1、全套 CAD 图纸，联系 153893706本科学生毕业设计卷圆机结构设计院系名称： 机电工程学院 专业班级：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 指导教师： 职 称： 教授 二一二 年六月 The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Roll Round Machine Structure Candidate：Specialty：Mechanical Design and Manufacture& AutomationClass：08-13Supervisor：Prof.Heilongjiang Institute of Techno
2、logy2012-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计I摘 要本设计是关于卷圆机的结构设计。卷圆机是将各种型材卷制成圆环的一种高质量、高效益的卷圆装置。主要对卷圆机的传动系统、上下辊轮、压下装置以及卷圆机的总体进行设计和计算。卷圆机结构型式为三辊对称式，在该结构中上辊下压提供压力，两下辊做旋转运动，为卷制板材提供扭矩。该机具有结构紧凑、操作简便、寿命长、噪声小、一机多用、质优价廉等优点，是工厂实现机械化生产的配套设备，该设备的上市可以大大减轻工人的劳动强度，提高企业生产效益。关键词：卷圆机；辊轮；传动系统；压下装置；卷制黑龙江工程学院本科生毕业设计IIABSTRACTThis desi
3、gn is about flange machine. Roll round machine is made of various profiles will roll ring flange and a high quality, high benefit rolls round device ,mainly to transmission system, roll on the circle next roller, pressing device and roll machine design and calculation of the overall.Roll machine ath
4、reeroller symmetrical structure, in the upper roller press structure provides pressure, the two lower rollers make rotation, top provide torque. This machine with compact structure, easy operation, low noise, long service life, high quality and reasonable price multi-usage, etc, and is realized mech
5、anization production factory, this equipment facilities listed can greatly reduce the labor intensity, improve production efficiency.Key words: Roll round machine ；Roll wheel ；Transmission system；Pressing device； Rolling 黑龙江工程学院本科生毕业设计1目 录摘要-Abstract-第 1 章 绪论-11.1 国内外发展现状-11.1.1 国外发展现状-11.1.2 国内发展现状
6、-11.2 卷圆机的类型和特点-21.3 本文设计内容-2第 2 章 卷圆机工作方案的选择-32.1 卷圆机成型方案的确定-32.2 圆环卷制成型方式的选择-42.3 本章小结-5第 3 章 力学分析与主参数的确定-63.1 卷圆的工艺过程分析-63.2 卷圆过程中的力学分析-63.3 工作辊轮的设计-63.31 三辊轮受力情况分析-63.32 卷圆机的主参数的确定-73.4 本章小结-9第 4 章 传动系统设计-104.1 传动方案的设计-104.2 电机的选择-104.2.1 选择电机的结构形式-104.2.2 电动机的确定-11黑龙江工程学院本科生毕业设计24.3 传动比的计算-114.
7、3.1 总传动比的计算-114.3.2 分配传动比-114.4 运动和动力参数计算-124.4.1 各轴转速计算-124.4.2 各轴功率计算-124.4.3 各轴转矩计算-124.5 传动零件的设计计算-134.5.1 带传动的设计计算-134.5.2 蜗轮蜗杆的传动设计-154.5.3 齿轮的设计计算-164.6 轴的设计计算-194.7 轴承设计-224.7.1 滚动轴承的选择-224.7.2 滚动轴承的寿命计算-234.8 键的设计-244.8.1 键连接的功能及结构型式-244.8.2 键的选择和键联接的强度计算-244.9 本章小结-25第 5 章 压下装置的设计-265.1 卷圆
8、成形直径与标尺刻度的关系-265.2 压下装置的设计-275.3 上辊轮轴的设计-285.3.1 轴的材料及结构的确定-285.3.2 轴的受力分析-285.3.3 校核轴的强度-305.4 螺旋传动设计-305.5 本章小结-32第 6 章 其他各主要零部件的设计及选用-336.1 箱体的设计-336.2 “五大轮”的设计-336.3 各主要部件的选用-34黑龙江工程学院本科生毕业设计36.4 本章小结-34结论-35参考文献-36致谢-37黑龙江工程学院本科生毕业设计1第 1 章 绪 论11 国内外发展现状1.1.1 国外发展现状50 年来，卷圆机随着科技特别是微电子、计算机技术的进步而不
9、断发展。美国、德国、日本三国的卷圆机技术非常先进，经验很多，并且分别有自己的特点。在美国，政府重视卷圆机工业的发展，因而不断提出卷圆机的发展方向，提供充足的经费，特别讲求“效率”、“创新”，注重基础科研。由于美国首先结合汽车、轴承行业的生产需求开发了大批自动生产线，所以美国的高性能卷圆机技术在世界一直居领先地位。但因为偏重基础科研，忽视应用技术，有一段时间卷圆机的产量增加缓慢，直到纠正偏向后，产量又逐渐上升。德国政府讲求“实际”与“实效”，坚持以人为本，不断提高人员素质，他们还特别重视理论与实际相结合，基础科研与应用技术并重，在卷圆机产品质量上精益求精。德国的卷圆机质量及性能良好、先进实用，出
10、口遍及全世界，尤其是大型、重型、精密卷圆机，在质量、性能上居世界前列。日本政府对卷圆机工业的发展异常重视，并通过规划、法规进行引导。在重视人才及卷圆机部件配套方面学习德国，在质量管理及卷圆机技术方面学习美国，而且做得更好。日本在发展卷圆机的过程中，狠抓关键，突出发展卷圆机系统。日本 FANUC公司在产量上居世界第一，销售额占世界市场的 50%，对加速日本和世界卷圆机的发展起了重要作用。1.1.2 国内发展现状我国是世界上卷圆机机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各类卷圆机机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产
11、机床滞销积压，国外卷圆机机床产品充斥市场。这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控卷圆机机床品种、性能和结构不够先进，新产品的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。我国工厂由于缺乏卷圆机设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及卷圆机机床性能测试装置等)，自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。黑龙江工程学院本科生毕业设计2卷圆机用户根据使用需要，在订货时往往提出一些特殊要求，甚至在产品即将投产时有的用户临时提
12、出一些要求，这就需要迅速变型设计卷圆机和修改相应的卷圆机图纸及卷圆机技术文件。在国外，这项卷圆机修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国卷圆机机床厂用手工操作就至少需 12 个月，且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。由于长期以来形成的卷圆机设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见，容易造成产品的反复修改，延长了开发的周期。为解决这些问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面
13、，使企业取得良好的经济效益。1.2 卷圆机的类型和特点卷圆机分为机械式和液压式两种，机械式卷圆机是将碳钢、不锈钢、有色金属型材（角钢、带钢、槽钢、管子等）卷制成圆环的一种高质量、高效益的卷圆装置。其结构独特，具有体积小、能耗低、效率高、无噪音、安装使用方便、操作简单、承载能力强、寿命长、卷圆速度快、产品质量可靠等优点。液压卷圆机是机械式卷圆机的升级产品，能加大卷圆的厚度和宽度，能够完成机械式卷圆无法卷动厚板的缺点，代替了原有钢板下料、对接、校正、车床加工等复杂工艺并节省了氧气、乙炔、劳动力、原材料等，是制造圆盘的先进母体。1.3 本文设计内容本文主要对机械式三辊对称式卷圆机进行设计。主要包括电
14、机的选择、传动系统设计、压下装置设计及箱体的设计等。 黑龙江工程学院本科生毕业设计3第 2 章 卷圆机工作方案的选择2.1 卷圆机成型方案的确定如图 2.1 所示，制造该圆环零件的方法有以下两种：冲压法。即利用冲压的方法，设计一套专门用来制造该零件的模具，这种方法最突出的优点就是生产效率高，只要设计出一套模具和与之相配套的模架便可大量生产同一型号的圆环零件，但此法也有明显的不足之处：a.由于需要得到的圆环的外径为 430mm，内径为 370mm，设计出来的模具体形巨大，非常笨重，成本较高；b.冲压对 加工坏料的材质有限制，只适合加工塑性较好的低碳钢；c.由于该圆环的内径较大，加工产生的废料也较
15、多。卷制法。即利用辊轮将 30 3mm 的扁钢卷制成所需的圆环。钢板在辊轮上弯曲变形，是一个横向弯曲的过程，如图 2.2 所示。钢板在外负荷力矩 M 的作用下，产生弯曲变形时，中性层以上的纵向纤维受到压缩变形，中性层以下的纵向纤维受到拉伸变形。根据外负荷力矩的大小，当钢板表面层的最大应力小于钢板材质的屈服极限时，各层的纵向纤维都处于弹性变形状态，随着外负荷弯曲力矩的增大，钢板各层纤维继续产生变形。当外负荷增加到一定数值，钢板表层纵向纤维应力超过了材料屈服极限时，纤维产生塑性变形，负荷越大，塑性变形区由表层向中性层扩展的深度也越大。当钢板整个断面的纵向纤维应力都超过材料的屈服极限时，所有纵向纤维
16、都处于塑性变形状态，弯曲过程完成。当钢板完全卷制成所需的圆环时，再将首尾端焊合即可。利用这种方法加工法兰环，只要辊轮提供的扭矩大，基本上不会受到加工坏料材质的影响，且不会产生废料，操作方便实用，不失为一种加工大中型圆环的好方法。综合以上两种方法的优缺点，我们选用卷制法加工。因为扁钢在卷制过程中，中性层以上部分受到压缩变形，而中性层以下部分受到拉伸变形，唯独中性层长度没有变化，所以需要提供的扁钢长度为 mm，即 1256mm。43072L图 2.1 圆环 图 2.2 钢板弯曲变形示意图黑龙江工程学院本科生毕业设计42.2 圆环卷制成型方式的选择目前市场上出现的卷圆机种类较多，大致分类如图 2.3
17、 所示。三辊式结构卷制原理是利用三个辊轮对板料进行连续的三点弯曲卷制成弧体，下辊为主动辊，上辊作垂直升降运动，结构较简单，而四辊式卷圆机是以上辊为主动辊，由主电动机通过主减速器以及联轴器，从而带动上辊的工作，下辊的作用是提供一定的向上力，与上辊一起夹紧,所卷钢板使上辊与被卷钢板间产生足够的摩擦力，在上辊旋转时能够带动钢板运动。两个侧辊用以形成卷筒所需的曲率，使板料达到所需的目的，其工作原理如图 2.4 所示。采用四辊卷圆结构可以免去端部预弯的工序，但是传动系统较复杂，机器较笨重，因此我们采用三辊式卷圆结构。图 2.3 卷圆机分类 图 2.4 四辊卷圆机工作原理图而三辊式卷圆机又分为机械式三辊对
18、称式卷圆机、机械式三辊非对称式卷圆机、液压式三辊卷圆机，它们的主要特点分别为:机械式三辊对称式卷圆机：(如图 2.5 所示)，该结构型式为三辊对称式，上辊在两下辊中央对称位置作垂直升降运动，通过螺杆螺母传动而获得，两下辊作旋转运动，通过减速机的输出齿轮与下辊齿轮啮合，为卷制板材提供扭矩。该机缺点是板材端部需借助其它设备进行预弯。a.机械式三辊非对称式卷圆机：(如图 2.6 所示)，该机结构型式为三辊非对称式，上辊为主传动，下辊作垂直升降运动，以便夹紧板材，并通过下辊齿轮与上辊齿轮啮合，同时作为主传动，边辊作倾升降运动，具有预弯和卷圆双重功能。b.液压式三辊卷圆机：(如图 2.7 所示)，该机上
19、辊可以垂直升降，垂直升降的液压传动是通过液压缸内的液压油作用活塞杆而获得，下辊作旋转驱动，通过减速机输出齿轮啮合，为卷圆提供扭矩，下辊下部有托辊并可调节。图 2.5 机械式三辊对称 图 2.6 机械式三辊非对称 图 2.7 液压式三辊卷圆式卷圆机工作原理图 式卷圆机工作原理图 机工作原理图黑龙江工程学院本科生毕业设计5由于非对称式和液压式卷圆机的传动系统较复杂，制造精度要求高，难度大，而卧式结构相比于立式结构，外形大方，结构紧凑，且传动系统布置较简单，因此设计的卷圆机采用机械式三辊对称卧式结构方案。2.3 本章小结已知加工圆环零件的尺寸，其成型方式有俩种，一种是冲压法一种是卷制法。但由于冲压法
20、设计出来的模具体型巨大，非常笨重且成本较高等原因，因此选择卷制法成型方式。卷圆机的类型有很多种，通过对加工零件的分析和对卷圆机类型的分析，确定本设计采用机械式三辊对称卧式结构方案。黑龙江工程学院本科生毕业设计6第 3 章 力学分析与主参数的确定3.1 卷圆的工艺过程分析对称式三辊卷圆机在卷制钢板时，两下辊做旋转运动，上辊做垂直升降运动，板材平放在两下辊上，由于轧辊与板之间存在着摩擦力，所以当下辊转动时，板材也沿纵向运动，同时由上辊施加压制力，当板材所受应力超过屈服极限，则产生塑性变形，板材被弯曲。3.2 卷圆过程中的力学分析板材在被卷制过程中首先要克服板材的挠曲变形受力，变形到一定的程度时板材
21、要克服本身的弹性和塑性抗力，因此施加在板材上的力应有 3 个部分：（1）克服板材的挠曲变形力；（2）克服板材的弹性变形力；（3）克服板材的塑性变形力。3.3 工作辊轮的设计3.3.1 三辊轮受力情况分析卷制时，钢板受力情况如图 3.1 所示，根据受力平衡，可以得到下辊作用于钢板上的支持力 F2：（3.1） 2sinMFR式中： 连心线 OO1与 OO2夹角， ； min2arcda下辊中心距（m） ；dmin卷圆最小直径（m） ；d2下辊直径（m） ； 图 3.1 被卷钢板的受力分析黑龙江工程学院本科生毕业设计7考虑到板宽 b 远小于卷圆的最小直径 dmin，中层半径 R 0.5dmin，为简
22、化计算，式（3.1）可变为：2minsMFKNd（3.2）根据受力平衡，上辊作用于钢板上的力即压下力 F1为：2cos（3.3）根据文献 可知，下辊轮受到的力为：122()MFRra（3.4）式中 ： M板材被弯曲到中性层半径为 R 时所需的弯曲力矩（N m） ；r2下辊轮半径，r 2=r3（mm） 。根据文献 可知，钢板的塑性极限弯矩为：121sMhb（3.5）式中：h卷板的厚度（m） ；b卷板的宽度（m） ； s卷板材料的屈服极限（Q235 为 235Mpa） 。 初选下辊轮的直径为 170mm，中心距为 200mm，考虑到钢板在卷制时会与下辊轮发生轴向滑动，我们在钢板与辊轮接触处设置一环
23、形槽，槽深 2mm，因此下辊轮的实际 直径为 166mm。 由式（3.4）和（3.5）得： 2 3262085(01)5104.2sRrFhb NKa所以，下辊轮作用在钢板上的力为 4.52KN。根据式（3.3）得上辊轮对钢板的压力为： 12cosF因为 R=a=200mm,所以 = , 30124.5cos4.537.8FKNKN3.3.2 卷圆机的主参数的确定黑龙江工程学院本科生毕业设计8如图 3.2 所示， 组成了一个直角三角形，其三边边长分别为 ，1OB 2()DRb， ，根据它们之间的三角关系可得：2a1()DHR2122()()DaRbH（3.6）式中： 、 上、下辊轮直径， （m
24、m） ；12b扁钢宽度（一般取最大值） ， （mm） ；R加工工件曲率半径， （mm） ；H上下辊中心高， （mm） 。因而，由式（3.6）完全可以确定该机的各参数，其值可靠，可以作为设计其系列产品的理论依据。 在本次设计中，由于 R=200mm，b=30mm， =166mm,a=200mm,均为已知，而只有2D和 H 的值未知，它们之间存在着一一映射的关系。设计 =160mm，为了防止钢板1D 1在它上面发生轴向滑动，我们也在钢板与辊轮接触处设置一环形槽，槽深 2mm，因此上辊轮的实际直径为 156mm，将其值代式（3.6）得： 22216056(203)()(0)H21H=174.6 （m
25、m） 所以在卷制过程中，只需将上下辊中心高调整为 174.6mm 即可。图 3.2 主参数的结构分析通过对卷圆过程中三辊轮受力情况的分析，确定卷圆机主要参数如表 3.1 所示。黑龙江工程学院本科生毕业设计9表 3.1 卷圆机主要参数加工工件曲率半径 R/mm 卷板的宽度 b/mm 上辊轮直径 /mm1D200 30 156下辊轮直径 /mm2D上下辊轮中心高 H/mm 下辊轮中心距 a/mm166 174.6 2003.4 本章小结卷圆机在卷圆的过程中是通过上辊轮和俩个下辊轮对钢板施加压制力，从而使钢板产生塑性变形进行加工零件的。因此通过对卷圆机工作过程中三辊轮受力情况的分析，确定上下辊轮的直
26、径、下辊轮中心距及上下辊轮的中心高等参数。黑龙江工程学院本科生毕业设计10第 4 章 传动系统设计4.1 传动方案的设计为了使传动功率损失最小，传动级数最少，机器结构最紧凑，我们采用传动比非常大的蜗轮蜗杆传动方案，且根据“传动比大的放在靠电机处”的原则，将其放在带传动的下一级传动中。通过“过桥”齿轮与下辊轮齿轮的啮合作用，带动两个下辊轮旋转，因为两个下辊轮齿轮的参数完全一致，且“过桥”齿轮中心在两个辊轮的对称中心上，所以两个下辊轮作同步旋转运动。传动方案示意图如图 4.1 所示。图 4.1 传动系统示意图4.2 电动机选择4.2.1 选择电机的结构形式电动机分交流电动机和直流电动机两种。由于直
27、流电动机需要直流电源，结构较复杂，价格较高，维护比较不便，因此无特殊需要时不宜采用。生产单位一般用三相交流电源，因此基本都选用交流电动机。交流电动机有异步电动机和同步电动机两类。异步电动机有笼型和绕线型两种。我国新设计的 Y 系列三相笼型异步电动机属于一般用途的全封闭自扇冷电动机，其结构简单、工作可靠、价格低廉、维护方便，适用于不易燃爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的机械上。黑龙江工程学院本科生毕业设计114.2.2 电动机的确定卷圆机的下辊轮工作转速：/601dnVWRms/ivnr（4.1）式中： V下辊轮工作速度， （m/min） ；d下辊轮直径，(mm)。则 2103.84/min6nr总
28、传动比 （4.2）12i式中：i总传动比；n1电机满载转速(r/min)；n2下辊轮工作转速(r/min)。在整个传动系统中带轮的传动比 i 带 =24，齿轮的传动比 i 齿 =36，蜗轮蜗杆的传动比 i 蜗 =1532。带入式（4.2）得：21ni（24） （36） （1532）n 1（90768） 3.84（345.62949.12）r/min且已知电动机功率 P=4kw，因此选择电动机型号 Y132M1-6，其额定功率 P=4KW，满载转速 n=960r/min.4.3 传动比的计算 4.3.1 总传动比计算由前面选取可知：工作机转速：n 2=3.84r/min 电机满载转速：n 1=9
29、60r/min由式（4.2）可得 。296053.84ni4.3.2 分配传动 i 带 i 齿 i 蜗 ；黑龙江工程学院本科生毕业设计12 不能超过各自范围；i 总 =i 带 i 齿 i 蜗 。则取 i 带 =2 ，i 齿 =5 ，i 蜗 =25 。4.4 运动和动力参数计算4.4.1 各轴转速计算轴： =960r/minn轴： 96048/min2ri轴： 1./i5ni轴： 93.84/inVri4.4.2 各轴功率计算各轴输入效率：联轴器效率： 1=0.99；带轮效率： 2=0.96；齿轮效率： 3=0.97；轴承效率： 4=0.98；蜗轮蜗杆效率： 5=0.75。轴： pkw轴： 20
30、.963.84kw轴： 572轴： 3.0.9.74Vp k4.4.3 各轴转矩计算轴： 9503.79pTNmn轴： 6.4轴： 950132.5pTn轴： 684.VVNm 将上述结果汇总于表 4.1 以备查用。黑龙江工程学院本科生毕业设计13表 4.1 减速器参数表轴名 功率(KW) 转矩 T(Nm ) 转速 n(r/min) 传动比 i 效率 轴 4 39.79 9602 0.96轴 3.84 76.4 48025 0.75轴 2.88 1432.5 19.2轴 2.74 6814.32 3.84 5 0.974.5 传动零件的设计计算4.5.1 带传动的设计计算（1）选择普通 V 带
31、由课文查得，工作情况系数 KA=1.2 计算功率：1.04.8VAPKW小带轮转速： 96/minnr（2）选取 V 带型号根据 P V 和 n0 ，则工作点处在 A 型区，故 V 带型号为 A 型带。（3）确定带轮基准直径 D1和 D2 选择小带轮基准直径 D 1 由文献 P145 表 8-4 可得，小带轮直径 D1=100mm2取 D2=200mm219600.29648n m虽然略有增大，但误差小于 5%故允许。验算带速13.40965.24/601Dnv s在 525m/s 范围内可用。（4）确定中心距 a 和带的基准直径长度 L0 初选中心距 a0 取初中心距 0.7（D 1+D2）
32、 a0 2（D 1+D2）黑龙江工程学院本科生毕业设计140.7（100+200） a0 2（100+200）210 a0 600取 a0=0.8（D 1+D2）=540mm。确定带的基准长度 L02 112()2()4Dlaa23.0)540516m根据文献 P143 表 8-3，取 V 带的基准长度 L=1120mm（带长修正系数 Kl=0.99）2则实际中心距 0016554622dla m验算小带轮包角由文献 P141 公式 8-22 （适用） 21180()57.30Da12（5）确定带的根数由文献 P151 表 8-6 查得 P0=0.95kw；由 P152 表 8-7 插入法求得
33、2；由 查 P152 表 8-8 得 ，则有：0.1()Pi170.98K0 43.67()(.51).vlpZk 取 Z=4 根。（6）计算作用在轴上载荷 FR由文献 P142 表 8-2，得 q=0.10kg/m，单根 V 带的初拉力：220.5(1)vpqvzk24.8.0.1(5.)9=187.9N作用在轴上压力： 0 72sin418.sin4.82QFZN（7）带轮的结构设计黑龙江工程学院本科生毕业设计15带速 V 30m/s，材料用灰铸铁 HT200。， 采用腹板式；130Dm， 采用腹板式。2（8）带轮轮槽尺寸由文献 P145 表 8-5，得 ， ，Bd=11mm， ， min
34、9f15emmin6， ， 。min3hainhf()2(4)293BZf4.5.2 蜗轮蜗杆的传动设计（1）已知蜗杆输入功率 P=3.84kw，转速 n =480r/min 传动比 i=25，单向传动，载荷基本平稳，冲击较小，因蜗杆传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆选用 45号钢，因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜 ZCuSn10Pb1 金属模制造。为节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁 HT100 制造。且已知蜗轮输出转矩为1432.5 ，蜗轮材料为铸锡磷青铜 ZCuSn10Pb1，砂型制造,估计 Vs=2.5m/s，根据Nm表 6-5 查得 180HMP（2）选择蜗杆头数 Z1及蜗轮齿数 Z2 根据 i=25，查表 6-2 得蜗杆头数 =2，蜗轮齿数为121250Zi（3）确定蜗轮传递的转矩 T2T2为已知，即 T2=1.43106 Nm（4）确定模数 m
