20MN数控锻造液压机数字化样机设计说明书(共28页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上20MN数控锻造液压机数字化样机设计说明书安阳工学院安阳锻压机械工业有限公司2010年6月25日目 录一、主要技术参数二、关键零部件的设计三、液压系统的设计四、电气系统的设计五、快锻液压机的运动仿真六、工作液压缸的有限元分析七、快锻液压机打击碰撞动态特性分析一、主要技术参数根据厂家的要求确定了如下的技术要求: 压机公称压力 20MN 结构型式 整体框架双柱下拉式 工作介质压强 32MPa 最大行程 1600mm 最大净空高 3170mm 柱间净空距 1300x2210mm 移动工作台尺寸 1660x5000mm 移动工作台行程 2x1500mm 回程力 4MN 允许锻
2、造偏心距 160mm 砧高 上砧 620mm 下砧 950mm 锻造次数 快锻 8085次/分 常锻 2045次/分 锻造控制精度 1mm 工作缸柱塞直径 900mm 传动形式 油泵直驱传动 控制介质 手动、半自动、自动、联动 工作介质 L-HM液压油68 最大空程下降速度 350mm/s 最大回程速度 350mm/s 拔长钢锭 32t镦粗钢锭 14t二、关键零部件的设计快锻液压机的总体结构如图1所示,主要由固定横梁3、导向板11、机架5、工作液压缸2、回程液压缸12、上砧座10、下砧座4等组成。图1 快锻液压机整体结构1-工作缸柱塞 2-工作液压缸 3-固定横梁 4-下砧座 5-机架 6-辅
3、助液压缸 7-小支座 8-转轴 9-垫板 10-上砧座 11-导向板 12-回程液压缸 13-回程液压缸活塞杆以下主要对工作液压缸、固定横梁、机架三部分的设计进行重点说明。1. 工作液压缸的设计液压缸的作用是把液体压力能转换成机械能。根据20MN快锻液压机的生产工艺特点以及总体结构要求,该压机采用单工作缸。工作缸采用缸底支承,柱塞传动型式。工作缸通过法兰上的螺栓固定在固定横梁上。为了避免固定横梁高度的增加,法兰设置在缸体中部而不像传统结构那样设置在缸口部分。工作缸缸体采用锻件合金结构钢,缸体材料为20MnMo,调质后机械性能,b=530MPa,s=372MP。而其结构尺寸较大,难以整体锻造,所
4、以工作缸均采用分段锻造后焊接制成。柱塞的表面质量,对工作缸密封装置和导向铜套的磨损及寿命有极大的影响,因此柱塞表面必须具有足够的硬度和良好的粗糙度。为了达到这一要求,制造柱塞的材料一般选用含碳量较高的碳素锻钢1311,锻造毛坯,机加工后表面进行特殊处理。液压缸柱塞材料选用45钢。通过上述分析,在CATIA中建立了工作缸的模型,工作缸的二维平面图及三维实体图如图2和图3所示。图2 工作缸二维图图3 工作缸三维图2. 固定横梁的设计固定梁是液压机本体中重要的功能部件和承载部件,是液压机中结构和受力最为复杂的部件。在大型液压机设计中,梁的设计的合理性,刚度、强度分析的可靠性直接影响到梁的功能的发挥和
5、使用寿命,进而影响到整机功能的发挥和整体工作性能,因此梁的设计方案的拟定是压机设计的重点。本台液压机固定梁采取整体铸造结构。材料选用ZG25Mn,此材料具有一定的韧性和塑性,强度和硬度较高,其机械性能b=490MPa,s=295 MPa。20 MN快锻液压机为整体框架下拉式压机,固定横梁通过两个支座固定在地基上。固定横梁上面安装移动工作台,工作台两侧连接有支架(即工作台辅座),在垂直于工作台方向有横向移砧装置,而且工作缸和回程缸也都安装在固定横梁上,因此,该压机固定横梁比传统三梁四柱式压机的横梁在结构和受力方面都要复杂的多。通过上述分析,在CATIA中建立了固定横梁的模型,固定横梁的三维结构图
6、如图4所示。 图4 固定横梁3. 机架结构设计传统三梁四柱式液压机由上横梁、下横梁和立柱通过十六个内外螺母组成一个封闭框架,这是最常见的液压机机身结构型式。这种型式的液压机最大缺点是承受偏心载荷能力较差,最大载荷下偏心距一般为跨度(即左右方向的中心矩)的百分之三,而且,在长期反复载荷作用下,螺母容易松动,立柱上由螺纹到光滑部分往往有应力集中,形成强度设计中的薄弱环节。整体框架式结构是各种液压机设计中普遍采用的结构形式之一,主要特点是易于获得较高的刚度,滑块大多数采用45斜面和八角可调间隙的平面导向结构,导向精度高。因此在塑料制品、粉末冶金、双动薄板冲压和金属挤压液压机中获得广泛应用。本项目开发
7、的液压机采用整体铸造框架结构,立柱为矩形截面。机架材料选用ZG25Mn,铸造后正火处理,b490 MPa,s295 MPa。根据固定梁、工作台、压机行程及上下砧座等参数,确定机架内侧高度 6752mm,考虑上砧旋转装置、工作缸及回程缸等参数确定机架总高度9992mm,机架重量为 110吨。根据上述分析,在CATIA中建立了如图5所示机架的模型。图5 机架三、液压系统的设计锻造液压机由于液压系统流量大,目前普遍采用插装阀构成;同时为了便于数字化控制,提高锻造精度采用比例阀构成液压比例控制系统。该系统:通流能力大、 工作压力高、密封性能好、响应快、 动作可靠。系统设计原理图如6所示。1.系统工作原
8、理泵站设计有6组定量泵,每组流量为540l/min,电机功率为250KW,通过不同组流量组合,可使液压机有不同的工作速度和锻造次数。工作时电磁阀5得电,系统建立压力。比例阀6得电,油泵排出的压力油经主管道和阀7进入主油缸11,;电磁阀18得电,插装阀16,17打开,回升缸接通油箱;活动梁快速下降,此时冲液阀打开向主缸补液。当上砧接触到工件时,转为工进,当工进到工件成型时,电磁阀5失电,油泵卸荷。电磁阀18失电,阀16、17关闭;阀19得电,主缸11卸荷;卸荷完毕后,电磁阀5得电,比例阀12得电,油泵压力油经阀15进入回升缸,活动梁快速上升,上升到设定位置停止,进入下一次锻造。图6 锻压机液压系
9、统原理图2.液压系统仿真与性能分析AMESim是法国IMAGINE公司于1995年推出的一种基于键合图的高级系统建模、仿真及动态性能分析软件。AMESim为用户提供了一个图形化的时域仿真建模环境,使用已有模型和建立新的子模型元件,构建优化设计所需的实际原型,方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应用实例,通过修改模型和仿真参数,进行仿真计算、 绘制曲线并分析仿真结果。图7 锻打过程压力曲线从锻造过程曲线来看,上砧在接触工件瞬间,主缸压力波动较大,有一定液压冲击,因此在系统元件选择上要注意这点,特别是与主缸相连的补液阀10,单向阀7和插装阀8(见原理图)。四、电气系统的设计五、快锻液压机的运动仿真
10、1. 基于CATIA的几何模型的建立在三维设计软件CATIA中建立快锻液压机零部件的三维实体模型,并进行虚拟装配,如图5.1所示:图 5.1 快锻液压机整体装配图2. 基于SimDesigner的运动仿真把装配好的快锻液压机模型在SimDesigner中打开,使用这个软件可以对CATIA绘制的零件模型进行动态的运动模拟,具体运动仿真过程如下:(1)打开模型并设置工作界面在CATIA工作环境中运行SimDesigner软件以启动SimDesigner Motion的工作界面。(2)从装配体中创建机构从SD Motion菜单中选择“新建机构”New Mechanism。图5.2 New Mecha
11、nism对话框单击弹出对话框的OK键即可创建一个新机构,这时装配体上会出现一些白色的图标,如下图所示。图5.3 机构示意图展开特征树以显示SimDesigner Motion的分支。图5.4 特征树(3)为机构添加运动现在要为机构定义一个运动,才可以使机构动起来。图5.5 添加运动(4)进行模拟在进行模拟之前,必须指定模拟的时间长度和帧数。图5.6 模拟对话框(5)查看动画作为模拟的一部分,SimDesigner Motion会产生一个可以回放的文件,可以通过回放对话框进行查看机构的运动和一些基本的操作,例如保存动画文件,添加干涉分析等。图5.7 重放对话框六、工作液压缸的有限元分析在快锻液压
12、机中,工作缸是液压机的主要承载部件之一。工作缸往往由于设计、制造或使用不当,过早损坏。如某大型模锻水压机使用十多年,主工作缸损坏十四次,先后做过四个缸,每造一个缸约耗费数十万元。因此,对于液压机的工作缸进行结构分析,给出合理的结构设计是十分重要的。本文采用ANSYS软件对20 MN快锻液压机的关键部件工作缸进行有限元分析,为该压机整体方案的最终确定提供设计依据。1. 液压缸有限元的建立利用ANSYS建立有限元模型的途径有:(1) 利用ANSYS创建的实体模型直接划分有限元网格。(2) 利用ANSYS直接创建节点和单元。(3) 利用其它软件建立有限元模型,将其数据导入ANSYS。由于20 MN快
13、锻液压机的关键部件(包括工作缸、固定横梁、机架)结构非常复杂,而且ANSYS前处理模块的建模功能有限,所以,本文采用CATIA软件进行参数化建模,然后将实体模型导入ANSYS。考虑到精度和计算时间的问题,该工作缸采用SOLID187单元。划分网格时把单元尺寸设定为0.1 m,并且在工作缸的进油口和缸底圆弧过渡处加以细化。这样整个工作缸模型共划分为34041个单元,53085个节点。网格划分模型如图6-1所示。图6-1 工作缸的有限元模型2. 边界条件和载荷工作缸的实际受力比较复杂,包括法兰固定螺栓、压盖螺柱对工作缸的作用力,这些作用力与工作缸内部的液体压力相比小的多,故可略去不计。故对工作缸有
14、限元模型施加以下载荷:(1) 在工作缸内部施加工作压力32 MPa(液体压力);(2) 在工作缸外底面施加竖直方向约束;(3) 在工作缸与固定横梁相配合的两个环形面上施加0.1 mm的位移。3. 计算结果分析(1)工作缸整体强度和变形分析工作缸的等效应力和变形云图如图6-2和图6-3所示。由图可以看出,工作缸在工作状态下的最大等效应力为238.5 MPa,低于其设计的许用应力(安全系数取为1.5时,s =248 MPa),出现在充液口里侧下边缘,缸底圆角过渡部分等效应力为55.983.4 MPa。最大变形量为0.2354 mm,出现在工作缸缸底内部。由以上分析可知,20 MN快锻液压机工作缸整
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