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. 材料成型裝備及自動化課程設(shè)計(jì) 題目：型砂智能化綜合性能檢測裝置的設(shè)計(jì) 學(xué)生：魯青 學(xué)號：1303181315 班級：機(jī)電院 2013級材控2班 指導(dǎo)老師：吳和保老師 課程設(shè)計(jì)時(shí)間：2016年6月6日 至6月20日 . 一、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和基本要求 1. 設(shè)計(jì)題目：型砂智能化綜合性能檢測裝置的設(shè)計(jì) 2. 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖： 3. 設(shè)計(jì)的主要部件： 主要部件包括：工作臺架、型砂透氣性檢測機(jī)構(gòu)、型砂試樣制備與性能檢測機(jī)構(gòu)、檢測夾具設(shè)計(jì)、檢測裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 4.設(shè)計(jì)要求 1. 每個(gè)班學(xué)生分為6組：即工作臺架設(shè)計(jì)、透氣性檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、試樣制備與檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 2. 設(shè)計(jì)計(jì)算：立柱強(qiáng)度計(jì)算、檢測上橫梁強(qiáng)度計(jì)算、檢測裝置液壓系統(tǒng)計(jì)算、電驅(qū)動絲桿機(jī)構(gòu)和電機(jī)功率計(jì)算； 3. 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)：工作臺架、透氣性檢測機(jī)構(gòu)、試樣制備與檢測機(jī)構(gòu)、液壓缸設(shè)計(jì)、電驅(qū)動絲桿機(jī)構(gòu)和夾具的三維設(shè)計(jì)； 4. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路控制系統(tǒng)圖的繪制； 5. 撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告 二、進(jìn)度安排 2016.06.06-2016.06.06課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)及安排 2016.06.07-2016.06.09 分組、查閱資料 2016.06.10-2016.06.12 設(shè)計(jì)計(jì)算 2016.06.13-2016.06.16 設(shè)計(jì)校核 2016.06.17-2016.06.18 撰寫設(shè)計(jì)說明書 2016.06.19-2016.06.19 課程設(shè)計(jì)答辯 三、參考資料或參考文獻(xiàn) [1] 樊自田.材料成型裝備及自動化.機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì).高等教育出版社.2013年5月第9版 [3] 范欽珊.材料力學(xué).高等教育出版社.2005年7月第2版 本科生課程設(shè)計(jì)成績評定表 姓名 專業(yè)班級 學(xué)號 課程設(shè)計(jì)題目： 課程設(shè)計(jì)答辯記錄：（手寫） 成績評定依據(jù)： 項(xiàng)目 得分 比例 考勤記錄 設(shè)計(jì)結(jié)果 報(bào)告撰寫 答辯成績 備注： 成績評定依據(jù)的項(xiàng)目內(nèi)容和項(xiàng)目分值比例可以由老師按指導(dǎo)的專業(yè)進(jìn)行調(diào)整，但成績評定依據(jù)的項(xiàng)目數(shù)不得少于3項(xiàng)。 最終評定成績： 指導(dǎo)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(qiáng)度檢測方法及原理 2 3、鑄造型砂緊實(shí)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(shè)計(jì)計(jì)算 4 1.液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 4 2.液壓泵的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型 6 三、液壓系統(tǒng)控制圖 7 四、總結(jié) 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(jī)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(shí)率等，型砂機(jī)械性能以前通常指型砂的各種濕強(qiáng)度、韌性的檢測。其中，緊實(shí)率和濕壓強(qiáng)度是最有代表性的型砂性能指標(biāo)，而緊實(shí)率反映型砂混碾揉和程度和回性優(yōu)劣，必須將它嚴(yán)格控制在工藝規(guī)范要求的范圍內(nèi)。 濕型砂的緊實(shí)率是和水分、強(qiáng)度、造型材料配比等指標(biāo)均相關(guān)的一個(gè)綜合參數(shù)。通過檢測檢測緊實(shí)率可以調(diào)整型砂中的加水量，把緊實(shí)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(shí)可使型砂獲得一定的濕壓強(qiáng)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(jī)配合相應(yīng)量具測定型砂緊實(shí)率，采用型砂硬度計(jì)測定型砂表面硬度，來間接表征鑄件內(nèi)部緊實(shí)度。國外多家鑄造公司推出的緊實(shí)率在線檢測儀，它們的測量原理和結(jié)構(gòu)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(shí)率和砂樣強(qiáng)度的性能檢測儀，通常安裝在混砂機(jī)一側(cè)，奔騰微機(jī)及相關(guān)軟件構(gòu)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(shí)測值與目標(biāo)值，并考慮整碾砂的重量后，計(jì)算出水和黏土的加入量，從而實(shí)現(xiàn)有效控制，比傳統(tǒng)篩選法水分控制儀具有更好的實(shí)用價(jià)值，并能進(jìn)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(shí)率是反映型砂緊實(shí)前后體積變化率的一個(gè)參數(shù)，被認(rèn)為是能夠反映型砂性能的綜合性能指標(biāo)。型砂緊實(shí)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(yàn)法”。沖擊試驗(yàn)法包括取樣、過篩、定量、沖擊、測量、計(jì)算等繁瑣步驟。整個(gè)測量過程大約需要幾分鐘到十幾分鐘。這中間，遠(yuǎn)距離取樣、過篩、測量、計(jì)算幾個(gè)環(huán)節(jié)在測量過程中費(fèi)時(shí)最多，占整個(gè)測量時(shí)間的90%以上、耗時(shí)過長和步驟繁瑣嚴(yán)重阻礙了其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。 型砂緊實(shí)率快速測試儀是在對上述方法進(jìn)行分析、改進(jìn)的基礎(chǔ)上提出并實(shí)現(xiàn)的。其原理是：測量開始時(shí)，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(dāng)壓力達(dá)到某一定值P1時(shí)（P1>P2），砂樣高度為h2，此時(shí)即按著如下公式計(jì)算得到緊實(shí)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(qiáng)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(chǔ)上繼續(xù)施加壓力使之達(dá)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(qiáng)度檢測方法及原理 濕壓強(qiáng)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(shí)的應(yīng)力值來表示。型砂濕壓強(qiáng)度是一個(gè)單獨(dú)的性能項(xiàng)目，而且是最重要的一個(gè)性能項(xiàng)目。濕壓強(qiáng)度的測定方法：測定濕壓強(qiáng)度時(shí)，將制備好的濕壓試樣，置于預(yù)先裝置強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)度值可直接從壓力表中讀出。測試抗拉強(qiáng)度時(shí)，同樣將制備好的8字型試樣置于型砂強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)度值可直接從壓力表中讀出，即大致測出濕型砂的拉壓強(qiáng)度。 3、鑄造型砂緊實(shí)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(shí)率是表示型砂中粘土與調(diào)勻水的比例是否適當(dāng)并且適宜于造型的一種綜合性指標(biāo)。與水分有關(guān)，與其它成分也有著間接的聯(lián)系。一般認(rèn)為：緊實(shí)率反映型砂的可緊實(shí)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(biāo)之一。實(shí)驗(yàn)證明，通過檢測緊實(shí)率可以調(diào)整型砂中的加水量，把緊實(shí)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(shí)可使型砂獲得一定的濕壓強(qiáng)度、韌性和流動性等最佳綜合性能。所謂型砂緊實(shí)率,就是受力面積保持不變時(shí)一定初始密度的型砂試樣在一定的壓力作用之下,緊實(shí)距離對緊實(shí)前高度的百分比。型砂緊實(shí)率是代表型砂性能的綜合技術(shù)指標(biāo)，但型砂緊實(shí)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(shí)驗(yàn)法”。其中，緊實(shí)率是用型砂試樣被緊實(shí)的前后其高度變化的百分比來度量的其方法，測定緊實(shí)率時(shí)，首先到生產(chǎn)現(xiàn)場對混碾完畢的型砂進(jìn)行取樣，然后回到試驗(yàn)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(yàn)用的試筒，此時(shí)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(shí)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(xué)可知，通過試樣的空氣量Q(cm3)與通氣時(shí)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)” 的位置。這時(shí)，鐘罩內(nèi)已經(jīng)充滿2000cm3的空氣。 ⑤將制好的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)間及從微壓表11上讀出的壓力值。 ⑦將測得的時(shí)間和壓力值帶入公式計(jì)算出透氣性K。 2）快速測定法 與標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)透氣性小于50時(shí)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(shí)，以微壓表11上讀出的壓力值代表到達(dá)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(guān)。當(dāng)阻流孔的尺寸一定時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)法對照，通過大量實(shí)驗(yàn)，得出壓力和透氣性的換算關(guān)系，并將此關(guān)系以透氣性的數(shù)值直接刻在微壓表11的相應(yīng)位置。測定時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)與計(jì)算 1、 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 I、負(fù)載分析 由所給的數(shù)據(jù)選擇：工作負(fù)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(yùn)動速度v=15mm/s；機(jī)械效率取ηm=0.9；慣性負(fù)載Fa=1000N；重力負(fù)載FG=0.9kN，則可求得工進(jìn)負(fù)載F=（FG+FW）/ηm=11888N。 工作循環(huán) 計(jì)算公式 負(fù)載f/N 啟動加速 F=(FG+Fa)/ηm 2111 快進(jìn) F=FG/ηm 1000 工進(jìn) F=(FG+Fw)/ηm 11888 快退 F=FG/ηm 1000 設(shè)快進(jìn)快退為1mm/s，工進(jìn)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(jìn)與快退速度相等，選用單出桿活塞缸差動連接的方式，設(shè)液壓缸兩有效面積為A1和A2，且A1=A2，即d=0.707D。 由工進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)算公式 負(fù)載F/KN 回油背壓p2/MPa 進(jìn)油背壓p1/MPa 輸入流量q1/10-3 m3-1 輸入功率P/kw 快進(jìn) 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(jìn) 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(yàn) A）強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(shè)計(jì)計(jì)算與選型 1 液壓泵的確定 （1）液壓泵最大工作壓力為2MPa，進(jìn)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(yīng)力Pn =（2.5+2.5*0.25）MPa=3.125MPa 大流量泵在液壓缸快退時(shí)工作壓力較高，取液壓缸快退時(shí)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(yīng)高于此值 （2） 液壓泵流量計(jì)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(jìn)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(jié) 這次課程設(shè)計(jì)總體來說知識覆蓋面廣，涉及的學(xué)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(guān)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(shè)計(jì)。通過這次課程設(shè)計(jì)更加鞏固了我們學(xué)習(xí)的一些專業(yè)知識，也從一定程度上提升了我們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作研究能力，這對我們今后的工作或是深層次學(xué)習(xí)都有很大幫助。 .