大口径中频加热液压弯管机夹持机构设计

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题目:大口径中频加热液压弯管机夹持机构设计
专业:机械设计制造及其自动化
学生:周斌(签名)
指导教师:(签名)
摘要
大口径中频加热液压弯管机是一种新型管件弯曲自动化加工成套设备,适合从Φ610至Φ1524mm的大口径的不同弯曲半径、弯曲角度的弯管的加工。

论文在分析研究中频加热液压弯管机组的关键技术问题基础上。

掌握了前夹具在设备中所起的作用,在满足工况要求的基础上对前夹具的关键零件进行了受力分析,并对具体的结构及其零部件进行了设计。

保障了其前夹具是与转壁机构配合将压机送来的管坯前端夹紧的功能实现,同时保证了管坯在加热弯制过程中可以沿着给定的轨迹成形。

弯曲半径由操作台给定,自动定心。

前夹具闭合后,锁紧机构便可将夹具锁紧。

关键词:弯管机、中频加热、前夹具
Large diameter intermediate frequency heating hydraulic pipe bender is a new type of pipe bending automatic processing equipment, suitable for the Φ610 to Φ1524 mm of large diameter of different bending radius, bending Angle of tube bending machining.Based on analyzing the intermediate frequency heating hydraulic tube bending research unit based on the key technical problems.Master the fixture in equipment before the role of meet the requirements of the working conditions in based on the key parts fixture before the stress analysis of the structure and the details of the design and its parts.Ensure the fixture is before and turn wall institutions will be brought with machine in front of steel tube clamping the realization of the function of the and assure the tube billet heating in bending process can be given track along the forming.Bending radius given by the work station, self-centering.Former fixture after closed, locking mechanisms will fixture lock.
Keywords: Pipe bender, intermediate frequency heating, former fixture
目录
1 绪论 (1)
1.1弯管机的研究现状 (1)
1.2研究内容及方法 (2)
1.3工作流程 (3)
1.4计算机软件介绍 (3)
2中频感应加热在弯管机中的应用 (6)
2.1感应加热原理 (6)
2.2中频变压器 (7)
2.3弯管时的测量、控制及自动化放向 (8)
2.3.1 温度的测量 (8)
2.3.2 起弯及调节 (8)
2.3.3 角度测量及停机控制 (8)
3 弯管机整体受力分析 (9)
3.1弯管机机床基本尺寸的确定 (9)
3.2弯管机机床整体受力分析 (9)
3.3前夹具和转臂的受力情况 (12)
4 前夹具的设计 (13)
4.1夹具夹头部分设计 (13)
4.1.1 夹头移动部分的设计 (14)
4.1.2 前夹具体设计 (20)
4.2夹具开合部分设计 (30)
4.2.1 夹具的开合方式 (30)
4.2.2 减速器的选取 (32)
5结论 (34)
致谢 (35)
参考文献: (36)
1 绪论
1.1 弯管机的研究现状
弯管机是广泛用于造船,锅炉,化工,航空,金属结构,设备安装,机械制造等领域的设备。

随着科学技术的日趋发展,弯管机的型式渐渐多样化,弯管的成品质量也有了很大幅度的提高,微型计算机,单片机,可编程控制器,先进的交流伺服系统以及新型液压元器件以及液压技术的应用,是弯管机的性能逐渐完善。

常用的弯管机有机械传动式弯管机、数控弯管机、中频加热弯管机、多功能弯管机等。

中频加热弯管机是现在市场上流行的、科技含量较高的一种弯管设备,可适用于造船、化工、冶金、电力及重型机械制造等部门,尤其适用于小批量、单件或维修等场合。

数控弯管机由于具有柔性、精度以及稳定性方面的优势,得到人们重视。

近年来,国内一些企业从国外购进了先进的数控弯管机。

实践初步证明,数控弯管技术的应用,明显缩短了导管的加工周期,提高了产品质量,降低了生产成本,并使导管加工的技术含量大大提高。

国内研制的很多弯管机,人为控制因素太多,产品质量不能很好地控制,尤其是在加热控制方面存在很多问题,如测量弯管的温度要靠工人用眼睛观察,凭经验判断,或者用手提式测温仪测温,然后再对其进行进行调控;加热感应器的驱动靠工人手摇丝杠驱动;加热功率不易跟随弯管的变化而变化;弯管几何形状不规矩,椭圆度超差等。

国产弯管机存在的主要问题有:
1 数控液压元件不稳定
2 设备结构部分仍沿用传统的弯模管夹的结构形式
3 夹紧装置适应范围太小、力量不足
4 模具装夹费时费力。

国外的中频加热感应弯管机既有机械式,也有液压式。

机械式结构庞大,重量重,占据空间大,成本高,而且价格昂贵。

液压式都为双缸,而且液压和电气控制系统均因解决同步问题增加相应的元件和费用,重要的是引进国外弯管机设备的价
格是十分昂贵的。

国外的弯管机相比较国内而言,在结构上具有结构紧凑,法兰夹紧机构夹住管子能做旋转和移动,无悬臂,弯管机使用悬空夹紧装置(安装在弯曲模),模具更换更加省时和方便等优点;在功能上具有液压系统稳定,运动精度高的优点。

国产弯管机和进口弯管机在性能上的差别, 主要是控制液压系统元件不稳定, 而在机械部分相差不多。

随着我国经济的快速发展,对大口径弯管的需求越来越大,对管臂厚度及质量要求也越来越高,对管子弯头的质量要求也越来越高,尤其是高参数的高合金钢管,在弯制过程中必须严格按照所规定的工艺进行。

另一方面,为了提高生产效率,减轻劳动强度,对弯管过程中温度、角度的测量,弯制速度,起弯、停弯等调节控制,都提出了新的要求,因此,有必要对弯管机的结构功能做进一步的改进,已适应新的要求。

1.2 研究内容及方法
液压弯管机前夹具的设计。

前夹具主要包含夹头装置、摇臂装置、导轨装置及动力装置,其中夹头装置是弯管机前夹具设计的中心,它主要的作用是夹紧钢管以及改变钢管弯曲半径。

夹头主要分为固定部分和可移动部分。

弯管机原始设计参数如下:
1. 弯管直径范围:Φ273.1~Φ813毫米。

2. 钢管壁厚:6~25毫米。

3. 弯管半径:R=5D
4. 弯管最大角度:90。

(刻度显示,控制台显示、记录)。

5. 加热温度:800~1100℃(可调、中央控制台显示、记录)。

6. 推制速度:20~200毫米/分。

7. 温度测控:中央控制台显示、记录。

8. 椭圆度:管口<2%,弯管部分<3%
9. 减薄率:≤10%
10. 中频输出功率:500KW。

11.最大行程7800mm 。

12.装夹钢管最大长度:11500mm。

弯管机设计的主要思路是:
在摇臂和导轨的设计方面,选择回转中心与导轨配合,通过移动回转中心和摇臂来改变弯制半径,夹具的夹头与导轨配合,导轨和摇臂合为一体,只需使夹头在摇臂上移动,调节夹头距回转中心的距离即可。

介绍夹头装置的设计思路。

目前很多前夹具主要采用机械传动的方式,人工夹紧,人工开启闭合,费时费工,生产效率低。

因此,我在设计弯管机夹头装置时,特别将夹具的开启闭合方式改为由电动机带动丝杠机构夹紧,使其夹紧可靠,启闭更加方便。

夹紧钢管时,马达启动,由丝杠推动契块来块夹紧钢管。

夹具盖和夹具体然后通过销轴实现连接;在分离时,启动马达,丝杠反向转动,契块松开夹具盖,电动机通过涡轮蜗杆减速器将夹头可移动部分提起。

其工作过程基本就是这样。

同时,为了达到同一夹具可以对不同直径的钢管进行弯制的目的,我在设计时将固定的夹块改为可以拆卸的活动夹块,针对不同直径的钢管,只要更换不同尺寸的夹块就行,而不必更换整个夹具,节省了材料,也更加方便。

夹块与夹块以及夹块与夹头之间的定位通过燕尾槽来实现。

1.3 工作流程
要完成中频加热机弯管机夹持机构的设计,首先要了解弯管机的基本工作原理,这就需要查阅相关资料,包括各种相关专利以及学术论文。

然后,我需要根据设计要求,综合原始设计参数,进一步确定弯管机的基本结构,明确夹持部分的工作原理及结构,进行可行性的分析。

在做完这些之后,才可以进行具体的分析和设计,完善结构,使其符合生产要求。

最后画出装配图以及零件图。

1.4 CAXA电子图板
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经过短暂的学习即可独立操作,从而使用户的投资能在最短的时间内获得回报。

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用户只需选择需要的标注方式,系统自动捕捉设计意图,具体标注的所有细节有系统自动完成。

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(6)CAXA电子图板采用全面的动态拖画设计,支持动态导航、自动捕捉、自动消隐功能。

(7)CAXA电子图版支持最新国家标准,已经通过国家标准化审查体系。

系统具备符合国家标准的图框、标题栏样式供选择。

(8)CAXA电子图板为使用其他CAD系统的用户提供了标准数据接口,使用户可以有效地使用以前的工作成果以及与其他系统进行数据交换。

(9)在绘制装配图的零件序号、装配表时。

系统自动实现零件序号与装配表联动。

(10)CAXA电子图板提供方便高效的参数化图库,用户可以方便的调出预先定义好的标准图形或者相似图形进行参数化设计,极大地减轻用户绘图负担。

2中频感应加热在弯管机中的应用
2.1 感应加热原理
电磁感应是电热应用的典型,它利用电磁感应原理将电能转化成热能,当交变
到电磁感应而产生感应电势e
感应电势 e=
d dt φ
m =sin wt φφ ,

m d e=-=-sin dt wt φφ e 有效值 m e=4.44f φ ( 2-1 )
感应电势E 在工件中产生电流2i ,2i 使工件内部开始加热,其焦耳热为
22Q=0.24i Rt ( 2-2 )
式中 2i ---感应电流的有效值 R--- 工件电阻
t--- 时间
为了使金属能加热到一定温度,在金属内必须有足够的电流2i ,为此在金属内
部必须感应出足够大的电势E 。

由式( 2 -1 )可知,感应电势E 与磁通m φ和频率f 有关。

为了获得必需的感应电势,可以提高电源的频率。

同样的发热效果,频率越高,磁通m φ及感应线圈中的电流就可以减少,所以近代感应加热除了使用工频电源外,还广泛采用中频和高频电源。

还有,如果金属的截面增加,在同样磁通密度的
E 以及金属内感应得到的功率就越
大。

可见感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关,还与金属截面的大小、截面形状有关,当然还与金属本身的导电性有关。

2.2 中频变压器
中频电源供电给弯管时,感应线圈上的电压取决于负载的参数及所加的功率等因素,一般感应线圈上每扎电压约为15~100伏,中频电源的中频输出电压一般为750伏甚至更高。

另一方面,感应圈的阻抗与中频电源一般是不匹配的,为此要用中频变压器使感应圈的阻抗及电压与中频电源的输出匹配。

(1)中频变压器的工作特点:
a 中频电源通过导体时,由于集肤效应、临近效应和圆环效应,是导体
截面上的电流密度分布不均匀,导体有效截面减少。

b 磁路系统在中频磁场内磁滞涡流损失比工频大,发热量也比工频大。

C 对不同的负载及工艺要求,在计算变压器容量时应该考虑其工作暂载
率。

d 中频变压器线圈应设有抽头,以便在不同负载下与中频电源能很好的
匹配。

(2)中频变压器的此路系统
中频变压器此路系统可以分为壳式和芯式,在壳式变压器中,绕在线圈中的铁芯倍包住,而芯式变压器的线圈则绕在两个铁芯柱上,在其
他条件相同的情况下,芯式变压器磁路的外形尺寸及重量比壳式小,但
是壳式变压器磁路冷却条件好磁路的装叠可以分为不可拆卸式和可拆卸
式两种。

一般来说,不可拆卸式磁路结合较好,磁阻小,但是装配复杂。

磁路系统的材料,一般用圭钢片。

在中频电流下工作的磁导体单位损耗很大,必须采用强迫冷却的方式,为此要将磁导体沿着厚度放向分成几个部分,每部分之间用带有冷
却管的散热片隔开。

这样磁导体中所产生的热量传导到散热片,再由散
热片传到冷却管路,由冷却管路中的水流将热量带走。

但是在制造冷却
系统时必须注意避免在铁芯周围形成闭合回路,负责会增加磁路的损耗。

2.3 弯管时的测量、控制及自动化放向
2.3.1 温度的测量
目前国内测量管子加热部分的温度,基本还是靠经验目测判断。

这种方法由于受到个人经验及周围环境影响,测量误差很大。

目前比较理想的手段是用红外测量。

利用红外测温计,测量误差小,还可以使温度测量数字显示。

2.3.2 起弯及调节
弯制高参数的厚壁管,特别是高合金钢管,必须严格按照要求的工艺弯制,即内外温差必须在规定值时才能起弯。

为此可以用两代红外测温计分别测量弯管内外壁的温度,利用所测得的温度实现起弯自动控制。

在弯制过程中,可能由于种种原因会使管子加热区的温度变化,这种变化超过允许范围时将影响弯头的质量。

为此可以将红外测温计测得的温度信号反馈至中频电源以调节输出功率,是加热区保持在一定的温度范围内,也可以将温度信号反馈至机床推进系统,调节弯制速度,一保证温度在所规定的范围内。

这样就可实现整个弯管过程中温度的自动控制。

2.3.3 角度测量及停机控制
实现弯管过程中的角度测量及控制的装置很多,其中常用的有自整角电机、旋转变压器及光码盘等。

这几种方法都能将弯制过程中的角度在操作台上指示出来火显示出来。

同时又能很方便的使弯曲角度达到所要求的角度时自动停机,实现弯曲角度的自动控制,精度也较高。

3 弯管机整体受力分析
3.1 弯管机机床基本尺寸的确定
经过初步整体结构设计,机床的基本尺寸就可以确定了。

中频弯管机机床初步确定如下尺寸:
图3-1 机床结构示意图
具体的尺寸如下:
a=500mm
b=800mm
h=1400mm
L=1361—4065mm
3.2 弯管机机床整体受力分析
把推弯式中频弯管机机床作为整体进行受力分析,称为整体受力分析。

在整体
受力分析的基础上,依靠弯曲力矩计设计算值,确定各个受力的值,然后才能对机床各个零部件进行强度及刚度的计算及校核。

图3-2为机床整体受力分析图。

图3-2 机床受力示意图
P 为推力,1N 、2N 为滚轮对钢管的作用力,Rx,Ry 为回转中心对转臂的作用力在在直角坐标系上沿X 轴Y 轴的分力。

此时整体受力为一超静定平面力系,只考虑静力平衡条件不能求出全部未知力。

由平衡条件得: P=K×Rx (1)
x=M
R L (2)
其中k 为摩擦阻力系数,因为机床上如滚轮、回转中心等工作时会产生较大的摩擦力,并且摩擦力还与加工、装配精度等有关系,不便精确计算,因此,采用摩擦阻力系数k 来代替。

通过查资料知道,k=1.3~1.5。

取K=1.4。

求出P 和Rx 后,我们来确定1N 、2N 以及Ry 的值。

1LRx aRy M aRy N h h ++=
=
1()()LRx a h Ry M a h Ry N h h ++++==
上面的两个式子中,都有Ry 不知道,为了求Ry ,进行受理分析,如图,可以求得:
22sin 23(1cos 2)4sin 3sin 26e Ry Rx e c θθθθθ+-=-++ 综上所述推弯式弯管机床在弯管是受的五个力公式为: (1)x=M
R L
(2)p kRx =
(3)22sin 23(1cos 2)4sin 3sin 26e Ry Rx e c θθθθθ+-=-++
(4)1M aRy
N h +=
(5)1()M a h Ry
N h ++=
由于已经求得
1 1.3619660048t M K W σ=⨯⨯=⨯⨯= 吨/米
所以可以求得
Rx=152 KN P=213.5 KN
Ry=1220 KN
1N =1132.86 KN 2N =2352.86 KN
至此,在初步确定结构形式和尺寸的基础上,将各个力加以计算,为下一步的部件设计做准备
机床床身的设计特点如下图:
图3-3 机床结构图
将转臂迥转中心的滑道与滚轮滑道铸成为一体的滑板, 并尽可能使三条丝杠在高度上靠近, 因此迥转中心受力和滚轮受力尽量在一个平面上(实际不能完全做到), 这样产生的弯矩和扭矩均由滑板承受, 床身只承受推力P 和整机重量。

3.3 前夹具和转臂的受力情况
转壁和前夹具的受力比较复杂,这里简要说明。

转壁和前夹具的空间力系如下图所示:
图3-4 前夹具受力示意图
Rx对转壁及前夹具形成水平弯矩和扭矩,Ry对转壁及前夹具形成水平弯矩、垂直弯矩及拉力。

但是回转中心下端是燕尾槽,他可以承担相当一部分的力距,而且,立柱短而粗,可以认为Rx、Ry是作用在D点的力,可以转化为平面力系。

转化为平面力系以后的示意图如上图所示,这种简化为平面力系计算比较符合实际情况,作为空间力系计算也较安全。

4 前夹具的设计
4.1 夹具夹头部分设计
由于制作的数量少, 为减少制造成本和缩短生产周期, 夹头采用焊接加工。

夹头部分设计为通过丝杠螺母、导轨、燕尾槽以及夹具体的组合,完成夹具对钢管的加持以及使夹头在燕尾槽中移动,进而调节钢管的弯曲半径,夹紧钢管,使其完成弯曲成形。

夹具夹头部分包括夹具体固定部分和可移动部分,通过轴销将两者联结在一起。

对夹具的夹紧是通过马达带动正反丝杠转动,进而推动丝杠两端的两块对称的契块向外移动,夹紧夹具移动外壳。

对于不同直径的钢管,可以通过更换垫瓦
来适应。

垫瓦安装在夹具内壁,通过螺钉连接在一起,增加或者减少其数量可以适应夹具弯制钢管的直径的变化。

4.1.1 夹头移动部分的设计
由于弯管机加工范围是273~813mm,考虑其实用性! 可操作性和经济性,现在将夹头做成两种规格,D813mm和D540mm。

D813mm夹头弯制D540~813mm钢管时使用,D540mm夹头在弯制D273~540mm时使用。

在这里只详细介绍D813mm 规格的夹头。

1)前夹具移动部分的选材
因弯管时夹头承受巨大的推力,要求材料有较好的刚性,而且对焊接性能的要求也较高,在这里我们选择45钢作为前夹具移动部分的材料。

45号钢强度较高,塑性和韧性较好,常用于制作承受载荷较大的小截面调质件和应力较小的大型应力零件,以及对心部要求不高的表面淬火零件。

但是在水淬时有形成裂纹的倾向。

2)前夹具移动部分的结构
对一般的夹具而言,主要受压力作用,计算简单,因此夹具的设计日渐趋于标准化,但有些夹具,受力复杂,同时受到轴向力、径向力及力偶的作用,计算很是复杂。

推弯式中频弯管机前夹具就是这样一种夹具。

为方便计算,我们只计算主要的力,即弯管壁受到的径向力。

下面对夹具移动部分的受力情况进行分析。

图4-1 夹具盖受力示意图
前夹具夹头移动部分是由钢板焊接成的半圆形的结构,通过销轴与夹具固定部分连接在一起,由丝杠带动契块对前夹具施加夹紧力,夹紧钢管。

这里是移动夹头主视图和俯视图的一部分:
图4-2 夹具盖主视图
图4-3 夹具盖俯视图
前夹具盖的基本参数:
具体的尺寸如图所示,内径=813mm;外径=1300mm;壁厚=240mm
选用的钢板为45钢,厚度为70mm。

在夹具盖内壁上有滑槽,用以安装垫瓦组,这样垫瓦可以固定在夹具盖的内壁上,再通过与其他垫瓦的组合,增加或者减少垫瓦,来适应不同直径的钢管的弯制。

滑槽宽50mm,深13mm,内有螺钉孔,垫瓦可以通过螺钉安装在滑槽内。

焊接在夹具盖上的吊耳使用来开启或者闭合夹具盖时用的,有两块钢板和一个滚轮组成,钢板的厚度是45mm,关于夹具盖中心对称,两块钢板相距50mm。

滑轮的直径是60mm,长140mm。

另外,前夹具盖之所以采用焊接结构是因为夹具盖整体尺寸较大,再加上夹具盖在工作过程中受力较大,不能采用铸造结构。

同时为了增加夹具盖承受压力的能力,在外壁和内壁之间设计有许多加强肋,这都给铸造增加难度。

采用焊接的方式可以有效地降低成本。

3)夹具盖夹紧方式的选择:
和夹具盖的启闭方式一样,夹具盖的夹紧方式也可以分为液压方式和机械方式。

其中液压方式就是通过液压缸提供动力,由活塞直接顶紧夹具盖,是夹具盖夹紧钢管,完成钢管的弯制。

其优点是结构简单,压力大、稳定,但是同样的问题,这种夹紧方式占用更大的空间,增加了成本。

这种方式的原理相对简单。

其结构示意图如下:
607
4液压缸
夹具盖
图4-4 液压夹紧示意图
还有一种结构,都是同样的原理。

示意图如下:
图4-5 液压夹紧示意图
机械夹紧方式就是一电动机为驱动装置,通过齿轮、丝杠等传动将夹紧力施加在夹具盖上,达到夹紧夹具盖的目的。

这里介绍一种通过马达带动正反丝杠运动夹紧夹具盖的方式。

马达带动丝杠转动,使丝杠两端的铜螺母向两端移动,因为斜契块与铜螺母固定在一起,所以铜螺母也会想两端移动,这样斜契块就会夹紧与它相接处的夹具盖,达到夹紧夹具盖的目的。

具体的示意图如下图:
图4-6 机械夹紧示意图
4)前夹具夹紧力的计算:
弯制弯管的过程中,必须使契块夹紧活动夹头,否则钢管会滑脱。

根据设计参数,钢管直径范围是:D273~813mm,管壁厚度为:6~25mm。

我们知道当直径为813mm,壁厚为25mm时,所需推力最大。

当直径为813mm,壁厚为25mm时,液压缸对钢管的推力为:
P=1.4×Rx=213.5 KN
再根据公式:
469989p P μ=
为管抷与夹块间的摩擦因数。

经计算的p=650 KN 经过分析可知,销轴受力
F=P=650 KN 5)销轴的校核
销轴的材料为45钢,性能如下:
硬度:HB240~280 材料密度:7.85g /cm3
弹性模量:210GPa 强度应力极限:b σ=355MPa 屈服应力极限:
s
σ=600MPa
强化处理:表面淬火
45钢的安全系数是在3~5之间,取45钢的安全系数为4,则
359
[]904MPa τ=
=
销轴的直径D=160mm ,则销轴截面上的切应力为:
3
36501016.25[]
2(16010)4F MPa A ττπ⨯===≤⨯⨯⨯
其中F=650MPa 。

所以销轴的强度满足要求。

销轴连接示意图:
图4-7 销轴受力示意图:
图4-8 销轴受力示意图 4.1.2 前夹具体设计
1)基本尺寸数据
前夹具体和前夹具盖一样,选用45钢为材料,采用焊接结构,降低了费用,钢。

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