全纤维曲轴镦锻压机双肘杆机构强度分析

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1、全纤维曲轴镦锻压机双肘杆机构强度分析第1章绪论1.1船用曲轴成形方法概述大型船用曲轴的毛坯成形工艺可以分为铸造和锻造两种[9-11][12]2，具体分类如图1-1所示。其中，铸造工艺又可以根据材质的不同分为铸钢和球墨铸铁铸造两种；锻造工艺可分为全纤维锻造、模锻和自由锻造三种。铸造工艺中的铸钢铸造工艺生产主要是应用于整体式曲轴与大型曲轴曲拐锻造，而球墨铸铁铸造曲轴的毛坯与铸钢铸造曲轴的毛坯相比质量较差[13]，一般不采用。但是铸造曲轴的毛坯相比锻造曲轴毛坯的质量稳定性不好，废品率也很高，应用锻造法生产的曲轴在内部组织与机械性能上均优于铸造方法生产的曲轴。故在生

2、产大型船用曲轴时采用锻造方法生产曲轴已成为一种趋势。如图1-1所示，曲轴锻造成形工艺又可以分为自由锻、模锻、全纤维锻造三种。锻造成形的曲轴因成形工艺不同，其技术经济性、力学性能以及应用场合也各不相同。自由锻工艺可分为大型曲轴曲拐自由锻和整体式自由锻两种，主要在20MN以上自由锻造水压机上完成。其中大型曲轴曲拐自由锻的曲轴毛坯用组合方法制造，曲轴的轴颈与曲拐分别完成，最后组装成完整的曲轴，主要适用于制造重量达数十吨的曲轴。整体式自由锻适用于锻造单件和小批量生产的曲轴，整体式自由锻过程如图1-2所示[14]8，在制造的过程中首先只锻出主轴颈，曲柄销是从曲拐实心方

3、块切去多余金属制成，如图1-2a)所示。曲拐的成形采用错移法，如图1-2b)所示为成形过程。曲拐Ⅰ的成形过程：在钢锭拔长的坯料上两面均打切口，接下来把下砧移到左面，完成错移工序曲拐Ⅰ成形之后按照相同的方法操作，翻转坯料、形成Ⅱ与Ⅲ。最后在轴端做出阶梯，由此形成了端部的主轴颈与法兰。.1.2TR、NTR锻造法简介相比另外两种全纤维锻造工艺RR法和NRR法，TR与NTR锻造法是比较先进的锻造方法，二者皆通过肘杆传力，在机构工作的过程中，弯曲力与镦粗力符合工艺变形过程的要求。本文所研究的双肘杆曲轴镦锻液压机的双肘杆机构正是参照此两种锻造方法设计。TR法是20世纪中

4、期T.Rut博士设计的，TR法的特点为弯曲镦锻单拐一次成形，一拐完成后再镦锻相邻的曲拐，如图1-3所示为TR锻造法装置的示意图[18][19]4。此装置利用肘杆的作用，液压机向下对动梁施加垂直压力P，此力分解为水平方向上的镦粗力与垂直方向上的弯曲力[20-22]。水平镦粗力使棒料镦粗成曲臂，中间垂直力弯曲形成曲柄销。如图1-4所示为TR模具装置图[23]，TR法有诸多优点：例如与之前的锻造方法相比曲轴的加工余量减少，更好的发挥装置的制造能力[14]14；与此同时装置的体积与RR锻造法相比也有所减小；利用肘杆增力的原理使镦粗力随着行程增加而逐渐增大，刚好契合压

5、机在镦锻过程中对镦粗力的要求；终锻位置水平镦粗力的大小可达到公称压力的1.2倍[24-25][26]45-46，在80MN液压机的组合装备上，可锻制主轴径为500mm的曲轴；在曲轴镦锻的过程中镦粗速度逐渐的减小，这一点也正符合工艺的要求[27]。第2章双肘杆机构静态分析2.1双肘杆机构工作原理如图2-1所示为合模之后双肘杆机构简图，双肘杆机构由活动横梁、模块、轴瓦、肘杆、键和助推缸组成。合模后活动横梁在液压缸的作用下水平运动，带动肘杆转动，进而带动模块在纵向上的运动，实现镦粗工况。在运动的过程中，肘杆的力分为横向力与纵向力。横向力用于夹紧，纵向力在镦粗过程中

6、使坯料产生变形。机构中的活动横梁、肘杆及模块组成平行四边形，保证了机构在运动过程中的方向性。在镦粗过程中随着肘杆的转动镦粗力也逐渐的增加，在终锻位置达到最大值，保证了压机设备的有效利用。与此同时独立工作的立式液压机实现曲轴的弯曲工艺[12]5-6。图2-2所示为机构运动的最终位置简图。2.2双肘杆机构分析双肘杆机构是全纤维曲轴镦锻液压机的关键部分，曲拐成形的过程中需要的镦粗力和镦粗速度均是通过双肘杆机构传递，故首先对机构进行分析。对双肘杆的机构分析主要包括机构的受力分析、机构自由度的确定以及在镦粗工况时活动横梁与模块之间速度与位移关系的分析。机构的自由度为机

7、构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目（为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目）。而几乎所有机构的原动件都和机架连接，因此只能给原动件一个独立的运动参数。为了使机构具有确定运动必须使机构原动件的个数与机构的自由度数相同。当机构自由度数大于机构原动件时，机构的运动将不能完全确定，机构的运动将遵循最小阻力定律，即优先沿阻力最小的方向运动。相反机构自由度数小于机构原动件时，机构中相对比较脆弱的部件会发生破坏[51]。由此可见对机构自由度进行计算是十分重要的，因此首先应该对双肘杆机构的自由度进行计算。..第3章轴瓦磨损量对双肘杆机构强度的影

8、响......263.1一对轴瓦磨损量对机构强度的影