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. 材料成型裝備及自動化課程設計 題目：型砂智能化綜合性能檢測裝置的設計 學生：魯青 學號：1303181315 班級：機電院 2013級材控2班 指導老師：吳和保老師 課程設計時間：2016年6月6日 至6月20日 . 一、課程設計的任務和基本要求 1. 設計題目：型砂智能化綜合性能檢測裝置的設計 2. 設計結構簡圖： 3. 設計的主要部件： 主要部件包括：工作臺架、型砂透氣性檢測機構、型砂試樣制備與性能檢測機構、檢測夾具設計、檢測裝置液壓系統(tǒng)設計和電驅(qū)動系統(tǒng)的設計。 4.設計要求 1. 每個班學生分為6組：即工作臺架設計、透氣性檢測機構設計、試樣制備與檢測機構設計、夾具設計、液壓系統(tǒng)設計、電驅(qū)動系統(tǒng)的設計； 2. 設計計算：立柱強度計算、檢測上橫梁強度計算、檢測裝置液壓系統(tǒng)計算、電驅(qū)動絲桿機構和電機功率計算； 3. 圖紙設計：工作臺架、透氣性檢測機構、試樣制備與檢測機構、液壓缸設計、電驅(qū)動絲桿機構和夾具的三維設計； 4. 控制系統(tǒng)設計：液壓控制系統(tǒng)設計、電路控制系統(tǒng)圖的繪制； 5. 撰寫課程設計報告 二、進度安排 2016.06.06-2016.06.06課程設計指導及安排 2016.06.07-2016.06.09 分組、查閱資料 2016.06.10-2016.06.12 設計計算 2016.06.13-2016.06.16 設計校核 2016.06.17-2016.06.18 撰寫設計說明書 2016.06.19-2016.06.19 課程設計答辯 三、參考資料或參考文獻 [1] 樊自田.材料成型裝備及自動化.機械工業(yè)出版社.2014年7月第1版 [2] 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計.高等教育出版社.2013年5月第9版 [3] 范欽珊.材料力學.高等教育出版社.2005年7月第2版 本科生課程設計成績評定表 姓名 專業(yè)班級 學號 課程設計題目： 課程設計答辯記錄：（手寫） 成績評定依據(jù)： 項目 得分 比例 考勤記錄 設計結果 報告撰寫 答辯成績 備注： 成績評定依據(jù)的項目內(nèi)容和項目分值比例可以由老師按指導的專業(yè)進行調(diào)整，但成績評定依據(jù)的項目數(shù)不得少于3項。 最終評定成績： 指導教師簽名： 年 月 日 . 目 錄 一、鑄造型砂性能分析檢測方法概述 1 1.鑄造型砂性能檢測的主要內(nèi)容 2 2、鑄造型砂強度檢測方法及原理 2 3、鑄造型砂緊實率的檢測方法及原理 3 4、鑄造型砂透氣性檢測方法及原理 3 二、測試液壓系統(tǒng)的設計計算 4 1.液壓缸的設計計算與校核 4 2.液壓泵的設計計算與選型 6 三、液壓系統(tǒng)控制圖 7 四、總結 7 一、鑄造型砂性能分析檢測方法概述 1.鑄造型砂性能檢測的主要內(nèi)容 一般來說，型砂性能可以分為型砂物理性能及機械性能。型砂物理性能的檢測主要包括型砂透氣性、砂溫、含水量和緊實率等，型砂機械性能以前通常指型砂的各種濕強度、韌性的檢測。其中，緊實率和濕壓強度是最有代表性的型砂性能指標，而緊實率反映型砂混碾揉和程度和回性優(yōu)劣，必須將它嚴格控制在工藝規(guī)范要求的范圍內(nèi)。 濕型砂的緊實率是和水分、強度、造型材料配比等指標均相關的一個綜合參數(shù)。通過檢測檢測緊實率可以調(diào)整型砂中的加水量，把緊實率控制在一定的范圍內(nèi)即可保證水分的相對穩(wěn)定性，同時可使型砂獲得一定的濕壓強度，韌性和流動性等綜合性能。 目前國外普遍采用三錘制樣機配合相應量具測定型砂緊實率，采用型砂硬度計測定型砂表面硬度，來間接表征鑄件內(nèi)部緊實度。國外多家鑄造公司推出的緊實率在線檢測儀，它們的測量原理和結構相似。瑞士GF-DISA公司的型砂多功能控制儀的前置環(huán)節(jié)是一臺可快速測量緊實率和砂樣強度的性能檢測儀，通常安裝在混砂機一側(cè)，奔騰微機及相關軟件構成主控單元，PLC控制的執(zhí)行元件則依據(jù)控制信號調(diào)節(jié)水分和黏土的加入量，型砂多功能控制儀對比實測值與目標值，并考慮整碾砂的重量后，計算出水和黏土的加入量，從而實現(xiàn)有效控制，比傳統(tǒng)篩選法水分控制儀具有更好的實用價值，并能進行全自動控制和檢測，適用于批量生產(chǎn)的間歇或連續(xù)混砂系統(tǒng)，但對混砂量、舊砂溫度、舊砂濕度以及舊砂性能均要求具有相對穩(wěn)定的狀況。 型砂的緊實率是反映型砂緊實前后體積變化率的一個參數(shù)，被認為是能夠反映型砂性能的綜合性能指標。型砂緊實率除人工手握和觀察顏色外，其最簡便的方法就是采用“沖擊試驗法”。沖擊試驗法包括取樣、過篩、定量、沖擊、測量、計算等繁瑣步驟。整個測量過程大約需要幾分鐘到十幾分鐘。這中間，遠距離取樣、過篩、測量、計算幾個環(huán)節(jié)在測量過程中費時最多，占整個測量時間的90%以上、耗時過長和步驟繁瑣嚴重阻礙了其在生產(chǎn)中的應用。 型砂緊實率快速測試儀是在對上述方法進行分析、改進的基礎上提出并實現(xiàn)的。其原理是：測量開始時，取待測散沙裝滿試筒并刮平，然后通過液壓和電動系統(tǒng)對沖頭垂直施加壓力，當壓力達到某一定值P1時（P1>P2），砂樣高度為h2，此時即按著如下公式計算得到緊實率η： 上述過程中，由于試筒的幾何形狀與尺寸保持不變，因此P1一定，就是作用在砂樣上的壓強一定，也就是型砂試樣的初始密度一定，因而省卻了以往的過篩工序。在此基礎上繼續(xù)施加壓力使之達到P2，則型砂試樣的高度由h1變化到了h2，亦即型砂試樣在壓力P2-P1的作用下從初始高度h1變化到了h2，高度相對變化量為（h2-h1）/h1。 2、鑄造型砂強度檢測方法及原理 濕壓強度是表示物體在飽水狀態(tài)下，抵抗外部壓力能力的物理量，以試樣受外力作用破壞時的應力值來表示。型砂濕壓強度是一個單獨的性能項目，而且是最重要的一個性能項目。濕壓強度的測定方法：測定濕壓強度時，將制備好的濕壓試樣，置于預先裝置強度試驗機上的抗壓夾具上，然后轉(zhuǎn)動手輪，逐漸加載于試樣上，直至試樣破裂，其強度值可直接從壓力表中讀出。測試抗拉強度時，同樣將制備好的8字型試樣置于型砂強度試驗機上的抗拉夾具上，轉(zhuǎn)動手輪，逐漸加載拉力于試樣上，直至試樣斷裂，其強度值可直接從壓力表中讀出，即大致測出濕型砂的拉壓強度。 3、鑄造型砂緊實率的檢測方法及原理 對于粘土砂而言，型砂中的水分是影響型砂性能和質(zhì)量的最重要的因素之一，緊實率是表示型砂中粘土與調(diào)勻水的比例是否適當并且適宜于造型的一種綜合性指標。與水分有關，與其它成分也有著間接的聯(lián)系。一般認為：緊實率反映型砂的可緊實性、韌性和水分的敏感性，即反映了型砂的調(diào)性程度，是濕型砂最重要的指標之一。實驗證明，通過檢測緊實率可以調(diào)整型砂中的加水量，把緊實率控制在一定的范圍內(nèi)即可保證水分的相對穩(wěn)定性，同時可使型砂獲得一定的濕壓強度、韌性和流動性等最佳綜合性能。所謂型砂緊實率,就是受力面積保持不變時一定初始密度的型砂試樣在一定的壓力作用之下,緊實距離對緊實前高度的百分比。型砂緊實率是代表型砂性能的綜合技術指標，但型砂緊實率的現(xiàn)有測試方法中，除了人工手握和觀察顏色之外。其最簡便的測試方法就是“沖擊實驗法”。其中，緊實率是用型砂試樣被緊實的前后其高度變化的百分比來度量的其方法，測定緊實率時，首先到生產(chǎn)現(xiàn)場對混碾完畢的型砂進行取樣，然后回到試驗室中通過漏斗型篩子（篩孔面積約55mm2〉在一定高度自由落滿型砂試驗用的試筒，此時筒內(nèi)的型砂十分松散，其密度稱之為堆積密度，然后刮去筒頂多余型砂后，通過緊實沖頭的壓力壓緊，使砂樣高度從最初的H1變化為H2，最后測量出試筒中型砂高度的變形量。 4、鑄造型砂透氣性檢測方法及原理 (1) 測定原理 由流體力學可知，通過試樣的空氣量Q(cm3)與通氣時間t(min)、試樣截面積A(mm2)以及試樣兩端的氣壓差P(cmH2O)成正比。其比例關系為：Q=KtPA/H 式中，K－為比例系數(shù)，代表透氣性；H－為試樣高度，這里H=50mm。 可見，K=QH/tPA 故K可定義為：在1gf/cm2的壓力下，每分鐘通過面積為1cm2、高度為1cm 的試樣的氣體量(cm3)。雖然K有量綱，但一般把它作為無量綱量。 (2)測定步驟 1）標準測定法 ①打開閥帽6，取出阻流孔等附件。 ②調(diào)節(jié)調(diào)平腳14，使儀器處于水平位置。 ③向水筒4內(nèi)注入1%～2%的重鉻酸鉀水溶液，使鐘罩3上的“0”刻度線正對水筒4上沿。 ④把旋鈕9轉(zhuǎn)向“吸、放氣”位置，提起鐘罩3，然后將旋鈕9轉(zhuǎn)向“關” 的位置。這時，鐘罩內(nèi)已經(jīng)充滿2000cm3的空氣。 ⑤將制好的標準試樣連同試樣筒一起放在試樣座8上，并封閉好。 ⑥將旋鈕9轉(zhuǎn)到“工作”位置，此時鐘罩內(nèi)的氣體在鐘罩自重的作用下，施于氣體10g/cm2的壓力。在此壓力下氣體將通過試樣。記錄下2000cm3氣體全部通過試樣所需要的時間及從微壓表11上讀出的壓力值。 ⑦將測得的時間和壓力值帶入公式計算出透氣性K。 2）快速測定法 與標準法不同，在試樣座8上，附加一阻流小孔，孔的大小有1.5mm和0.5mm兩種，當透氣性小于50時用小孔。 阻流小孔也與試樣一樣對氣體的通過其阻流作用。測定時，以微壓表11上讀出的壓力值代表到達試樣前的氣體壓力，壓力大小與阻流孔和試樣對氣體通過的阻力大小有關。當阻流孔的尺寸一定時，其壓力只隨試樣對氣體通過的阻力大小而變化，即只隨透氣性而變化。壓力越低，說明透氣性越好。依次與標準法對照，通過大量實驗，得出壓力和透氣性的換算關系，并將此關系以透氣性的數(shù)值直接刻在微壓表11的相應位置。測定時，可直接從微壓表11上讀出透氣性，而不必等2000cm3的空氣全部通過試樣。 快速法的測定步驟與標準法基本相同，只要注意阻流孔的正確使用。 二、 液壓系統(tǒng)的設計與計算 1、 液壓缸的設計計算與校核 I、負載分析 由所給的數(shù)據(jù)選擇：工作負載Fw=9800N；液壓缸工作壓力P=2MPa；液壓缸回油腔背壓Pb=0.4MPa;沖頭下降運動速度v=15mm/s；機械效率取ηm=0.9；慣性負載Fa=1000N；重力負載FG=0.9kN，則可求得工進負載F=（FG+FW）/ηm=11888N。 工作循環(huán) 計算公式 負載f/N 啟動加速 F=(FG+Fa)/ηm 2111 快進 F=FG/ηm 1000 工進 F=(FG+Fw)/ηm 11888 快退 F=FG/ηm 1000 設快進快退為1mm/s，工進速度范圍為6-20mm/s。 II、確定液壓缸的主要參數(shù) 為使液壓缸快進與快退速度相等，選用單出桿活塞缸差動連接的方式，設液壓缸兩有效面積為A1和A2，且A1=A2，即d=0.707D。 由工進工況下液壓缸的平衡力平衡方程P1A1=P2A2+F,可得A1=F/(P1-0.5P2)=[11888/(2.0106-0.50.4106)]cm2≈66cm2 液壓缸內(nèi)徑D就為D=√（4A1/π）=√（466/π）cm=9.17cm 對D圓整取D=100mm，由d=0.707D，經(jīng)圓整得d=70mm 計算出液壓缸的有效工作面積A1=79cm2,A2=40.06cm2 液壓缸的缸筒長度l由最大工作行程決定，故其取l=200mm 流量q+VA2=VA1 得q=V(A1-A2)=2.34L/min 活塞桿取180mm 計算液壓缸在工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率值 工作循環(huán) 計算公式 負載F/KN 回油背壓p2/MPa 進油背壓p1/MPa 輸入流量q1/10-3 m3-1 輸入功率P/kw 快進 起動加速 恒速 P1= Q1=(A1-A2)v1 P=p1q1 2111 1000 P2=p1+0.5 1.05 —— 0.029 —— 0.09045 工進 P1= Q1=A1v1 P=p1q1 11888 0.4 1.7 0.024~0.08 0.0408~0.136 快退 起動加速 恒速 P1= Q1=A2v1 P=p1q1 2111 1000 0.3 0.3 1.35 —— 0.028 —— 0.0378 III、校驗 A）強度校核 1，缸筒壁厚 ∵p=2.0MPa<16MPa 故Py=1.5P 缸筒材料選用45號鋼 則抗拉強度σb=580N/mm2 安全系數(shù)n取5 ∴壁厚σ≧√｛PyD/(π[σ])｝=√｛90001.4/(π580106)｝=6.63mm , 2，活塞桿直徑d 活塞桿的直徑d按照d≧√（4F/π[σ]）進行校核 d=70mm>√（4F/π[σ]）=5.3mm成立 3，固定螺栓直徑ds 液壓缸固定螺栓直徑ds ≧√（5.2kF/2π[σ]） (Q235) 其中取F=11888N Z=8 k取1.2 [σ]=σs/(1.2~2.5)=117.5MPa ds≧√｛5.21.211000/(π2117.5106)｝=9.4mm B）穩(wěn)定性校核 依F=FK/nk進行校核 查表4-8和表4-9得Φ1=110 Φ2=0.25 f=250MPa ɑ=1/9000 則 rk=√(J/A )=d/4=70/4=17.5mm 活塞桿細長比l/k=380/17.5=21 而Φ1√Φ2=110√（1/4）=55 ∴l(xiāng)/k<Φ1√Φ2 且 Φ1√Φ2=55 則 FK=｛fA/(1+ɑ/Φ2(1/rk）2)｝=93.9106N 取nk=4 有 Fk/4=93.9106/4=23.5106 故穩(wěn)定性良好 2、液壓泵的設計計算與選型 1 液壓泵的確定 （1）液壓泵最大工作壓力為2MPa，進油路壓力損失取0.5MPa，則小流量泵的最高工作壓力為2.5MPa選擇泵的額定壓應力Pn =（2.5+2.5*0.25）MPa=3.125MPa 大流量泵在液壓缸快退時工作壓力較高，取液壓缸快退時油路上的壓力損失為0.4MPa，則大流量泵的最高工作壓力為（0.9+0.4）MPa=1.3MPa，卸荷閥的調(diào)整壓力應高于此值 （2） 液壓泵流量計算 取系統(tǒng)的泄漏系數(shù)K=1.2 則泵的最小供油量qp =K q1msx =1.2*0.029*-10-3m 3/s=0.35*10-3m3/s=21L/min 由于工進是所需的最大流量是0.08*10-5m3/s，溢流閥的最小穩(wěn)定流量為0.05*10-3 m3 /s 小流量泵最小流量為qp1=Kq1+0.05*10-3=0.085*10-3m3/s=5.1L/min 大流量泵最小流量為 qp2=qp-qp1=21-5.1=15.9L/min （3） 確定液壓泵規(guī)格 對照表3-4樣本可選用YB1-40/6.3雙聯(lián)葉片泵，額定轉(zhuǎn)速960r/min，容積效率0.9，大小泵的額定流量分別為34.56L/min和5.44L/min，滿足以上要求。 三、液壓系統(tǒng)控制圖 液壓缸原理圖 四、 總 結 這次課程設計總體來說知識覆蓋面廣，涉及的學科多，對于我們完成來說增加了不少難度。但在我們小組成員的分工合作下，通過查閱相關課本、書籍和一些以往的借鑒資料，我們一步步地完成了這份課程設計。通過這次課程設計更加鞏固了我們學習的一些專業(yè)知識，也從一定程度上提升了我們的團隊協(xié)作研究能力，這對我們今后的工作或是深層次學習都有很大幫助。 .