滚带机的设计-毕业论文.doc
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1、济南大学毕业设计1 前言在电力、化工、船舶、机械、冶金、运输等重要行业中散热器都有广泛的应用,散热器是汽轮机内燃机、发电机、冷冻机、空压机、润滑设备等主机必不可少的重要组成部件。翅片散热器主要用于中冷器、汽车水箱以及汽车空调器等散热设备。散热片均为形状各样、型号不同的翅片。其中翅片是散热器、冷凝器芯体的重要组成部分,其质量的好坏直接影响到汽车空调等装置的散热效果,进而对汽车的经济性、动力性、和可靠性产生很大的影响。随着我国汽车工业的迅猛发展,汽车工业正逐渐成为国民经济的重要支柱性产业,汽车市场竞争的日趋激烈,作为影响汽车舒适性主要因素的汽车空调,为汽车提供制冷、取暖、空气过滤和湿度控制等功能,
2、已成为汽车市场竞争的主要手段之一。可见翅片在国内乃至国际上有着不可估量的市场前景,对国民经济的发展起着无可替代的作用。 我国汽车散热器产品主要经历了四个主要阶段,管片式铜质散热器、管带式铜质散热器、装配式铝质散热器、钎焊式铝质散热器等几个发展阶段。其中由以铜质管片式为主的散热器产品,到西方发达国家引进的滚带、制管等先进生产设备及生产制造技术,产品的结构和产品的性能都有了很大的提高,从而使散热器行业得到了一次较大的改革。与此同时,西方发达国家的汽车散热器产品在新材料、新技术、新工艺的开发研究上有了重大突破,他们生产的钎焊式铝质散热器具有精度高、质量轻、散热性能好等优点,因此在小型汽车、面包车和中
3、小型货车上得到了广泛的应用。目前,国内散热器厂的关键设备大部分从国外引进,生产的散热器结构尺寸也由国外公司提供,因此极大地限制了我国散热器生产水平的提高。与此同时,国内外关于滚带机的相关技术报道相对较少,加上国内生产翅片散热器的厂家很少,技术也相对保守。虽然我国机电一体化的迅猛发展、机械自动化程度不断提高,数控机床得到了广泛的应用,但在我国关于加工翅片类的数控生产设备还很少,技术含量低,生产效率低,已经成为我国翅片难加工的问题。并且大多数的翅片滚带机为普通的手动或是半自动的加工设备,需要多人监控并手工辅助才能加工出成形的翅片。对于旧式的翅片滚带机,其加工翅片的宽度单一,而且波数一经设定不易改变
4、,生产效率低、产品质量差,不能用于精密装置中1。随着汽车空调“二器”不断向高精度、高技术、高效率的迅速发展,原有的生产设备已经跟不上时代发展的需要。现如今,不断提高产品的技术含量,追求环保高效节能,最大限度地获取经济效益已经成为企业生产所遵循的基本原则,同时也是现代化工业的要求。对于同类的国外机床其价格非常昂贵,市场上急需一种性价比比合适的易于大量生产的滚带机,实现翅片的全自动控制生产,使其制造技术接近国际先进水平2。 2 总体设计及关键零部件设计2.1 总体设计翅片滚带机是将铝箔卷材连续地加工成形为用于汽车空调热交换器等设备中的带百叶窗的波状翅片或其它不同型号的波状翅片,并将成形后的翅片按热
5、交换器所需波峰数进行切断的设备,同时其在工作过程中可以实时检测波峰高度以整形。翅片滚带机的结构如图2.1所示。l.开料架;2接料装置;3送料装置;4张紧涂油装置;5滚轧刀架装置;6.积片装置;7波距调整装置;8.波高检测装置; 9.翅片缓冲装置;10.翅片排料装置;11.翅片切断装置;12.差速装置;13.导料辊 图2.1滚带机结构图翅片滚带机的主要工作进程是:有一定宽度的铝箔以卷筒的形式放在开料架上,通过绕过导料辊依次送到其他各装置,当变频送料装置起动后,开料架被牵引着进行转动放卷,开料架上铝箔的预张紧力由磁粉制动器来控制,然后铝箔经过差速装置到由磁粉制动器控制的张力控制装置,在经过涂油、除
6、污后进行滚轧成形,成形后的翅片经过再积片装置、波距调整装置、波高自动检测装置后形成了要求的翅片,翅片经过缓冲装置后由伺服计数装置进行排料计数,然后按照要求的波峰数进行切断。整个加工过程均应为自动化生产、结构应便于作。经本机加工成形的翅片及其结构简图如图2.1所示。在本机上加工成形的成品形状是带百叶窗的波形翅片,如图2.2所示,其宽度一定,波高在一定的公差范围内,峰谷均匀,其上有百叶窗状的小孔,可以看出其上的小孔由挤压而成,但并没有真正的剪掉材料。欲加工出此种形状的翅片,首先是要有与其宽度、厚度相一致的铝箔,通过成形刀具的连续加工,将铝箔轧制出符合要求的带百叶窗状的小孔的翅片带,然后按照一定的波
7、距密集起来,最后再经过剪切装置剪切之后输出。经实验证明,带百叶窗的波形翅片,与平直式的翅片相比,在同样的条件下,散热面积可增加12%左右。上述动作必须要连续高速完成。并且还要保证铝箔自始至终与相关装置的同步。因其在散热片上开有百叶窗,破坏了空气流在散热片表面上的附着层,提高了散热能力,因此图2.2带百叶窗的波形翅片及其结构简图具有良好的散热效果。在汽车散热器里,翅片和扁管要用密封箱封装起来,空气在密封箱里流动,密封箱的高度等于翅片的波高,所以不同的密封箱所要求的翅片规格也不一样。通过以上的介绍分析,我们不难看出,滚带机的滚轧刀架装置和翅片的成形密不可分,本文以滚刀架装置作为滚带机设计的内容,就
8、是想通过对其的设计能够解决目前滚带机加工翅片的生产效率低、宽度单一、产品质量差等存在的问题。以达到具有灵活的可调性,能够满足不同宽度的铝箔带的加工以及可加工出不同波峰的铝翅片等要求。在翅片滚轧过程中,对滚刀的同步性要求很严格,所以,根据要求及传动机构的特点,同组刀具的传动选用齿轮传动,组与组之间的传动选用链传动。装置主要由以下几个部分组成:成形刀具、开窗刀具、定位轮、传动链轮、传动齿轮等。翅片滚轧刀架装置是滚带机的核心部分,铝箔的滚轧在此完成,其刀具设计直接决定滚轧翅片的形状及性能。此处,开窗成形滚刀分为上下两组,每组滚刀都是由十数至数十片像齿轮一样的带齿的高精度刀片互相叠加、紧密排列而成。在
9、滚带机工作时,上下两组滚刀精密啮合,经前面一系列装置处理得到的无张力且和滚刀线速度同步的原料带从上下两组滚刀中间通过,被滚轧后便可得到已开出若干组要求方向的百叶窗翅片,然后再经过成形滚刀的进一步滚轧,便可得到要求的翅片。滚轧刀架装置在滚带机工作时的运作过程:主电机经减速器后由同步齿形带带动主轴转动,在此处,经传动齿轮,开窗刀具啮合运转;经传动链,成形刀具和开窗刀具同步运转。经前面一系列装置处理得到的无张力且和滚刀线速度同步的原料带在开窗滚轧刀具上下两组滚刀中间通过,被滚压后得到已开出符合要求翅片并且初具波形的翅片带,然后再经成形滚轧刀具同样的滚轧之后,翅片带便成形了,然后再缝过后面一系列工序的
10、处理,经剪切装置后便形成符合要求的翅片带。在滚轧不同规格、不同材质的翅片时,只需对相关部件做简单调整加上更换相应的滚刀即可实现。原有刀架装置采用导轨、轴承座、传动齿轮、滚轧刀具轴承座和导轨之间存在间隙,滚轧铝箔时会造成轴的位置产生微量的偏移,由于力的反向作用,会给翅片的加工精度带来一定的影响,因此本设计做了改进,采用导槽一滑块结构代替上述结构,克服了间隙造成的误差、安装不便、结构复杂、存在定位误差等缺点。 根据带百叶窗的波形翅片的结构及相关参数,采用啮合剪切复合加工的方法,设计出了相应的翅片成形刀具,其是先通过电火花线切割的加工方法,试制出了翅片成形刀具如图2.3所示,通常我们所说的金属切削加
11、工是指用金属切削刀具通过切除工件上多余的金属,从而获得合乎预定要求的工件的形状、尺寸精度及表面质量。而本设计对百叶窗波形翅片的加工是一种无屑加工方法,它是通过两组刀具在啮合来滚轧挤压原料铝箔带,使铝箔带发生变形,从而形成带百叶窗形状的翅片。在铝箔发生变形的同时,刀具的刃口剪切铝箔,形成翅片状开口。之后通过试切铝箔验证了刀具设计的正确性。通过该刀具加工的翅片可以一次成形,从而实现了材料利用率高,加工质量高的设计要求,是一种加工成本较低,生产率高的加工方法。图2.3翅片成形刀具2.2 滚带机的性能参数(1)加工的翅片宽度:(1020)mm(2)加工的翅片波高及公差:(6120.5)mm(3)加工的
12、翅片波距:(2.540.2)mm(4)加工能力:(06000)峰/min 刀辊转速(0223)r/min,无级可调(5)同时加工条数:1条(6)加工的铝箔厚度:(0.080.15)mm2.3 相关零部件的设计及选型在翅片滚轧过程中,滚轧装置通过同步带与经减速器的电动机连接进行动力输入,一套开窗滚轧刀具安装于主轴上,通过链传动带动后面的成形刀具组转动,整个过程要同步一致,通过齿轮传动带动同组与之相啮合的开窗滚轧刀具同步转动,除此之外,为了进一步提高滚带机滚轧装置的整体性能,需对关键的零部件进行了必要的改进,提高设备生产率。2.3.1 电动机的选型依据同步带传动滚刀的最高转速为223r/min,输
13、出的传动功率为6kw,即同步带从动轮的最高转速为223r/min,在满足功率的前提下,为保证传动过程中带运转的平稳性,应选用转速较小的合适的电机,此处,选用Y160M-6型号的全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机,已知该电机的额定功率是7.5kw,同步转速是l000r/min。 2.3.2 同步带轮设计此处已知已选好型号的电机经无级降速后,输出的最高转速是630r/min,加上同步带传动的从动轮的最高转速是223r/min,得同步带的传动比为i= =2.8 (2.1)式中:n1主动带轮的最高转速; n2从动带轮的最高转速。已知该同步带传动的功率为6kw,查得到工况系数为1.9,可得到该带传动的设计
14、功率为 (2.2)依据主动带轮的最高转速是n1=630r/mim和 =11.4Kw查表得齿距制式为周节制时可选型号为H型的,则节距为12.7mim;齿距制式为模数制时,模数选用m=4;齿距制式为圆弧齿时,型号是8M。为保证带传动平稳,提高带的柔性及增加啮合齿数,节距应尽可能选小值的原则,试选用模数制。由此查表得主动带轮的最小齿数是Zmin=16,此处令主动带轮的齿数为Z1=16,由此可得到主动轮的节圆直径 (2.3)带速 (2.4)经查表知模数为4时,Vmax为3540m/s,vVmax符合要求。从动轮的齿数 (2.5)从动轮的节圆直径 (2.6)初定中心距 (2.7) (2.8)此处,试取=
15、400mm。初定同步带的节线长度 (2.9)查表选该值附近的Lp及其对应的同步带齿数Zb得Lp=1193.81mm,Zb=95。因中心距不可调,所以其实际中心距为 (2.10)又 (2.11)式中:主动轮包角; 角的渐开线函数。计算得a=463.0mm。主动带轮啮合齿数为 (2.12)经计算得 。带宽 (2.13) (2.14) 式中: 主动带轮啮合齿数系数; 单位带宽的离心拉力; 单位带宽的许用应力; 带的单位宽度、单位长度的质量查表得 ,=20N/mm经计算得 =0.054N/mm由表可得=1.00,又=11.4Kw由此可得带宽=24mm剪切应力 (2.15)经查表得此处介于0.5与0.8
16、之间压强 (2.16)经查表得此处介于1.2与1.6之间。设计的带轮符合要求。2.3.3 齿轮传动设计(1)选定齿轮类型、材料及齿数、精度等级依据所选的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动;滚带机为一般工作机器,速度不高,故选用7级精度;两齿轮的材料均为45钢(调质)硬度为240HBS; 此处的齿轮传动是为了保证同组滚刀滚轧铝带的同步性,故传动比为1:1,选齿轮齿数Zl=Z2=Z=27。(2)按齿面接触强进行设计按齿面接触强进行计算,即 (2.17)确定公式内的计算数值试选载荷系数=1.3齿轮传递的转矩为 (2.18)经查表选取圆柱齿轮的齿宽系数=0.6经查表选取材料的弹性影响系数由图查得齿轮的接触
17、疲劳强度应力循环次数次) (2.19)由图查得取接触疲劳寿命系数=0.96计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数S=l,得 (2.20)由此试算齿轮分度圆直径,由式2.17得 =96.62(mm) (2.21)计算圆周速度v (2.22)计算齿宽b (2.23)计算齿宽与齿高之比 模数: (2.24)齿高: (2.25)则齿宽与齿高之比为 = (2.26)计算载荷系数根据v= 1.1282 m/s、7级精度,查图得其动载系数为KV=1.05又因选用的为直齿轮,则由表查得使用系数=1由表用差值法查得7级精度、齿轮相对支承悬臂布置时,由=8,查图得故载荷系数 (2.27)按实际的载荷系数校
18、正所得的分度圆直径,得 (2.28)计算模数m (2.29)(3)按齿根弯曲强度设计弯曲强度公式为 (2.30)确定公式内的各计算值查得齿轮的弯曲疲劳强度极限查得弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应力,取弯曲疲劳安全系数S= 1.4,得 (2.31)计算载荷系数K (2.32)查取齿形系数由表查得:=2.52查取应力校正系数由表查得:=1.625计算齿轮的= (2.33)设计计算 (2.34)对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径有关,由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力,可取由弯曲强度算得的模数
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