拉丝模抛光机的反求创新设计

1 第1章绪论1.1引言目前中国已经成为全球线材制品大国。线材行业中广泛使用的一种模具是拉丝模。拉丝模的内孔由圆柱面与圆锥面组成，。圆锥面为对线材（工件）的压缩区，圆柱面为拉丝模的定径区（抛光区），其直径大小与线材尺寸相对应。拉丝的质量直接影响线材的形状、尺寸、表面粗糙度及使用寿命。我国目前采用的拉丝模研磨工艺是五十年代初从苏联引进的针磨工艺。这种工艺的可靠性不高，且生产效率较低。拉丝模抛光机的反求创新设计正是为了提高拉丝模使用寿命、拉丝模内孔的抛光精度、抛光效率等而开发的。本课题设计的将是一种新型拉丝模线研磨抛光机，该机主要由卡具旋转机构、丝架往复运动机构两部分组成。该机特点在于可将拉丝模的内孔一次研磨抛光成型，使生产效率大大提高。丝架往复运动机构，采用配重平衡，从而使丝架高、低速运行平稳，加工范围增宽，加工精度提高，使加工小孔径拉丝模具成为现实。而拉丝模抛光机的反求创新设计主要有两个方面：一是抛光丝往复运动系统设计；二是卡具放置机构设计。1.2课题研究的目的和意义1.2.1课题的来源及研究目前中国已经成为全球线材制品大国。但是从经济效益看，差距却很大。全行业各类产品基本生存在上下游企业的夹缝中，长期以来在微利和亏损的边缘徘徊。这些必须引起全行业的高度关注。我国线材制品行业普遍面临成本压力，其根本出路还是加强科技进步和技术创新，增加高附加值产品的比重，同时进一步加强企业管理，节约资源，提高竞争力。预计2010年，国内中高碳线材制品的消费量将增长至865万吨（未包括净出口量）。“十一五”期间，我国中高碳线材制品消费量将持续增长，但增长率将有所下降。因为，中高碳线材（硬线）的制造成本与普通低碳钢线材的成本差距逐渐缩小，为进一步发展中高碳线材制品生产提供了条件。另外，随着中高碳线材制品生产成本的降低，特别是建筑行业用优质高强度钢丝及制品的价格与普通低碳钢丝的差距逐渐缩小，为中高碳线材制品在建筑行业推广创造了条件，这将带动中高碳制品消费总量的持续增长。线材行2 业的不断发展对拉丝模提出了越来越多的要求，低成本高质量就要求拉丝模的使用寿命要更长，内孔精度要更高，总之就是要提高拉丝模的质量。拉丝模的内孔由圆柱面与圆锥面组成，见图1.1。圆锥面为对线材（工件）的压缩区，圆柱面为拉丝模的定径区（抛光区），其直径大小与线材尺寸相对应。拉丝模的质量直接辩证唯物线材的形状、尺寸、表面粗糙度及使用寿命。我国目前采用的拉丝模模孔研磨工艺是五十年代初从苏联引进的针磨工艺。它的工作原理是，模具旋转，针状磨头在磨孔内做微移动或摆动，以达到加工模孔的目的，见图1.2。这种工艺的可靠性不高，且生产效率较低。针状磨头设计成锥状是为了使其在模也内穿进方便，同时在磨削过程中产生径向分力以提高磨削效果。但因此也带来很多弊端。首先，针状磨头的锥度使加工出来的模孔也具有锥度，使用有锥度的模孔拉丝时，起定径作用的仅仅是锥状模孔的小端（见图1.3）。定径区小，因而在抛光作业时的接触面积小，那么由于拉丝模工作过程中作用在磨擦表面微观体积上周期性的接触载荷或交变应力的存在，极易使表面或次表面形成裂纹。由此造成模孔剧烈磨损，线材抛光质量差。其次，针状磨头是手工修制的，磨头形状极难呈现理想圆锥形。因此，在研磨过程中，由于针磨头呈锥面，径向分力存在，且几乎不可能完全平衡，由此而产生的偏心力使悬置的磨头呈现挠曲，从而加工出偏心的模孔。另一方面，由于模头的不规则，在磨削过程中出现高频交变应力，以致产生振动。对于一个“悬臂梁”结构，在加工过程中存在的振动，将对整个结构的寿命有所影响。图2.1拉丝模的拉拔过程从考核产品或设备可靠性的角度一看，主要指标是寿命和性能。显而易见，针磨工艺是比较落后的。所以就要求改进国内的拉丝模抛光技术，本课题就是在消化、吸收国外先进技术的基础上，研制出高速线抛光机。1.2.2国内外拉丝模抛光机的发展现状我国拉丝模制造工业从八十年代起，发展较快，但总的来说与国外还有不小的差距，我国制模工业还比较落后，加强制模管理，提高拉丝模的质量水平，推动制模工艺技术的进步是当前的重要课题。八十年代以来，我国金属线材加工行业有好几十个厂家，先3 后引进了上百台高速拉线设备，在使用过程中，由于种种原因，普遍未达到设计水平已成为刻不容缓的重要任务。研磨工艺是拉丝模成型的主要工序。它分为三个步骤，粗磨、细磨(精磨)、抛光。加工方法基本相似，但使用磨料不一。据中国机床商业网报道，随着科学技术的不断发展，各种模具的加工工艺要求越来越高。提高模具抛光的速度和质量使我国模具制造工艺达到世界先进水平，已成为刻不容缓的重要课题。目前，国外拉丝模抛光效果最好的是日本、美国，而意大利、瑞典、丹麦等国抛光质量次之。1.3课题研究内容与思路1.3.1课题的研究内容本课题在结合中国的传统生产工艺的基础上，结合生产实践，开发一种高效、优质的拉丝模抛光生产设备，主要针对拉丝模抛光机的卡具旋转机构进行机械系统结构的反求设计，对抛光丝往复运动的控制系统进行创新设计。本课题的卡具旋转机构是指夹持拉丝模，并带动拉丝模一起作回转运动，主要包括以下几个方面：其一，将拉丝模定位夹紧，要抛光拉丝模的内孔就必须要确保拉丝模的定位定心精度；其二，将带运动拉丝模一起作回转运动，该拉丝模抛光机的工作原理是利用抛光丝的往复运动及拉丝模的回转运动来对拉丝模内孔进行抛光的，所以该卡具机构的主要任务就是将拉丝模固定在一定的高度并且使其能够做旋转运动。所以课题根据拉丝模的主要工艺过程，设计出的卡具旋转机构主要有以下几个部分：夹紧、旋转。该课题的控制系统是指能使抛光丝作上下往复运动的系统。1.3.2课题的研究思路本课研究的主要设计思路是：（1）通过查资料、结合传统的生产工艺的基础和机械线材行业的发展需要，设计拉丝模抛光机卡具旋转机构及抛光丝往复运动控制系统的大体部件。（2）采用Pro/E软件初步设计出拉丝模抛光机的主体结构，以及各个附属机构。（3）根据零部件的设计计算，确定其结构并选定各零件的材料。（4）绘制主体结构的三维图纸和工程图纸，关键零件的三维图纸、工程图纸和有限元分析。（5）通过计算完成各个机构动作的自由度的分析和计算；分析各个动作的运动的方程。（8）根据要求和设计过程，编写设计说明书。4 1.4本章小结结合三维实体建模技术、二维建模技术、优化设计技术等技术对原有的拉丝模抛光机进行整体反求创新改造设计，用液压系统来代替连杆机构对抛光丝往复运动进行控制，同时，对操作人员进行必要的培训可以加速生产效率和质量。应用以上的分析我们设计的拉丝模抛光机一定能满足生产者的需求，在激烈的市场竞争中站稳脚步，获得更大的利润。5 第2章设计方案的确定2.1拉丝模的抛光过程分析根据本课题——拉丝模抛光机的反求创新设计的要求及所要实现的加工功能，即，拉丝模的夹持旋转和抛光丝对拉丝模内孔抛光的上下往复运动。其整个拉丝模抛光机的抛光过程为：装夹拉丝模装夹抛光丝起动机器抛光丝往复运动抛光模孔从抛光过程可以看出，拉丝模抛光机的主要工作部件是抛光丝的往复移动和拉丝模的回转运动，抛光丝在控制系统的作用下在拉丝模内孔内上下移动，而拉丝模在夹持机构——卡具旋转机构的固定下通过电机带动作回转运动，抛光丝和拉丝模的相对运动产生磨擦，从而对模孔定径区进行抛光加工。2.2课题方案的分析与确定根据拉丝模抛光机的抛光过程，设计了以下几个可行性方案，分别如下。2.2.1方案设计一抛光丝的往复运动采用数控系统控制，这种控制系统要求操作人员要具有扎实的专业知识，能熟练掌握零件的工艺规程并且编制其加工程序，目前在国内的应用局限性还比较小。2.2.2方案设计二用磨液射流磨削抛光拉丝模模芯。磨液射流磨削抛光原理是磨液在高速气流的带动下，通过喷射，得到很高和速度。磨削抛光时，虽然磨粒的质量很小，但因速度很高，故磨料具有足够的动能对金属或非金属表面进行磨削抛光加工。磨削抛光时，作用于工件表面上的冲击力可分解为水平分力Px和垂直分力Py（如下图所示）。a)受力图b)抛光机的组成图2.2磨液射流磨削抛光原理6 这种抛光机主要适用于生产中的各种复杂曲表面的抛光。2.2.3方案设计三采用液压控制系统来控制抛光丝的往复运动。液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。液压缸的活塞杆在液压油的推动下上下移动，而活塞杆通过丝夹头与抛光丝连接，并带动抛光丝作往复运动进而对拉丝模内孔进行抛光。这种控制系统既保证了拉丝模内孔的加工精度，同时结构简单，操作方便，对操作人员的专业要求不如数控系统的高，而适用范围又比较广。所以，综上所述，该拉丝模抛光机抛光丝的往复运动采用液压系统来控制。7 第3章拉丝模抛光机系统运动机构设计综合拉丝模抛光机系统的原理图（图2.1）可知分为两种传动系统，一为拉丝模夹持机构采用直接驱动方式，由于是旋转，故选择带传动。这是根据给定条件、机构尽量简单明了、机构相容性等选择的方案。二为抛光丝的往复运动，由于抛光丝的往复运动速度比较快，采用双作用单活塞液压缸来驱动。原理是将液体压力能转换成抛光丝的往复移动并对外做功。用液压系统控制的拉丝模抛光机其系统的运动平稳。拉丝模抛光机的原理图如3.1所示,三维造型如图3.2所示。图3.1拉丝模抛光机原理图1-油箱;2-滤油器;3-齿轮泵;4-溢流法;5-节流阀;6-压力表;7-液动换向阀;8-机动换向阀;9-液压缸;10-丝夹头;11-夹具;12-工件;13-轴承;14-带;15-带轮;16-电动机8 图3.2拉丝模抛光机三维图3.1拉丝模抛光机的液压传动简介3.1.1液压传动的特点液压传动和机械传动、电气传动相比具有传递功率大、运动平稳、换向迅速、能无极高速以及容易实现自动化等优点。金属切肖加工时，工艺系统的运动平稳性对工件加工精度的影响是至关重要的。因此，作为精加工机床，液压传动在磨床上被广泛采用。目前各种磨床的液压系统主要用来完成快速进退的辅助运动、磨轮架的横向进给运动以及工作台纵向往复进给运动等。所以拉丝模抛光机中抛光丝的往复运动就采用液压系统来控制。3.1.2抛光丝往复移动的液压系统图2.2为简化后的拉丝模抛光机抛光丝液压传动系统。图中电动机带动齿轮液压泵旋转，于是油箱中的液压油经滤油器过滤后流向液压泵吸油口，经液压泵向系统输出。压力油流过节流阀的开口，再经换向阀的右通道进入液压缸的右腔，液压推动活塞连同抛光丝一起向左运动。液压缸左腔的油经换向阀的左通道流回油箱。若将换向阀阀心移9 至右端，此时液压泵输出的压力油经换向阀进入换向阀左腔，推动活塞连同抛光丝向右运动。液压缸右腔的油经换向阀另一通道流回油箱。调节节流阀的开口大小，可以改变油液通过的流量大小，从而控制抛光丝往复运动的速度。齿轮液压泵供给系统的流量是恒定的。当节流阀阀口较小，通过的流量小于液压泵的供油量时，系统的油压升高，溢流阀的阀芯在底部液压推力作用下压缩上部弹簧而向上移动，使阀口打开，系统中多余的压力油便以溢流阀回油箱。因此，调节溢流阀弹簧顶紧力的大小，可以调节系统工作压力的大小。当液压缸的活塞杆运动到左端时，活塞杆碰到左边的二位二通机动换向阀的阀杆，左边的机动换向阀的阀口打开，液压油并通过机动换向阀流入液动换向阀，液动换向阀的阀心右移，左边的阀口并被打开液压油从液动换向阀流入液压缸推动活塞右移，机动换向阀的在弹簧力的作用下回复原位，机动换向阀的阀口关闭；当活塞杆运动到右边，碰到右边的机动换向阀的阀杆，右边机动换向阀的阀口打开，液压油从液动换向阀的右腔流入液动换向阀推动阀心左移，液动换向阀的右阀口被打开，液压油通过换向阀流入液压缸右腔推动活塞左移，右边的机动换向阀阀口在弹簧作用下关闭，这样就达到了活塞杆的往复运动。若将换向阀的手柄扳至中间位置，其阀芯亦处于中间位置，堵死了换向阀的进油与回油口,此