多向模锻液压机设计Word文档下载推荐.docx

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其中有100MN、150MN、300MN、750MN等，750MN是目前世界上最大的模锻水压机。

无论是中小型还是大型多向模锻机，其应用范围及其工艺，是金属材料成型及加工的重要技术，我国由于工业发展较慢与世界各个机械行业大国的技术相比还有很大的差距，所以我们应该强这方面的技术研究与开发工作，争取早日达到世界先进水平[12]。

图1-1是上海电气集团制造的液压机。

图1-1165MN液压机

典型的大型液压机结构型式有下面几种[24]：

（1）三梁四柱式三梁四柱式液压机是最常见的一种结构型式，尤其是大型自由锻造液压机通常采用的一种结构型式。

如上海重机厂120MN、富拉尔基第一重机厂120MN、四川德阳第二重机厂125MN自由锻造水压机。

（2）整体框架式压机主机架为整体焊接或整体铸造。

如四川长城钢厂从日本引进的20MN下拉式自由锻造液压机。

（3）三梁多柱组合式对于大型模锻液压机。

其大吨位使得本体结构设计变得复杂，受制造、安装、运输等条件的限制，本体往往采用分体组合结构。

我国自行设计制造的300MN模锻水压机采用的是三梁多柱组合结构。

（4）多板组合框架式对于大型多向模锻液压机，其大吨位和对压机刚度的更高要求使得本体结构设计变得更加复杂。

美国Cameron公司制造的300MN多向模锻液压机和第一重机厂设计的200MN多向模锻挤压液压机，主机架采用的是叠板组合结构。

（5）钢带缠绕框架式用钢带缠绕方式制成的预应力液压机机架，具有结构轻巧、尺寸小、抗疲劳性能好及造价低廉等特点。

瑞典曾用于制造冷锻液压机，前苏联则设计并制造了从10MN到150MN的有色金属模锻液压机系列。

多向模锻的工艺特点为：

除了像常规模具具有水平分模面外，模具还可以有垂直分模面，并且在完成模锻工序的同时，可以方便的完成冲孔工序[4]。

因此，多向模锻可以产生复杂形状的具有内孔的模锻件其过程如图2。

图1-2多向模锻加工具有内孔的模锻件

1.2多向模锻的优缺点及发展方向

（1）材料利用率高。

多向模锻大多采用闭式模锻，锻件可设计成空心的，可以取消或设计很小的模锻斜度，借助卸料器锻件也易于取出，因而可以节约大量材料，与一般模锻工艺相比较可节约金属50%左右，材料利用率可达40-90%。

（2）锻件性能好。

多向模锻属闭式模锻，一般没有毛边，金属流线沿锻件外形分布，可提高锻件的机械性能和抗应力腐蚀的能力。

一般可提高强度30%以上。

（3）生产率高。

多向模锻只需毛坯一次加热和压力机一次行程便可成形锻件，生产率高，同时最大限度避免了由于加热带来的缺陷和损失。

这一点对于高合金钢、镍基合金、钛合金是极为重要的。

这些材料价格昂贵，锻造温度范围狭窄，减少了加热次数和氧化损失，便能降低成本，提高质量，有利于实现机械化，若配备机械手可大大降低劳动强度。

（4）应用范围广。

多向模锻时，毛坯处于强烈的压应力状态下变形，可使金属塑性大大提高，有利于低塑性材料的成形。

多向模锻不仅可以加工各种复杂形状的锻件，而且对锻件尺寸大小、材料限制也较少。

除一般有色金属、黑色金属外，也可模锻高合金钢、镍铬合金等，因为在多向模锻时能提高材料的塑性。

多向模锻也存在一些缺点。

首先是要求毛坯具有较高的剪切质量，坯料尺寸与重量要求精确。

其次是毛坯加热后应尽量避免氧化皮，要求对毛坯进行少无氧化加热或设置去氧化皮的装置。

要求使用刚性好、精度高的专用设备或在通用设备上附加专用的模锻装置。

多向模锻液压机的未来发展趋势可总结如下[12]：

（1）机架应具有足够的刚度，以便能够得到很好的尺寸的公差。

（2）应具有很好的抗偏心载荷，以便能再有偏心载荷的时候得到较准确的尺寸公差。

（3）滑块的导向机构要保证水平方向的尺寸精度。

（4）控制系统应具有有控制活动横梁的停位精度，保证垂直方向的尺寸精度。

2.机械总体设计

液压机是一种广泛使用的压力加工设备，具有多种型号，系列产品。

本设计的液压机主要用于可塑性材料的压制工艺，多用于形状对称结构相对较复杂制品的压制成型工艺。

2.1多向模锻压机主要技术参数

根据任务书给定的技术参数及查阅的资料，确定了本设计主要技术参数见表2-1表2-1液压机设计参数

参数名称

数值

竖直缸公称压力

8000KN

最大工作压力

32MPa

主缸回程力

500KN

顶出缸顶出力

主缸滑块行程

800mm

顶出活塞行程

250mm

主缸滑块下平面距工作台最大距离

2000mm

主缸快进速度

0.25m/s

主缸滑块工进最大速度

0.125m/s

主缸快退速度

顶出缸顶出速度

0.3m/s

顶出缸退回速度

水平缸行程

500mm

水平缸压力

32MPa

水平缸开口距离

2000

水平缸工称压力

5000KN

水平缸快进速度

水平缸工进最大速度

2.2多向模锻液压机的基本工作原理

多向模锻的除了像常规模具具有水平分模面外，模具还可以有垂直分模面，并且在完成模锻工序的同时，可以方便的完成冲孔工序。

因此，多向模锻可以产生复杂形状的具有内孔的模锻件。

结构设计包括对液压机各个横梁、立柱、液压缸和液压缸辅助部件和零件的设计，并对所设计出的结构进行分析、校核。

（1）上下横梁的设计：

首先结构设计要合理，既要保证在强度和刚度都满足时又要保证质量够轻，所以设计横梁应考虑用合理的结构，如采用薄壁结构加筋板来提高横梁的强度等等。

（2）立柱的设计：

立柱的主要作用是对横梁进行支撑和导程。

设计时要考虑各机械精度，如直线度、表面加工精度等，还要通过它们受力的特点设计合理的截面形状。

（3）有关螺母的设计：

螺母的主要作用是对紧固。

横梁的固定主要由螺母来实现，设计时要考虑其工作条件来选择螺母的防松方法等。

（4）液压缸的设计，设计过程中注意机械设计手册的国标选用，设计一国标为准，如油口尺寸，密封零件的尺寸。

2.3总体布局方案的拟定

设计如图2-1所示总体布局方案，液压机总体包括各个横梁、立柱、和四个液压缸三大部分。

图2-1液压机总体布置图

2.4液压机设计

2.4.1工作主缸的设计计算

根据任务书给定的技术参数及查阅的资料，确定了液压机主要技术参数，由

工作压力的确定。

查《液压系统设计简明手册》，液压机的工作压力的范围是20~32MPa。

由于液压机的工作负载比较大，为8000KN，则取主缸的工作压力为p=31.5MPa。

（1）计算主缸内径和活塞杆直径

主缸的最大负载为工进时的负载，即8000KN。

查《液压系统设计简明手册》，可知液压机的背压在初算时可忽略不计。

取液压缸的机械效率：

η=0.95。

图2-2液压机主缸受力

由图2-2得，

D=

（2-1）

式中：

P1—液压缸工作压力；

P2—液压缸回路背压，对于高压系统初算时可以不计；

F—工作循环中最大负载；

ηcm—液压缸机械效率，一般ηcm=0.9～0.95。

将参数代入公式（2.1），P2忽略不计，可求得液压缸内径

即：

D=

mm≈590mm

查表,将液压缸的内径圆整为标准系列直径，取D=590mm那么由d/D=0.7可以求得活塞杆直径。

d=0.7D=0.71x590≈420mm

同理查表,将活塞杆直径圆整为标准系列直径，取d=420mm。

经过计算液压机主缸的内径、活塞杆直径分别为：

D=590mm；

d=420mm。

主缸缸体材料的选择

液压缸的制造材料一般有锻钢、铸钢、高强度铸铁、灰铸铁、无缝钢管等。

对于负载大的机械设备缸体材料一般选用无缝钢管制造，主缸缸体材料选用45钢[5]。

（2）主缸壁厚的确定

液压缸壁厚

（2-2）

δ—液压缸壁厚（m）；

D—液压缸内径（m）；

—实验压力，一般取最大工作压力的（1.25～1.5）倍；

[σ]—缸筒材料的许用应力。

锻钢：

[σ]=110～120MPa；

铸钢：

[σ]=100～110MPa；

高强度铸铁：

[σ]=60MPa；

灰铸铁：

[σ]=25MPa；

无缝钢管：

[σ]=100～110MPa。

主缸壁厚δ计算，将D=0.59m；

[σ]=110MPa；

=1.25×

32MPa=40MPa代入公式（2.2）中，即：

液压缸缸体的外径D外计算公式如下：

D外≥D＋2δ（2-3）

将参数代入公式，即：

D外≥0.59m＋0.21m＝0.8m

外径圆整为标准直径系列后，取主缸缸体外径D外＝800mm。

（3）主缸缸盖材料、厚度的确定

缸盖常用制造材料有35钢、45钢、铸钢，做导向作用时常用铸铁、耐磨铸铁。

缸盖材料选用45钢，缸盖厚度计算公式如下：

（2-4）

t—缸盖的有效厚度（m）；

—缸盖止口直径；

[σ]—缸盖材料许用应力。

圆整后取缸盖厚度t=150mm。

（4）主缸最小导向长度的确定

当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离称为最小导向长度，用H表示。

如果导向长度太小，会因为间隙引起的挠度而使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定工作。

一般而言，液压缸的最小导向长度应该满足如下要求[5]：

（2-5）

导向长度如图2-3所示：

图2-3主缸导向长度原理

L—液压缸的最大行程；

D—液压缸的内径。

可知主缸的最大行程H=800mm，液压缸内径D=590mm代入公式（2-5）中，求主缸的最小导向长度。

为了保证最小导向长度H，不应过分增大

和B的大小，必要时可以在缸盖和活塞之间增加一个隔套来增加最小导向长度。

隔套的长度C可有公式（2-6）求得，即：

（2-6）

B—活塞的宽度，一般取B=（0.6～1.0）D；

—缸盖滑动支承面的长度，根据液压缸内径的不同有不同的算法，当D＜80mm时，取

=（0.6～1.0）D；

当D＞80mm时，取

=（0.6～1.0）d。

（5）主缸活塞材料、技术要求、外形尺寸及密封方案的确定

活塞制造材料一般选用灰铸铁（HT150、HT200）、当缸体内径较小时，整体式结构的活塞选用35钢、45钢。

主缸活塞选用灰铸铁HT200。

活塞制造时外圆柱表面的粗糙度为Ra0.8～1.6μm；

外径圆度、圆柱度不大于外径公差的一半；

外径对内孔的径向跳动不大于外径公差的一半；

端面对轴线垂直度在直径100mm上不大于0.04mm；

内孔与活塞杆的配合取H7/k6。

活塞宽度系数取0.8，即活塞的宽度B=0.8D=0.6×

590mm=354mm。

圆整后取活塞宽度B=360mm。

液压机主缸工况时的压力大，泄漏量也会随压力成正比升高，因此密封圈选用YX形密封圈，这种密封圈能承受的大的工作压力，泄漏量小。

（6）主缸活塞杆材料、技术要求及长度确定

活塞杆有空心和实心两种结构形式。

空心时一般选用35钢、45钢的无缝钢管；

实心结构选用35钢、45钢。

主缸活塞杆选用45钢[5]。

活塞杆制造时外圆柱面粗糙度为Ra0.4～0.8μm；

热处理要求调质20～25HRC；

外径圆度、圆柱度不大于直径公差的一半；

外径表面直线度在500mm上不大于0.03mm；

活塞杆与导向套之间的配合公差采用H7/f7，与活塞连接的配合公差采用H7/h6。

由行程，确定活塞杆的长度L杆=1570mm。

（7）主缸长度的确定

液压缸缸体内部长度等于活塞的行程与活塞的宽度之和。

缸体的外形尺寸还应考虑两端端盖的厚度，总体而言，液压缸缸体的长度L不应该大于缸体内径D的20～30倍，即：

L≤（20～30）D。

由主缸行程为800mm，活塞宽度为360mm,缸盖厚度为150mm，通过计算可知，主缸的长度取L缸=1970mm。

（8）活塞杆稳定性校核

活塞杆工作中主要受压，当液压缸的支承长度Lb≥（10～15）d时，必须对活塞杆的弯曲稳定性进行校核,d为活塞杆直径。

通过计算可知，Lb的最大值不可能大于L杆+L缸=3540mm，而（10～15）d=5900～8850mm。

将参数代入Lb≥（10～15）d中，比较后Lb＜（10～15）d，活塞杆满足使用要求，工作时不会失稳。

（9）主缸结构设计

1）缸体与端盖的连接形式

缸体与端盖的连接形式通常有法兰连接、螺纹连接、外半环连接、内半环连接等形式。

由于液压机工况时缸体内的压力很大，所以缸体与端盖的连接方式选用法兰形式。

2）活塞杆与活塞的连接形式

活塞与活塞杆的连接结构有整体式结构、螺纹连接、半环连接、锥销连接等连接形式。

由于活塞杆直径较大，所以主缸活塞与活塞杆的连接选用端盖加螺钉连接形式。

3）活塞杆导向结构形式

活塞杆的导向部分包括端盖、导向套、密封、防尘和锁紧结构。

工程机械中导向套一般安装在密封圈的内侧，有利于导向套的润滑。

导向套选择常用的黄铜材料。

4）缓冲装置

液压机运动时的质量大，快进时的速度快，这样活塞在到达行程中点时，会产生液压冲击，甚至活塞与缸筒端盖会产生机械的碰撞。

为防止这种现象的发生，在行程末端要设置缓冲装置。

一般缓冲装置有环状间隙式节流缓冲装置、可调节流缓冲装置、三角槽式节流缓冲装置。

2.4.2水平液压缸的设计

计算水平缸内径和活塞杆直径（水平缸有两个）设计过程和主缸大体相同故简略将其设计尺寸进行说明：

（1）缸和活塞的尺寸设计

水平缸的最大负载为工进时的负载，即5000KN。

取液压缸的机械效率cmη=0.95。

将参数代入公式（2-1），P2忽略不计，可求得液压缸内径

D=461mm

将液压缸的内径圆整为标准系列直径，取D=500mm那么由d/D=0.7可以求得活塞杆直径。

d=0.7D≈360mm

将活塞杆直径圆整为标准系列直径，取d=360mm。

D=500mm；

d=360mm。

水平缸缸体材料的选择水平缸体材料选用45钢。

（2）水平缸壁厚的确定

水平缸壁厚δ计算，将D=0.5m；

32MPa=40MPa代入公式（2-2）中，即：

（3）缸体外径的设计将参数代入公式（2-3），即：

D外≥0.5m＋0.18m＝0.68m

（4）主缸缸盖材料、厚度的确定

缸盖材料选用45钢，缸盖厚度计算公式2-4

圆整后取缸盖厚度t=130mm。

（5）水平缸最小导向长度的确定

液压缸的最小导向长度应该满足如下要求：

可知缸的最大行程H=500mm，液压缸内径D=500mm代入公式（2-5）中，求主缸的最小导向长度。

（6）水平缸活塞材料、技术要求、外形尺寸及密封方案的确定

内孔与活塞杆的配合取H7/h6。

500mm=300mm。

液压机主缸工况时的压力大，泄漏量也会随压力成正比升高，因此密封圈选用Yx形密封圈，这种密封圈能承受的大的工作压力，泄漏量小。

并由Yx型圈的安装方式确定活塞的结构形式。

（7）水平缸活塞杆材料、技术要求及长度确定

主缸活塞杆选用45钢。

由行程，确定活塞杆的长度L杆=1190mm。

（8）水平缸长度的确定

由水平缸行程为500mm，活塞宽度为300mm,缸盖厚度为130mm，通过计算可知，水平缸的长度取L缸=1440mm。

（9）活塞杆稳定性校核

（9）缸结构设计

缸体与端盖的连接方式选用法兰形式。

由于活塞杆直径较大，所以缸活塞与活塞杆的连接选用端盖加螺钉连接形式。

2.4.3顶出缸工作压力、内径、活塞杆直径的确定

顶出缸工作负载与主缸相比要小很多，,取顶出缸的工作压力P=12MPa,

（1）计算顶出缸内径和活塞杆直径。

最大负载F=500KN。

缸工作压力为12MPa，选取d/D为0.7，取液压缸的机械效率ηcm=0.95。

mm≈146mm

将液压缸的内径圆整为标准系列直径，取D=160mm；

那么由d/D=0.7可以求得活塞杆直径。

d=0.7D=0.7x160≈112mm

将活塞杆直径圆整为标准系列直径，取d=110mm。

经过计算液压机顶出缸的内径、活塞杆直径分别为：

D=160mm；

d=110mm。

（2）液压缸壁厚

缸壁厚δ计算，将D=0.16m；

32MPa=40MPa代入公式中，即：

取35mm

液压缸缸体的外径D外计算公式D外≥D＋2