壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 疲勞振動自動下料機設計
摘 要
下料往往是鍛壓行業(yè)的第一個工序，也是獲得諸如普通的銷標準件、內(nèi)燃機活塞銷、鏈條連接銷、軸承內(nèi)外圈及滾子等零件的關鍵工序。目前，下料方法主要有：鋸床下料、各種剪切下料、車床切削下料、彎曲疲勞斷料等各種方法。可是，通常的下料方法都有其自身的局限性，例如：能耗大、斷面質量差、原料浪費嚴重、工具損耗大、生產(chǎn)效率低等等。這些缺點和當前提倡的“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略“嚴重違背，而且不能滿足冷擠壓、溫熱擠壓、精密鍛造、精密碾壓和電熱敦粗等少無切削新工藝的要求。本課題提出了一種棒材的高速精密疲勞下料的新方法。它應用了“削強增脆“的最新精密下料方法，借鑒了”高速剪切下料“機理。采用感應加熱的方式先將棒料加熱到一定程度，然后再冷卻，從而產(chǎn)生熱應力快速預置裂紋，依靠液壓缸加緊棒料作為定刀片保持棒料不轉，動刀片在變頻器的控制下高速旋轉，從而實現(xiàn)了棒料的快速彎曲疲勞下料。本下料方法可以實現(xiàn)載荷沿棒料上下彎曲，時期疲勞斷裂，所以不存在各種剪切法的”馬蹄形”斷面，可以得到很好的斷面質量，而且?guī)缀跏遣焕速M材料，因此說它是一種高效率的近凈綠色的制造工藝，值得研究和推廣。
關鍵詞：低應力，疲勞，振動。
Abstract
The materials’ cutting is often the first process in the forging industry, but also the key process such as access to the standard parts, the internal combustion engine piston pin, the chain link pin, both inside and outside circle and roller bearings and other parts. At present, cutting methods are: saw cutting, shearing under all kinds of materials, cutting lathe cutting, bending fatigue off materials, and other methods. However, the usual cutting method has its own limitations, such as: energy, cross-section of poor quality, serious waste of raw materials, tools loss, low production efficiency and so on. These shortcomings seriously breaches with the promotion of "sustainable development strategy of", but also can not meet the cold extrusion, hot extrusion, precision forging, precision and electric RCC Dun less crude and other new technology without cutting the request. This issue presents a bar of high-speed precision fatigue under the new method of materials. It applied the "cut-by brittle," the latest precision cutting methods, from a "high-speed shearing of the news" mechanism. By the way first induction heating bar is heated to a certain extent, and then cooling, resulting in rapid thermal stress cracks preferences, relying on the hydraulic cylinder to intensify the bar as a blade. The bar does not move and the blade is in the inverter control. The high-speed rotation realizes the bar bending fatigue of rapid cutting. This method can be expected under the load along the curved bar from top to bottom, during the fatigue fracture, so there is no cut of all the "horseshoe" section, the section can be very good quality, but almost is not a waste of materials, so that it is a High efficiency of the net near the green manufacturing process, it is worth research and extension.
Key words:low stress, fatigue, vibration.
目 錄
第一章 緒論 1
1.1概述 1
1.2 剪切毛坯的精度的評價 1
1.3精密下料方法的研究現(xiàn)狀 2
1.3.1高速剪切 2
1.3.2徑向加緊剪切 3
1.3.3軸向加壓剪切 3
1.3.4彎曲疲勞斷裂法 4
第二章 變頻振動下料方式的基本原理 9
第三章 低應力疲勞下料機的設計 13
3.1引言 13
3.2棒料的受力分析 13
3.3刀具的設計 14
3.4夾緊V形塊的設計 15
3.5振動體支架的設計 16
3.6低應力疲勞下料機的工作原理 18
3.7變頻振動下料系統(tǒng)的總體構成 19
3.7.1 機械部分的總體構成 19
3.7.2液壓部分的總體構成 20
第四章 主要工作部件的校核計算 23
4.1求工作激振力 23
4.1.1激振力的公式 23
4.1.2質心的概念及其坐標公式 24
4.2電動機的設計計算 28
4.3鍵的選擇和強度校核 29
4.3.1鍵的尺寸選擇 29
4.3.2平鍵聯(lián)接的失效和強度校核 29
4.4受拉螺栓連接強度校核 30
4.4.1松螺栓連接 30
4.4.2緊螺栓連接 30
4.5關于活塞桿的校核 31
4.6滾動軸承的靜強度計算 31
4.6.1滾動軸承的特點 31
4.6.2滾動軸承的材料 32
第五章 結論與展望 35
5.1結論 35
5.2展望 36
致謝信 37
參考文獻 38
33
第一章 緒論
1.1概述
生產(chǎn)實踐中常用到的下料方法大致可以分為以下三個類型：剪切下料、鋸床下料、車床切削下料。其中剪切的下料方法由于其生產(chǎn)效率高，材料損耗小，模具簡單，得到了廣泛的應用。但是由于其受力特點，會產(chǎn)生“馬蹄形”斷面。鋸床下料雖然可以獲得較高精度的坯料，可是鋸縫處材料的損耗比較大。另外，每年的鋸條損耗也是很客觀的投資。車床切削下料可以獲得很高精度的的坯料，可是同時帶來的是更多的材料浪費。同時，由于表面的刀具切痕的存在，也會對以后的成型工藝帶來隱患。為此，長期來精密下料的研究重點還是傳統(tǒng)剪切工藝的改進上。這些精密剪切工藝按其剪切的機理可以分為：高速剪切、軸向加壓剪切，徑向加緊剪切、塑性疲勞剪切、漸進剪切、加熱剪切等等。
1.2 剪切毛坯的精度的評價
剪切的坯料斷面會出現(xiàn)塌角、凹坑、傾斜、壓扁、撕裂和毛刺等許多缺陷。這些缺陷與棒料的材料、剪切下料的方法、下料設備、剪刀片的形狀、精度和光潔度等各種因素有關。同時，不同的精密下料成形工藝對毛坯的精度也有不同的要求，所以對毛坯精度進行評價很有必要。
為了衡量剪切毛坯的的精度，根據(jù)圖1.1，一般可以采用以下參數(shù)表示[1]：體積偏差η0=ΔV / V；V和ΔV分別是毛坯的體積和體積偏差量；塌角f0=f / D；壓塌k0=k / D；斷面不平度b0=b / D；斷面橢圓度S0=（D-d）/ D；斷面傾角Φ0。
圖1.1衡量剪切毛坯精度的技術參數(shù)
1.3精密下料方法的研究現(xiàn)狀
目前技術比較成熟的精密下料方法主要有：
1．3.1高速剪切
普通的棒料剪切機和曲柄壓力機的剪切速度一般只有0.3m/s左右，隨著剪切速度的提高，毛坯質量可以得到顯著改善，因此產(chǎn)生了高速剪切。高速剪切的剪切速度在1.0~4.5m/s范圍內(nèi)。
由于材料的抗裂紋擴展的阻力和加載速率有關，而中低強度鋼有較大的速率敏感性，隨著加載速度的提高，他們的斷裂韌度下降，接近于脆性斷裂[2]。因此材料的劇烈變形區(qū)變窄，剪切變形更集中在上、下刀刃連線附近的薄層內(nèi)，隨后的裂紋擴展或撕裂也局限在該薄層的范圍內(nèi)，直到材料完全分離。所以高速剪切可以得到遠比低速剪切時更垂直平整的斷面，毛坯端部的幾何畸變（即塌角）也大為減少。
可是，對于像鈦、銅及其合金、鋁等軟質材料，由于它們的裂紋敏感性較小，高速剪切法就不能體現(xiàn)它的良好剪切效果。第二，高速剪切對毛坯的長徑比L/D也有要求：當L/D>1時，剪切質量基本上不受影響，但當L/D<1時，斷面橢圓度（D-d）/ D、斷面傾角Φ0和斷面不平度b / D急劇增大，當L/D<0.5時，則毛坯發(fā)生嚴重的整體畸變，甚至可能碎裂成片。第三，高速剪切的另一個突出缺點是噪音比較嚴重。
1.3.2 徑向加緊剪切
徑向加緊剪切原理如圖1.2所示。
圖1.2 徑向夾緊剪切示意圖
1—擋板；2—動剪力；3—夾緊力；4—棒料；5—靜剪力
它是在棒料剪切過程中沿剪切區(qū)兩側施加徑向夾緊力，以限制棒料的彎曲和材料沿軸向的流動，從而減少端部的拉壓變形，提高剪切毛坯的精度。這種方法不僅適用于冷剪切、熱軋圓鋼、方鋼，還可以進行熱剪，適用范圍較廣，斷面傾斜角度小于等于20 。德國Puttinghus、意大利FICEP公司、我國沈陽求實精密剪切廠的產(chǎn)品Q-45A系列精密棒料剪切機以及軸承廠的傅立壯研制的棒料徑向夾緊模[3]就是采用這種原理。
1.3.3 軸向加壓剪切
為獲得端部無塌角、斷面光亮的精密毛坯引入了軸向加壓精密剪切方法。它是在下料過程中，對棒料始終施加一個軸向壓力，從而提高了靜水壓力，增大了材料的塑性，抑制裂紋產(chǎn)生，使剪切過程中只有塑性變形。另外，也可以阻止材料沿軸向的流動。它的原理如圖1.3所示。
圖1.3軸向加壓剪切示意圖
1—動剪力；2—棒料；3—軸向壓力；4—靜剪力
這種下料方法對毛坯的長徑比L/D也有要求（>0.5），比較適合有色金屬的剪切，它要求動、靜剪切的間隙保持為零，再加上巨大的軸向壓力導致了材料內(nèi)部的壓應力很大，因此剪刃磨損嚴重。西安交通大學鍛壓教研室曾對銅、鋁等有色金屬進行過軸向加壓精密剪切研究，獲得了平整光滑的剪切面[4]。
1.3.4 彎曲疲勞斷裂法
彎曲疲勞斷裂法是在金屬棒料的圓周上加工一個尖銳的V型槽，然后在下料端施加徑向力，使棒料承受旋轉彎曲，經(jīng)過一定次數(shù)的應力循環(huán)后，金屬就在環(huán)形槽處斷裂。其工作原理如圖1.4所示。
圖1.4（a）用車刀加工V型槽
圖1.4（b）用鋒利滾輪軋制出V型槽
這種下料方法充分利用了缺口效應和彎曲疲勞效應，因此能夠實現(xiàn)材料在低應力水平下的脆斷，獲得無幾何畸變和斷口垂直平整的毛坯。對于高強度低塑性材料，如高碳鋼、工具鋼、軸承鋼和高速鋼等的下料具有一定的優(yōu)越性。其典型斷口特征如圖1.5所示。
圖1.5疲勞斷裂斷口特征
A：裂紋萌生區(qū),B：穩(wěn)定斷口區(qū),C：快速破裂區(qū)
它包括三個區(qū)域：A區(qū)為甴切口尖端出發(fā)的裂紋萌生區(qū)，它的寬度很小，通常僅為0.1~0.2mm；B區(qū)為穩(wěn)定疲勞斷裂區(qū)，相應的斷口平整光潔；C區(qū)為快速破斷區(qū)，在一般的情況下，該區(qū)斷口粗糙、平整度也較差，但隨材質的不同而有明顯的區(qū)別，對于高強度硬質材料，該區(qū)斷口質量也相當平整光潔。
在彎曲疲勞斷料時，需要在棒料上人為的預制V型缺口，它的主要參數(shù)如圖1.6所示，包括缺口角2α，缺口深度h和缺口尖端曲率半徑r。一般考慮的各種因素后取2α=600。
圖1.6 V型缺口參數(shù)
目前在這方面研究的設備既有專用的設備，也有在改裝的普通車床上配以專用的輔具進行[1]。以下將對這些設備進行陳述和討論。圖1.7是一種可以進行連續(xù)生產(chǎn)的彎曲疲勞斷裂裝置。在該裝置中，待切棒料1在軋輥3、5中一邊旋轉，一邊軸向前進。借助主動輥3上高度漸增的螺旋凸棱，在棒料上刻出等距的環(huán)形槽。隨后棒料經(jīng)受旋轉彎曲，經(jīng)過一定的應力循環(huán)次數(shù)后，即在棒端分離出毛坯4。由于同時有若干個待切毛坯經(jīng)受旋轉彎曲，因此，軋輥每旋轉一周，即可獲得一個毛坯。
圖1.7 連續(xù)式彎曲疲勞斷料裝置示意圖
1—棒料，2—螺旋凸棱，3、5—軋輥，4—毛坯
現(xiàn)在，對以上三種彎曲疲勞下料方法進行討論。首先，以上三種方法的一個共同點，也就是它們的最大缺點是讓棒料在旋轉。對于短的棒料，這種缺點就不是很明顯，可是隨著棒料長度的增加，高速旋轉的棒料尾部大部分在車床的外面很難控制，由于不同心就會被甩轉起來，這樣是十分危險的。為了解決這個問題，一種是讓棒料的轉速降低，這樣的生產(chǎn)率也隨之降低了；還有一種是讓棒料不轉，刀具旋轉，這也是我們研究的課題。第二，他們的V型槽產(chǎn)生的辦法導致了切口尖端的半徑r不可能做的很小，這樣初始理想裂紋的產(chǎn)生比較困難，而且需要比較長的時間，不利于低應力脆斷。因此要想一種方法可以產(chǎn)生更小的切口尖端半徑r。為此，我們在開V型槽時，先用寬車刀開出具有（60~900）的V型槽，然后再利用尖車刀將V型槽底部刮尖[5]。第三，它們把車V型槽和彎曲疲勞斷料兩個工步放在一起，后者受前者的牽制很大，不利于整體生產(chǎn)率的提高。為此，我們把兩個工步分開，應該分別設計開槽機和低應力疲勞斷料機。
總之，上述各種精密下料方法都有其自身的優(yōu)缺點，有些都已經(jīng)投入了實際的生產(chǎn)。可是距離高精度、低能耗、地浪費、高效率、簡單操作的總體目標還比較遠。因此，本文設計的低應力疲勞下料機也是希望在這方面有所進展。
第二章 變頻振動下料方式的基本原理
在進行實際的構件傳統(tǒng)斷裂行為研究時，往往是追求如何防止和控制工程結構的斷裂及破壞，研究裂紋體在不同環(huán)境下的裂紋形成機理、裂紋尖端應力、應變場、裂紋啟裂、止裂的判據(jù)和裂紋擴展規(guī)律等，從而確定哪些斷裂韌性指標，為預防、控制、預測裂紋行為提供依據(jù)。然而，事物都是有其兩面性的。裂紋固然會帶來災難，在一定條件下裂紋也可以變成可利用的下料方式，同時在利用裂紋時，應人為地實施控制，已達到化害為利的目的。
變頻振動下料系統(tǒng)正是從人們傳統(tǒng)的避免裂紋產(chǎn)生的反方向出發(fā)，在棒料上先設計出有利于裂紋萌生的環(huán)境 —V型槽，利用裂紋擴展總是在局部發(fā)生的特點，降低下料所需的力與能量，并考慮在什么樣的條件下，裂紋會以我們期望的方向和速度擴展，直至棒料斷裂，完成下料。
利用裂紋的第一部是產(chǎn)生裂紋。文獻中指出裂紋是在晶界、孿晶界、夾雜、微觀結構或成分不均勻區(qū)，以及微觀或宏觀的應力集中部位形核。由于工業(yè)中對宏觀應力集中的理論已經(jīng)相當成熟而且對他的控制也相對容易，因此本系統(tǒng)采用車削加工V型槽的辦法來產(chǎn)生集中區(qū)域，為裂紋的產(chǎn)生提供有利條件。根據(jù)應力集中部位的疲勞理論，要產(chǎn)生裂紋還需要有較大的局部應變。因此，還需要找到能在小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大變形的方法。
控制裂紋的生長，是科學利用裂紋的關鍵。裂紋的生長包括生長的方向、速度以及終止條件。裂紋具體生長狀況受到工件所處的周圍環(huán)境、所受載荷的情況、材料的性能等等因素的影響，因此控制裂紋生長的大環(huán)境是控制裂紋的根本。相比以上種種因素，載荷是相對便于控制和測量的，所以本文中采用控制載荷的方法來控制裂紋。而對于本文所述的振動下料系統(tǒng)，載荷應包括激振力 和動模具刃口的位移振幅，通過合理控制激振頻率即可以實現(xiàn)激振力和動模具刃口的位移振幅按設計的規(guī)律進行變化。
整個變頻下料系統(tǒng)正是按照上述的思路來設計的。振動下料系統(tǒng)的工作流程如圖2-1所示，它是由開槽裝置、預置理想裂紋裝置（熱應力裝置、校直機）振動下料機組成，這些裝置各自獨立但又共同完成下料任務。從圖2-1中可以看出，變頻振動下料的方式可以分為三條可以選擇的工藝路線：
第一條：熱應力式變頻下料法。利用開槽機，在棒料表面的規(guī)定位置上加工出等間距的V型槽，將棒料放入中頻加熱爐中加熱到一定溫度，然后送入冷卻裝置中進行分段快速冷卻以在V形槽底部產(chǎn)生熱裂紋，最后在振動下料機變頻振動下料；
第二條：校直式變頻下料機。利用開槽機，在棒料表面的規(guī)定位置加工出等間距的V型槽，將棒料送入棒料機械式校直機中進行校直以在棒料V型槽底部產(chǎn)生初始裂紋，在振動下料機中變頻振動下料；
第三條:直接式變頻下料法。利用開槽機，在棒料表面的規(guī)定位置加工出等間距的V型槽，直接將棒料送入振動下料機進行變頻振動下料。
圖2-1 變頻振動下料的不同方式
三條振動下料工藝路線中，第一步都是要在棒料表面規(guī)定的位置上加工出V型槽。開槽的兩個目的，其一是便于在受力不大的情況下在槽底部的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很高的應力集中，便于裂紋的產(chǎn)生；另外，環(huán)形槽有利于裂紋在徑向產(chǎn)生并擴展。這里選擇的V型槽不僅加工方便而且應力集中明顯。加工V型槽的主要任務要由新型開槽機來實現(xiàn)，該設備能全自動的在規(guī)定位置上加工不同幾何尺寸的V型槽，關于開槽機的具體結構可以參閱文獻[30]。
疲勞斷裂中，產(chǎn)生裂紋的時間往往可占構件使用壽命的80%左右。同樣，在本文所述的疲勞下料機在本文所述的疲勞下料過程中，形成理想的裂紋時間占去了整個下料過程的很大比重.此外，如果沒有進行良好的載荷控制，這樣產(chǎn)生的裂紋方向性不好，裂紋擴展后和棒料軸線不垂直，振動在V型槽底部形成的典型裂紋。為了提高下料效率，并保證裂紋的方向性，本課題又設計了1和2兩條工藝路線，就是把預置裂紋作為獨立的一步進行。工藝路線1中采用了熱應力預置初始裂紋的方法，工藝路線2中采用了校直過程的循環(huán)應變產(chǎn)生初始裂紋的方法。
振動下料是下料工藝的最后一步，其受載原理如圖2-2所示。棒料上已有的微小裂紋將在振動下料機產(chǎn)生的變化載荷作用下快速而又相對均勻的擴展，當裂紋擴展的足夠深時，連接區(qū)域已經(jīng)很小，棒料因不能承受載荷而瞬間斷裂，下料過程結束。棒料在最后脆斷時的斷面質量一般都不高，為提高整體斷面的質量，應使施加于棒料的激振力隨著裂紋的擴展而減?。粸榱司S持裂紋擴展并最終可靠的斷裂，激振力作用點的位移振幅，即動模具刃口的位移振幅應該越來越大。為此振動下料系統(tǒng)采用了變頻器控制振動電機轉動頻率的方法，通過調節(jié)頻率即可以達到控制激振力和動模具刃口的位移振幅的大小，從而實現(xiàn)變載荷下料。
圖2-2 振動下料階段棒料受載荷簡圖
第三章 低應力疲勞下料機的設計
3.1引言
在本課題中設計了送進裝置、夾緊裝置、冷卻裝置[6]、疲勞振動下料機構[7]，本次設計著重于低應力疲勞下料機的設計。
3.2棒料的受力分析
如圖2.2所示，棒料在下料的過程中四個典型位置的受力情況，可見棒料受到的是一個對稱循環(huán)的等幅載荷。根據(jù)文獻[8]這樣的恒幅載荷下的疲勞斷裂區(qū)（即圖1.5的B區(qū)）要比變幅載荷下的大，這樣得到的毛坯斷口質量自然就更趨于平整光潔。
圖2.2下料過程中對棒料的受力分析
如圖2.3所示，棒料在下料的過程中兩個典型位置的受力情況，可見棒料受到的是一個對稱循環(huán)的等幅載荷。但是效果明顯不如圖2.2的四周受力均勻，斷面效果也不如圖2.2所示，但是圖2.2中兩個方向的力同樣可以達到疲勞振斷的效果，且機構明顯比圖2.2簡單，經(jīng)濟性好。圓周扭斷不但難于實現(xiàn)，且在控制的時候，圓周扭斷不好控制，所以選擇方案上下震動疲勞斷裂。
圖2.3
想到振動，首先想到的是彈簧振動，如圖2.4所示。選用彈簧，可以達到疲勞振斷的要求，而且彈簧可以把動能轉換為彈性勢能，從一定意義上達到了節(jié)約能源的要求。
圖2.4
3.3刀具的設計
圖2.5
1—動壓環(huán)；2—動模具；3—外套筒；4—內(nèi)套筒；5—螺母；6—套筒
將上述圖2.5中刀具進行對比，左邊的動刀是將動模具裝在左邊軸承中，然后上下兩個套筒頂緊，再裝另外一個軸承，然后用螺母擰緊，這樣整個刀具部分連為一體，而且動刀組在壓環(huán)作用下，不僅可以壓緊軸承，而且將整個刀組固定在振動體上，連接緊密。右邊的動刀雖然也將軸承壓緊，而且也把整個刀組固定在振動體上，但是振動時由于力的作用，且棒料和動模具間的碰撞也會導致螺母的松弛，這樣軸承的軸向定位將不穩(wěn)定。綜合選用第一個圖的刀具部分。
3.4夾緊V形塊的設計
圖2.6
設計如圖2.6所示。因為要加緊的是棒料，所以選用了長V形塊，該V形塊是一對，可以上、下將棒料夾緊，且圖2.6是棒料上面的加緊零件，該零件和液壓缸體的上端蓋連接，中間的孔裝螺栓，可以調節(jié)V形塊的位置。V形塊的精度要求已經(jīng)比較高，但是由于要與棒料壓緊，接觸面的精度還是應該引起特別注意。
3.5振動體支架的設計
圖2.7
如圖2.7所示，圖中腔體中的孔用來安裝動刀組。該振動體上部用于安裝電機，電機軸上連接一個偏心塊，這樣電機的轉動帶動偏心塊轉動，偏心塊產(chǎn)生離心力，可以使整個機構振動。這樣以來，振動體放在彈簧上便可以持續(xù)震動。該零件對腔內(nèi)表面的精度要求較高，因為要安裝動刀組，加工時應該引起注意。且上表面要安裝電機，表面精度也要保證。底部孔的尺寸要保證，因為與彈簧座是過盈配合。
圖2.8
該振動體與彈簧之間連接零件用如圖2.8所示。該零件上部圓柱插入振動體底部的孔中，是過盈配合，下面與彈簧連接。整體組裝圖如圖2.9所示。電機轉動帶動偏心塊，從而能引起整個機構的振動。
圖2.9
以上是振動部分的機械圖，該部分要放在底座上。底座的設計如圖2.10所示。
圖2.10
彈簧與底板之間的連接同樣是用圖2.8所示的零件。底板的設計之所以加如此多的筋板和豎板，是為了限位。在裝配的時候，圖中底板的上方的橫板下方要安裝一個橡膠板，這樣可以緩沖振動體與底座上方橫板的碰撞，起到限位和緩沖的作用。
另外，應該說明的是，本機構為試驗機，所以其底座是由多塊板焊接而成，這樣經(jīng)濟劃算，此外還有振動體、電機兩側的支撐架、擺動塊防護罩、以及安裝夾具的支架、冷卻箱體等很多零件都是用板、套筒等基本的簡單件焊接而成，這樣大大降低了成本。而且只做一臺試驗機作為測量實驗數(shù)據(jù)之用，沒有必要生產(chǎn)零件時進行鑄造、沖壓等，單間小批量，用焊接即可。雖然制造機器的周期較長，但是綜合性價比后，焊接應該是首選，鑄造、沖壓等加工方法需要制造模具，這在現(xiàn)實生活中是不現(xiàn)實的，成本很高，不適宜小規(guī)模生產(chǎn)。本試驗機是用來測定疲勞震蕩斷料的試驗機構，測定疲勞斷料的一些數(shù)據(jù)，以及對斷面質量進行評估。
3.6低應力疲勞下料機的工作原理
圖3.1是低應力疲勞下料機的工作原理圖?？梢钥闯霰鞠铝蠙C采用的是彎曲疲勞下料的方式。棒料經(jīng)開槽機開了等距離的V型槽后，在通過感應加熱裝置加熱到一定的溫度，然后在冷卻裝置3中快速冷卻，即采用熱應力方法在V型口處產(chǎn)生了初始裂紋，加緊缸5加緊棒料，接著送進缸2將加緊缸送到合適位置，此時棒料已經(jīng)進入高速振蕩的應力下料機構6中，經(jīng)過一定次數(shù)的應力循環(huán)后，毛坯就從棒料中分離出來，然后沿著6的中間孔出來。
圖3.1下料機工作原理示意圖
1-底座；2-送進缸；3-冷卻裝置；4-棒料；5-夾緊缸；6-振動體；7-電機
3.7變頻振動下料系統(tǒng)的總體構成
新型變頻振動下料系統(tǒng)由機械部分、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分構成。下面對機械部分和液壓系統(tǒng)進行簡要的闡述，控制系統(tǒng)將不在本文中介紹。
3.7.1 機械部分的總體構成
振動下料系統(tǒng)的機械部分簡圖如圖3-1所示，它由振動子系統(tǒng)、送進夾緊裝置、冷卻裝置三大部分構成。
第一部分：振動子系統(tǒng)振動子系統(tǒng)主要由電動機、兩個扇形偏心塊、振動體、動模具以及彈簧基座五大部分構成。將旋轉的偏心塊產(chǎn)生的離心力轉化為2-3所示的被懸臂夾持的棒料一端施加變頻激振力，從而誘發(fā)裂紋萌生及擴展。激振力的大小、頻率以及動模具刃口的位移振幅可以通過變頻器控制激振電機的轉速來實現(xiàn)。
第二部分:送進夾緊裝置主要包括一個送進裝置、一個自制的夾緊裝置、送進裝置和夾緊裝置的限位及導向裝置。在振動下料過程中，需要保證棒料一端固定，另一端受激振力作用。而送進夾緊裝置的作用就是為棒料提供了一個固定約束，其中，夾緊裝置限制了棒料在下料的過程的徑向竄動、扭轉以及軸向的扭轉；而送進裝置則限制了棒料在下料過程中的軸向竄動，并根據(jù)需要調整棒料的力臂大小，從而改變力矩的大小。
第三部分：冷卻裝置用作對已整體加熱到規(guī)定溫度的棒料進行分段快速冷卻，從而利用熱脹冷縮原理產(chǎn)生應力集中，就能在棒料的V型槽底部實現(xiàn)熱應力預置理想裂紋的目的。振動下料機各部分的具體結構組成及其工作原理可以參考文獻。
3.7.2液壓部分的總體構成
由于振動下料過程中所需的夾緊力和送進力都比較大，同時為了便于控制，本課題采用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)。根據(jù)上述工作過程的實際需要，設計了如圖2-5所示的液壓系統(tǒng)。
由于振動過程中需要對棒料施加很大的壓力，同時為提高該系統(tǒng)的廣泛適應性將系統(tǒng)的額定壓力設計為31.5MPa。送進缸選用了山西液壓元件廠制造的車輛用液壓缸DG-J50C-E1Y1（油壓為16MPa，行程100mm）。為此在液壓系統(tǒng)的送進缸支路中設計了單向減壓閥JDF-B10H4-s，通過該減壓閥可將進入到送進缸的最大油壓從31.5MPa降到16MPa，保證了送進缸的安全工作。
圖2-3 液壓系統(tǒng)原理圖
為使夾緊過程牢靠，且不受系統(tǒng)油壓波動的影響，在液壓系統(tǒng)的夾緊缸支路中設置了一個型號為A1Y-Hb10B的內(nèi)泄式液控單向閥，其正向開啟壓力為0.4MPa，當反向開啟出口無背壓時，最小控制壓力為1.6MPa。從圖2-5可看出，在送進缸送進過程中雖然系統(tǒng)油壓降低，但是由于液控單向閥A1Y-Hb10B的存在，加緊缸的內(nèi)的油不會倒流，因此其缸內(nèi)的油壓不會降低，夾緊力基本不變；而當加緊缸放松棒料時，由于夾緊缸左腔油壓升高，液控單向閥的控制口內(nèi)的油壓升高，在達到其反向啟動控制油壓1.6MPa時，會使液控單向閥A1Y-Hb10B反向打開，從而可順利的使夾緊缸油腔的油通過他然后再由二位四通電磁閥24BI1-H10B-T流入油箱。
從圖中2-5可以看出，通過對兩個換向閥線圈的通、斷電控制、斷電控制，就可以實現(xiàn)振動下料過程所需要的動作。表2-1列出了系統(tǒng)中各液壓元件在一個完整的全自動下料循環(huán)中的工作順序和信號來源情況。
表4-1 液壓元件動作順序
動作名稱
信號來源
初始化
線圈JC2通電，JC3不得電，送進缸后退，夾緊缸松開
夾緊缸夾緊
線圈JC3得電，夾緊缸夾緊棒料
送進缸前進
夾緊缸已夾緊，且壓力繼電器發(fā)出信號，JC2失電，JC1得電
夾緊缸松開
線圈JC3失電，夾緊缸松開
送進缸后退
JC1失電，JC2得電
第四章 主要工作部件的校核計算
4.1求工作激振力
4.1.1激振力的公式
棒料材料的不同、V型槽參數(shù)的不同，都可能導致其強度差別很大，因此為了達到穩(wěn)定的下料結果，相同頻率參數(shù)下所需要的激振力也是不一樣的。單個偏心塊所能提供的最大激振力F如式（4-1）所示：
F=m(2πf)2ρ (4-1)
式中，m —— 偏心塊的質量，Kg；
ρ—— 偏心塊質心位置與轉動中心的距離，m；
f —— 激振頻率，Hz。
從式中可以看出，改變激振力F有三個途徑：一是改變m，二是改變ρ，三是改變f。對于原來的振動系統(tǒng)，由于偏心塊是整體的，不能方便的對其進行結構上的調整（即改變m或者ρ）。因此要想改變激振力F，只能通過提高或者降低激振頻率f來達到。例如在文獻[3]中，為了達到類似的下料結果，45#鋼的棒料采用16-18Hz進行下料，LY8的棒料則采用12-14Hz進行下料?？墒怯捎谡駝酉铝蠙C的固有頻率在11Hz左右，12-14Hz的頻率靠近共振頻率，這樣的振動十分不穩(wěn)定，難以控制，因此導致了下料結果十分不穩(wěn)定，具體表現(xiàn)在兩方面：一是斷面質量參差不齊，二是下料所需要的時間長短相差很大（從16s到239s）。
偏心量的大小決定了應力水平的高低，如圖1.5所示，對給定的材料而言，B區(qū)和C區(qū)在整個斷口所占的比例，隨旋轉彎曲時應力水平的不同而不同。應力水平越高，C區(qū)所占的比例越大，這意味著斷口的總體質量變差。反之，斷口的質量可以提高，但是付出的代價是斷料時間的延長，生產(chǎn)率降低。為了同時提高斷口的總體質量和生產(chǎn)率，我們采用了較小的偏心量和較高的應力循環(huán)頻率，即轉速。為了讓振動下料機具有良好的可控性，也為了探索不同材料的最佳振動方式，本文對振動下料機的偏心塊進行了改進，設計成一個母體偏心塊外加幾片調節(jié)片。
要計算激振力，則先求得m，經(jīng)計算得出m=1.657kg。要求最大激振力，可以選擇最大激振頻率，即fmax=50Hz。下面求偏心塊質心位置與轉動中心的距離ρ。
4.1.2質心的概念及其坐標公式
如圖4-1所示，設質點系由n個質點組成，第i個質點Mi的質量為mi，相對于固定點O的矢徑為ri，整個質點系的質量為 ，則質點系的質量中心（簡稱質心）C的矢徑為
(4-2)
圖4-1
質心反映了質點系質量分布的一種特征，它是質點系中一個特定的點。當質點系中各質點的相對位置發(fā)生變化時，質點系質心的位置也隨之改變。而剛體是由無限多個質點組成的不變質點系，其內(nèi)各質點的相對位置是固定的，因此剛體的質心是剛體內(nèi)某一確定點。
質心的概念及其運動在動力學中具有重要地位。式(4-2)的矢量式一般用于理論推導，而在實際計算質心位置時，常用直角坐標形式。如圖4-1所示，取直角坐標系Oxyz，第i個質點Mi的坐標為xi、yi、zi，質心的坐標為xC、yC、zC。由式(4-2)分別向x、y、z軸投影，得
(4-3)
式(4-3)為質點系質心的坐標計算公式。對于質量均勻分布的剛體，單位體積的質量（密度）ρ=常量。以ΔVi表示微小部分Mi的體積，以V=∑ΔVi表示整個物體的體積，將 代入可得式(4-3)?？梢姡|剛體的質心和形心的位置是重合的。
應當注意，質心和重心是兩個不同的概念。重心是地球對物體作用的平行引力的合力（物體重力）的作用點，它只在重力場中才有意義，一旦物體離開重力場，重心就沒有任何意義；而質心是反映質點系質量分布情況的一個幾何點，它與作用力無關，無論質點系是否在重力場中，質心總是存在的。
4.1.3確定物體重心位置的方法
前面所述的重心和形心坐標公式，是確定重心或形心位置的基本公式。在實際問題中，可視具體情況靈活應用。對于均質物體，如在幾何形體上具有對稱面、對稱軸或對稱中心，則該物體的重心或形心必在此對稱面、對稱軸或對稱中心上。下面介紹幾種工程中常用的確定重心位置的方法。
(1) 組合法
工程中有些形體雖然比較復雜，但往往是由一些簡單形體組成的，這些簡單形體的重心通常是已知的或易求的，這樣整個組合形體的重心就可直接求得。
(2) 負面積法
如果在規(guī)則形體上切去一部分，例如鉆一個孔等，則在求這類形體的重心時，可以認為原形體是完整的，只是把切去的部分視為負值（負體積或負面積）。
(3) 實驗法（平衡法）
如物體的形狀不是由基本形體組成，過于復雜或質量分布不均勻，其重心常用實驗方法來確定。
1) 懸掛法 對于形狀復雜的薄平板，確定重心位置時，可將板懸掛于任一點A，如圖4-2a所示。根據(jù)二力平衡原理，板的重力與繩的張力必在同一直線上，故物體的重心一定在鉛垂的掛繩延長線AB上。重復使用上法，將板掛于D點，可得DE線。顯然，平板的重心即為AB與DE兩線的交點C，如圖4-2b所示。
圖4-2
2) 稱重法 對于形狀復雜的零件、體積龐大的物體以及由許多構件組成的機械，常用此法確定其重心的位置。例如，連桿本身具有兩個相互垂直的縱向對稱面，其重心必在這兩個平面的交線，即連桿的中心線AB上，如圖4-3所示。其重心在x軸上的位置可用下法確定：先稱出連桿的重量W，然后將其一端支于固定支點A，另一端支于磅秤上。使AB處于水平位置，讀出磅秤上讀數(shù)FNB，并量出支點間的水平距離l，則列平衡方程為
（4-4）
圖4-3
一些簡單幾何形狀的均質物體的重心（形心），都可由積分公式求得。表4-1列出了幾種常用物體的重心（形心），可供查用。工程中常用的型鋼（如工字鋼、角鋼、槽鋼等）的截面的形心，可從機械設計手冊中查得。
表4-1 一些形心坐標值
名稱
圖形
形心坐標
線長、面積、體積
三角形
在三中線交點
面積
梯形
在上、下底邊中線連線上
面積
圓弧
弧長
扇形
面積
弓形
面積
拋物線面
面積
拋物線面
面積
半球形體
面積
通過上述介紹，以及表格中的例子，可以把擺動塊簡化為扇形計算則，如表中的計算公式：
ρ=Xc-0.6=0.018
F=m(2πf)2ρ=1.657x（2x50xπ）2x0.018=2.94KN
4.2電動機的設計計算
本文選用的是YZ系列的電機YZ100M1-6，額定輸出功率6.3KW，有如下公式所示：
(4-5)
式中，F(xiàn) —— 激振力；
V —— 質心處線速度。
解得
偏心塊要求的功率小于電動機的額定輸出功率，可以達到要求。
4.3鍵的選擇和強度校核
4.3.1鍵的尺寸選擇
鍵聯(lián)接：用于軸和軸上旋轉零件之間的周向固定并傳遞扭矩或沿軸向的滑動導向。平鍵的截面尺寸：b×h×L（b×h根據(jù)軸徑d由標準中查得），L參考輪轂的長，一般應略短于輪轂長，并符合標準中規(guī)定的尺寸系列。
4.3.2平鍵聯(lián)接的失效和強度校核
主要失效形式：靜聯(lián)接（普通平鍵、半圓鍵）：壓潰
動聯(lián)接（導鍵、滑鍵）：過度磨損
校核計算:
靜連接
(4-6)
動連接
(4-7)
式中，T——傳遞的轉矩（），單位N m；
K——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處為鍵的高度，單位mm；
L——鍵的工作長度，單位mm，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L，這里L為鍵的工稱長度，單位為mm，b為鍵的寬度，單位mm；
D——軸的直徑，單位mm；
[σp]——鍵、軸、輪轂三者之間中最弱的許用擠壓應力，單位為MPa；
[σp]——鍵、軸、輪轂三者之間中最弱的許用擠壓應力，單位為MPa。
將l=80mm，b=12mm，h=8mm，代入公式
其中
65.25Nm，
9MPa，
因為[σp]=100MPa—120MPa，σp<[σp],則鍵合格。
4.4受拉螺栓連接強度校核
夾緊缸夾緊棒料，夾緊V形塊與棒料完全接觸，根據(jù)力的作用與飯作用原理，夾緊缸受到一個垂直水平面向上的力，而夾緊缸的上面有支架的蓋板壓住夾緊缸，所以需要校核蓋板上四個螺栓的強度。
4.4.1松螺栓連接
定義：裝配時螺栓不用擰緊，在承受外載荷之前螺栓不受力。
若螺栓連接受軸向外載荷F作用時，螺栓受拉，此時，螺栓的強度條件和設計公式與材料力學受拉件相同，即
， (4-8)
4.4.2緊螺栓連接
定義：螺栓連接在裝配時已經(jīng)擰緊，所以，在外載荷作用之前，螺栓已受到預緊力F的拉伸和擰緊力矩T的扭轉，即作用在螺栓上的應力有F引起的拉應力和T引起的剪應力，螺栓在承受外載荷之前已處于復雜應力狀態(tài)。
螺栓僅受預緊力F的連接，按照材料力學的第四強度理論，將作用在螺栓上的拉應力σ和剪應力τ合成，且?guī)毽?0.5σ，則
(4-9)
(4-10)
因為蓋板為了壓緊加緊液壓缸的上端，受到一定的預緊力，與工作壓力相比較，預緊力很小，可以忽略不計，四個螺栓平均受力，即
，
因為選用的螺栓材料是25鋼，查的[σ]=450MPa。
解得
5mm
因為選用的是直徑為12mm的螺栓，強度滿足。
4.5關于活塞桿的校核
關于活塞桿的強度校核，活塞桿的受到液壓缸腔體內(nèi)液體的壓力和夾緊V形塊的上下壓縮，活塞桿是實體，且截面積明顯大于螺栓的直徑，只要活塞桿的直徑大于20mm即可，而且可以采用比25好鋼強度更大的材料。
根據(jù)文獻[10]的如下公式所示：
(4-11)
(4-12)
因為液壓缸的壁厚已知，上式（1）用于徑向壁厚的強度，徑向受力大，且壁厚小，所以只需要校核徑向強度。
該強度明顯可以滿足Q235制成的缸體的強度。
4.6滾動軸承的靜強度計算
對于靜止、緩慢擺動或轉速極低（）的滾動軸承，其失效形式是滾動體與內(nèi)外圈接觸處產(chǎn)生過大的塑性變形，對此應根據(jù)靜強度計算確定軸承尺寸。對于載荷變動較大，尤其是受較大沖擊載荷的旋轉軸承，在按動載荷作壽命計算后，應再驗算靜強度。
4.6.1滾動軸承的特點
與滑動軸承相比，滾動軸承主要有下列優(yōu)點：啟動靈活、摩擦阻力小、效率高、軸向結構緊湊、潤滑簡便及易于互換等，所以應用廣泛。它的缺點是：抗沖擊能力差，高速時有噪聲，工作壽命不及液體摩擦的滑動軸承。
4.6.2滾動軸承的材料
滾動軸承的內(nèi)、外圈和滾動體均采用強度高、耐磨性好的含鉻軸承鋼制造，如GCr9，GCr15和GCr15SiMn等（G表示專用的滾動軸承鋼），經(jīng)淬火后表面硬度可達60～65HRC。保持架多用低碳鋼沖壓制成，也可采用銅合金、鋁材或塑料等制造。
(1) 基本額定靜載荷。
滾動軸承靜強度的計算標準是基本額定靜載荷，它表示滾動軸承抵抗塑性變形的最大承載能力，是軸承靜強度計算的依據(jù)?；绢~定靜載荷，用C0表示。對于徑向接觸軸承，C0是徑向載荷；對于向心角接觸軸承，C0是載荷的徑向分量；對于軸向接觸軸承，C0是中心軸向載荷。
(2) 當量靜載荷P0
與當量動載荷的概念相似，靜強度計算時用當量靜載荷P0。軸承在這個載荷作用下，受載最大的滾動體與滾道接觸處的塑性變形量總和與實際載荷作用下塑性變形量總和相等。
當徑向接觸軸承受純徑向載荷時
(4-13)
當軸向接觸軸承受純軸向載荷時
(4-14)
當軸承既受徑向載荷又承受軸向載荷時
(4-15)
式中，X0——靜徑向系數(shù)；
Y0——靜軸向系數(shù)；
Fr——徑向載荷；
Fa——軸向載荷。
滾動軸承的載荷與基本額定壽命的關系曲線見圖4-4，曲線方程為
常數(shù) (4-16)
即
（4-17）
若用工作小時數(shù)表示軸承的基本額定壽命，則
（4-18）
圖4-4 軸承的P-L0關系曲線
式中,L10——基本額定壽命；
P ——當量動載荷；
ε ——壽命指數(shù)，球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3；
n ——軸承的轉速。
如4-5圖所示，動模具由一對深溝球軸承支承。已知：軸受徑向力F=2.94KN，軸向力為零。軸承工作溫度一般，若此軸的軸頸等于70mm，試選擇這一對軸承的型號。
圖4-5
試選用深溝球軸承6214，接下來是受力分析，因為軸承裝在動模具上，加工時軸承基本不旋轉，只是承受徑向力，軸向力為零，所以經(jīng)過受力分析，左邊軸承受力F左=8.4KN，右邊軸承F右=1.6KN。因為該軸承的額定動載荷Cr=60.8KN，額定靜載荷Cor=45KN，遠遠小于軸承的額定載荷，可以選用。
第五章 結論與展望
5.1結論
(1) 毛坯精度、下料效率、能源消耗和節(jié)約材料等角度對現(xiàn)有的精密下料技術進行分析，對它們的優(yōu)缺點進行討論。重點分析了彎曲疲勞斷料的機理，指出現(xiàn)有的基于棒料旋轉，刀具不轉的彎曲疲勞下料設備的缺點，并提出相應的改進方法。
(2) 設計了一種基于“削強增脆“下料原理的疲勞應力下料機構。根據(jù)各部分的各種方案對比分析，提出幾種最終實驗方案。對重要的傳動部件和工作部件進行力學校核。這種新型下料機工作時保持棒料不轉，動刀片在變頻器的控制下高速旋轉，從而實現(xiàn)了棒料的快速彎曲疲勞下料。經(jīng)過棒料的受力分析，可知在本下料方法中棒料受到的是一個對稱循環(huán)的等幅載荷，所以不存在各種剪切法的”馬蹄形”斷面，可以得到很好的斷面質量，而且?guī)缀跏遣焕速M材料，因此說它是一種高效率的近凈綠色的制造工藝，值得研究和推廣。
(3) 設計本套設備是為了解決當前如冷擠壓等少無切工藝的毛坯下料問題，包括兩方面的內(nèi)容：一是提高生產(chǎn)率和材料的利用率；二是提高毛坯的幾何尺寸精度和重量精度。
(4) 設計中考慮到和已經(jīng)設計好的送進、夾緊、加熱、冷卻等機構的配合使用，所以在最終的方案里的刀具的中心高度是一定的。
(5) 由于本套設備是實驗設備，考慮到成本和實際使用效率，所有的軸承我們都采用普通的深溝球軸承，潤滑形式為脂潤滑。再投入工業(yè)生產(chǎn)前，需要設計合適這種高速運轉的高速軸承，另外在結構上也應該設計一種為了能采用更適合于高速旋轉的潤滑形式（如油潤滑）的附加結構。
(6) 由于模具存在偏心，所以將棒料送入模具變?yōu)橐环N比較困難的事情，現(xiàn)有的設計送進、夾緊機構不是很完美，需要進一步改進。
5.2展望
(1) 在現(xiàn)有的研究基礎上，對振動下料機和本文設計的下料機進行實際的棒料振動下料試驗，對下料質量進行分析和對比。
(2) 設計一種更合適于本文設計的疲勞下料機的送料和夾緊機構。
(3) 由于本文設計的疲勞下料機具有高轉速的特征，并且振動特性明顯，所以對設計出來的支撐架、振動體等部件要進行改進優(yōu)化。
致謝信
經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有指導教師的督促指導，以及一起工作的同學們的幫助，想要完成這個設計是難以想象的，正所謂獨木難支。
在這里首先要感謝我的畢業(yè)設計指導教師化春鍵老師，化老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從外出實習到查閱資料，設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計較為復雜煩瑣，但是化老師仍然細心地糾正圖紙中的錯誤。除了敬佩化老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。
其次要感謝和我一起作畢業(yè)設計的同組同學，雖然我們來自不同的班級，以前也并不熟悉，但是他們并沒有對我心存芥蒂，而是真誠的對待我。尤其在我面對困難一籌莫展的時候，使他們總是會伸出援手。盡管我們的課題并不相同，但是他們還是很耐心的聽我的問題，無私的幫助我，這讓我非常感動。
然后還要感謝大學四年來所有的老師，正是他們的諄諄教誨，我才獲得了很多寶貴的機械專業(yè)知識，同時也學到了很多做人的道理。我還要感謝所有幫助過我的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵，我才能一次又一次坦然面對生活和學習的難題。
最后感謝我的母?！洗髮W和機械工程學院四年來對我的耐心培養(yǎng)。謝謝！
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