刘磊54100425Φ500mm三通管热模拔制模具设计.docx
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刘磊54100425Φ500mm三通管热模拔制模具设计
郑州轻工业学院
本科毕业设计(论文)
题目Φ500mm三通管热模拔制模具设计
学生姓名刘磊
专业班级机械制造设计及其自动化10-4
学号541002010425
院(系)机电学院
指导教师(职称)张志远
完成时间2014年5月28日
摘要I
ABSTRACTII
1、绪论1
1.1本课题的研究背景和意义1
1.2国内外的发展概况2
1.3本课题研究内容2
2、热拔成形三通管工艺3
2.1热拔成形三通管工艺过程3
2.2预制孔参数计算5
2.3热拔成形三通管工艺的原理及特点7
3、热拔成形三通管模具的总体设计方案8
3.1热拔成形三通管模具的基本构成8
3.2加热装置结构9
3.3线性模组的搭建10
3.4多边形弧板的研究12
3.3拔模的分析14
3.5测量装置14
3.6拔制设备15
4、热拔成形三通管模具关键结构设计15
4.1液压机的选择15
4.1.1拔力的计算16
4.1.2液压机型号确定与校核16
4.2拔模的设计19
4.2.1主管上开椭圆孔尺寸的计算19
4.2.2拔模的设计及校核21
4.3线性模组的选择23
4.4伺服电机的选择及校核24
5.控制系统设计30
5.1温度控制系统设计30
5.1.1系统硬件—红外测温仪30
5.1.2系统硬件接线图31
5.2PLC控制系统设计33
5.2.1控制系统中元件的选择33
5.2.2PLC控制电路设计34
6.总结与展望37
致谢38
参考文献39
Φ500mm三通管热模拔制模具设计
摘要
通过对国内外大口径三通管制造工艺技术现状的研究,针对其所存在的缺陷,本文对热模拔制三通管这种新工艺进行改良,设计了一种高度自动化加热装置,来实现对加热区域进行准确均匀的加热。
方案中采用多边形弧板,合理布置焊枪位置,通过使用伺服电机驱动的线性模组来操控加热焊枪的精确运动,经过其运动合成轨迹,来达到对预制孔周围的加热区域进行均匀加热。
采用热拔模方式拔制而成的大口径三通管,比传统方式焊接的三通管安全系数更高,强度更高,耐用性更好。
拔出的凸缘壁厚、应力分布更均匀,能够很容易的与其他管道进行焊接。
这种方案设计对热模拔制三通管工艺的推广有着积极良好的影响,不但优化了产品的生产质量,也大大提高了企业的生产效率。
关键词三通管,热模拔制,自动化
T-PIPEΦ500MMHOTDIEDRAWINGDIEDESIGN
ABSTRACT
Throughoutthedefectoflargediameterteemanufacturingtechnologyathomeandabroad,forlargediameterteehotforgingdieadoptnewtechnologyarestudied,putforwardakindofautomaticheatingdevicecanevenlyheatingtubeheatingarea,inordertorealizeaccuratepositioncontrolofthehotairgunadoptsacservomotordrivelinearmodule,usingpolygonarcplate,reasonabledecorateaheatgun,andthenthroughthemovementofheatgunsynthesistoachieveuniformheatingofpipeline.
Usingthermaldraftdrawingoflargediametertee,thanthetraditionalwayofweldingteehighersafetycoefficient,higherstrength,betterdurability.Pullouttheflangethickness,stressdistributionismoreeven,caneasilywithotherpipewelding.Thisschemeeffectivelyimprovestheautomationlevelandproductionefficiencyoftheprocess,hasgreatpopularizationvalue.
KeywordsT-pipe,hotdiedrawing,automation
1、绪论
1.1本课题的研究背景和意义
伴随着我国的工业水平不断发展提高,对能源输送的要求也不断增强。
而管道输送具有这一次性投入少、有利于环景保护的独特优势,可靠性较高、运输投入低、特别适合远距离进行易爆、易燃、的石油天然气等能源的运输。
近年来随着人类社会对能源需求的日益增长,我国的石油与天然气管道建造已经踏入了高速发展的时期,我国西气东输,南水北调等重大工程中的钢管直径已经有了达到1500mm,其中的最大壁厚有超过了40mm,可想钢管的壁厚、管径和工作压力要求都有了显著的提高。
三通管件的制造也有朝着大口径,高强度,耐压力的方面发展。
三通管在这种远距离运输中占有重要的地位,它是管道工程建设中用量较大且很重要的管件配件,它是管道运输中的的过渡连接地区,如果一旦出现泄漏或变形的不良情况,就可能对整个工程建设造成重大的经济损失,耽误施工建设,影响进度,甚至重大事故的发生等状况,因此三通管成形制造和加工工艺从来都是管道工程建设中的关键技术和工业发展水平的标志。
在大口径三通管的传统制造工艺中,铸造镁合金三通件不能够满足现在管道运输的性能要求,锻造三通管件是需要进行削减大量的材料加工,耗废的材料数量大,工艺过程复杂;热挤压制造的三通管件应力分布均匀,强度高,可是管坯必须要经过很多次的整个加热,能源浪费大,工人师傅的工作强度大。
焊接三通管件更是存在着应力集中的毛病,很容易留下发生重大事故的安全隐患;正因为如此,这里提出了一种新型的热锻模制造形成大直径三通管技术.
三通热拉伸过程,可以称为翻边成形过程,根据金属塑性成形理论,在T形支管凸缘成型属于的类型,即伸长类曲面翻边成形。
画流程草案在牵引力的作用下,退出预制孔的母管,产生塑性变形和管法兰,周围的绘制过程预制孔面积加热,冷拔相比,热画可以减少金属的变形阻力,加工设备可以使用小吨位液压机;热交换管材料的组织性能,钢热变形后的组织再结晶晶粒大小、晶粒细化,提高了材料的力学性能;提高塑料管材,据一些低温脆性,加工的高合金钢管尤为重要。
1.2国内外的发展概况
现在国内外主要有铸造、焊接和热挤压成形技术等三通管件的制造工艺。
铸造大直径三通管件有着需要后续加工、工作强度大和铸造材料大量浪费严重的问题;焊接三通管件技术更存在着应力集中的缺陷,这样的产品不能够满足对高压工作环境的要求;热挤压成形三通管件也有很多缺点,例如长度不够,能源消耗大等等。
正因为于此,我们这里采用多向加载成形制造技术,它不仅可以减少加工的工序,并且可以在很大程度上提高了金属材料的重复利用率,如果考虑导加工过成中采取减少模具数量的手段措施,那就可以很大程度上提高生产设备和工人的使用效率,其社会效益和人文效益更加可观。
本方案采用的热拔三通管工艺,这种工艺成形性好,生产效率高,材料的利用率高,加热设备的自动化过程中提出一个解决方案,解决了低效率的人工加热。
目前来看,美国一家T—Drill公司制造出了在主管上拔出支管及切割椭园孔的专用设施,支管尺寸为9.5~508,主管直径可达道1016mm;前苏联的一个科研所已经制造出了在75~530mm的主管上拔出58~150mm支管的装备;德国邦福瑞德等人成功的在510×(12~16)、610×(20~25)的主管上拔出370×10~410×(12~19)的三通管;国内很多单位在220×10、270×16,325×20等管上拔出159×(10~20)以下的支管取得了成功。
1.3本课题研究内容
现在工厂中的热模拔制大口径三通管成形工艺的过程中有对局部区域加热的工序。
在预制孔周围进行局部加热,而目前国内市场上没有此加热装置,一种针对该工艺的加热装置,只能靠人手人工对管坯进行加热。
但在直径507mm主管上需要8个工人共同加热,才能拔出直径300mm的支管就需要8个工人协同加热,不仅造成人力的过度浪费,且由于是8人共同加热,摆动幅度不同易容易造成加热不均,从而降低了支管的成功率,质量也大打折扣,另外加热现场环境的恶劣,高温辐射对工人的健康的影响特别是炎热的夏天。
因此,本文提出了一种自动化加热装置方案,这种方案拔制出的三通管成形性好,生产速度快,克服了以往加工工艺的缺点,材料重复利用率高,加热设备的自动化过程中提出一个解决方案,解决了低效率的人工加热。
2、热拔成形三通管工艺
该工艺只需1套拔模,1套加热装置,1个红外测温仪和1台立式液压机等少量的设备就能完成热模拔制成形三通管。
而且这样一套多标准的设备就能够适用于不同尺寸和规格的钢管管件拔制工作。
2.1热拔成形三通管工艺过程
该工艺流程如图所示,在工作设备上的钢管主管或设备上,预先开出一个小于支管直径一定程度的椭圆形状的孔,然后将所要拔制的钢管主管合理的固定在工作台上,利用固定支架夹紧定位,对管道局部进行加热。
通过输送设备在主管内递放一个拔模模具(本设计采用的是球模),使拔模和拉拔机(液压机)相连接,载提升拉拔机工作,使钢管上预制开出的的椭园孔周边范围内发生塑性变形,从而拉拔出和拔模模具尺寸形状大小近乎相同的凸状边缘,然后进行焊接对这篇范围内的钢管从而再形成三通管。
(1)首先我们需要依据需要拔制的管胚的形状大小尺寸,来计算出需要的拉拔的力度,这样才能校核检查拔制设备,确定液压机的拉力。
在此之前,还要确定出预制孔的大小,在管胚的主管上面开出合适的预制孔是热模拔制顺利进行的关键一步。
在这里,可以采取打磨毛刺的手段,来使预制孔附近的边缘部位光滑,不粗糙。
这样有利于拉拔时顺利成形支管。
但是管胚是合金钢的材料,就必须选择机加工的手段,来开预制孔,这样的话就不容易出现缺陷,保证拉拔工作的顺利进行。
这样的工作完成后就把管胚适当的固定在拉拔设备的工作区间,技术要求是开孔的轴线应与工作机台垂直,并且在装上拔模后处于开孔的中心部位。
(2)拉拔前需要对预制孔边缘部位进行均匀加热,并且加热的面积要适量不能造成管胚的变形。
本方案就是专门的针对此问题设计了一种加热装置,它能够实现高度的自动化,采用电打火方式,以氧-天然气作为燃料,用温度监控设备对加热温度进行实时监测,从而实现对三通管拔制时预制孔附近部位的准确高效加热。
(3)当加热部位的温度达到1200℃左右时,就要快速的将拔模送入到母管中,并将拔模和拉杆连接,拉杆连接到液压机上面后开动液压机,向上方拔出拔模,从而形成需要的支管凸形边缘。
因为金属材料存在着延伸率极限的问题,如果一次性就要拉拔成形,将有出现支管裂断的可能,为了防止这种情况发生,可以采取2~3次的拉拔过程,这样不但能使支管的强度系数变大而且能够减少投资的成本。
(4)质量检查:
①检查三通外观是否过渡圆滑,拔制高度是否合适,有无裂口,有小裂口时可以补焊后探伤;
②抽样检查减薄量,那些是在降低要求条件下使用;
③表面附色检查;
④检查三通管件的硬度.超出要求的必须重新进行热处理加工。
(5)加工三通管口口径边缘。
拔制结束后的三通管口边缘处肯定存在凸凹不平的地方,可能存在有壁厚不均匀的现象。
所以要对管道口边缘处进行加工处理。
热拔工艺方案工艺过程如图1:
图1热拔工艺过程简图
2.2预制孔参数计算
根据金属塑性成形理论,由加工零件的性质和不同的应力状态,这里的翻边过程可以分为内孔翻边和法兰翻边,需要预先形成的洞孔翻边。
热锻模回火过程的本质是翻边成型,热拔模无疑属于内孔翻边模拉的过程。
预制孔的形状和大小的热模拉过程中,相关的影响是否产生高质量的三通支管。
三通支管成形是伸长类曲面翻边成形,预制孔边缘曲线低于周边分支管部门的圆的周长。
翻边成形的过程中,预制孔边缘曲线的切向拉伸力和变形,扩大周长,直到最后形成的扩展到草案相同直径的圆形边缘。
越接近预制孔边缘的金属,切向拉应力,切向应变越大,支管一端的原因是最大的数量的减少。
在翻边过程中,径向拉应力远小于的切向拉应力等方向的高度分支管预制孔翻边前变形很小。
因为只有预制孔周围局部加热,所以三通整个绘画过程中,很少有部分外的横向变形。
为方便分析,简化计算,我们做出以下两个假设:
1)忽视分支高度方向的变形。
2)只有部分曲线内管坯变形发生。
下图是引用别人的图片,当然自己在建模过程中也建模过类似模型,相比较还是此图比较准确的表达出拉拔前后管件的形变,所以此处引用别人的图片加以说明。
首先可以假设拔出的钢管支管端部部位是一个光滑的平面,与平面坐标是平行,钢管的支管凸型边缘部位与母管相交,他们相处交线上的每一个点到支管头部的距离是不一样的,距离最大的截面为XOZ,距离最小的截面为YOZ。
在以上所做的两点假设的情况下,钢管的支管凸缘部位上,可以过其轴线上的任一截面的母线长度,与变形前该轴截面上管坯预制孔边缘到相交线上的曲线长度相等,所以可以知道预制孔是空间曲线,呈椭圆形,他们是一条在坐标平面XOY上的投影。
湘潭大学的肖小亭老师根据翻孔时金属流动情况,根据金属体积不变的情况以及类比弯曲成形的理论,采用了展开求域和原位定形的方法,利用图解来得出预制孔在曲面体上的形状,得出了三通管的预制孔为椭圆的结果。
1)需要预制椭圆孔的长轴尺寸计算
预制开出的椭圆的长轴端点处的变形条件情况类似于圆孔翻边,所以可以参考经验公式,计算其长轴尺寸:
C=D-2(h-0.42r-0.75b)(2-1)
式中:
C为预制钢管的椭圆孔长轴必需长度;
D为钢管翻边孔的直径(可以去取管坯内直径加上管坯厚度的一半来计算);
h为钢管的翻边标准高度(即支管的最小高度);
r为钢管翻边圆角半径(XOZ剖面上钢管支管与母管过渡位置的圆弧半径);
b为材料厚度(管坯的厚度)。
2)预制椭圆孔短轴的尺寸计算
支管法兰通过的轴线部分母线长度等于轴部分管道预制的变形曲线孔的边缘曲线的长度。
B=π×Φ/180×arcsind/Φ-2H-2h(2-2)
式中:
B为预制椭圆孔短轴的长度;
Φ为管坯内直径;
D为支管内直径;
H为支管高度(最小高度);
h为“马鞍“尖高。
其中2h=Φ-√Φ2-d2
将数据带入式中。
得出预开孔大小A=359mmB=162mm
图2预制孔
图2为在本次设计中利用三维建模软件solidworks建模生成的开有预制椭圆孔的管件,管道内径是460mm,外径是500mm。
图3预制孔形状和尺寸
上面介绍的预先确定椭圆孔尺寸大小的思想计算方法,具有少量的计算量,工人师傅很容易能够掌握,很是简单,清晰。
管件工厂生产试验证明了该方法计算过的椭圆孔大小的管坯热画后高度分支的形成,基本上达到了预想结果,支管也相对平坦。
2.3热拔成形三通管工艺的原理及特点
三通热拉伸过程根据金属塑性成形理论,绘制流程草案在牵引力的作用下,退出预制孔的母管,产生塑性变形和管法兰,周围的绘制过程预制孔面积加热,冷拔相比,热拔模可以减少金属的变形阻力,加工设备可以使用小吨位液压机;热交换管材料的组织性能,钢热变形后的组织再结晶,晶粒大小、晶粒细化,提高材料的力学性能,提高塑料管材,据一些低温脆性,加工的高合金钢管尤为重要。
热锻模采用大直径三通过程与传统生产工艺相比不仅具有明显的优势,但也有其独特的特点:
(1)与铸造三通管工艺比较,该工艺不需要后续工序的加工,并且很大程度上节省了原材料和工作时间。
(2)与焊接三通管工艺比较,该工艺生产的三通管件的,其结构科学、应力分布均匀,主支光滑过渡。
在钢管支管的拉拔工作过程中,因为金属纤维弯曲形状改变,但强度不会被削减,所以三通管件的整体性能将得到提高。
(3)热模拔制工艺只需进行局部加热管坯,与热挤压工艺比较,它需多次送回加热炉中对管件进行整体性加热,这样不仅工人师傅劳动强度大,生产效率低,不环保。
而且能耗高。
而热模拔制工艺整个工艺过程中只需要不同尺寸的拔模,想要拔出各种不同规格的三通管只要更换拔模就能,节省了热挤压工艺过程中的上、下俩个半模,也不需要建设加工过程中的专门的加热炉,降低了公司的投资成本和人力资源,比较适合在我国的中小企业中大量推广。
(4)这套方案中我们专门设计制造出了一种可以加热均匀、科学的适用于这种工艺的自动化加热装置设备,它能够快速的均匀的进行对预制口径范围内进行加热,如果再配上自动化的递送拔模装置,该设备就能实现工艺上的高程度上的自动化操作。
(5)该工艺工程过程简单,应用范围广,适应不同场合,不仅可以单独成形三通管,而且也适和在一个较长管坯上的不同位置拔出多个支管,大大提高了企业的工作效率。
另外想要拉拔出Y型或其他形状的三通管只需在拉拔过程中改变拉拔的角度就能够实现。
3、热拔成形三通管模具的总体设计方案
3.1热拔成形三通管模具的基本构成
该工艺所用设备装置较少,只需要1套拔制用的拔模,1套加热装置,一套温度控制设备和1台立式液压机就能对钢管进行热模拔制工艺生产。
而且这样一套多标准的设备就能够适用于不同尺寸和规格的钢管管件拔制工作。
设计开始时我们确定选用球模来拔制三通管,利用液压机的回程力来拉引球模,球模结构相对比较简单。
此设计拔制部分:
液压机,球模,及液压机和球模连接的拉拔连接柱。
液压机是拉拔系统的关键组成设备,它主要元器件的构成是由主电机、电气自动控制部分和液压自动控制部分三大区域的结构组成。
液压机拉拔部分包括工作机台,拉拔杆件,液压系统等组成。
此部分为动力组成部分,是拉拔工作的关键驱动部分。
而现场时在高温环境下,所以就必须要考虑设备的安全因素。
注意液压系统与加热区的分离。
固定支架起固定线性模组和定位作用。
在热模拔制大口径三通管成形工艺的过程中有对局部区域加热的工序。
在预制孔周围进行局部加热,而目前国内市场上没有此加热装置,一种针对该工艺的加热装置,只能靠人手人工对管坯进行加热。
但在直径507mm主管上需要8个工人共同加热,才能拔出直径300mm的支管就需要8个工人协同加热,不仅造成人力的过度浪费,且由于是8人共同加热,摆动幅度不同易容易造成加热不均,从而降低了支管的成功率,质量也大打折扣,另外加热现场环境的恶劣,高温辐射对工人的健康的影响特别是炎热的夏天。
因此,本文提出了一种自动化加热装置方案,在充分考虑了马鞍形加热曲面的构造加热区域,加热难度对比后,制定了如下的加热方案。
球模部分主要由球模及连接球模和拉拔柱的连接柱组成,球模是拉拔成型的管件,选材与形状都很重要。
3.2加热装置结构
如图4所示,即为该工艺的自动化加热装置设施的结构示意图,它主要由8个加热的大号焊枪、8组二维平面坐标机器人构成。
焊枪的固定端可以灵活调节,使得让焊枪的烧嘴与钢管有适当的距离进行加热。
每个焊枪下面均有小坐标机器人,其中4组直角坐标机器人是固定的,他们能定位在固定支架的斜面上,还有4组与另外4组错开,天然气-氧气组成焊枪的燃烧成分,这里采用电打火的方式打火对加热部位进行加热,焊抢安装在悬臂式支撑板上,相互交错,不会干涉,并远离高温的加热区,使机械臂减少热辐射,保护机械臂有效的工作。
所以要求固定支架距离工作中心要相对较远,不能影响电动滑台的使用功能。
能够按照预期的轨迹正常运动。
通过人为来回摆动焊枪的加热方式来模拟的加热装置,其优点是比人工加热更均匀。
管坯需要加热的区域是在预制空的附近,从图3可以看出该加热区域类似于马鞍形,是一个对称的空间曲面,在相对预制孔的周围,一前一后排列的两把焊枪,负责加热1/4的区域,总共分4组,负责整个区域。
加热装置启动后,机器人带动每一个焊枪下作均匀的往复运动,8个焊枪需要以相同的运动方向运动,这样才能够避免发生碰撞,这样就能对整个曲面才能够均匀加热。
图4加热装置外形结构
3.3线性模组的搭建
线性模组的形式常见有:
1、列式直线导轨形式
2、Kk精密线性模组
其中精密线性模组是由由xy方向运动机构组成,其中有丝杠,丝杠螺母,导程滑块,固定件,轴承,固定螺栓,螺母,驱动马达等组成机构。
3.铝型材形式
这种形式的线性模组内部结构较为复杂,能够匹配滚珠丝杆和直线导轨,这样可以实现高精度和高速度的水平,再加上模块化和标准化的优点并与致动器组装交付给客户自己的设计。
所以铝模块滑近年来被客户接受,未来的各种各样的行业也有很大的市场需求。
线性模组的特点
1.定位精度高
线性模组实现平稳运动,在低速运动的情况下,不容易产生线,动态和静态摩擦阻力之间有着很小的区别。
沉重的复合定位精度高,适合于线性模组运动频繁启动或扭转移动部件。
2.磨损小
采用滚动接触的方式能够有效的减小摩擦耗能,线性模组运动时摩擦损失小,这样就能让线性模组长时间运动也可以保持高精度。
另一方面,由于工作过程中的润滑油的使用较少,那所匹配的润滑系统设计和对线性模组的使用维护就变得简单易行。
3.适应高速运动
线性模组运动过程中需要稳定的传输环境,有着缓冲保护的作用、线性模组运动时直线滚动导轨模块由于滚动摩擦系数的降低,可使线性模组运动所需的电力供应水平和电力传输机制小型化,驱动转矩,大大减少。
线性模组运动速度快,提高了焊枪的工作效率。
4.组装容易并具互换性
线性模组中的零件是可以互换的,不同的工序只要更换线性模组中的滚动直线导轨就可以实现高精度的定位。
线性模组还有工作过程中不需要润滑的优势,零件维修方便,较低的维护成本和组装方便的特性。
该工艺需要加热的范围是一个空间曲面,该曲面形状形同与一个马鞍形,那么线性模组中的焊枪的喷嘴需要有线性模组中三个自由度的空间,进行在该空间里的运动,那么线性模组中每个焊枪下面就需要在不同位置装上有X,Y,Z三个不同方向的三个自动化的机械手臂,这样的会使这部分的设计结构与控制系统就会更加复杂,在一方面提高了研发和开发成本,但是,在本文里面我们把线性模组的支撑架设计成为多边形弧板的形状,在线性模组的板面上面铣出四个对称的斜面。
这样在线性模组的每个线性模组斜面上面就只需要安装线性模组上一组直角坐标机器人就能够成功的实现线性模组上的焊枪在需要加热空间内的三维运动,从而实现线性模组对这部分空间曲面进行加热。
但是因为线性模组弧板上面的斜面面积是一定的,俩个相接近的直角坐标机器人很有可能会造成在空间位置的碰撞,所以就需要在线性模组增添上几个悬臂式的支撑板架以保证线性模组他们能够安全有效的进行工作。
3.4多边形弧板的研究
该课题是在直径为500mm的钢管管管坯上面拉拔出直径为500mm的支管,我们可以假设多边形弧板的内直径为520mm,厚度为20mm。
加热范围采取以往经验一般为1.5倍的拉拔管径,所以加热范围的直径得出:
D=500×1.5=750
也即弦AD的长度为750mm。
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