旋副的间隙和其他安装间隙,

(4)、提高了机架的刚度,消除了咬入时的冲击。

(5)、下辊采用液压缸锁紧,工作可靠。

(6)、下辊升降电气传动安装在机座侧面,以便于检修和调整。

(7)、转角调整采用电机螺旋升降器机构

(8)、矫直辊轴承座与转盘做成一体式

(9)、换辊工具采用杠杆平衡砣结构形式。

(10)、润滑(稀油和干油)按钮安装在主操作台上,以方便操作。

2 矫直机总体方案的确定

2.1矫直方案及传动方案的确定

2.1.1矫直方案

方案一:

采用2-2-2-1型7辊式矫直机,此矫直机是使用数量最多的矫直机之一。这种矫直机既可矫直管材也可以矫直棒材,具有稳定性高,矫直表面质量好,操作方便等优点。

方案二:

采用2-1-2型5辊式矫正机,这种矫直机的优点是适用范围宽,表面质量好,可以一机多用。缺点为上辊稳定性低,传动系统复杂,制造成本高。

方案三:

采用1-2-1-2-1型7辊式矫正机,这种矫直机主要用于矫直高强度管材及厚壁管材,可以保持工作的良好的表面质量,并且可以提高矫直速度。所以它有较广的适用范围,可以用于管材张力减径生产线、焊管生产线等。但制造成本高。

综上分析,采用方案一。

2.1.2传动方案

斜辊矫直机的传动方式有齿轮和万向接轴传动两种。

方案一:齿轮传动如图2.1所示

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1-长辊2-拉杆3-右立板4-集油盘5-端板6-传动轮8-短辊9-左立板10-压下手轮

图2.1 卧式矫直机齿轮传动

此图为齿轮传动的卧式斜辊矫直机,它是由两个分配轴及圆锥齿轮直接传动矫直辊的。这种传动比较紧凑,调节辊子斜角的范围可以很大,但辊子轴头齿轮受辊径限制不能太大,其强度也受限制。此外,齿轮系统包含在辊座转盘之内,润滑及密封也不太方

便。

方案二:万向接轴传动(如图2.2所示)

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图2.2 立式斜辊矫直机结构图

万向接轴的一端与辊子轴头相联,电动机与减速分配齿轮箱的出轴相联,电动机与减速分配齿轮箱用联轴器联接。这种传动方式使润滑、维修及换辊等工作得到改善。此图为立式机架的斜辊矫直机。这种矫直机采用万向接轴传动比较普遍,其优越性更大。电动机及减速分配齿轮箱可单独装在地基上,与机器本体分离较远,使结构明显简化。具有调节方便,工作线高度不变,机器本体与传动系统的震动互不干扰等优点。由于其上下辊都可传动,因此,咬入条件及表面质量有改善。这种矫直机传动方式的不足之处是占地面积和机架高度大。

2.2上横梁的压下装置

2.2.1上横梁工作原理描述

为适应不同规格钢管能在矫直机中顺利的实现矫直,上横梁装配必须实现以下功能:

1、应不同规格的待矫直钢管,上、下工作辊系中的辊距要求可调,同时必须能够承

受上工作辊系传递给上横梁的反力;

2、矫直机要能稳定、精确矫直,必须在工作过程中上工作辊系不能上、下窜动;保

证矫直辊辊面与钢管能够良好的接触,矫直辊必须圆周方向能够调整;

3、矫直机要达到高精度,上、下工作辊必须锁紧,在工作过程中不能转动;2.2.2压下调整方案的确定

为了满足上述工作原理要求,下面分别对上述四点要求分别阐述:

1、矫直机要适应不同规格的待矫直钢管,上、下工作辊系中的辊距要求可调。这

一要求,我们采取三种方案加以分析和比较。

上工作辊系上下调整有很多种方案可以实现:

方案一:通过液压缸推、拉动上横梁来实现上工作辊系移动。

优点:结构简单,制造成本低廉,控制简单。

缺点:液体具有可压缩性和液压传动准确性随油温变化较为明显等原因,所以上工作辊系调整好后很难保证准确位置不变,这样矫直机的工作精度很难保证。

方案二:采用减速电机带动齿轮齿条:

优点:可以通过机械制动实现上横梁准确定位并锁紧,工作较为可靠。

缺点:传动机构相当笨拙、复杂,制造成本高,可靠性一般。

方案三:采用减速电机带动螺旋副来实现上横梁升降:如图1.5所示

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1-摆线针轮电机直联型电机减速速器2-过度座3-联轴器4-上横梁5-丝杠

6-活动梁7-座板8-立柱9-拉杆10-平衡缸

图2.3 采用减速电机带动螺旋副传动简图

优点:调整精确度较高;结构简单,易于加工;控制维护简单

缺点:螺旋传动效率低;

综上所述,方案三虽然传动效率低,但此方案用于调整,在调整结束进入稳定矫直阶段后,固定不动。所以采用此方案。

2、要实现稳定、精确矫直、在工作过程中上工作辊系不能上、下窜动,也就是上工作辊系必须紧密的与上横梁在一起,不能有任何动态或静态间隔,有三种方案:方案一:采用弹簧来实现稳定、平衡:

优点:结构简单,成本低。

缺点:上工作辊系在调整过程中弹簧的压缩在不断的变化,根据虎克定律,?

=可知弹簧产生的是一个变力,所以很不稳定。

S

F?

E

方案二:采用螺杆与大螺母相配合来实现:

优点:结构简单,成本低。

缺点:在调整过程中如果工人没有放松螺杆,那么很容易损坏传动部件,造成事故,而且每次调整后工人要爬到上横梁上锁紧螺杆,所以很不方便。

方案三:采用液压缸来实现调平衡:

优点:结构紧凑,工作可靠,调整系统压力可以得到不同的平衡锁紧力。

缺点:需要一液压站,成本相对较高。

综上三种方案,方案三最佳。

3 矫直机结构参数的计算

3.1φ219矫直机的主要参数

矫直力为:3000KN

钢管直径:φ133~φ219

钢管壁厚:4~20mm

角度调整范围:27°~37°

钢管材质:优质碳素钢,低合金钢

最大屈服强度:≤500MPa

矫直精度:0.5mm /m

下压力不小于10t ,下压速度为0.8~1.2mm/s 。

3.2矫直辊辊形尺寸的确定

3.2.1辊径的确定

初选辊径g D :由文献[2] 264页 (4-20)式得:

150max >d mm 时:

()max 5.25.1d D g -=

(3.1) 式中:g D — 矫直辊辊腰直径,单位为mm ;

m a x d — 管材最大直径,单位为mm ;

取系数为1.7,则辊径g D 为:

3.3722197.17.1=?==d D g mm

3.2.2辊子长度的确定

初选辊子长度g L :由文献[2] 264页 (4-21)式得:

150max >d mm 时:

()g g D L 5.23.1-=

3.2) 取系数为1.5,则辊子长度g L 为:

45.5583.3725.15.1=?==g g D L mm

3.2.3辊距的确定

初选辊距p :

()g L p 5.22-= (3.3)

取系数为2,则辊距p 为:

9.111645.55822=?==g L p mm

根据现场的实际情况和以往的经验,及参照同类型设备和有关标准,最后确定辊形的工艺参数为:

380=g D mm 560=g L mm 1000=p mm

3.3矫直力的计算

在上横粱压下传动过程中,中间辊所受的矫直力最大,所以在下面的丝杠设计及辊轴的校核过程中都用此力来计算。

查文献[1]288页,式4-78 ()

t g g g g M L t L p L t p L F ????????????-??? ??---+=35.122235.1335.22 (3.4) 式中:t — 为工件的螺旋导程;

t M — 弹性极限弯矩,s s t W M σ=,WS W s =;

s W — 塑性断面系数;

W — 抗弯断面模数;

84.5710982191792190982.00982.04444=???

? ??-=???? ??-=D d D W mm 3 查文献[5]第378页,表8-2取5.1=S

265.8566485.184.571098=?==W S W s

17.471156545265.856648550=?==s s t W M σN·

mm 92.42921932tan 32tan =???=??=ππD t mm

()

t g g g g M L t L p L t p L F ????????????-??? ??---+=35.122235.1335.22 =()

()17.47115654535.1292.42923801000380292.429100035.1380335.2?????????---?-+?g L =2808057.185N

中间上辊的压紧力可有可无。但是,它的导向作用不可少。因此可以考虑具有轻微的压紧力并按0.32F 来计算。

于是矫直力为:

03.1965640185.28080573.0185.28080573.0222=?-=-='F F F N

3. 4主电机的选择

主电机的型号:24-280-21

功率:110KW ×2

转数:600/1500r/min

主减速器速比:16.57

4 压下机构设计

4.1螺旋螺母的设计

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图4.1 螺旋传动的受力分析

4.1.1选择螺旋螺母材料

螺旋采用45钢淬火,由文献[9]第1卷3-15页表3-1-7]查得其抗拉强度

600=B σMPa ,屈服强度355=S σMPa ,螺母材料用铝青铜ZcuAl10Fe3(考虑速度低)

。 4.1.2耐磨性计算

由文献[1]92页式(5-44) []

p h FP d φπ≥2 (4.1) 式中:2d — 螺纹的中直径,单位为mm ;

F — 作用于螺杆上的轴向载荷,单位为N ;即'=2F F

P — 螺距,单位为mm ;

h — 螺纹的牙形高度,单位为mm ;

[]p — 许用压强,单位为MPa ;

φ— 可根据螺母形式选定,对于整体式螺母,由于磨损后不能调整,

φ取1.2~2.5;

考虑到螺杆对强度要求较高并单向传动,采用锯齿形螺纹。

按国家标准:30°锯齿形螺纹P h 75.0= 。 取2.1=φ

由文献[1]第93页表5-12查得许用压强[]2518~p =MPa 。取[]21=p MPa []948.18121

2.175.00

3.19656402=????=≥P P p h FP d πφπmm 查文献[9]第2卷 5-25页表5-1-13(GB/T13576.3-1992)螺纹的基本尺寸:

500.18622==D d mm ;76.1683=d mm ;000.1733=D mm ;

200=d mm ; 18=P mm ; 5.131875.075.0=?==P h mm

螺母高度:

2d H φ=

(4.2) 38.218948.1812.12=?==d H φmm 取220=H mm

螺母的螺纹圈数:

P H

Z = (4.3) 2.1218220

===P H

Z 取12=Z

4.1.3校核螺旋副自锁条件

螺旋升角:

2

arctan d P

π?= (4.4) ?=?==76.15

.18618

arctan arctan 2ππ?d P

查文献[1]第93页表5-12得摩擦系数1.0=f 。

摩擦角:

f arctan =ρ

(4.5) ?===71.51.0arctan arctan f ρ

∵?=-=?-<71.4171.51ρ?,∴证明螺旋自锁可靠。

4.1.4校核螺母螺纹牙强度

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图4.2 螺母螺纹圈的受力分析

由文献[1]第94页表5-13知螺母螺牙许用应力,对于青铜材料有[]40=τMPa , []60=σMPa ,考虑载荷接近静载,铝青铜材料强度较高,许用应力取大值。

螺纹牙危险截面a-a 的剪切强度条件为:

[]τπτ≤=DbZ

F (4.6) 螺纹牙危险截面a-a 的弯曲强度条件为:

()[]σπσ≤-=Z

Db D D F 223 (4.7) 式中:b — 螺纹牙根部的厚度,单位为mm ;

对于30°锯齿形螺纹,P b 75.0=。

[]τ— 螺母材料的许用切应力,单位为MPa ;

[]σ— 螺母材料的许用弯曲应力,单位为MPa ;

31.1912

5.1320003.1965640=???==ππτDbZ F MPa<[]40=τMPa ()()93.5712

5.132005.18620003.196564033222=???-??=-=ππσZ Db D D F MPa<[]60=σMPa 螺母螺纹的剪切和弯曲强度都满足要求。

4.2压下装置的减速器和电机的选择

4.2.1选择减速器

1、 螺旋升角α:

2

tan d P πα= (4.8) ?=?==∴7597.15

.18618arctan arctan 2ππαd P 2、 总摩擦力矩总M :

轴承螺纹总M M M += (4.9)

式中:螺纹M — 螺纹的摩擦力矩,单位为N ·mm ;

轴承M — 轴承的摩擦力矩,单位为N ·mm ;

螺杆所受的横向力:

αμαcos sin 11N N F +=

螺杆所受的摩擦阻力:

αμαsin cos 3cos 11N N N +=? (4.10)

式中:1N — 作用于螺纹上的正压力,单位为N ;

μ— 摩擦系数;

查文献[9]第1卷1-8页表1-1-7摩擦系数μ,无油润滑,18.0=μ ∴05.103cos 7597.1sin 18.07597.1cos 103cos sin cos 1=???

?-?=?-=αμαN N t ()117.27597.1cos 18.07597.1sin 15.10cos sin 11=??+??=+=αμαN N F t

421041.1972

5.186117.22?=?=?=d F M 螺纹N ·mm ()[]

4101712/1154/115265115265?=+-+=N M μ轴承 N ·mm