毕业设计（论文）-单柱液压剪板机结构及液压系统模块设计docx

  单柱液压剪板机结构及液压系统模块设计 SINGLE-COLUMN HYDRAULIC SHEARING MACHINE STRUCTURE AND HYDRAULIC SYSTEM DESIGN PAGE I PAGE I 摘要 近年来，随工业的加快速度进行发展，各个行业对的金属板料需要慢慢的变多。为此，金属加工设施也有更加高的要求。其中，剪板机就是有代表性的机械加工设施之一。在分析现状和现场调研的基础上，从机械剪板机和液压剪板机中选择优势较大的液压剪板机作为设计对象。 本文设计了一种简单的剪板机，可以剪切4毫米厚、500毫米宽的板材。这次设计的剪板机可大致分为两个部分。第一个部分为机械结构部分，第二个部分为液压系统模块设计部分。在机械结构部分中，各个部件的连接方式主要以使用螺栓连接为主。并且在一些部位上进行焊接，以此来保证整体结构的稳定。本次设计的结构由五个部分所组成，分别为立柱、横梁、刀架、刀片和托板。重点就机架、刀架等重要部件进行了设计。同时在设计的过程中，用到了液压系统。本次设计将一个液压缸作为动力源，上刀架在动力源的作用下进行剪切运动。通过了解液压闸式剪板机，完成了刀架的设计、机架的设计、剪切力计算、液压系统的设计、关键零件计算与校核，最终设计出结构相对比较简单，操作简单便捷，同时经济、合理的液压剪板机。 关键词 刀片；液压缸 ；液压剪板机 ；刀架； 全套图纸加扣 3346389411或3012250582 PAGE III PAGE III Abstract In recent years, with the ?rapid expansion of industry, more and more metal sheets are needed in various industries.. For this reason, metal processing equipment also has higher requirements. Among them, the shearing machine is one of the representative mechanical processing equipment. Based on the analysis of the current situation and on-site investigation, the hydraulic shears with greater advantages are selected as the design objects from the mechanical shears and hydraulic shears. This paper designs a simple shearing machine that can cut 4 mm thick and 500 mm wide plates. The shearing machine designed this time can be divided into two parts. The first part is the mechanical structure part, and the second part is the hydraulic system design part. In the mechanical structure part, the connection method of each component is mainly using bolt connection. And welding is performed on some parts to ensure the stability of the overall structure. The structure designed this time is composed of five parts, namely upright, beam, knife holder, blade and pallet. Focus on the design of important components such as frame, knife holder. At the same time, a hydraulic system was used in the design process. In this design, a hydraulic cylinder is used as the power source, and the upper tool holder performs shearing movement under the action of the power source. By understanding the hydraulic gate shears, we have completed the design of the tool holder, the design of the frame, the calculation of the shear force, the design of the hydraulic system, the calculation and verification of key parts, and finally the design is simple in structure, easy to operate, and economical. Reasonable hydraulic shearing machine. Keywords blade hydraulic cylinder hydraulic shearing machine tool holder PAGE V PAGE V ` 目录 TOC \o 1-3 \h \u 摘要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 液压剪板机简介 1 1.2 液压剪板机的最新发展 2 1.3 课题设计的目的及意义 3 2 总体方案设计 4 2.1液压传动方案 4 2.2物理运动方案 4 2.2.1 凸轮机构的设计 4 2.2.2 曲柄滑块机构方案的设计 5 2.3总体方案 6 3 剪板机的结构设计 7 3.1 剪板机设计参数 7 3.1.1剪切行程 7 3.1.2剪切力 7 3.1.3 压料力 8 3.2机架主体的结构设计 8 3.3刀架的设计 10 3.3.1 刀架分类 10 3.3.2 刀架计算与校核 10 3.4刀片的选择 11 3.5 其余部件的设计 12 3.5.1固定梁的设计 12 3.5.2 导柱 13 3.5.3 上托板 13 4 液压传动系统的设计 15 4.1设计的基本要求和运动分析 15 4.1.1剪板机的设计的基本要求 15 4.1.2 剪板机的运动分析 15 4.2液压传动系统的基本方案 15 4.2.1方案确定 15 4.2.2 液压系统原理图的绘制 17 4.3液压系统参数的计算 18 4.3.1 液压缸的计算与设计 18 4.3.2液压泵的设计与选择 23 4.3.3电机的计算与选择 24 4.4液压元件的选择 25 4.4.1油管的选择 25 4.4.2 油箱结构尺寸设计 26 4.4.3阀类元件的选择 27 结论 29 致谢 30 参考文献 31 PAGE 13 1 绪论 1.1 液压剪板机简介 剪板机作为机械机床的一种形式，其主要使用在于各种板材的剪切作业中。随着近年来中国科学技术水平地提高，剪切机的种类也增加了。根据其工艺用途和结构类型，可分为: 1、平刃剪板机 剪切的零件质量好，变形程度较小，但剪切力较高，能量消耗较大。更多的剪切机是采用轴与齿轮结合的方式驱动。其刀片是相对平行的，通常被轧钢厂用来切割初轧方坯与板坯。根据其切割方式，可分为上切割型和下切割型。 2、斜刃剪板机 剪板机的上刀片与下刀片会形成一个角。一般来说，剪板机的上刀片是歪斜的，它的倾斜角的度数一般在1度 到 6度的范围以内。因为斜边剪板机的剪切力比别的类型的剪切机较小，所以其整体重量及机械加工功率都会降低。它在实践中被普遍的使用，并且会有许多剪板机的制造商生产。由于刀具的移动方案差异，剪板机可分为不一样的种类。主要有两种类型，第一种摆式剪板机，而另外一种为闸式剪板机。同样地，因为系统的传动方式的不同，所以剪板机又可两种类型。第一种类型是利用液压元件进行传动，第二种类型是利用轴与齿轮结合进行传动。 3、多用途剪板机： （1）钣金弯曲剪切机：即切割和弯曲可以在同一台机器上完成。 （2）组合式剪切机：能够实现多种板料的切割，大多数都用在落料工艺。 4、专用剪板机： （1）开卷平线剪板机：一种高速剪板机，旨在满足板式开卷和高速剪切的生产线的需求。这种类型剪切机被广泛用来生产厚度大的板，而气动剪切机则被用来生产厚度较小的薄板。飞剪被用在快速生产线上，可实现连续生产和高效率。 （2）钢结构剪切机：被广泛用来切割角钢H型钢的专用剪板机。 （3）冷弯成型剪切机：主要在挡板生产线，纵梁冷弯生产线等类型的生产线上安装的专用剪切机。 液压摆式剪板机是目前市场中常用的一种剪板机设备，其能够剪切不同厚度的钢板材料，其性能也非常优良。因此，这种类型剪切机深受消费者欢迎。根据目前液压摆式剪切机的市场分析，我们大家可以知道，市场上主要的剪切机可分为三种，它们分别为平剪式，辊剪式和振动剪式。最广泛使用的是平剪式，大多数剪切厚度小于10毫米的剪切机是物理运动，剪切厚度大于10毫米的剪切机是液压传动。通常，一次或连续的金属切割是通过踏板或按钮操作进行的。 随着现代科技的加快速度进行发展，剪板机的技术也发生了巨大的变化，已经从传统的手动操作成长为现今的全自动机械化生产。液压技术是现代化制造产业的重要基础值之一。随着液压技术的广泛使用，传统的铸造工艺受到了严重冲击。传统的铸造工艺由于液压技术的便捷而被逐渐淘汰。因此，全世界的加工行业也因为新技术的出现发生了重大变革。同时全球国家的制造业也把液压技术加入值得研发的技术清单之中。因此，液压技术也成为各国竞争的焦点技术之一。因此，液压技术的普及程度可以从侧面反映一个国家综合制造业水平的重要指标之一。为了适应这种趋势，还需要开发大量的液压剪板机的工作系统。 剪板机是用来剪金属薄板的机床。许多大型或中型剪板机都是把液压传动作为主传动方式，即液压缸驱动刀架进行移动为防止金属板歪斜或发生移动。切割时必须用压脚将金属板牢固地按压。但是为减少进纸过程中的摩擦，在进纸过程中使用了拖曳球来支撑纸张。这些辅助动作是由几个小的辅助汽缸完成的。在剪切过程中，典型的动作周期为：首先空程下降，接着进行剪切，之后缓冲，最后快速回程。在剪切过程中，液压缸可会以停止剪切并且返回。 在剪板机上切割后，应确保切割材料的切割面的平直度和平行度的精度，并且应该使板料的变形程度最小化，从而获得满足技术方面的要求的零件。材料支撑板也固定在工作台上，因此在工作台上发生位移时，金属板不会产生划痕。板料被后挡板所固定，电机能调节其位置。在剪切过程中，板料会发生移动，为此安装压料缸来防止位移。 1.2 液压剪板机的最新发展 金属切割机是液压技术被普遍的使用的领域之一。该机器采取了液压传动技术和控制管理系统来执行各种无级调速，拥有非常良好的扭矩和变速特性,易于实现自动循环工作,起着很重要的作用在提高和设计其生产效率高,产品质量和工作条件。 液压系统实质上是液压站的设计。它是一个相对独立的液压装置。它根据设备的要求输送油，并调节方向，压力和油流量。液压装置与主机相分离的各种液压剪板机都适用。在使用中，只要液压站通过油管连接到主单元中的执行器（油缸，机油发动机），液压机就能轻松实现各种定义的功能。 受限于时代的发展，液压传动技术的诞生比较晚。自从工业革命时期第一台液压设备现世以来，液压技术只有大约两百年的发展时间。直到1930年之后，大型工程设备和机械加工设施才开始运用液压传动技术。 自从上个世纪以来，因为计算机领域的突破性进展，所以液压技术获得进一步地提升。因此各种工业领域都相继出现了液压技术。这使得液压技术开始朝着多元化的方向发展。同时，伴随着计算机领域的快速地发展，可靠性技术和新的液压组件和液压系统的别的方面也在持续不断的发展和研究。 中国的制造业首次采取了液压技术始于1950年。一开始只有很少加工设备使用，然后拖拉机，剪板机和建筑设备也开始使用。目前，中国液压技术通过引进外国液压元件和生产技术，得到了很大的进步。并且通过学习和研究已经大范围的应用于各种机械加工设施中。尽管如此，中国液压元件与国外一些先进的同类元件相比较而言，在一些方面仍有很大的不足。 通过引进，消化及吸收国外先进的液压技术和液压产品，中国致力于发展与世界主流液压元件相匹配的国产化液压元件。我国的液压技术在21世纪必将得到更快的发展。分析他的现状，发现一种技术的传输方式结构相对比较简单，传输信得过，适用于某些特定的局面和领域。然而，在大多数真实的情况中，这些传输技术往往不是孤立存在的。它们相互渗透并结合在一起。例如，液压、液压和电力传动装置都或多或少地包含了物理运动环节，而新型的机械和液压传动装置也都配备了电气和液压控制管理系统。换句话说，有明确的目的性的复合集成办法能够充分的利用很多类型的传输方式，增强优势，避免劣势，从以获得最佳的综合收益。值得一提的是，液压传动装置具有调整布置灵活、功率密度高的特点，在其中有着及其重要的作用。自1990年以来，工程机械进入了崭新时代。结构和产品由于液压技术的应用而出现新的变化。伴随微电子技术在机械设备中的广泛应用，机械设备慢慢的变智能化，并且对机械设备行路机构的要求更加严格。最近数年，由于液压技术的快速发展和液压元件的一直在改进，在传动系统中液压传动的使用次数逐步的提升，液压传动的好处越来越明显。笔者可以相信随国家的机械制造业的持续不断的发展，未来液压传动技术在加工设施的传动系统的研发与使用中发挥越来越显著的作用。 国民经济因为液压系统的应用与研究得到了显著的发展。同时工厂效率也因此得到了进一步的提高。 1.3 课题设计的目的及意义 近年来，机械工业随看时代的快速地发展而取得了飞跃式的进步。这是使得各个行业需要更加多的金属板料。为此，金属加工设施也有更加高的要求。其中，剪板机就是有代表性的机械加工设施之一。伴随着现代发展的日新月异，新的设备都具有自动工作、消耗能量低、加工速度快的特点。这次毕业设计的目的是锻炼我们的能力并完成剪板机的设计。我们利用网络查找各种各样的剪板机加工速度资料，并将之作为整个设计的基础。我们学习前辈们的理论知识和吸收他们的实践经验，并且将自己的想法与结论融入其中，最后完成剪板机的设计。 在完成毕业设计设的过程中，老师给我们介绍了许多机械设备，并且给我们讲解了毕业设计课题的设计的基本要求，同时将她的设计经验告诉我们。这次的课题设计要求我们自己独立完成，不但能学到新的有关机械设计方面的知识，还可以磨炼我们独立自主的能力。不论是学习知识还是磨炼能力，我们都学到了许多在4年的大学生活中没有体会到东西。 此外，在我们完成设计的过程中，会遇到许多困难。其中一些问题是我们在曾经的学习过程中遇到过的。但因为已逝去了数年时间，我们遗忘了许多知识。所以我们还要重新复习一遍曾经所学的知识。不论是我们今后的学习过程中还是工作过程中，这次设计都具有的积极而又深远的意义。 2 总体方案设计 剪切机是依据需求尺寸进行切割板料的机器。其使用可移动的上刀架和固定的下刀片，选择比较适合的刀架距离，将力施加到不同厚度的板料上。切割过程能够最终靠两种方式实现。第一种为液压传动而第二种为物理运动。 2.1液压传动方案 剪板机的典型液压传动系统的原理图如下图1所示。它的原理：一开始将三位四通换向阀6的手柄向左推（此时将左边接入系统），此时系统油通过管道流入无杆腔。在力的作用下，活塞杆开始向下进行直线运动，从而驱动刀架剪切板料。当剪切完成后，将手柄推向右边（此时将右边油管与系统相连。），此时系统油通过油管进入有杆腔。活塞在力的作用下朝上运动，从而带动刀架向上运动。当刀架达到一定位置时，将阀6手柄推入中位。此时将停止运动。之后进行第二次剪切时，重复上述操作。如果想要设备自动运作，能选用电气控制阀来代替手动阀。 图1 典型传动系统原理图 液压剪切机采取了液压传动方式，工作稳定，噪音低，机械安全，可多次剪切。剪切板的厚度比物理运动厚。 该系统的切削动作由上刀架执行，因此能使用单杆液压缸。由于要保证剪切精准度与稳定性，依次使用两个单作用单活塞单作用缸来完成剪切过程，并使用两个单杆液压缸作为系统的主油缸。 同时，系统应该拥有卸荷回路的能力。在刀架对板料进行切割后，总系统需要被卸荷。与此同时，上部刀架将返回，压紧装置将复位。 2.2机械传动方案 2.2.1 凸轮机构的设计 图2-2 凸轮机构原理图 凸轮机构的工作原理图如上图。主轴的旋转会驱动凸轮进行上下运动。当凸轮上升时，滑动块（刀片）会在力的作用下对金属板料进行切割。 在返程期间，弹簧会产生弹力。弹力会使滑块返回到原始位置，为下一次剪切做准备。 凸轮机构的优点在于尺寸与凸轮轮廓可以根据运动的不同进行调整。缺点是该机构只能用来控制其他机构，而不能作为驱动装置。其主要原因是因为当压力过大时，凸轮的结构会受到严重磨损。这会是整个的机构无法达到预期的要求，并且会使机器不稳定。 2.2.2 曲柄滑块机构方案的设计 曲柄滑块机构的工作原理图如下。当主轴开始运动时，曲柄会跟随主轴旋转，从而利用连杆让滑块快速上下滑动，以此来达到剪切板料的作用。 图2-3 曲柄滑块机构原理图 以电动机作为动力源，利用轴与齿轮来进行传动的方法是机械传动。但机械传动的设计方案都比较困难，因为传动系统的种类多，传输过程中会有较大的误差，并且处理成本也很高。机械式剪板机的机架通常采用焊接连接，材料都为Q235，这是花费最少的。Q235钢的价格大约是每吨5000元。根据经验，焊接较多的加工成本为材料成本的1-2倍，螺栓连接较多的加工成本为材料成本的2-3倍，使用特种加工的加工成本是材料成本的3-4倍。 因此,本课题可以估计机械板剪切机的机架成本为1000元,上刀架,下刀架及挡板装置的总成本是机械板剪切机机架处理成本的5倍,所以成本约60000元。 机械剪板机的安装比较复杂。大功率电机需要高强度机架安装，安装不稳定，机器运行不可靠，维修也不方便。另外，机械式剪板机会占用很多的空间。移动过程中机械式剪板机的摩擦力大于液压式剪板机的摩擦力，且使用时间短，经济效益低。综合分析，机械传动方案是不合适的。 液压剪切机的液压元件不需要设计，可以在市场上直接购买，方便快捷。从传动装置的观点来看，液压传动装置仅需要液压缸和液压马达来满足传动装置的要求，其传动范围不是很大，并且传动装置非常简单。从加工成本的角度来看，液压剪板机的机架与机械剪板机相似，但是液压剪的其他组件比机械剪要花费少。根据市场，液压剪的总成本约为4万元，比机械式剪板机加工成本便宜2万元。 2.3总体方案 课题要求设计一台简易的液压剪板机，可以剪切4毫米厚、500毫米宽，抗拉强度55Mpa的板材。并且系统整体压力小于6.3兆帕，油缸规格为?125×100。 综合考虑，本次设计的剪板机采用液压传动方式。单杆液压缸驱动刀架进行运动，从而切割板料。本次设计的剪板机长为800mm，宽为350mm,高为1110mm。刀具长度为550mm，剪切角为2度,加工速度为25 mm/s。剪板机主要是由机架、工作台、固定梁、上托板、上下剪刀以及它们的刀架组成的。机架在整个结构中起着支撑固定的作用，它承载着所有的零件，保证系统能够平稳运行。工作台是用来承载下刀架及其他零件，同时可起到横梁作用。上下剪刀分别要固定在各自的刀架上，它的作用就是剪切板料。固定梁的作用连接左右立柱，固定液压缸。上托板的作用是将固定刀架和连接液压缸带动刀架运动。 其结构图如下： 图2-4结构简图 3 剪板机的结构设计 3.1 剪板机设计参数 3.1.1剪切行程 计算上剪切刀行程的公式： HX 式中： Lmax ——可剪切最大的板宽，Lmax=500mm； α —— 剪切角，α=2°； H1 ——机架与压板之间的距离，H1 =60mm； s ——上下刀具重合部分的数值，s= 15mm； L ——压板到上刀具的距离，L=20mm； r ——下剪刀到台架的距离，r= 15mm； 根据上面选择的数值，最后计算得剪切行程HX =127mm。由于还要考虑液压缸的缓冲行程，以及计算时存在误差，最后此次设计的剪切行程为140mm。 3.1.2剪切力 公式为： P=0.6σbδx 式中： ——剪切力； ——剪板料抗拉强度，=55N/mm； ——被剪板料延长率，=0.25； ——被剪板料厚度，h=4mm； ——倾斜角度，=2°； ——材料的弯曲系数，=0.95； ——刀片水平间隙的比值，=0.083； ——刀具影响系数，x=7.7； 把已知数据代入式（3-2） 解得：p=6584.4798N≈6584N 水平方向上的剪切力大约为垂直方向上的20%-30% ，在这里选择20% ，得 F水=1317N 那合力为 F=F水2+ 综上可知，求得的剪切力可以满足最大剪切厚度的要求，设计合理。 3.1.3 压料力 在切割过程中，由于上刀片在板料作用力，水平的方向上会产生推力T。压料力应使板表面的摩擦力大于T以此防止板移位。 在切割过程中，上刀片的下端切割到金属板料的底部时，板料上下两面的摩擦力为 F1=μ 当剪切持续进行时，板顶部的摩擦力为 F2=μP 而板料底面的摩擦力仍然不变 F1+F2 因此 μPZ+2P 当 时 PY=12 应该说，压力随着总剪切力的增加而增加。然而，压力也与剪切板的宽度有一定的关系。当剪切板宽度较大时，远离剪切区的压力受到的影响较小。因此，总压力为 PY=12 式中b--被剪板宽 带入公式，得Py为671N。 3.2机架主体的结构设计 这些部分有三种的连接形式：整体焊接、组合连接和组合焊接。整体焊接的车架整体刚度最好，但由于机架体积大，对焊接后的退火和加工都有一定的难度。有些加工厂商会先加工然后退火，然后用较少的焊缝焊接左右柱。这不仅可以提高机架的抗拉强度，还可以有效地降低变形程度和减少由于焊接产生的应力。虽然这样生产出的机架比整体焊接的机架抗拉强度低，但制造简单（无须用大型机器加工）。目前，组合式刚架多采用榫卯和螺栓连接，组合式焊接刚架的刚度优于组合式刚架。机架的尺寸是上面要求的尺寸。机架是一个比较重要的存在，其不仅要承受放置在它上面的部件的重量，还要保证系统在运行时能够处于一个稳定的环境，不会发生晃动等一系列情况，也不会因为内部运作的剧烈而发生机架本身的破损等情况。本次设计的剪板机的机架是将工作台与二个立柱焊接组成。根据以往经验，机架材料一般选用灰铸铁，在 120MPa-175MPa的范围之间。由于灰铸铁是属于脆性材料的，所以它的安全系数 n可选为3.5。那么可求得许用应力为： σ=σb 机架结构如图所示： 图 3-1 机架 受力分析简图如下： 图 3-2 受力简图 如图所示，力作用在工作台上。工作台会受到合外力F1和立柱对工作台的支撑力F2，F3。由于立柱与工作台焊接在一起，所以校核时支撑力可忽略不计。在剪刀进行剪切的过程中，机架会受到外力来自剪刀的剪切力（在3-1进行详细计算得出F剪=6714N），还有压料装置的压紧力F压（在3-1进行详细计算得出F压=671N），推力T。其中， T=0.3F剪 F=F 由于力作用在工作台的上表面，所以可得受力面积A： A=L×S=706×144=0.102m2 （ σ=FA=8.9MPa 因为σ=8.9MPa〈[σ]=34MPa，所以设计合理 3.3刀架的设计 3.3.1 刀架分类 当前，存在三种常用的刀架设计：用于线性运动的整体式焊接刀架，用于线性运动的组合式焊接刀架以及用于摆动运动的整体式焊接刀架。 在用于线性运动的整体式焊接刀架中如果刀架沿垂直方向移动，则通常刀片只有两个刀片。若刀架沿水平方向移动，可将刀片分成四个刀片。该结构可用于侧轴上剪切。 在用于线性运动的组合式焊接刀架中，首先焊接水平板与肋板，然后用螺栓将其安装到垂直板上。在调节螺栓的帮助下，刀架在水平面上形成向外凸出的弯曲弧。在切割过程中，水平牵引力会使刀架弯曲，形成向内凹陷的弯曲弧。如果进行合适的调整，则两个弯曲弧会相互抵消，从而提高剪切精度。利用偏心轴和连杆来控制刀架的移动，通常刀架会向前移动。当剪切板的厚度为10毫米时，选取前倾角的度数为3，同时连杆的两端会在偏心轴上产生力的作用。 用于摆动运动的整体式焊接刀架被广泛应用于液压传动和机械传动相结合的剪板机。依据活塞和刀架之间的连接方法，常见的有三种类型： 1.侧面柱塞油缸的刀架； 2.活塞和油缸两端铰接式的刀架； 3.带有柱塞的刀架。 3.3.2 刀架计算与校核 剪板机的刀架是最重要的部分之一。刀架的结构对剪切的精度和板料的端口质量都有着佷大影响。它不仅要能够承受住上剪刀的自重，还要保证能够不发生变形，还要能够保证剪刀在刀架上的位置不发生改变，就不会有刀架本身发生破 损而导致某些事故。在刀架上设置若干个孔，目的是让剪刀定在上面。所以，设计时要保证刀架的刚度和强度符合设计要求。 上刀架结构如图所示： 图3-3 上刀架 受力分析简图如下： 图3-4 刀架受力图 如图所示，剪切力会对刀架产生F3和F4的力，螺栓会对刀架产生F1和F2的力。上刀架的材料和机架的材料是一样的，所以许用应力相同。根据资料可知，剪切时水平方向上的力对刀架的影响最大，其它地力对刀架影响小，可以忽略不计。由上述计算得水平向上的剪切力F=1317N。面积计算可得： A=L×S=550×60=0.033m2 （ σ=FA=3.9MP 因为σ=8.9MPa〈[σ]=34MPa，所以设计合理。 3.4刀片的选择 上刀片有水平刀刃和倾斜刀刃两种样式。通常剪切机将选用倾斜刀片，因为倾斜刀片所需的剪切力比其它刀片所需的剪切力。因此选用倾斜刀片的剪板机的功率也会相对较小，整个系统的负担也会相对减少。因为设备用刀片剪切板料，所以刀片的硬度和强度都要高于被切割板料。否则刀片就会损坏，因此影响工作效率，降低效益。剪板机刀片有三种。碳结构钢刀片主要被应用于切割一些废料及 A3 板材。低合金刀片被广泛用来切割一些不锈钢及中等厚度的板材。硬质合金刀片通常被热剪切机采用，它具有抗高温的特点。根据以上特点分析，碳结构钢刀片无法切割本课题所需的板材；由于切割板材产生的温度不高，所以也不需要硬质合金刀片，因此最终决定选用低合金钢刀片。其拥有许多种类，其中 6CrW2Si 可以用来制作冷切割机的刀片；9CrSi（应力在 50-60MPa）用于制作外形比较繁杂的刀具，与此同时Cr12MoV 也可以用来制作外形繁杂的刀具，然而工作条件比其它材料高。因此本次的设计选用6CrW2Si来制作刀片。 因为这次设计的剪板机利用刀具上下运动来进行剪切，所以设计的刀具长度就一定要大于被剪板材的最大宽度。根据预先设定的可剪切得最大板宽500mm，刀具长度为 5+（50-300）mm,最后本课题选择刀具长度是550mm。其次因为预先设定的可剪切的最大板厚为4mm，而剪刀的高度是一定要大于这个厚度的，且上刀片选用倾斜刀刃，有倾角，因此剪刀至少要4 +550× tan 2 =23mm。又因为刀片还有固定在刀架上的部分，且计算时存在误差，最后本课题选择刀片高为80mm。根据下表，刀片的厚度选为25mm。因此刀片的整体尺寸为600*25*80mm。 表 3-1 尺寸表 金属板厚 h（mm） 尺寸T*H（mm） 螺孔直径 d（mm） 1~2.5 20*60 10 4~16 25*80 10 20~25 32*120 22 32~40 45*150 33 刀片结构图如下： 图3-5刀片 3.5 其余部件的设计 3.5.1固定梁的设计 系统剪切时是由液压缸驱动上刀架进行运动。因此本课题需要设计一个零件用于固定液压缸。其尺寸根据立柱的高度和宽度进行设计。设计Z轴高度150mm，X轴长度706mm，Y轴宽度250mm，如图所示： 3.5.2 导柱 导柱由于刀具在上下运动中会产生沿Y轴的左右摇晃，因此本课题可以设计导柱来限制刀具的左右移动。导柱尺寸可以根据立柱的高度进行设计。设计Z轴的高度730mm，直径30mm。如图所示： 3.5.3 上托板 因为刀具与液压缸无法直接连接，所以本课题设计了上托板来来连接液压缸与刀具。同时，上托板也可起到固定刀具的作用。它的尺寸可以根据两个立柱的距离和宽度进行设计。设计Z轴的高度180mm，X长度720mm，Y轴宽度100mm。如图所示。 - - PAGE 30 - 4 液压传动系统的设计 4.1设计要求和运动分析 4.1.1剪板机的设计要求 本系统的设计只有一处用到了液压传动系统。其目的是为主油缸提供动力，驱动上刀架在水平线上前后移动。本课题选用单杆液压缸，可以提高切割精度和稳定性。液压油因为很容易与空气中的粉尘相结合，所以很容易受到污染。因此为了保证系统的精确度，保护液压元件，所以本课题设计时还需要进行防尘处理。 4.1.2 剪板机的运动分析 由于设计时选用的是斜刃剪板机，且上下两个刀片非常接近。因此设计时可以不用考虑刀架的快速切割过程。综上所述，整个系统循环只有两个动作，第一个步骤是进工，第二个步骤是后退。 4.2液压传动系统的基本方案 4.2.1方案确定 4.2.1.1调速方案 设计液压回路的主要问题是如何控制其运动和速度的大小。本课题可以用方向阀或逻辑控制元件进行方向控制。对于常规的中低流量液压系统，利用控制阀的不同组合来实现各种要求动作。然而这种方法对许多大流量的液压系统并不适合使用。这些系统通常将控制阀与插装阀进行各种组合来实现要求动作。 调速方案是利用执行元件的流量变化和调整封闭空间的体积来控制系统速度。合适设计方案的方法有三种类型，分别为节流速度控制，容积调速和组合调速。 节流速度控制常用的方法是选择由定量泵来给整个系统供油，同时利用流量控制阀来控制整个液压系统的流量变化，从而达到调节速度的目的。这种方案会使整体结构简单，使用便捷。然而因为系统中一定要有溢流阀，且工作效率低，会产生大量热量，所以只有低功率的设备才会使用节流调速。 容积调速方法是一种利用液压泵通过改变系统排量的方式来对系统进行控制调速的方案。其最大的溢处就是在系统工作的过程中没有过多的机械能量损失且系统的工作效率高。但是，系统要一个辅助泵来散发热量并弥补泄漏。容积调速方法适用于功率大的高速液压系统。 容积调速通常使用可调液压泵来供油，而流量控制阀可调节入口或出口处液压执行元件的流量，以适应机油需求。这种调速的系统回路运行效率相对较高,速度平稳,但是结构较为复杂。 节流速度控制常见的方式有三种类型，第一种类型是支路节流，第二种类型是进油节流，最后一种类型是回油节流。进油节流受到的初始负载影响较小，在负载较大的条件下一般会使用回油节流来进行调速，而支路节流主要在高速的条件下被广泛使用。而且调速回路决定了系统的循环方式。 节流速度控制多以开环形式进行。在系统运行时，油首先被液压泵抽出，然后沿着油管在系统中流动，推动液压元件运行，最后返回油箱。这种系统结构简洁，容易散发热量，然而油箱容积较大，系统油很容易和粉尘结合。 容积式调速多以闭环形式进行。在闭环系统中，液压泵的吸入通道直接与元件的排出口连通，组成一个封闭式的系统回路。系统整体结构紧凑，但不容易散发热量。 经过比较本设计选用容积调速系统 4.2.1.2 压力控制方案 当系统压力维持在要求的范围内时，系统才能正常运作。有些系统需要分数个阶段持续调节压力，或者根本不打开压力。通常在节流调速系统中，液压泵会给整个系统提供液压油，同时利用溢流阀将系统压力调节合适的压力。而容积调速系统中大多数提供油的液压泵是变量液压泵，同时会选用安全阀来保护系统安全。 4.2.1.3 顺序动作方案 根据设备的各种类型与运用，可以人为地控制执行元件的动作顺序。有许多机械设备的控制机构是由手动控制的，其中最典型的就是多路换向阀。在某些设备中也常会用行程开关来控制动作顺序。当工件到达某个位置时，它会产生电磁信号，并将信号传递到电磁铁，从而推动电磁阀来进行操作。虽然行程开关安装更便捷，但是行程开关只适合应用在便于管道连接的场合 与此同时，某些设备采用控制时间或者控制压力的方法。如液压泵首先空载启动，稍后当液压泵正常运动时，延迟继电器会产生电磁信号以关闭排放阀并且设置正常工作压力。而压力控制被大范围的应用于带有夹具的机床和液压机等情况。 通过比较，本设计的动作方案是利用电磁信号推动电磁换向阀来控制回路。当系统中的压力增长到预设值时，压力继电器会产生电磁信号，从而使液压油通过换向阀进入下一个液压元件，然后进行下一个动作。 4.2.1.4 最终方案 考虑到剪切机工作所需的功率，本课题可以采用容积调速。选用可调液压泵来适应供油的速度变化。当刀架下降时，液压泵会以最大的流量为总系统提供油。在剪切过程中时，液压泵提供的流量会在最后5秒内逐渐减小，最终降为零。而当刀架上升回程时，液压泵的供流量又会逐渐增加，最终增长到最大值。总系统是利用电磁换向阀来调整运动方向的。当刀架停止运动时，换向阀手柄处于中间位置，使回路卸荷。为防止上刀架和上刀片由于自身重量而导致转速损失，在液压缸有杆腔的回流通道上设有一个带内部控制的单向顺序阀。 对于系统中所需的供油量在每个工作周期的每个阶段变化很大的情况，通常使用带有多个泵的供油或带有可变泵的供油。当要求持续较小流量时，可以添加电池作为辅助油源。 由于液压油容易受到污染，因此回路需要净化装置。为了保护系统，本设计会将合适的粗滤器与液压泵相连接。所有进入系统的液压油必须依据系统中需要保护的液压零件的使用要求再次通过适当的细滤器进行再一次的过滤。同时，此次设计也会使用过滤器来阻止污染物通过油管进入油箱。 4.2.2 液压系统原理图的绘制 图4-1液压原理图 4.2.2.1 各元件的作用 零件1是油箱，油箱的功能和作用主要是储油,储存杂质,稳定系统油温。 零件4是过滤器。因为系统对液压油的有着要求较高，含有污染物的液压油不仅会降低整体精度，还会对液压组件产生破坏。因此，过滤器起到过滤杂质，使液压油保持干净，保护系统元件。 零件5是电动机，主要的功能是将机械能转化为机械动能，主要作用就是为电机和叶片泵提供动力。 零件6是叶片泵，把液压油导入系统中，使液压系统正常运转。 阀7和阀12都是单向阀，控制系统中流动的方向，且能阻止液压油倒流，保护系统零件。 阀8是溢流阀。在不同的液压系统中有着不同的功能，可以总结为两大类型。一是作为恒压阀，确保系统或回路中的压力恒定，然后将剩余的液压泵油重新加注到油箱中，以便在正常运行期间打开油箱。另为一种是作为安全阀，它可以在系统中保护元件作用，防止由于系统过载而造成管道或部件的损坏。只有当系统压力大于或等于其设定的压力时，阀门才会开启。 阀9是电磁换向阀，是利用液压油的流动方向来控制刀架的上升与下降。在本次设计中我们选择的换向阀是中位机能为O型的电磁换向阀。它的优点是当换向阀的阀芯位于中间时，总系统都停止运行，此时执行元件也会停止运动。 零件10是压力继电器，可以检测系统中的压力，可以产生电磁信号并传递给换向阀。 换向阀11在系统中被当作顺序阀来使用，控制着系统的动作顺序。当换向阀通电时，液压油可以从换向阀的右边通道进入液压缸。而当换向阀断电时，则液压油无法通过换向阀进入液压缸。 零件13是主液压缸，是执行机构，驱动刀架的下降与上升。 阀14是单向调速阀，通过调整油管内的流量来控制刀架上升时的速度。 4.2.2.2 工作原理 没有工作的时候，系统的回路是不通的，是静止的。当设备开始工作时，首先2YA通电，电磁阀 9的阀芯向右运行，使其左边部分接入回路。与此同时，电动机也通电，液压泵因此也进入了工作状态。而液压油顺着油管走到液压元件中，先从1 中通过4进入到液压泵6中，然后流过单向阀12 ，最后走入换向阀。在运动过程中，系统中的压力会逐渐增加。因为上面的换向阀并没有得电，所以油路是不通的，并且还有一个单向阀，油路也是不通的，液压油并不能行至下一个液压元件，更不能驱动剪刀。当压力值增长到预设值时，压力继电器10会产生信号。此时二位二通换向阀就会得电，即 YV3 得电，阀芯向左运动，使右部分接入回路，回路接通。液压油通过该换向阀行至主油缸的无杆腔。受到液压油所产生的力的作用，活塞杆向下运行，进行剪切。同时液压油会经过调速阀14和换向阀9最终返回油箱。当液压油下降到行程阀时，系统产生信号，电磁体2YA和电磁体3YA会同时断电。但换向阀的1YA会通电，这会将换向阀9的右边与系统相连通。此时液压油将沿着反方向推动系统的运行。先是经过滤器4和单向阀7进入换向阀的右边系统。再通过单向速度调节阀14进入主油缸13的有杆腔，使刀架的向上移动。然后液压油分别通过二位二通阀和三位四通阀流入油箱。在这一过程中，剪刀向上运行至预设位置，碰至行程开关，发个信号，图中的换向阀全部失去电量，各出油口都会停止通过系统油。因此回路处于断的状态，剪刀就会停在上方也不会有所运动。 4.3液压系统参数的计算 4.3.1 液压缸的计算与设计 从上一章中可得剪切力F剪= 6714N。此外，液压剪板机在工作过程中由于存在摩擦等因素造成一部分损失，所以最大剪切力 F 应选择为 8000N。由于设计的液压剪切机是立式结构，并且刀片的移动距离较小，因此本课题选择缸筒固定的立式单杆活塞缸，从而根据活塞杆的上下移动来控制导的上下运动，进行对板料的剪切。 4.3.1.1主液压缸的计算 （1）主液压缸内径D 由任务书可知油缸规格为?125×100 ， 根据下表，可以取标准值D=125 mm 表4-2 液压缸内径尺寸表 25 32 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 450 500 550 600 700 800 （2）主液压缸活塞杆外径 按往返速度比要求一般取d=（0.5～0.7）D, 所以活塞杆外径 d=0.7D=125×0.7=87.5 （4-1） 根据下表，可以取标准值d=90mm。 表4-3 活塞外径尺寸表 4 16 36 80 180 5 18 40 90 200 6 20 45 100 220 8 22 50 110 250 10 25 56 125 280 12 28 63 140 320 14 32 70 165 360 （3

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