滑移式起重夹钳装置主机的加工工艺设计毕业论文设计.docx
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滑移式起重夹钳装置主机的加工工艺设计毕业论文设计
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摘要
机械夹钳机构是机械制造装备的重要组件,当夹钳机构钳口开口因夹持不同尺寸大型工件而有较大变化时,存在夹持力波动很大的情况,因而很难保证夹持的可靠性,甚至造成夹持机构功能失效。
本文详细介绍了夹钳装置设计过程和一些零件加工工艺方法,快速成型加工和数控加工，薄壁零件在加工过程中容易变形,加工精度难以保证,如果能采用合适加工工艺,完全可以解决这一问题。
本文针对典型的轴类零件数控加工工艺的分析,给出了对于一般零件数控加工工艺分析的方法。
关键字：
夹持力；夹钳装置；加工工艺设计；夹钳强度
ABSTRACT
Themechanicalclampingmechanismisanimportantcomponentpartofmechanicalmanufacturingequipment.Thereexistsasituationoflargefluctuationinclampingforcewhilethevicejawopeningofclampingmechanismaccountofclampinglarge-scaledwork-piecesofdifferentdimensions,thereforeitisverydifficulttoensurethereliabilityofclampingorevencausingfailureonthefunctionofclampingmechanism.
Theprocessingmethodandjigdesigningprocessofsomecylinderbodywereintroduced.Intheprocessingofthinwallcylindercomponents,theyareeasytodistort,soitisverydifficulttoguaranteetheprecision.
Atlast，technologyanalysisisveryimportant,onthebasisofanalyzingtechnologiesofshaftcomponents'NCprocessing,themethodsofusualcomponents'NCprocessingtechnologiesweregivenout,whichwassignificantforactualmanufactureandenhancingproducts'quality.
Keywords：
clampingforce；Clampingdevices；processingcraftdesigning；shaftcomponentsprocess
摘要I
ABSTRACTII
1前言1
1.1起重夹钳国内外发展情况1
1.2起重夹钳加工的发展情况3
1.3研究的主要内容及解决的主要问题3
2100KG起重夹钳装置机构原理和作用4
2.1100KG起重夹钳装置机构的结构4
2.2100KG起重夹钳装置机构的基本原理5
3100KG起重夹钳装置机构的材料选择5
3.1100KG起重夹钳装置机构结构优化分析5
3.2起重夹钳装置主机的钳臂的材料选择9
3.3起重夹钳装置主机的钳口的材料选择10
3.4夹钳机构运动过程的可靠性研究11
4100KG起重夹钳装置主要部件的加工工艺设计14
4.1利用快速成型进行加工设计14
4.2轴类零件的数控加工工艺设计17
4.3薄壁零件加工工艺设计20
4.4用线切割加工吊臂的加工设计23
5结论25
参考文献26
致谢28
1前言
1.1起重夹钳国内外发展情况
工业革命之后，随着工业化的大步发展，各种起重夹钳的应用也逐渐广泛起来了。
在90年代，国外一些工业强国对夹钳的研究已有了较大突破。
1996年，日本三菱商事株式会社（MCG）与太原重型机械集团公司合作，研制成功七台板坯夹钳搬运起重机，该产品已达到90年代初国外同类产品的先进水平[1]。
国内的起重夹钳的研究起步较晚，在新中国成立以前，中国基本上没有自主研发的能力。
1993年2月16日太原重型机器厂举行了70t动力开闭式板坯夹钳试车演示会。
在试车演示会上，该产品通过了空载和负荷试车的考验，性能达到了设计要求，可供连铸厂和热连轧厂用作板坯起吊或一般取物作业。
该夹钳装置采用PC控制，有多重电气保护和重新起动回路，能检测和显示钳口开度和板坯厚度，比我国经常使用的重力夹钳的生产率高，操作方便而且安全可靠[2]。
200年宝山钢铁股份有限公司生产的一种钳式起重机夹钳在传统的钳式起重机夹钳的结构基础上，将夹钳的二个钳腿中的一个钳腿的中部拐角处自上而下形成分叉状并构成二个支钳腿，二个支钳腿与另一个钳腿仍呈交叉状，以此形成了“三钳腿”的结构。
在起吊长规格模具钢时，依靠一个钳腿中的二个支钳腿以及另一个钳腿可以牢固地接触到模具钢侧面，增加了钳腿与模具钢侧中的接触点和面积，较传统的夹钳相比，本实用新型的夹钳更适合于进行起吊模具钢，它既避免了起吊的模具钢发生倾翻现象，又提高夹钳的使用功能；2006年山西某公司生产的热板坯动力夹钳起重机其夹钳的技术关键：
（1）利用螺杆传动实现钳以臂水平开闭运动。
（2）通过优化设计和模拟试验确定了合理的倾斜角，使夹持力足够大，而外形尺寸最小。
（3）夹钳的开闭机构采用了磁粉离合器和零速检测开关，控制钳口对板的初始夹紧力和钳口的初始夹紧运动，并实现对电动机过载的保护。
（4）首次采用了多对钳臂，实现对长、短板的夹取，这在国外也是首创[3]。
（5）采用两大套独立的开闭机构，可以实现斜坯的夹取；2008年河南某公司生产的100T多用途旋转铝铸锭夹钳起重机主要创新点是多种吊具更换完成多种作业，夹钳部分采用了全液压装置，液压旋转、液压夹紧、松开，钳齿的形状和材料耐高温耐磨，任意板宽均有齿尖相接触；采用绕性钢绳斜拉三角形防摆等，均为国内领先水平。
同年太原重型机械集团有限公司生产的六爪式动力板坯夹钳，其上横梁分别通过三个连接铰轴与三个开闭梁连接，每个开闭梁安装有开闭机构和双向螺杆及螺母，双向螺杆及螺母上的轴连接钳臂，开闭机构通过驱动装置带动链轮、链条传动双向螺杆，双向螺杆回转使螺母带动一对钳臂作开闭运动。
本发明与现有技术相比，不仅适用板坯规格范围大，板坯堆取更加灵活方便，而且尺寸小、自重轻。
大连华锐股份有限公司生产的防摇板坯夹钳起重机包括桥架、大车行运机构、小车、卷筒、吊架、动滑轮，钢丝绳，板坯夹钳，特征是：
所述的“十”字形吊架由相互垂直的两个直梁构成，于两直梁的两端顶面处依序设I#、II#、III#、IV#吊点，于I#、II#、III#、IV#吊点处分别装设由支座支承的两个动滑轮，与小车I#、II#卷筒相对应的动滑轮上、分别用钢丝绳经缠绕连接构成四绳四边“V”字形式的钢丝绳系；于“十”字型吊架的某一直梁的两端底面对称连接板坯夹钳；本实用新型不仅设计合理，结构紧凑，在大车及小车运行方向上既不摇摆，又不旋转，使得板坯夹钳定位准确、夹取迅速，而且提高作业生产效率，以及具有操作安全，使用十分方便等优点[4]。
国外起重夹钳技术发展要比我国早很多，而且因此其技术也日趋成熟。
荷兰公司1985年的起重钳产品样本就列有521种不同规格的各种用途起重钳，最大起重量已达40吨，可用于钢铁厂、造船厂、化工广、铁路、码头和仓库等部门，进行快速吊运和装卸各种垫材，以及焊接和装配构件，铺设轨道，维修设备等作业，能提高工教，减轻劳动强度。
荷兰、日本、瑞典、英国等国都有专业厂家生产各种起重钳[5]。
由此可见，随着国内工业的发展，特别是入世以后，国内的起重夹钳技术达到了一个相当的高度，有一些甚至达到了国外的水平。
目前世界销售市场对起重机械的需量正在不断增加，这也使得起重夹钳也得到了快速发展，从而使国外各种制造起重机企业在生产中更多地采用优化设计、机械自动化和自动化设备去提高劳动生产率，这对世界销售市场、制造商和用户都产生了巨大的影响。
近年来，美国因制造技术、质量问题和价格昂贵等原因，降低了其在世界上的竞争能力；联邦德国德马克公司，由于实行了生产技术振兴，解决了提高生产的工艺手段，以占优势的新产品来保持其发展的优势[6]。
1.2起重夹钳加工的发展情况
现在国内的起重夹钳的运用情况基本上就三种：
重力夹钳、电动开闭的重力夹钳和动力夹钳三种夹钳装置。
在这三种当中，动力夹钳因其成本较高，扩大推广受到一定的影响，但由于其优越的工作性能，特别是钳口可实现准确的三维跟踪、可靠夹起梯形坯、较高的工作效率和不损失起升高度，为实现冶金企业的自动化具有无可比拟的优点。
因而我们认为动力式夹钳在现代起重机夹钳发展上将占越来越重要的作用[7]。
国外起重夹钳技术的发展趋势：
（1）设计、制作的计算机化、自动化
近年来，随着电子计算机的广泛应用，许多国外起重机制造商从应用计算机辅助设计系统（CAD），提高到应用计算机进行起重机的模块化设计，这也使得对起重夹钳的设计也有了突破，根据市场调查预测的统计数字和积景的资料、图表、图线规律，在严密的科学理论指导下，拟定起重夹钳结构、机构、部件等多层次的标准化、模块化单元。
对起重夹钳的改进，只需针对几个需要修改的模块,设计新的起重夹钳只需选用不同的模块重新进行组合,提高了通用化程度，可使单件小批量的产品改换成相对批量的模块生产，亦能以较少的模块形式，组合成不同功能和不同规格的起重夹钳，满足市场的需求，增强竞争能力。
（2）新材料、新工艺的应用由于钢铁工业新技术的应用。
钢材质量得以提高在机加工方面，尽量采用少切削的精密铸件，尤其是铝台金铸件占多，加工设备大量采用高精、高效的加工中心，数控自动机床等，既保证加工质量，又提高了生产率，降低了成本。
同时在工艺线上，使用机械来代替人工操作，如焊接用的机械手和配用机械手等。
国外起重机厂商为了能迅速制造和装配出品种多样化的产品来，要求企业之间密切联系和协调，企业走向专业化，标准化和系列化[8]。
1.3研究的主要内容及解决的主要问题
依据毕业设计的目的和要求，通过谭老师的精心指导及查阅大量国内外文献资料，结合在实习中所遇到的问题和用户提出的要求，100KG起重夹钳机构要求达到结构简单、安全可靠、操作方便和效率高的目的。
分析其合理性与可行性，为设计的开展打好基础，拟定初步设计方案及步骤。
本次设计中，我们将主要解决以下几个方面的问题：
（1）夹钳装置的总体设计；
（2）主要的零部件结构设计及强度分析；
（3）夹钳机构的设计；
（4）夹钳装置主要零部件的材料的选择以及其工艺过程；
（5）具体的设备装配方案。
2100KG起重夹钳装置机构原理和作用
2.1100KG起重夹钳装置机构的结构
图1所示为100KG起重夹钳装置机构，由夹钳加持部位、定滑轮、三角支撑架、底座及其底座下面的动力旋转装置构成，其功用用于加持100KG以下物品，可从物品初始搁置区域，夹取物件，将物件放到指定区域，图2所示为底座俯视图。
图1100KG起重夹钳装置机构
1.定滑轮2.三角支撑架3.起吊电机安装部位
4.底座5.传动轮
2.2100KG起重夹钳装置机构的基本原理
夹钳装置是起重夹钳设备的取物装置，起重夹钳设备能否可靠地工作，主要取决于夹钳的性能。
夹钳装置是起重夹钳设备的取物装置，它与起重设备的几个工作机构配合，可从物品初始搁置区域，夹取物件，将物件放到指定区域。
此外，夹钳起重装备还可用来拨移物件或夹上其它无关物品来清理杂物。
夹钳起重机在完成上述工艺程序时，由于运行速度较快，振动大，夹持的又往往是各种各样的物品，因此夹钳装置的各个零部件除应有足够的强度外，还应有良好的夹持性能，保证夹持的物件不至从钳口脱落。
3100KG起重夹钳装置机构的材料选择
3.1100KG起重夹钳装置机构结构优化分析
起重夹钳是一种工作效率很高、适应性极强、用途非常广泛的设备。
起重夹钳的机构复杂、运动过程难以预测、夹持的可靠性难以把握、作业场地的危险性较大。
这是设计起重夹钳的一个矛盾,恰当的参数既能够满足夹钳工作的安全性、又使钳体自重适当,因此很有实际意义。
图3为夹钳装置整体优化流程图。
图3夹钳装置整体优化流程图
要保证夹钳的安全要求,必须符合以下条件:
（1）它的临界摩擦因数必须小于材料的实际摩擦因数,否则,带卷不能被夹持起。
更为可怕的是,带卷被瞬间吊离地面后从钳口滑落,导致产生不可估量的损失。
（2）夹钳各钳臂所受应力必须满足下式
式中
———夹钳所受的最大应力
———所选材料的屈服极限
———安全系数
夹钳的传递系数为起重机对夹钳及带卷的吊运力与该力传递到钳口上正压力大小的比值,它是夹钳本身的固有属性,由夹钳的结构唯一确定。
传递系数越大,钳卷间所需产生的正压力越大,带卷越容易被夹持起,即所需要的临界摩擦因数越小,然而,夹钳各铰接点的受力也随之增大,导致钳臂的厚度必须增加,从而使夹钳体积庞大、自重增大；传递系数若是减小,机构的自重也会减轻,但降低了工作过程的安全性。
本次夹钳的整体优化设计,力图能够满足所有的设计要求,并使设计目标为最优,例如重量、面积、体积、应力为最小[3]。
该机构整体优化设计的流程如图3所示。
3.1.1夹钳的结构参数化
图2为该夹钳的单边简化机构图。
从上往下依次定义为上钳臂、外钳臂、下钳臂。
图4夹钳机构原理图
图中l1、l2、l3、l4、ψ为夹钳构件的几何尺寸,ψ1、ψ2为位置尺寸,C、B分别表示夹钳内、外钳口伸缩的移动副；FA是起重机对夹钳及带卷的吊运力（吊运力作用在图4所示的吊架上）,FB、FC分别表示内、外钳口作用在带卷上的正压力。
3.1.2上钳臂的受力分析
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该论文已经通过答辩
3.1.3外钳臂各支点的力
图5为外钳臂的受力图,根据图中关系得出
（3-4）
式中,Gw为外钳臂的自重。
由上式可推出3个铰接点的受力大小为
（3-5）
（3-6）
（3-7）
（3-8）
（3-9）
（3-10）
3.1.4夹钳的传递函数
图4中标出的为外钳口和内钳口的受力大小,从该机构原理图的力学关系不难推出
（3-11）
（3-12）
可得到夹钳的传递函数表达式为
=
（3-13）
K定义为传递函数,表示起重机对夹钳及带卷的吊运力与该力传递到钳口上正压力大小的比值。
图5外钳臂受力图
3.1.5确定参数
定义夹钳的自重和机构的临界摩擦因数为目标函数,定义机构的结构尺寸（板件的长度、宽度和其他细节尺寸）为设计变量。
钢对钢的静摩擦因数无润滑时为0.15、有润滑为0.1~0.12；钢对钢的动摩擦因数无润滑时为0.1、有润滑时为0.05~0.1[4]。
考虑到夹钳在实际工作时钳口可能有少许带卷轧制乳化液渗入,所以设计的摩擦因数必须小于0.1。
为了保证安全可靠性,根据理论分析,把夹持最大带卷外径时的摩擦因数暂定为0.07,在满足上述条件以及结构紧凑和美观的条件下确定一组优化设计参数l1、l2、l3、l4、ψ、ψ1、ψ2。
在满足夹钳的核心参数条件下,得出其他部件的参数,用虚拟建模软件，根据生产实际和工作要求建立夹钳的整体三维模型,见图6。
图6夹钳结构示意图
除应有足够的强度外，还应有良好的夹持性能，保证夹持的物件不至从钳口脱落。
3.2起重夹钳装置主机的钳臂的材料选择
起重夹钳是一种工作效率很高、适应性极强、用途非常广泛的设备。
起重夹钳的机构复杂、运动过程难以预测、夹持的可靠性难以把握、作业场地的危险性较大。
为了能满足安全要求，钳臂的选材要求有较高的强度和抗冲击性能。
下面我们讨论几种工程上常用的几种碳钢和合金钢。
普通碳素结构钢又称普通碳素钢。
与优质碳素钢相比，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其他残余元素含量的限制较宽。
我国和某些国家根据交货的保证条件，把普通碳素钢分为三类：
甲类钢（A类钢），只保证力学性能，不保证化学成分，乙类钢（B类钢），只保证化学成分，不保证力学性能；特类钢（C类钢），既保证化学成分，又保证力学性能。
特类钢常用于制造较重要的结构件。
常用碳钢的用途举例：
Q195、Q215，用于铆钉、开口销等及冲压零件和焊接构；。
Q235、Q255，用于螺栓、螺母、拉杆、连杆及建筑、桥梁结构件；
Q275，用于强度较高转轴、心轴、齿轮等。
合金钢按用途分可分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。
低合金结构钢是一种低碳、低合金含量的结构钢，其碳含量小于0.2%，合金元素的含量小于3%。
这类钢与含碳量相同的非合金钢相比具有较高的强度，还有较好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性等。
所以多用于制造桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、油罐、输油管等。
常用低合金高强度结构钢的用途：
Q295，用于油槽、油罐、车辆、桥梁等；
Q345、Q390，用于油罐、锅炉、桥梁、车辆、压力容器、输油管道、建筑构件等；
Q420、Q460，用于船舶、压力容器、电站设备、车辆、起重机械等、
Q345属低合金高强度结构钢，有较好的塑性、韧性，多用于桥梁、车辆、压力容器等，能满足要求，所以选择钳臂的材料为Q345。
3.3起重夹钳装置主机的钳口的材料选择
该JQ100起重夹钳用于搬运高温钢坯，所以钳口的材料要求耐高温，且在高温时有较好的热硬性。
夹钳在工作时钳口的受力和磨损是最大的，所以在选取钳口材料时要选用机械性能很好的材料才能满足要求。
在这里我们选用热作模具钢H13。
H13系引进美国的H13空淬硬化热作模具钢。
执行标准GBT1299—2000。
统一数字代号A201002；牌号4Cr5MoSiV1；化学成分%：
C：
0.32至0.45，Si：
0.80至1.20，Mn：
0.20至0.100，Cr：
4.75至5.100，Mo：
1.10至1.75，V：
0.80至1.20，P小于等于0.030，S小于等于0.030；热处理：
790度预热，1000度（盐浴）或1010度（炉控气氛）淬火，保温5至15min空冷，再进行5100度中温回火；其性能、用途和4Cr5MoSiV钢基本相同，但因其钒含量高一些，故中温（600度）性能比4Cr5MoSiV钢要好，是热作模具钢中用途很广泛的一种代表性钢号。
热作模具钢H13有如下特性：
（1）高的机械性能。
尤其在受热条件下，保持高的屈服强度和韧性，从而使模具的工作部分不发生变形和破坏，为此要求有高的抗回火稳定性。
（2）优良的耐热疲劳性。
从热作模具钢断裂失效形式来看，大多是热机械疲劳断裂。
因此热作模具钢应具有高的热机械疲劳断裂抗力指标。
为此钢材必须有合理的合金化和具有高的断裂刃性。
此外模具钢应有良好的导热性和可能小的膨胀系数，还要有较高的临界温度。
使模具在工作温度下不发生α→γ相变以减小应力值。
（3）高的淬透性。
保证较大尺寸的热变形模具沿整个截面有均匀一致性能，尤其是韧性。
（4）抗氧化能力。
尤其是受热较高的模具。
热作模具钢对硬度要求适当，侧重于红硬性（热硬性），导热性，耐磨性。
因此含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性、红硬性为主。
以上良好的机械性能保证了夹钳钳口的各种使用要求，所以我们选用它作为钳口材料。
3.4夹钳机构运动过程的可靠性研究
夹钳的机构复杂,夹持的可靠性难以把握。
当夹持小物体时,在起重机放下夹钳后钳体有可能会卡死,导致钳体不能在自重下复位。
如图7所示,当起重机放下物体时,外钳臂C点所受的力和物体的自重产生的力矩之和使外钳臂产生顺时针的转动,且能克服下钳臂施加给外钳臂B点逆时针的阻力矩,使外钳臂绕A点顺时针转动,则实现了夹钳的复位,即须满足下式:
（3-14）
图7外钳臂决定复位的可靠性
经分析后可得出下面两种情况将导致夹钳不能在自重下复位:
（1）若外钳臂所受的各种力对A点产生的力矩的代数和使外钳臂绕A点逆时针转动,即满足:
（3-15）
那么,当夹钳被起重机放下时,钳卷将会贴在一起,即内、外钳口不能松开。
但通过虚拟模型的仿真发现,这种现象没有发生,也就是说夹钳机构不能运动到相应的极限位置。
（2）若外钳臂C铰接点受的外力和自重产生的主动力矩之和不能克服下钳臂施加给外钳臂B铰接点的阻力矩,当夹钳被起重机放下时,钳体将会卡死,即:
（3-16）
从图7可看出,若夹持的物体直径越小,外钳臂绕A点逆时针转动的角度越大,因此,l1和l2会减小,l会增大,导致钳体越容易卡死。
所以要使夹钳避免产生卡死现象,只须保证在夹持最小物体时不出现卡死。
图上标明了外钳臂对A点的所有力臂,下面研究在什么条件下夹钳不会出现卡死现象[9]。
F是吊架传递到钳臂上的力,由下式确定:
（3-17）
其中:
G—吊架的重量。
由结构可知:
于是由力矩守恒可得:
（3-18）
（5）其中:
Gs—上钳臂的重量；l—上钳臂两交警链间的距离；l6—上钳臂重心对C点的力臂。
联立（4）、（5）可以解出Fd、α的值,于是可得:
（3-19）
图9下钳臂受力简图
由图8可得:
（3-20）
由图9可得:
（3-21）
式中:
Nx—下钳臂在竖直方向的正压力。
于是可得:
（3-22）
满足不憋死的条件是:
（3-23）
式（11）即可判断夹钳是否会产生卡死现象。
代入参数计算得,当摩擦因数大于0.45时,夹钳将会在复位过程中卡死。
而实际摩擦因数小于0.15,所以,夹钳不会发生卡死现象。
4100KG起重夹钳装置主要部件的加工工艺设计
4.1利用快速成型进行加工设计
快速成型机（Rapidprototyping，简称Rp）如图（10）技术是基于材料累加法的一种产品高新设计与制造技术[8]。
它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，能快速将CAD三维模型制成实物原型，不仅提高了CAD模型的可视性和直观性，还可用于功能测试。
将快速成型技术与精密铸造和塑料加工工艺结合起来，可以快速、经济地制造小批量生产用模具，从而为新产品试制提供良好的条件。
如图10为快速成型制造技术原理图。
图10快速成型机
图11快速原型制造技术原理图
a.快速成型技术分类
根据成型工艺技术可以分为激光技术、微滴技术和激光微滴技术。
（l）激光的快速成形工艺SL工艺称为光造型或三维光刻；SGC工艺称为实体磨削固化；LOM工艺称为分层实体制造；间接SLS工艺称为间接选择性激光烧结；直接SLS工艺称为直接选择性激光烧结。
（2）微滴的快速成型工艺
PCM工艺称为无木模铸造；FDM工艺称为熔融堆积成形；BPM工艺称为弹道粒子制造；MJS工艺称为多相喷射固化；CC工艺称为轮廓成型艺。
（3）激光微滴技术
b.快速成型技术的优点：
（l）缩短了产品研制开发周期。
快速成型技术的应用使设计与制造融为一体，设计方案能很快变成实物，以便尽快验证、定型和得到用户的认可。
（2）可以大大提高新产品开发的一次成功率，降低研发成本
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