机械毕业设计698钢坯火焰清理机氧化皮裂纹清理装置设计说明书.docx
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机械毕业设计698钢坯火焰清理机氧化皮裂纹清理装置设计说明书
摘要
钢坯清理厂目前所用的设备为老式的清理机,它是上世纪九十年代产品,设备老化,维修困难,加工零件精度低,加工范围小,功能已很难适应新的工艺及船用工件,所以改造时主要从以上几方面考虑。
经过与工厂协商,在改造中主要解决这些问题,改装割炬升降装置,进而适应钢坯厂大型钢坯的加工。
改造后应达到通用性好,可进行直线及任意曲线的清理,可配置任何形式的割炬。
精度高,改造后的数控火焰清理机运行精度、定位精度及转角处精度均要得到保证。
清理质量好,清理机运行平稳,定位精度高。
自动化程度高,切割全过程自动控制。
数控系统功能齐全。
本论文的工作重点是数控火焰清理机机械本体的改造,通过对机械本体的不合理地方重新设计和计算机数字控制技术应用,完成了数控火焰清理机的改造,并且在实际中进行了运行和调试.本论文的工作及贡献
主要有下面几个方面;
1.进行了机械方案设计、计算与分析,其主要内容包括机械本体,传动
系统及加装的自动调高,和割炬升降装置改装等。
。
2.对改造后的数控火焰切割机进行了调试和运行,参数设置,诊断分析
以及精度检测。
’
关键词:
数控火焰清理机、改造、机械本体、电气控制加工
ABSTRACT
Billetcleaningplantequipmentcurrentlyusedtocleanuptheoldmachine,itistheninetiesoflastcenturyproducts,equipmentaging,maintenancedifficulties,lowprecisionmachiningparts,machiningrangeofsmall,functionhasbeendifficulttoadapttothenewtechnologyandmarineartifacts,sotransformationoftheaboveareasisamajorconsideration.Afterconsultationwiththefactory,inthetransformation
Mainlytosolvetheseproblems,themodifiedtorchlifter,andthenadapttolarge-scalebilletsteelbilletplantprocessing.Aftertransformation,shouldreachcommongood,canbestraightandcleanupanycurvesthatcanbeconfiguredtoanyformofcuttingtorch.HighprecisionCNCflametransformedcleaningmachinerunningaccuracy,positioningaccuracyandprecisionofthecornerhavetobeguaranteed.Clean-upofgoodquality,cleanmachinerunningsmoothly,highpositioningaccuracy.Highdegreeofautomation,automaticcontrolofthewholeprocessofcutting.Numericalcontrolsystemfullyfunctional.
Focusofthispaperisthenumericalcontrolflamecleaningmachinemechanicalbodytransformation,bymechanicalbodytore-designandunreasonablewheretechnologycomputernumericalcontrol,CNCflamecleaningmachinetocompletethetransformation,andcarriedoutinpracticerunninganddebugging.Workandcontributionofthispaper
Therearethefollowingaspects;
1.Forthemechanicaldesign,calculationandanalysis,whichmainlyincludemechanicalbody,transmission
Systemandtheinstallationoftheautomaticincrease,andothertorchlifterconversion..
2.AfterthetransformationofCNCflamecuttingmachinedebuggingandrunning,parametersettings,diagnosticanalysis
Andtheaccuracy.'
Keywords:
CNCflamecleaningmachine,transformation,mechanicalbody,theelectricalcontrolprocessing
引言
1.1概述
所谓钢坯火焰清理就是利用高温火焰的气割和熔除作用将钢坯表面缺陷烧除的工序。
该工序能有效提高钢材的轧制质量。
为了生产高质量的优质钢材提供了必要的保证。
钢坯火焰清理按工作温度分为热钢坯火焰清理和冷钢坯火焰清理;钢坯火焰清理按操作方式分为手工作业和机械作业方式。
其中实现机械作业的装置称火焰清理机,他是通过专门烧嘴将氧气和炼焦煤气进行混合,燃烧火焰预热连铸钢坯,然后利用高压纯氧流与钢坯表面产生氧化反应,对钢坯火焰清理机需要采取机械作业方式,冷钢坯火焰清理机即可采用手工作业方式,又可采用机械作业方式。
冷钢坯火焰清理即可采用手工作业方式,又可采用计息作业方式,但由于我国目前非常缺乏专门的火焰清理机的设计、制造研发能力,国内钢坯火焰清理主要采用手工作业冷钢坯清理方式。
1.2火焰清理机的发展概况
钢坯火焰清理技术起源于美国,成熟于韩国,是全球冶金行业率先进行批量化检验板坯皮下缺陷的先进手段,目前正风靡于世界冶金业。
而随着我国钢铁工业对钢种质量的需求进一步提高,钢坯的火焰表面清理技术显得越来越重要,实践证明利用火焰清理钢坯缺陷,能有效地提高钢材的轧制质量。
近几年来国内高度重视钢坯火焰清理技术在国内冶金业的应用,如2006年宝钢分公司炼钢厂4号连铸机工程配套改造项目:
二炼刚火焰清理机技改工程热负荷试车一次成功,顺利投入运行。
改造后,二炼钢火焰清理机清理铸坯的最大宽度可从1450毫米增至1750毫米,年清理能力也将由60万吨扩大到120万吨。
又如2010年迁钢公司板坯火焰清理机热试成功,设计年处理板坯190万吨,为该公司低成本生产高端高效产品,尤其是高品质汽车板、加点板提供了技术保证,迁钢成为国内继宝钢之后第二家投入火焰清理机的企业。
但该板坯火焰清理机主体设备均由日本KBK公司和美国L-TEC公司联合设计制作。
可见,国外钢坯火焰清理技术现处于极度保密的状态,国内需要花费巨大的外汇来进口国外的钢坯火焰清理机的整机和关键核心部件,而且维修服务费用昂贵。
基于我国目前火焰清理机研发十分落后的局面,注定我国民族冶金企业必须走自主创新、产学研相结合的道路,通过对钢坯火焰清理机研发中的整体方案设计、结构分析、制造与装配等关键技术进行校企联合公关,我国才能够较快较全面掌握钢坯火焰清理技术,为我国冶金企业长期发展注入强劲的活力。
因此,钢坯火焰清理机的设计项目具有十分深远的现实意义和工程应用价值
1.3火焰清理机的特点
.1、能清理厚度大的钢块,最大可达1000mm。
炼钢厂产生的钢坯钢块大小不等,清理钢坯的方法也有很多种,例如人工清理劳动强度大、效率低,国产的人工清理工具——直简式手动清理机在质量及效率上对大厚度的钢坯块还不能胜任,钢坯液压清理效率虽高,但设备庞大,投资亦大,且对大件的钢坯国内外均无法采用手工清理,所以本文所论及的自动火焰清理机是目前国内解决大厚度钢坯清理的唯一途径。
2、功能多。
火焰清理机能在铁轨上沿清理坑横向走形及横向清理,清理割喷嘴在伸臂的头部,能和伸臂同时纵向移动进行纵向清理,清理割炬还能根据钢坯工件大小上下移动。
而国内现有的连铸火焰清理机只能横向清理和纵向运行。
清理方式也可根据需要进行电动或手动的切换。
清理速度可根据工件大小进行调速。
采用交流电动机,通过变频控制方法达到清理速度能调节的目的
3、国产化。
本火焰清理机以引进设备作为基础,在满足其结构功能的前提下,所有配件全部国产化。
例如清理割炬,点火枪、电动机、各类减速机等标准件、力矩限制联轴器、能源控制系统中的各种仪表及阀门等。
1.4火焰清理机清理装置的主要结构和功能
1横向驱动装置。
电机通过摆线针轮减速机和涡轮减速机驱动车轮,使整台小车带动清理炬横向走形或横向清理,电动机通过变频控制可调节横向走形速度,即横向清理速度。
做做离合器手柄,可选择电动或手动横向走形方式。
手动时用手柄通过锥齿轮‘、减速机、链条驱动替代电机驱动车轮。
根据钢坯厚度的需要,清理机速度最慢可达到30mm/min。
传动装置减速比很大,i≈3450.
2向驱动装置是驱动伸臂的装置,伸臂是由驱动轴,从动轴及导向轮支撑的。
电动机经过减速机、齿轮和离合器此轮驱动传动轴,使伸臂移动。
也可操作离合器手柄用手动方式驱动链轮传动驱动轴使伸臂作纵向移动
3臂及割炬上下移动装置。
伸臂的头部有驱动部分有驱动部分能夹持清理炬,并通过涡轮蜗杆及齿轮齿条传动装置使清理炬上线移动。
伸臂的候补装有清理炬上线移动用的电机,经过减速机和力矩限制连轴器及长轴传给伸臂头部的清理炬上线驱动装置。
上下移动距离视钢坯厚度而定,一般清理炬喷嘴到被清理的钢坯的距离为50mm~80mm
4理机距离和点火枪。
清理喷嘴通过预热焦炉煤气,预热氧气在喷处混合,形成混合气体火焰,清理用的氧气通过喷嘴中心喷出进行清理,管体及喷嘴均通水冷却。
为了能使清理炬点火,还装置了点火枪,点火枪装在割炬的管体上,通入的焦炉煤气在混合部吸入空气,混合气体从点火枪烧嘴喷出明火,可以点燃清理机的火焰。
第二章门式车架改造
门式车架要在原有的基础上改单边驱动为双边驱动,要在导轨上加装齿轮齿条,车架右端加装驱动箱,主副基座中各装有驱动大车架运行的齿轮箱和电机,电机中装有编码器以保证两齿轮箱的同步运行。
两个纵向及横向驱动齿轮均采用行星减速齿轮以保证运行精度。
主副基座中各装有两个大滚轮,在前后、左右位置,用以支撑大车架并实现切割机的纵向运动。
导向滚轮各装在装有操纵台的主基座中,这样可以保证大车架沿纵向导轨运行时精度。
调整调整螺母,可以改变外滚轮与导轨的接触点。
并且内滚轮安装在偏心轴上,故可进行调整。
这样,一旦导轨或导向滚轮发生摩损,可自动补偿,故保证了良好的导向精度
大车架构成数控切割机的整体,它由前后横梁、中间支撑及主副基座组成,为门式结构,各部分均采用焊接结构。
大车架的前后横梁采用矩形钢材通过焊接而成形,中间支撑把前后横梁连接在一起,使整体结构具有很好的刚性,这样可以保证切割机在装有重力冲打部件时不会产生大的弹性变形。
而且也可以使单割炬及三割炬溜板在沿横向导轨运行时,不会由于重心的改变而影响精度,从而保证数控切割机的精度。
前后横梁用螺栓与左副基座连接固定在一起,使整个大车架具有高的稳定性。
2.1误差校验
齿条具有加工容易、寿命长、传动精度高等特点,所以本机纵横向运动采
用的齿条传动系统未动,只在纵向导轨处又加装了一对,啮合齿轮参数为模数m=l。
齿数z=22。
原减速器拆掉,选德国行星减速器,减速比为32。
电机最大静转矩为3.8Nm。
割炬纵横向电机的负荷是不同的,纵向电机负荷大,其最大静转矩T近似计算为:
。
T=Wμd/2i
其中W为切割机总重量,μ为纵向导轨滑动静摩擦系数,d为啮合齿轮直径
(mm),i为减速比。
将W=5000kg,μ=0.15,d=22mm,i=32代入后。
T=25.8kgmm,远小于320kgmm(查表得到),这说明电机选择是合理的。
机械部分均选用标准件可降低设备成本,但该运动执行机构的实际脉冲
当量
为:
=πmZ/360i.
其中代入各数据计算可得
=5.99×10-3mm,它与机床数控系统中所提
供的脉冲当量为0.01近似,但有误差+4.01%。
2.2强度校核
由于在机械本体改造时,原有的门式结构大车架的横梁上要加装从动溜
板、并在横梁两端加装2个钢带箱等部件,并改单边驱动为双边驱动,就要
在车架右边加装驱动件。
改装前的车架由于采用单边驱动系统,当使用年限
超过十年以后,部件有些老化,经过校核,就发现当载荷力超过675000N时,
整个车架的强度就会不足。
主驱动部件采用电机驱动,从动部件跟着主驱动
部件在导轨面上运动。
个
最大扭转切应力τmax=
,其中T是扭矩,Wp是抗扭截面系数,
对于大车架,T=Fr×L,Fr=fN=O.2×629×103=125.8×103(N)
横粱L=6m,则T=Fr×L=125.8×103×6=754.8X103(Nm)
横梁截面Wp=
hb2,其中
是系数,查表取
=O.263,b×h=O.25mX0.7m
max=754.8×103/(0.263×0.252×O.7)=65.6Mmn/m2
而许用扭转应力[
]=70.5MN/m2,虽未超出,但已很接近,所以强度不足。
但经过改造后,车架均匀受力,横梁受力简图如下,横梁主要受升降系统静载荷力Po,若加装两个从动溜板,受静载荷力P1,P2,两端加装钢带箱,正作用在两个支点上,所以可以忽略。
由静力平衡条件计算支反力计算支反力Ra,Rb,己知,Po=6000N,P1=
P2=2000N,则Ra×L=(L—L2)×P+(L—L0)×Po+(L-L1)×P1,
RA×6=(6-3.4)×2000+(6-3)×6000+(6—2.6)×2000,RA=5000N
同理RB×L=L2×P2+L0×P0+L1×P1代入后艮=5000N
以梁的左端为坐标原点,选坐标系如图3.4(b),画出剪力图Q-X图,
计算过程如下:
A点:
Q=RA=5000N
l点:
Q=RA–P1=5000—2000=3000N
0点:
Q=RA-P1-P0=5000-2000-6000=-3000N
2点:
Q=RA-P1-P0-P2=5000-2000-6000-2000=-5000N
B点:
Q=RA-P1-P0-P2+RB=0
弯矩M(X)=Q(X)X,作出弯矩图如图3.4(c),计算过程如下:
A点:
M=0
1点:
M=RA·Ll=13000Nm
0点:
M=RA·Lo-P1(L0-L1)=14200Nm
2点:
M=RA·L2,-P1(L2一L1)一P0(L2-L0)=13000Nm
B点:
M=O
综上所述,得出最大剪力Qmax=5000N,最大弯矩Mmax=14200Nm
强度校核:
最大剪应力
max=
=42.8KN/m'
最大正应力
max=
=14200/(O.25×0.72/6)=695.5KN/m2
已知许用[
]=70.5MN/m2,[
]=141MN/m2,所以强度校核合格。
第三章升降系统及溜板改造
割炬升降系统的丝杠要更换,手动调高要改为自动调高系统,即可保证
在切割钢板时,钢板表面到割嘴之间的距离恒定,以保证切割质量,由于所切割的钢板表面不会完全与水平面平行,而且钢板表面可能是弯曲的,对于不同厚度的钢板,钢板表面到割嘴之间的距离是不同的,因此为了保证切割质量,须改为自动调高。
割炬自动调高系统分为:
电容式、弧压式、机械式三种。
电容式主要用于火焰和小型等离子系统、弧压式主要用于较大型和水下等离子系统、机械式主要用于直线三割炬。
本系统选择电容自动调高系统,它的传感电极被固定在支架上,传感电极可沿割炬轴线方向上下手动调整,支架安装在割炬上,电容自动调高工作以前,应根据所切割钢板的厚度调整好割嘴到钢板表面之间的距离,传感电极为环形电极,当对工件进行切割时,环形电极与其割炬割嘴四周的间隙应尽可能均匀。
前横梁上装有横向运动导轨及驱动齿条,在前横梁左右端还加装有钢带装置,为了克服钢带自身重量,前横梁中间部分装有支撑钢带用的滚轮,钢带位于前横梁前端。
当驱动溜板通过齿轮齿条驱动沿横梁导轨运行时,其他从动溜板通过对钢带的不同夹紧方式实现镜向及同向运动。
驱动电气柜装在后横梁上,此外中央集气管路及软管、电缆的支架也安装在后横梁上,各种软管及电缆线被放置在后横梁上的保护槽中。
3.1丝杠选取
已知平均工作载荷Fm=2800N,丝杠工作长度L=O.3m,平均转速na=120r/min,使用寿命La’=14400h,丝杠材料CrWMn钢,滚道硬度为58~62HRC。
3.1.1计算额定动载荷Ca’(单位N)
Ca’=KPKBKm
查表Kp=1.2,KH=1.0,KA=1.1(数控切割机的精度等级取E级)
Ca’=1.2×1.O×1.1×2800X×
≈17352(N)
3.1.2根据额定动载荷选择滚珠丝杠副的相应参数
依据Ca≥Ca’的原则,选择汉江机床厂的滚珠丝杠副FC1B-25×5-5-E2
规格尺寸为Ca=17456N;Do=25m;p=5mm;v=3o2’;db=3.175mm
计算其余参数:
螺纹滚道半径R=O.52db=O.52×3.175=1.651mm
偏心距e=(R一
)sin45o=0.707×(1.651一
)=0.0449mm=4.49x10-2m
丝杠内径dl=Do+2e--2R=25+2×4.49×10-2-2×1.651=21.79mm
3.1.3验算稳定性
临界载荷Fer=
(取μ=1)(3—1)
式3-1中:
丝杠材料弹性模量E=206X×109P.(丝杠材料为钢)
丝杠危险截面的轴惯性矩Ia=
=1.106×10-8m4
Fer=(π2×206×109×1.106×10-8)/(1×0.3)2≈374775N
S=
=134,[s]=2·5~4,所以S>[s],因此丝杠工作安全
3.1.4验算刚度
导程的等米变形量△L=±
±
(3—2)
式3—2中:
丝杠截面积A=
≈0.37×l0-3m2
丝杠切变模量G=83.3×109Po(查表)
转矩T=Fm
(w+
)(摩擦系数取0.0025,=8’40”)
T=2800×25/2×10-3×tan(302
+8’40”)----1.94N·m
丝杠的极惯性矩Jc=
2.212×10-8m4
△L=
+
≈.7.58×10
查表数控机床取E级精度,任意300m内导程公差为15μm,每米公差
为50×10-6>△L,所以刚度验算合格
3.1.4验算效率
=
=95.4%>90%符合要求。
3.2传动系统改造及分析
传动系统包括:
纵向齿轮箱、横向齿轮箱、单割炬升降齿轮箱等.
3.2.1纵横向齿轮箱设计及分析
纵横向齿轮箱均采用行星减速齿轮以保证运行精度。
由于采用结构小巧的行星减速齿轮箱,故纵横向驱动部件结构紧凑,效率高,体积小,结构简单,可承受较大的轴向及径向载荷.驱动电机安装在行星减速齿轮箱的适配板上。
驱动齿轮安装在行星减速齿轮箱的输出轴上,驱动齿轮与齿条啮合后便可由电机通过减速齿轮箱最终经输出齿轮实现纵横向运行。
纵横向齿轮箱与箱体及横向溜板的固定。
纵向齿轮箱通过压缩弹簧与箱体连接。
横向齿轮箱是通过蝶形弹簧与横向溜板拉紧。
这样,纵横向齿轮箱输出齿轮与齿条的啮合可保证无间隙,并可自动补偿齿轮齿条磨损产生的间隙,从而保证整机运行精度。
3.2.2减速机选取
根据反向间隙等精度标准选择减速机的类型为PLE80-32:
适配电动机的的额定输出扭矩乘上减速机减速比后得出减速机输出扭矩,该扭矩应小于或等于减速机额定输出扭矩,则本机额定输出扭矩为120Nm;即1.3Nm×32=41.6Nm<120Nm。
电机的最高输入转速要小于减速机的最大输入转速,本机选最大输入速
度60OOr/min;即5000r/min<6000r/min。
本机选最大径向和轴向力950N和1200N,重量为2.6kg,转动惯量为0.39kgcmz,额定输入速度4500r/min,最大输入速度4500r/min,满载效率94%。
3.3系统分析
刚度及抗振性分析
数控机床要在高速和重负荷条件下工作,为了满足数控机床加工的高生产率、高速度、高可靠性和高自动化程度的要求,与普通机床相比,数控机床应具有更高的静刚度、动刚度和抗振性。
截面惯性矩本机床的重点受力部位为门式车架横梁和基座,如门式车架横梁的截面惯性抗弯矩相对值可取3333/4.17(cm4),截面惯性抗扭矩相对值可取680/0.43(cm4.);静态时抗弯刚度相对值0.85,单位重力刚度相对值0.75,抗弯刚度相对值17,单位重力剐度相对值14.6;动态时抗弯刚度相对值2.8~3.0,抗扭刚度相对值11.7。
强迫振动机床强迫振动的振源有高速运动部件的动态不平衡力、
往复运动件的换向冲击力等,机床结构抵抗强迫振动的能力,可用动刚度Kd或动柔度Sd来表征,如式3-3,机床结构的动态刚度可以通过激振试验来确定,并且绘制成复平面上的幅相图
本设计确定改造后的火焰清理机的机械部分,包括机械本体,传动系统及加装的自动调高,自动点火和割炬升降装置。
机械部分大部分未动,只对一些必需件进行改造。
机械部分是实现加工的本体,并会直接影响到工件的加工精度。
本系统选用的德国NEUGART行星减速器在输出扭矩、噪音、效率、径向和轴向受力、寿命和反向间隙等多项关键指标均处于领先地位,同时齿轮齿条、滚珠丝杠等部件的选择亦使整机水平有所提高。
第四章课题总结与展望
本文设计的自动火焰清理机是用氧气和符合要求的可燃气体火焰废喷射钢坯表面去除氧化皮的设备。
经过几个月的集体努力,获得了一些成果和结论。
我们求得了曲柄连杆翻版机构中各个杆件载荷和直径的大小、曲柄翻转过程角度的变化。
辊道传送得出了齿轮机构传动具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点。
清理机中得出刮板可以自由地绕销轴做顺时针旋转而使下端抬起,从而将切屑留在原地,使得切屑只可以向排屑机前面排出。
整体时间和空间上,各部分装配到一起去的时候应该注意相互之间怎样配合。
随着我国制造业的发展,钢坯的作用越来越大。
需要加工钢坯两面的地方越来越多。
钢坯火焰清理机的出现使得工作效率提高几个等级,出现的人身安全事故也成倍的减少。
为了满足生产需求我们小组做此设计来解决清理氧化皮问题,这是为了生产力的提高,为了解决实际问题才结的此题目。
钢坯火焰清理的需求再将来的钢坯运用中有很大的好处。
在不久的将来,此设计所说的方案定会在实习生产中大量的运用。
第五章参考文献
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高等教育出版社,2006.5
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高等教育出版社,2002.
[3]罗学科.数控机床[M].北京:
中央广播电视大学出版社,2008.
[4]胡宗武等.非标准机械设备设计手册[M].北京
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