机械专业本科生毕业论文--锌锭自动脱模装置设计 - 图文

****大学本科生毕业设计 目录

目 录

目 录 ........................................................................................................................................................................................ I 摘 要 ...................................................................................................................................................................................... III Abstract .................................................................................................................................................................................. IV 第1章 绪论 ............................................................................................................................................................................1

1.1背景 ............................................................................................................................................................................1

1.1.1 锌锭及锌锭的用途 ......................................................................................................................................1 1.1.2 锌锭模芯 ......................................................................................................................................................1 1.2 装置设计目标 ..........................................................................................................................................................2 第2章 冲击系统设计 ............................................................................................................................................................3

2.1 冲击力计算 ..............................................................................................................................................................3 2.2气动冲击系统设计 ...................................................................................................................................................4

2.2.1 系统原理图设计 ..........................................................................................................................................4 2.2.2 冲击气缸选择 ..............................................................................................................................................4 2.2.3 空压机选型 ..................................................................................................................................................8 2.2.4 其他元件选型 ........................................................................................................................................... 10 2.2.5 气动系统成本计算 ................................................................................................................................... 12 2.3 液压冲击系统设计 ............................................................................................................................................... 12

2.3.1 系统原理图设计 ....................................................................................................................................... 12 2.3.2 液压缸设计与选型 ................................................................................................................................... 13 2.3.3 液压油选型 ............................................................................................................................................... 14 2.3.4 液压站设计与选型 ................................................................................................................................... 16 2.3.5 液压系统成本计算 ................................................................................................................................... 19 2.4 液压与气动冲击系统的对比与选用.................................................................................................................. 20 第3章 锌锭模芯动力脱模装置的结构设计 ................................................................................................................... 21

3.1 滑动导轨设计 ....................................................................................................................................................... 21

3.1.1 导轨形式及基本尺寸确定 ...................................................................................................................... 21 3.1.2导轨材料及技术要求 ................................................................................................................................ 22 3.1.3 导轨压强计算 ........................................................................................................................................... 23 3.2锌锭定位装置 ........................................................................................................................................................ 24 3.3 承接模芯装置 ....................................................................................................................................................... 26

I

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3.4锌锭运动动力装置 .................................................................................................................................................27

3.4.1使锌锭运动所需拉（推）力及移动距离 ...............................................................................................27 3.4.2 动力装置形式的确定 ................................................................................................................................27 3.4.3 多级伸缩式液压缸参数确定 ...................................................................................................................27 3.4.4 液压系统总体设计 ................................................................................................................................... 28 3.4.5 伸缩缸的固定与连接 ............................................................................................................................... 29 3.5冲击缸固定装置 .................................................................................................................................................... 31 3.6模芯位置检测装置 ................................................................................................................................................ 31 3.7 模芯的动力脱模装置整体装配 .......................................................................................................................... 33 第4章 关键零部件的有限元分析与校核 ....................................................................................................................... 35

4.1 ANSYS简介 ............................................................................................................................................................. 35 4.2 冲击缸支架的有限元校核 .................................................................................................................................. 35

4.2.1 边界条件 ................................................................................................................................................... 36 4.2.2建立有限元模型 ........................................................................................................................................ 36 4.2.3 加载分析 ................................................................................................................................................... 38 4.2.3 后处理 ........................................................................................................................................................ 38 4.2.4 结果分析 ................................................................................................................................................... 45 4.3支架结构的更改与校核 ....................................................................................................................................... 45 第5章 总结与展望 ............................................................................................................................................................. 54

5.1全文总结 ................................................................................................................................................................ 54 5.2 设计展望 ............................................................................................................................................................... 54 致谢 ........................................................................................................................................................................................ 55 参考文献 ................................................................................................................................................................................ 56 附 录 ...................................................................................................................................................................................... 57

II

****大学本科生毕业设计 摘要

摘 要

锌锭广泛应用于压铸合金、电池业、印染业、医药业、橡胶业、化学工业。锌锭作为**主要生产业务，目前采用人工方式完成脱模动作，即人工抡大锤将模芯从锌锭中打出，这种方式是原始、费力、低效率的方式，不适合现代企业技术发展的需要。本文针对这种现状，从生产实际出发，设计一套动力脱模装置。针对脱模过程需要冲击力大、时间短的特点，设计了一套气动冲击系统和一套液压冲击系统，进行了元件选型，并从系统使用性能、制造成本等方面对两套系统进行了对比，最终选定液压冲击系统作为装置的冲击系统。根据生产过程使用要求，设计了动力脱模装置的零部件具体结构。利用PRO/E软件建立了装置的三维模型。利用ANSYS软件，对脱模装置关键零部件进行了有限元校核，并根据校核结果对零部件结构进行相应修改。最终设计出一套满足使用要求的模芯动力脱模装置。

关键词：动力脱模装置 气动冲击 液压冲击 元件选型 结构设计 有限元分析

III

****大学本科生毕业设计 Abstract

Abstract

Zinc ingot is widely used in die-casting alloy, battery industry, printing and dyeing industry , pharmaceutical industry , rubber industry as well as chemical industry. As the main production business of *****, the demoulding of Zinc ingot is currently completed with artificial method, namely, using sledgehammer to get the mold core out of the Zinc ingots. Such a method, being original, laborious and inefficient, can not meet the demands of the technological development of modern enterprises. In view of this situation, this thesis is intended to design a set of dynamic demoulding device based on the needs of actual production. Directing against such characteristics of the demoulding process as requiring large impact force and short time, the author of this thesis designs a pneumatic impact system and a hydraulic impact system, selects the components for the systems and makes comparisons between the two sets of system from the aspect of performance and manufacturing cost,etc and finally, chooses the hydraulic impact system as the impact system for the device. In line with the requirements of the production process, the author also designs the specific structure of the components of the dynamic demoulding device, uses PRO/E software to establish the three-dimensional model of the device and modifies the components structure according to the checking result. Eventually, a set of the dynamic demoulding device which can well satisfies the requirement of users is designed.

KEY WORDS: dynamic demoulding device pneumatic impact hydraulic impact component selection architectural design finite element analysis

IV

****大学本科生毕业设计 第1章 绪论

第1章 绪论

1.1背景

1.1.1 锌锭及锌锭的用途

锌锭是指纯锌，当然也会有杂质，但作为锌锭，至少有90%以上的纯度。

锌锭主要用于压铸合金、电镀、喷涂、电池业、印染业、医药业、橡胶业、化学工业等，是株冶的主要生产业务。

锌锭的主要应用有

：

1、镀锌：锌具有优良的抗大气腐蚀性能，所以被主要用于钢材和钢结构件的表面镀层(如镀锌板)，广泛用于汽车、建筑、船舶、轻工等行业。近年来西方国家开始尝试直接用锌合金板做屋顶覆盖材料，其使用年限可长达120-140年，而且可回收再用，而用镀锌铁板作屋顶材料的使用寿命一般为5-10年。

2、制造铜合金材(如黄铜)：用于汽车制造和机械行业。锌具有适用的机械性能。锌本身的强度和硬度不高，但加入铝、铜等合金元素后，其强度和硬度均大为提高，尤其是锌铜钛合金的出现，其综合机械性能已接近或达到铝合金、黄铜、灰铸铁的水平，其抗蠕变性能也大幅度被提高。因此，锌铜钛合金目前已被广泛应用于小五金生产中。

3、用于铸造锌合金：主要为压铸件，用于汽车、轻工等行业。许多锌合金的加工性能都比较优良，道次加工率可达60%-80%。中压性能优越，可进行深拉延，并具有自润滑性，延长了模具寿命，可用钎焊或电阻焊或电弧焊(需在氦气中)进行焊接，表面可进行电镀、涂漆处理，切削加工性能良好。在一定条件下具有优越的超塑性能。此外，锌具有良好的抗电磁场性能。锌的导电率是标准电工铜的29%，在射频干扰的场合，锌板是一种非常有效的屏蔽材料，同时由于锌是非磁性的,适合做仪器仪表零件的材料及仪表壳体及钱币,同时锌自身及与其他金属碰撞不会发生火花，适合作井下防爆器材。

4、用于制造氧化锌：广泛用于橡胶 、涂料、搪瓷、医药、印刷、纤维等工业。 5、用于制造干电池（以锌饼、锌板形式，约占13%）：锌具有适宜的化学性能。锌可与NH4CI发生作用，放出H+正离子。锌-二氧化锰电池正是利用锌的这个特点，用锌合金做电池的外壳，既是电池电解质的容器，又参加电池反应构成电池的阳极。它的这一性能也被广泛地应用于医药行业。 1.1.2 锌锭模芯

锌锭是****的主要生产业务，目前主要为人工生产方式，模芯是被锌液凝固固定在铸锭中，用于吊车将铸锭从铸模中起吊出的支撑物。

1

****大学本科生毕业设计 第1章 绪论

1.2 装置设计目标

将铸锭从铸模中起吊出后，要将模芯从铸锭中击打出，完成脱模动作。目前的方法是人工抡大锤将其打出，这种方式是原始、费力的、低效率的方式，不适合现代企业技术发展的需要。 本设计将研制一种便于操作、效率高的动力脱模装置，为实现锌锭的高效、高水平生产提供一定条件。

研制动力脱模装置应达到如下目标： 1、便于操作，一个人就能完成操作。

2、脱模速度快，应快于人工锤打脱模速度。

2

****大学本科生毕业设计 第2章 冲击系统设计

第2章 冲击系统设计

2.1 冲击力计算

在工人抡大锤击打模芯时，大锤从高处落下，大锤与模芯相互碰撞，产生的作用力是先突然增大而后迅速消失，且由于碰撞相互作用时间很短，往往只有百分之几秒甚至千分之几秒，在这极短时间内动量发生很大变化，因此受到冲击力很大。

根据现场测量及工人操作情况，可对冲击力估算如下： （1）锤子下落高度

根据现场工人操作过程，可以大体估算出大锤从最高点至击打点的垂直距离如下所示: 人体高度h1：1700mm 手臂长度h2：500mm

锤子手柄握锤处至锤头高度h3：700mm 模芯顶部至地面高度h4：700mm 可估算出锤子下落高度

H=h1+h2+h3+h4 (2-1)

得H=2200mm。

（2）自由落体锤头与模芯相撞前速度： 根据现场调研，测量出大锤的尺寸，并由外形尺寸计算出大锤质量为10Kg，并由公式（2-1）

可知，锤头从最高点至击打点的垂直距离约为2200mm。

锤子下落过程，工人对锤子施加的力以及空气的阻力相对于锤子的重力可以忽略不计，可将锤头下落过程简化为自由落体运动，则在即将接触模芯时，根据动能定理：

(2-2)

得

(3)自由落体冲击力

锤子在自由落体后接触到模芯，将迅速减速为零，这一过程遵循碰撞过程的动量定理（碰撞时间t取0.002S

）：

(2-3)

可得

（4）敲出模芯所需冲击力

3

****大学本科生毕业设计 第2章 冲击系统设计

在实际操作中，锤子击打模芯，还会受到工人施加的力、锤子重量的变化等影响，此外，还需保证冲击器一次冲击即可将模芯击出，所以要考虑工况系数及冲击力余量，则冲击器敲出模芯所需冲击力(取K=2.4):

得

2.2气动冲击系统设计

气压传动是以压缩空气作工作介质、空气压缩机作为动力源，来进行能量传递以及控制的一直传动方式。 2.2.1 系统原理图设计

根据使用要求，该系统要完成冲击气缸活塞杆快速伸出，打击模芯，以及快速返回的功能，初步设计气动系统原理图如图2-1所示。

（2-4）

图2-1 气动系统原理图

1-气源；2-气动三联件；3-消声器；4-两位四通换向阀；5-冲击气缸

2.2.2 冲击气缸选择 2.2.2.1 冲击气缸工作原理

冲击气缸是一种专门用于将高压压缩空气的能量转化为高速运动(最高运动速度可以达到10m/s)的动能，进而可以以较大的冲击力来冲击工件从而到达使用要求的新型特种气缸。冲击气缸的特点就是冲击力强、速度快、耗气量小。为了满足这样的要求，冲击气缸会采用一些特殊的设计，比如加大缸径、加重冲击活塞杆、减小缸壁的摩擦系数、气缸活塞杆采用反冲装置等来实现冲击功能。采用这些特殊技术，既能增大气缸的冲击力又可以延长气缸的使用寿命。冲击气缸有普通型和快排型两种，它们的工作原理大致相同，差别为快排型冲击气缸比普通型

4

****大学本科生毕业设计 第2章 冲击系统设计 冲击气缸增加了快速排气机构，来获取更大的能量。

2.2.2.2 常见冲击气缸产品

目前市场上的冲击气缸产品可以分为两类

：

QGT储气腔型冲击气缸

它把压缩气体的压力能转换为活塞高速(10～20米/秒)运动的动能，借以做功。该款冲击气缸增加了带有喷口和泄流口的中盖。中盖和活塞把气缸分成储气腔、头腔和尾腔三室。它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等多种作业。

CMT型冲击气缸

这是一种新型冲击气缸，通过加重活塞杆、减小摩擦系数等大幅提供冲击力。该系列冲击气缸结构紧凑，冲击力巨大。比如缸径38mm、行程60mm的该系列冲击气缸，最大冲击力可以达到3吨，冲击力是同样行程和缸径的普通气缸的10倍以上。由于采用了冲击缓冲装置，该系列的冲击气缸既能提供较大的冲击力，也能保证其使用寿命。该款冲击气缸特殊适应于生产线检测位打标、冲孔等操作。由于其自身长度非常小，适用于安装在比较紧凑的空间。对安装位的大小、距离要求都比较低。

2.2.2.3 QGT型冲击气缸选型

(1) 基本参数的确定[11]

QGT型冲击气缸结构简单、耗气较小、冲击力大，冲击力为普通标准缸的9-10倍。

表2-1 普通双作用气缸输出力换算表

气缸的理论输出力（推力）单位：KG

缸径/mm

0.2

50 63 80 100 125 160 180 200 250

39.2 62.3 100 157 245 402 508 628 981

0.3 58.9 93.5 151 236 368 603 763 942 1473

0.4 78.5 125 201 314 491 804 1018 1257 1963

使用空气压力 MPa

0.5 98.2 156 251 393 615 1005 1272 1571 2454

0.6 117 187 300 471 736 1206 1527 1885 2945

0.7 137 218 352 550 859 1407 1781 2199 3436

0.8 157 250 402 628 982 1608 2036 2514 3926

QGT冲击气缸冲击力为普通缸的9-10倍，根据南京广方气动成套设备有限公司提供的普通双作用气缸输出力换算表，初选缸径为Φ125mm的缸，使用压力0.8MPa。

气缸的主要工作参数如表2-2所示：

表2-2 QGT冲击气缸主要技术参数

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****大学本科生毕业设计 第2章 冲击系统设计

气缸内径(mm) 工作压力力(MPa)

工作介质 介质及环境温度(℃)

行程S(mm)

P=0.6MPa时最大冲击功(≥N·m) 最大冲击功时对应的行程(mm) P=0.6MPa时冲击频率(Hz)

注:最大冲击功为表中行程的0.55 S处。

Φ63 Φ80

0 .2

Φ100 0.8

Φ125

经过除水过滤，并含有油雾的干燥压缩空气

-5

125 31.6 60 60

160 69 80 50

+60 200 143 110 40

250 294 132 30

选用缸径为Φ125mm的缸，其标准行程为250mm。对于冲击气缸，活塞开始运动后先加速，达到最大速度后开始减速，为达到最佳使用效果，使用行程需大于加速行程，由表2-2可知，对于Φ125mm的缸，其冲击力最大处行程为132mm（约为标准行程的0.55处），为此采用缸径为Φ125mm、行程为150mm的冲击缸，它在行程为132mm处冲击力最大。工作压力0.8MPA。

(2) 外形尺寸

该系列的冲击气缸外形尺寸如图2-3所示：

图2-3 QGT冲击气缸外形尺寸

对于Φ125mm的缸，可从上表计算得知其外形长度为876mm。 (3)安装方式的确定

该系列的冲击气缸安装方式如图2-4所示

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****大学本科生毕业设计 第2章 冲击系统设计

（a）轴向脚架式 （b）后法兰式 （c）前法兰式

图2-4 气缸安装方式

由图2-4可知，QGT常见的安装方式主要有轴向脚架式、后法兰式和前法兰式三种。因为实际使用中，冲击气缸是活塞杆向下伸出，冲击模芯，可选定冲击气缸安装形式为前法兰式。

2.2.2.4 CMT型冲击气缸选型

(1) CMT型冲击气缸简介[12]

美国Columbia marking tools （CMT）公司生产的Air Impact Marker系列冲击气缸，冲压气缸，结构紧凑，冲击力巨大。在同样的行程和缸径下，CMT冲击气缸的冲击力要比普通气缸高10倍左右。由于采用了冲击缓冲装置，该系列的冲击气缸，具有更大的冲击力，并且保证了使用寿命。

CMT冲击气缸系列主要有CMT Model78、Model88、Model98、Model288、Model298、Model451、Model751、Model851、Model75S、Model85S。

Model 78冲击气缸，整体长度仅为80mm，其冲击力高达700kg，特别适合于对安装空间特别有限的领域。

Model 288 双作用冲击气缸，缸径38mm，行程有多种可选，其冲击力可达3吨。 Model 88 单作用冲击气缸，缸径38mm，行程60mm，其冲击力也达到3吨。

Model98，298在88，288的基础上，加大缸径和进气孔，其冲击力甚至高达8吨，但其整体长度控制在240mm左右。充分满足了生产线安装尺寸限制，单又对冲击力有较高要求的场合。 Model 751，851是比较智能化的冲击气缸产品，该款产品能够根据需要加装位置传感器，来判断是否完成一次冲击过程。

(2) CMT型冲击气缸型号确定

根据公式2-4计算得知，击退模芯所需冲击力约为8T，初步选定Model98系列气缸。 Model 98 单作用冲击打标气缸，最大冲击力8吨。最大行程60mm。该款冲击气缸结构紧凑，冲击力大。

(3) Model98系列气缸基本参数确定 Model98系列气缸产品外形如图2-5所示

图2-5 Model98系列气缸

工作气管规格: 1/2英寸气管 工作气压: 0.8MPa

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****大学本科生毕业设计 第2章 冲击系统设计

行程：60mm

冲击力最大行程：5557mm 产品重量：6KG 耗气量：0.6

产品外形长度：257mm 安装形式：前法兰式 产品报价：5500元/件

2.2.2.5 不同气缸对比与气缸型号确定

前面分别对QGT和CMT气缸进行了分析，选择了相应型号，现就两种冲击气缸主要参数进行对比如表2-3。

表2-3 两种冲击气缸主要参数对比

项目 CMT型（Model98）

钢制气缸

QGT型

铝制气缸

0.8 150 132 前法兰式

876 10 1150

工作压力（MPa） 总行程（mm） 冲击力最大行程（mm）

安装方式 整体长度（mm） 产品重量（KG） 价格（元/件）

0.8 60 57 前法兰式

257 6 5500

0.8 150 132 前法兰式

876 20 850

由表2-3对比可知，QGT型冲击气缸在成本较低，但是QGT型气缸比CMT气缸外形尺寸大很多，且总行程、冲击力最大行程偏大，会导致气缸活塞杆刚性偏差，在8T的冲击力下稳定性不足；在重量上, QGT型气缸也不占优势。综合考虑，选用CMT型Model98系列冲击气缸。 2.2.3 空压机选型

2.2.3.1 空压机的作用和分类

空气压缩机是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能，供气动设备使用的装置，是压缩空气的气压发生装置。

空压机按工作压力可分成[4,13]

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****大学本科生毕业设计 第2章 冲击系统设计

按工作原理分类

2.2.3.2 不同种类空压机特性对比[4,13]

各种空压机的特性比较见表2-4。

表2-4 各种空压机特性比较

空压机类型

成本

活塞式 低。0.2500kW

螺杆式

高。0.75370kW。75kW以上与活塞式的价格差变小

高。

离心式

750kW以下无优势

小 小 小 连续排气 不需设气罐

小 较小 大 连续排气 不需设气罐

脉动 振动 嗓声 排气方式

大 大 大

断续排气 需设气罐

2.2.3.3 空压机型号的确定

根据实际使用情况，在锌锭生产车间使用，对空压机的振动、噪声等均无特殊要求，且在成本上，螺杆式空压机价格为活塞式的4倍以上。综合考虑，选用活塞式空压机。

选择空压机型号主要考虑的是气动系统的工作压力和流量两个方面。 (1) 输出压力选择

在确定空压机输出压力时，需考虑供气系统管道的压力损失，包括沿程损失和局部损失。空压机输出压力Pc

式中 Pc—空压机输出压力，MPa;

P—气动执行元件最高使用压力，MPa；

—气动系统压力总损失，MPa;

一般情况下，令

。

为0.2MPa,由公式2-5可得空压机

（2-5）

Model98系列气缸工作压力为0.8MPa,取压力损失输出压力Pc为1.0MPa。

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****大学本科生毕业设计 第2章 冲击系统设计

(2) 输出流量选择

输出流量的选择在以各气动装置的理论最大耗气量之和的基础上，还需考虑系统泄漏和一定的备用供气余量，以此作为选择空压机容量的依据。

Model98系列冲击气缸耗气量为0.61.0

。

(3) 空压机型号及主要参数

根据以上计算结果，选用聚捷活塞空压机，型号为W-1.05/12.0。产品如图2-6所示。

，供应商推荐的空压机输出流量为

图2-6 聚捷活塞空压机

产品主要参数如下： 品牌：聚捷

型号：W-1.05/12.0 排气量：1.05

最大压力：1.2MPa 气缸X缸数：Φ90X3 储气罐容积：230L

外形尺寸：1500X600X1100mm 产品重量：240KG 产品报价：4200元/台 2.2.4 其他元件选型

2.2.4.1 气动三联件[4,13]

气动系统中，气动三联件是指空气过滤器、减压阀和油雾器。

气动三联件是多数气动系统中不可缺少的气源装置，安装在用气设备近处，是压缩空气质量的最后保证。三大件的安装顺序依进气方向分别为空气过滤器、减压阀和油雾器，一般会在减压阀的出口安装一块压力表。

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****大学本科生毕业设计 第2章 冲击系统设计

根据额定流量，选择型号为 AC3000-03的气动三联件，其参数如下： 型号： AC3000-03

最高使用压力： 10公斤 耐压力： 15公斤

环境及流体温度： 5-60度 使用流体： 压缩空气 过滤精度： 50目 杯材料： 聚碳酸酯 杯防护罩： 有

建议用油： 透平1号油ISOVG32

额定流量： 2000升/分钟(输入压力7公斤时测的数据) 接管口径： 英制3分(3/8\压力表接口： 英制1分(1/8\产品价格：145元/个 产品外观如图2-7

图2-7 AC3000-03气动三联件外观图 图2-8 ABSL型铜消声器外观图

2.2.4.2 消声器

由空气压缩机产生的压缩空气，必须经过降温、净化、减压等一系列处理才能供给控制元件及执行元件使用。而用过的压缩空气排向大气时会产生噪声，噪声是众所周知的公害之一，它会损害人的听觉，影响健康和工作，严重时还会造成各种意外事故。所以通常在压缩空气排向大气之前进行消声处理。

常用的消声器按照工作原理分有三种类型:吸收型、膨胀型和吸收膨胀型。好的消声性能是指在产生的噪声频率范围内，有足够大的消声量。

在实际使用过程中，对消声器无特殊要求，选用ABSL型铜消声器，型号为BSL-03 G3/8。该产品由青铜粉烧结，烧结青铜消声器是由球状青铜粉粒精选，经烧结而成。它具有良好的渗透过滤性能和较高的过滤精度，适合于不同环境的工作条件。其外观如图2-8。

其参数如下：

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****大学本科生毕业设计 第3章 锌锭模芯动力脱模装置的结构设计

（a）固定导轨

（b）动导轨

（c）固定导轨与动导轨组合 图3-2 导轨三维模型

3.1.2导轨材料及技术要求

导轨采用铸造成型，导轨的材料应具有良好的耐磨性、摩擦系数小和动静摩擦系数差小。加工和使用时产生的内应力小，尺寸稳定性良好等性能。

导轨副应尽量采用不同材料组成，如采用相同材料，也要采用不同的热处理或不同的硬度。 机床导轨材料一般采用灰铸铁和耐磨铸铁。[20,21,22,24]

固定导轨选用HT200,动导轨选用HT150。硬度为200HBS—240HBS,硬度差不超过20HBS。

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****大学本科生毕业设计 第3章 锌锭模芯动力脱模装置的结构设计 导轨使用性能要求一般，铸件粗加工后进行一次时效处理即可。导轨表面采用磨削加工，动导轨表面粗糙度值取Ra0.8,固定导轨表面粗糙度值取Ra0.8。

导轨面接触指标全长上不低于70%，全宽上不低于50%。 3.1.3 导轨压强计算

导轨的压强是影响导轨耐磨性和接触变形的主要因素之一，设计导轨时，若导轨压强过大，会加剧导轨的磨损；若压强过小，则会增加尺寸。对于前面设计的导轨，取最大许用压强为0.81.0MPa[21,25]。

对导轨进行受力分析，可知，导轨受到竖直方向很大的冲击力，其它方向的力可忽略不计。已知锌锭受到的冲击力为80KN，加上锌锭及其它部件的重量，取F=100KN。导轨受力如图3-3所示。

图3-3 导轨整体受力分析

导轨受到的力由矩形导轨和三角形导轨共同承担，三角形导轨、矩形导轨受力情况分别如图3-4（a）、（b）所示。

(a) 三角形导轨受力分析 (b) 矩形导轨受力分析

图3-4 导轨受力分析

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****大学本科生毕业设计 第3章 锌锭模芯动力脱模装置的结构设计

对于三角形导轨，如图3-4（a）所示，有

(3-1)

(3-2)

对于矩形导轨，如图3-4（b）所示，有

(3-3)

(3-4)

(3-5)

式中 Fa、Fb、Fc—导轨面上受到的压力，N; a、b、c—各导轨面宽度，mm；

L—动导轨长度，mm;

Pa,Pb、Pc—各导轨面上压强，MPa;

计算可得Pa=Pb=0.56MPa;Pc=0.5MPa，均小于最大许用压强，满足要求，设计合理。

3.2锌锭定位装置

锌锭放置到导轨上，为使锌锭能准确到达指定位置，需对锌锭进行定位。锌锭三维模型如图3-5所示，建立笛卡尔坐标如图，取锌锭长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，Z轴平行于模芯轴线。

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Z X Y

图3-5 锌锭三维模型

由图3-5可见，锌锭两侧面（XZ平面）为一平面，沿X轴方向有凸台。锌锭在导轨上运动，最关键的是沿Y轴方向的定位，如果Y方向有太大偏差，有可能导致冲击功活塞杆击中模芯位置距离模芯中心过远甚至无法击打到模芯，Y方向采用两侧面定位。X方向用凸台的斜坡定位。锌锭底面完全接触定位装置底面，冲击力主要由定位装置底面承受。考虑到锌锭尺寸的误差，同时为了较为方便的将模芯放入定位装置中，定位装置在X,Y方向均比锌锭大4mm。为方便模芯顺利放入定位装置，两侧面的弯折一定角度。定位装置用螺栓固定到动导轨上。定位装置以及其装配关系如图3-6所示。

该装置采用Q235钢板焊接而成。

(a) 定位装置 （b）模芯、定位装置、动导轨相对位置示意图

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（c） 定位装置装配关系 图3-6 定位装置三维图

3.3 承接模芯装置

在冲击缸冲击模芯，完成脱模动作之后，模芯从锌锭中脱出，在重力作用下下落。为使模芯在所有动作完成后便于取出，不能让模芯落入导轨底座中，需设置一箱体置于模芯正下方，来承接模芯。因为模芯从锌锭中脱出后，速度很大，冲击力很大，要考虑缓冲，在箱体底部垫上厚度为20mm的橡胶板缓冲。承接模芯的箱体用螺栓固定在动导轨上。如图3-7所示。

（a）承接模芯箱体 （b）装配关系

图3-7 承接模芯箱体及其装配

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****大学本科生毕业设计 第3章 锌锭模芯动力脱模装置的结构设计 3.4锌锭运动动力装置

锌锭通过定位装置固定在导轨上，要使锌锭能在导轨上运动，则必须提供拉（推）力，也就是必须要有动力装置提供锌锭运动的动力。 3.4.1使锌锭运动所需拉（推）力及移动距离

要使锌锭能沿导轨运动，动力装置需克服导轨间的摩擦力，锌锭由静止开始运动，静摩擦力要大于动摩擦力。对于HT200(180HBS)静止接触时间达到10h后，其静摩擦因数达到0.30[17]。锌锭加上动导轨以及固定装置的重量接近2吨。则动力装置需克服的静摩擦力Ff为：

(3-6)

可得Ff=6KN

为保证能够可靠工作，动力装置提供的拉（推）力还需要一定余量，取其拉（推）力为7KN。 锌锭全长1200mm，为保证锌锭安放方便、两根模芯能在锌锭一次安装后完成脱模，取锌锭移动距离为1300mm。 3.4.2 动力装置形式的确定

可以提供直线运动动力的装置有多种，如滚珠丝杠、液压缸、气缸等。冲击系统用的是液压系统，所以动力系统采用液压缸。

锌锭的移动距离为1300mm,加上一定的余量，采用液压缸的行程为1400mm。若采用普通液压缸，活塞完全伸出后整体长度接近3000mm,会导致脱模装置整体长度过长。为缩短机构长度，采用双作用多级伸缩式液压缸。 3.4.3 多级伸缩式液压缸参数确定

多级伸缩液压缸适用于行程大而安装距或总长小的场合，从而在给定的安装空间内实现比单级液压缸更长的行程，在安装空间紧张的情况下得到广泛的运用。

常见的伸缩缸级数为2到6级，当压力油从无杆腔进入时，活塞有效面积最大的缸筒开始伸出，当行至终点时，活塞有效面积次之的缸筒开始伸出。伸缩式液压伸出的顺序是由大到小依次伸出，外伸缸筒有效面积越小，伸出速度越快。因此，伸出速度由慢变快，相应的液压推力由大变小；与之相反，缩回的顺序一般是由小到大依次缩回，缩回速度由快变慢，相应的液压推力由小变大。

为使液压缸伸出（缩回）过程中，速度和推（拉）力变化不至于过大，伸缩液压缸级数不宜太多；为使液压缸整体长度不至于过长，伸缩液压缸级数不宜太少。综合考虑，取伸缩液压缸级数为三级。则每级行程为总行程的三分之一，即每级行程为467mm。

伸缩缸缸径最小的一级拉（推）力最小，应该以最小一级考虑拉力。若采用高一点的工作压力，会使缸径最小一级缸径偏小，伸出后刚性不足；若采用低一点的工作压力，会使每级的活塞杆直径偏大，液压缸整体重量偏大。

多级伸缩缸行程、级数、工作压力变化范围大，一般为定制产品，经过与生产厂家（高邮

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市擎天机械厂）协商，确定伸缩缸参数如下：

工作压力：10MPa; 伸缩缸级数：3级；

伸缩缸行程：总行程1400mm,单级行程467mm； 其外形尺寸如图3-8：

图3-8 双作用三级伸缩式液压缸

3.4.4 液压系统总体设计

第2章的液压系统只考虑了冲击部分，加上锌锭运动动力部分，液压系统图如图3-9所示：

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图3-9 液压系统原理图

1-液压站；2-减压阀；3-三位四通电磁换向阀；4-伸缩缸；5-两位四通电磁换向阀；6-液压冲击缸

第2章选用的液压站额定压力为21MPa,通过减压阀可以提供10MPa的压力。但液压站的流量是否足够，还不能确定，需重新计算液压泵流量。

根据使用要求，液压站需控制液压冲击缸在0.8S内走完全部行程，还要供给伸缩缸在10s左右内走完全部行程。三级液压缸每一级的速度是不同的，第一级最慢，缸径最大，按第一级计算流量。取第一级走完全部行程时间为4s,则根据公式（2-8）可得供给三级伸缩缸所需流量为50 L/min，可见之前液压站流量供给不足。因为使用过程中，伸缩缸与冲击缸不会同时运动，只需按两者所需流量的较大值取液压泵流量即可。最大流量等于供给伸缩缸所需流量50 L/min。

取泵的额定流量为55L/min。

根据前面计算结果，经过与生产厂家（深圳市合怡液压机械有限公司）协商，最终确定液压站基本参数及性能要求如下：

液压站型号：HY-02W+SRW 液压泵额定压力：21MPa;

液压泵排量：40 mL/r； 电机功率：7.5KW； 电机转速：1440r/min； 油箱容量：150L 3.4.5 伸缩缸的固定与连接

伸缩缸提供与导轨平行的推（拉）力，则冲击缸水平安装，在伸缩缸上焊接切向脚架。用角钢和钢板焊接支架，用于固定伸缩缸，支架用地脚螺栓固定在地面上。支架高度为266mm，

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****大学本科生毕业设计 第3章 锌锭模芯动力脱模装置的结构设计 距离固定导轨300mm。安装时，需保证伸缩缸轴线位于动导轨对称平面上，液压缸轴线与导轨平行。液压缸高度可用垫铁调节，保证能顺利安装连接叉。支架及其安装如图3-10所示。

（a）伸缩缸切向脚架 （b）伸缩缸固定支架

（c）伸缩缸固定示意图 图3-10 伸缩缸固定方式

液压缸前端需要与动导轨连接。在利用冲击缸完成脱芯动作时，产生竖直方向的冲击，为保证伸缩缸不会因为竖直方向的冲击而产生过大的变形，影响伸缩缸的正常使用，伸缩缸与动导轨的连接不能是刚性连接。未达到要求，可采用连接叉，使动导轨与伸缩缸可在竖直平面内做微小的相对转动来减缓冲击。其三维模型如图3-11所示，连接叉分别通过螺纹与动导轨、伸缩缸连接，连接动导轨一端的连接叉与销轴过盈配合，连接伸缩缸一端的连接叉与销轴间隙配合。

（a）连接叉三维模型 （b）连接叉与动导轨、伸缩缸装配关系

图3-11 连接叉

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****大学本科生毕业设计 第3章 锌锭模芯动力脱模装置的结构设计 3.5冲击缸固定装置

冲击缸采用前法兰式固定，需一支架将其固定在指定位置。冲击缸在冲击模芯时，会产生接近80KN的冲击力，支架必须要有足够的强度和刚度。用Q235焊接支架，在横梁中间位置焊接小块钢板加强横梁刚度，焊接多块肋板如图3-12（a）所示。用Q235焊接支架底座，用螺栓将其固定到导轨上，并用地脚螺栓固定到地面上。支架与底座通过螺栓连接，可用垫铁调节支架高度，从而调节冲击缸高度。如图3-12所示。

（a）冲击缸支架 （b）支架底座

（c）支架与底座的装配 （d）冲击缸固定装置

图3-12 冲击缸支架及其装配关系

3.6模芯位置检测装置

锌锭通过伸缩缸提供的动力在导轨上滑动，当模芯运动到冲击缸正下方时，要停止运动，来完成脱模动作。若要依靠人工来控制伸缩缸的运动，精度很难保证，为此要采用模芯位置检测装置，通过电信号来控制伸缩缸运动，从而使锌锭模芯准确到达冲击缸正下方。

常见的位置检测装置有机械式行程开关、晶体管接近开关、光电开关。接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点；晶体管接近开关的作用

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****大学本科生毕业设计 第3章 锌锭模芯动力脱模装置的结构设计 距离短；新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。

常用光电开关的分类方法：按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。三种检测方式对比如下[26]：

表3-1 光电开关检测方式对比

检测方式 检测体 优点

十米）；检测精度高；能难 检测小物体

缺点

对照型（透过型） 不透明体

可进行长距离的检测（几光轴调校困难；配线困

镜片反射型

透明体 片型）

光轴调校容易；振动等产要注意检测物体的反易；检测距离为几米 可检测透明体 检测距离为几十厘米

动作距离因检测物体表面状态而异；要注意检测体以外的反射光

漫反射型

不透明体（使用偏光镜生的光轴偏移少；配线容射率；需要反射板 透明体 不透明体

实际使用中，锌锭宽度为600mm，实际所需检测距离不超过500mm。而且在装置使用过程

中支架存在变形，会影响检测装置光轴。采用漫反射型较为合理。

选用光电开关参数如下： 型号：G30-3A70NA

生产厂家：南通杰诺电气设备有限公司

电源电压：直流，1030V

检测距离：700mm(可调) 响应时间：2ms以下

工作环境照度：白炽灯光受光面照度3000Lx以下；太阳光受光面照度10000Lx以下 工作环境温度: -25固定方式：M30外螺纹 产品外观图如图3-13

图3-13 G30-3A70NA型光电开关外观图

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****大学本科生毕业设计 第3章 锌锭模芯动力脱模装置的结构设计 3.7 模芯的动力脱模装置整体装配

动力脱模装置由六部分构成：滑动导轨、锌锭定位装置、承接模芯装置、锌锭运动动力装置、冲击缸固定装置、位置检测装置。六部分装配如图3-14所示：

图3-14 动力脱模装置三维模型

该装置操作过程为：用吊车将锌锭放置到定位装置上，人工启动伸缩缸，伸缩缸将会拉动锌锭在导轨上滑动，当第一根模芯到达冲击缸下方时，光电开关检测到模芯，发出电信号，伸缩缸停止运动。人工启动冲击缸，完成冲击动作，完成后冲击缸自动返回。人工再次启动伸缩缸，锌锭继续在导轨上滑动，当第二根模芯到达冲击缸下方时，光电开关检测到当第二根模芯到达冲击缸下方时，发出电信号，伸缩缸停止运动，人工启动冲击缸，完成冲击动作。至此，两根模芯完成脱模。人工启动伸缩缸反向运动开关，锌锭回到初始位置，将锌锭、模芯吊走，动作完成。

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****大学本科生毕业设计 第3章 锌锭模芯动力脱模装置的结构设计

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****大学本科生毕业设计 第4章 关键零部件的有限元分析与校核

第4章 关键零部件的有限元分析与校核

4.1 ANSYS简介

有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题，然后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每个单元假定一个合适的（较简单的)近似解，然后推导求解这个域满足的总的条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，，而有限元分析不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。。国际上著名的通用有限元软件有几十种，常用的有ANSYS、NASTRAN、SAP, ADINA和ALGOR等[27,28,29]。

ANSYS公司是世界著名的CAE技术公司，它由匹兹堡大学教授、世界著名的力学分析专家John Swanson博士创建于1970年，30多年来始终以有限元数值模拟领导者的身份为广大工程析与工程验证用户服务。ANSYS软件是一个功能强大而灵活的大型通用有限元软件，能够进行包括结构、热、流体、声场、电磁场等多学科的研究，广泛应用于核工业、铁道、航空航天、石油化工、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、家用电器等工业和科学研究领域，是世界上拥有用户最多、最成功的有限元软件之一[27,28,29]。

ANSYS提供的分析类型主要有以下几种。

1、结构静力学分析 2、结构动力学分析 3、结构屈曲分析 4、热力学分析 5、电磁场分析 6、流体动力学分析 7、声场分析

4.2 冲击缸支架的有限元校核

ANSYS软件内部没有规定单位制，在利用Ansys进行分析时输入输出的所有数据可以使用任意的单位系统，但所使用的单位系统必须是统一的才能得到正确结果。在本章分析中采用Ansys默认单位，即长度单位为mm,弹性模量单位为

，密度单位为

。按这种单

位制进行有限元分析，得到的变形尺寸单位为mm，应力单位为MPa[27]。

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****大学本科生毕业设计 第4章 关键零部件的有限元分析与校核 4.2.1 边界条件

受力条件：液压冲击缸在冲击模芯时，会对模芯有80KN的冲击力，同时冲击缸活塞杆也会受到80KN的反作用力。冲击缸是通过通过四个螺栓固定在支架上的，如图4-1所示。液压缸受到的80KN向上的冲击力会通过与支架接触的四个垫圈施加在支架上。

图4-1冲击缸与支架的连接

对于支架与每一个垫圈接触处，受到20KN的向上的力，均布在垫圈与冲击缸接触面积上。固定冲击缸选用的螺栓为M12，则对应的垫圈外圈直径为24mm，内圈直径为13.5mm。从而可求得施加在支架上的压强为64.67MPa。

位移条件：支架通过螺栓与底座连接，可设支架与底座接触的底面位移为零。

单元、单位和其他设定：:有限元单元采用20节点的Solid186, 4级精度自由网格划分，长度单位采用毫米，弹性模量4.2.2建立有限元模型

4.2.2.1.导入支架模型

(1)在Pro/E中构建支架模型，为了便于ANSYS分析过程中捕捉四个垫圈与支架的接触面，建模时将四个垫圈作为支架一部分如图4-2（a）。将模型保存为IGS格式，在导出IGS的会话框中选择“实体”“小平面”，点击确定，如图4-2（b）。

, 泊松比0.3，密度

。

(a) 建模过程 （b）导出IGES

图4-2 支架建模与IGS格式模型的导出

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6y1g.html