结构成型（共9篇）
结构成型 篇1
1 FDM型快速成型机原理
其中加热喷头在计算机的控制下, 可根据截面轮廓的信息作X-Y平面运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料 (如ABS及MABS塑料丝, 蜡丝, 聚烯烃树脂丝, 尼龙丝) 由供丝机构送至喷头, 并在喷头加热至熔融态, 然后被选择性地涂覆在工作台上, 快速冷却后形成截面轮廓。一层成型完成后, 工作台下降一截面层的高度, 在进行下一层的涂覆, 如此循环, 最终形成三维产品。
2 熔积成型 (FDM) 快速成型机的探究
在设计熔积成型 (FDM) 快速成型机时将其设计计算分为四个部分:
(1) 喷嘴扫描机构; (2) 喷嘴转阀机构; (3) 原材料存储及送进机构; (4) 可升降工作台。
2.1 喷嘴扫描机构
喷嘴扫描机构的功能:完成喷嘴在X-Y轴方向上的运动, 使喷嘴能够精确的按照电脑软件事先设定好的程序运动。这样它需要在X-Y轴面内能够自由移动, 首先需要有传动装置。其次还需要有导轨为其导向, 并且有轴承来固定。
2.1.1 导轨的选择
(1) 导轨的作用。导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨迹运动并承受运动部件的重量和工作载荷。用于直线往复运动场合, 拥有比直线轴承更高的额定负载, 同时可以承担一定的扭矩, 可在高负载的情况下实现高精度的直线运动高效耐用。
(2) 导轨应满足的要求。a.导向精度;b.精度保持;c.移动灵敏度和定位精度;d.低速运动的平稳性;e.抗振性和稳定性;f.刚度;g.机构工艺性。
由于喷嘴的最大喷丝速度为200mm/s, 相用滑动导轨可以符合支撑板的运动要求。直线滑动导轨一般由若干个平面组成, 为便于制造、装配和检验, 其平面数应尽量少。选择截面形状是应注意:导轨磨损量随表面比压增加而增加, 设计时应尽可能使导轨面垂直于外力方向;导轨磨损后对导向精度的影响要小。
P2232后, 选择双三角形组合的滑动导轨组合形式, 因结构特点是:两个三角形导轨同时起支撑和导向作用, 对两导轨平行度要求较。
导向精度高, 承载能力大, 磨损均匀, 磨损后相对位置变化较小对机床精度影响少。不需要镶条调整间隙, 接触刚度好, 导向面间无间隙。能自行补偿垂直及水平方向的磨损。不能承受大的侧向力。由于上述特点, 这种组合形式的导轨常用于高精度的机床。
2.1.2 传动装置的选择
经对比选择的是选螺旋传动, 由丝杠和螺母组成的螺旋副来实现传动的要求, 主要是将回转运动变为直线运动, 同时完成运动和动力的传递。
螺旋传动按用途可分为:传力螺旋;传导螺旋;传导螺旋;调整螺旋
在这里将各类螺旋传动的特点和应用做个比较:
(1) 滑动螺旋传动。滑动螺旋传动的特点:传动效率低 (通常为30%-60%) 磨损快;降速传动比大, 具有增力作用, 结构简单, 加工方便;易于自锁;运转平稳, 但低速或微调时可能出现爬行;螺反向有空行程, 定位精度和轴向刚度较差
(2) 滚动螺旋传动。滚动螺旋传动的特点:摩擦阻力小, 传动效率高 (一般在90%以上) 。
结构复杂, 制造较难;与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3, 高速进给可能, 螺母和螺杆经调整预紧, 高精度的保证, 可得到很高的定位精度 (5μm/300mm) 和重复定位精度 (1-2μm) , 并可以提高轴向刚度;工作寿命长, 不易发生故障;抗冲击性能太差。
精密机床的进给、分度机构的传动螺旋。
经过上面的比较, 由于熔积成型 (FDM) 快速成型机属于精密机械, 将滑螺旋传动排除了。从其特点, 定位精度差, 轴向刚度低, 其不适合熔积成型 (FDM) 快速成型机。采用滚动螺旋传动完全可以满足本课题的探究。
2.1.3 轴承的选择
(1) 圆椎滚子球轴承特点:圆柱滚子轴承和深沟球轴承相似度大, 但其承受能力更大, 为向心推力结构, 可同时承受轴向径向力, 但其相对转速低。精度差。
(2) 角接触轴承特点:其一般特性为极限转速较高, 刚性好, 成本低, 精度高等特点可以同时承受径向载荷和轴向载荷, 是高速精密转轴的理想支撑。单列角接触球轴承只能承受一个方向的轴向力, 在承受径向载荷时会引起附加轴向力, 并施加相应的反轴向载荷, 因此该种轴承都成对使用, 接触疲劳是角接触轴承的主要失效形式。
(3) 圆柱滚子轴承特点:属于可分离型轴承, 安装拆卸比较方便, 由其是当要求内外圈与轴, 壳体都是过盈配合时更显示其优点。径向承载能力大, 适用于承受重负。摩擦系数小, 适合高速。内外圈, 可分离, 便于安装拆卸。但对于此类轴承配合的轴, 壳体孔等相关零件的要求较高。经比较选择, 确定选用角接触球轴承, 轴承型号为7206C
2.2 喷转阀机构的探究
喷嘴转阀机构功能:将丝状材料匀速的运送到加热器里, 需要有齿轮将丝状材料拉入加热器中, 因喷嘴的体积较小, 所以需选用尺寸小尺的电机。
动轮与电机齿轮啮合负责传递动力, 从动轮在一个双矩形组合导轨的支撑下, 由螺栓和弹簧调整其在X方向上运动以便加紧丝状材料。由于滚子与丝材之间的摩擦力的作用, 使丝材向碰头的出口送进。在喷嘴下方有加热线圈负责加热使丝状材料熔化后流出。
2.2.1 伺服电机的选择
选用双矩形组合的导轨特点: (1) 承载能力大, 制造简单; (2) 侧导向面用镶条调整间隙, 使接触刚度降低, 而且必须留有间隙, 降低了导向精度; (3) 宽式组合导向面之间的距离L较大, 受热后膨胀量较大, 所以要求间隙大, 导向精度和导向性能不如窄式组合;综上所述, 选用双矩形组合的导轨。
2.2.2 传感器的选择
本次探究用于采集喷嘴温度的传感器。热电偶是利用“热电效应”制成的一种测温元件。任何两种不同金属或合金都可以组成热电偶, 要求热电极材料在测温范围内。
要求热电性质稳定而不随时间变化, 不易氧化或腐蚀, 有足够强度, 电阻温度系数要小, 电导率要高而电势要大, 且容易制造加工。热电极的直径根据材料的价格、强度、电导率, 和要求惰性时间、寿命等来选择, 一般采用直径为0.2~0.5mm。对于瞬时温度的测量, 考虑到热惯性要小, 常牺牲一些寿命来保证惰性时间短, 一般采用0.01~0.03mm的材料, 以获得更小的热接点。
4 结束语
我所探究的快速成型机是根据现市场要求所设计, 通过对FDM技术的认识了解过程到FDM技术做出的原型件, 从材料的性能到外观, 非常接近实际, 所以在制造概念产品和验证产品功能方面具有独特的优势。
参考文献
[1]朱龙根.机械系统设计 (第二版) [M].机械工业出版社, 2004.
[2]李运华.机电控制[M].北京:航空航天大学出版社, 2003.
[3]孙丽媛.机械制造工艺[M].北京:冶金工业出版社, 2007.
结构成型 篇2
1、当采用火焰矫正时，加热温度应根据钢材性能选用，但不得超过900℃，低合金结构钢在加热矫正后应缓慢自然冷却。
2、碳素结构钢在环境温度低于-16℃、低合金结构钢在环境温度低于-12℃时，不应进行冷矫正和冷弯曲。
3、冷弯时必须控制变形量，一般当碳素钢板厚度t≥1/40D(D为弯曲内径)时，应进行热卷，
4、当另件采用热加工成型时，加热温度应控制在900～1000℃;碳素结构钢和低合金结构钢在温度分别下降到700℃和800℃之前，应结束加工;低合金结构钢应自然冷却。
5、采用温卷时，将钢板温度加热至500～600℃(它仍属冷加工范围)。
6、矫正后的钢材表面，不应有明显的凹面或损伤，划痕深度不得大于0.5mm，且不应大于该钢材厚度负允许偏差的1/2。
7、冷矫正和冷弯曲的最小曲率半径和最大弯曲矢高应符合验收规范GB50205-表7.3.4的规定。
结构成型 篇3
与PVC或PP等热成型材料不同，冷冲压成型复合硬片通过冷冲压成型工艺对药品进行包装，在成型过程中不使用热能，冷冲压成型复合硬片被夹持在包装设备的夹具装置中，通过阳模压入模腔中，从而形成膜泡。我公司研究小组通过对上百例冷冲压成型复合硬片成型破裂案例进行仔细的调查和分析，认为引起成型破裂的原因主要有以下几方面，并提出了相应的预防措施。
冲压模具设计缺陷
冷冲压成型复合硬片经过机械的冷冲压后成型为泡罩，因此冲压模具是加工冷冲压成型泡罩包装的核心工具。一旦冲压模具设计有缺陷，就可能导致冷冲压成型复合硬片成型破裂。因此，在对冲压模具进行设计时，应考虑以下3方面因素。
1.模头类型
模头一般分为平滑过渡型模头和阶梯过渡型模头两种。其中，平滑过渡型模头冲压的泡罩美观大方，但耐冲压深度和抗冲压破裂性能相对较差，对于膜泡深度达到5mm以上的大泡，就不适合采用这种模头，否则会大幅增加冷冲压成型复合硬片成型破裂的几率。阶梯过渡型模头分为几段有棱角的台阶，冷冲压成型复合硬片在冲压过程中分级拉伸，与模头接触面积较少，PVC面与模头摩擦较小，有利于冷冲压成型复合硬片的均匀拉伸成泡。
2.模头与模腔间隙
模头与模腔间隙的大小也会影响冷冲压成型复合硬片的成型质量，合适的间隙能保证冷冲压成型复合硬片在冲压和均匀拉伸过程中得到空间补充，使各点受力均匀，而过小的间隙易使冷冲压成型复合硬片在阴模倒角处形成受力集中点，在冲压过程中局部受力和拉伸过大，增加成型破裂几率，根据经验，建议模头和模腔间隙调整为2mm左右。
3.阳模材料
作为冲压模具的阳模，其常见材料主要有3种：聚四氟乙烯、聚甲醛和不锈钢。这3种材料的摩擦系数大小依次为：不锈钢>聚甲醛>聚四氟乙烯。
较低的摩擦系数有利于减少冲压过程中的摩擦，使阳模周围冷冲压成型复合硬片的流变性能变好，从而避免冷冲压成型复合硬片受力不均，同时可适应较大的冲压拉伸比，极大地避免冲压过程中产生铝箔裂纹。有资料证明，聚四氟乙烯、聚甲醛和不锈钢3种阳模与冷冲压成型复合硬片PVC面的摩擦系数分别为0.4、1.2、2.1。
可见，聚四氟乙烯阳模具有较好的冲压性能，在保证较深成型深度的同时，可有效防止冷冲压成型复合硬片成型破裂。因此，建议包装设备采用聚四氟乙烯作冲压模具阳模的模头。
4.泡罩形状设计
泡罩形状的设计取决于冷冲压成型复合硬片的延展性。为更好地发挥冷冲压成型复合硬片的性能，在进行冲压模具设计时，还要考虑泡罩宽度与深度的关系，将膜泡开口宽度与深度之比控制在约3∶1为宜。
然而，这个比例随着药片外形尺寸的不同也会有所改变，扁平药片适合较大的比例，这是因为扁平药片在成型过程中会导致较多材料停留在模具底部，这些材料其实是来自膜泡的侧壁，从而导致膜泡壁变薄或颈缩（局部拉伸过大），进而易使冷冲压成型复合硬片发生破裂。因此，一般扁平药片的泡罩包装建议选择3.5∶1的比例，胶囊的泡罩包装则选择2.8∶1的比例。
冷冲压成型复合硬片质量问题
冷冲压成型复合硬片是一种技术含量极高的复合材料，对原材料和生产工艺都有许多特殊的要求，一旦生产过程的各环节控制不当，极易导致成品出现质量问题。
1.与冲压模具不匹配
冷冲压成型复合硬片的常见结构有BOPA20～30μm/AL45～60μm/ PVC30～100μm、典型的BOPA25μm/ AL45μm/PVC60μm，由此派生出的结构有BOPA/AL/BOPA/PVC、PVC/ BOPA/AL/PVC、PVC/BOPA/AL/ BOPA/PVC等。
如果冷冲压成型复合硬片结构设计不合理，选材不当，那么制成的冷冲压成型复合硬片就会与客户的模具不匹配，由于客户的泡型已定，便无法满足客户模具的冲压要求，大大增加了冷冲压成型复合硬片成型破裂几率。
此外，经测试发现，不同厚度材料制成的冷冲压成型复合硬片的耐冲击性能不同，适用的泡型也不同，尤其是铝箔和PVC薄膜的厚度对提高冷冲压成型复合硬片的成型性能有较大的影响，如图1所示。
因此，包装材料生产商应根据不同的泡型、冲压深度、内装药物等因素合理选用不同结构、不同厚度的冷冲压成型复合硬片。
2.内外层摩擦系数偏大
冷冲压成型复合硬片在冲压过程中会与冲压模具产生摩擦，虽然采用聚四氟乙烯阳模模头可在一定程度上降低摩擦系数，但如果与阳模接触的PVC面或者与阴模模口接触的BOPA面摩擦系数较大，同样会影响冷冲压成型复合硬片在冲压过程中的延伸均匀性，增加成型破裂几率。
因此，冷冲压成型复合硬片BOPA面和PVC面的摩擦系数一般分别控制在0.20以下和0.30以下为宜，较小的摩擦系数对冲压有利。
3.表面划伤
冷冲压成型复合硬片表层材料为BOPA薄膜，硬度较低，极易被硬物划伤，而一旦划伤，哪怕是很难用肉眼发现的非常轻微的伤痕，都会使BOPA薄膜的延伸强度大幅下降，从而使冲压过程中划伤部位的铝箔和BOPA薄膜产生断裂，这是引起冷冲压成型复合硬片成型破裂的一个常见原因。
冷冲压成型复合硬片表面划伤既可能在生产过程中产生，如复合膜在运行过程中导辊转动不灵活、导辊表面有异物等，也可能在包装过程中产生。因此，在生产过程中对设备进行仔细清洁，消除隐患，是非常必要的。
nlc202309040643
4.不同批次原料质量和加工质量存在波动
对于同一结构的产品，由于生产中所采购的每批、每卷原料的质量存在波动，其质量性能就会发生变化。
此外，如果复合温度、速度、涂布量、固化条件、分切等关键控制点没有控制好，也会引起冷冲压成型复合硬片成品产生诸如砂眼、层间剥离力偏低、内外层摩擦系数偏大等质量问题，这些质量问题都会导致冷冲压成型复合硬片在冲压过程中成型破裂几率的增加。
为此，需要在原料采购方面加强质量控制、质量协议、供应商管理以及增加抽检频次等；在生产中要严格按照SOP操作；在检验时要对冷冲压成型复合硬片成品进行冲压检测、剥离力测试等，验证该批材料的质量水平是否满足客户要求。
冲压工艺控制不当
1.冲压过深，成型拉伸过量
冷冲压成型复合硬片所用铝箔的延伸率只有20%左右，如果冲压过深，铝箔拉伸过大，很容易产生破裂。如果确实需要冲压非常深的膜泡，除了增大模孔面积之外，也可以适当增加冷冲压成型复合硬片中铝箔的厚度。冷冲压成型泡罩包装机的冲压深度通常可以调节，因此建议在满足容下药物且热封时PTP铝箔不粘药物的情况下，应尽量减小包装机的冲压深度。
2.冲压速度过快
冷冲压成泡的速度对铝箔的破裂和复合膜的分层有一定的影响。通常情况下，成泡速度过快，不利于冷冲压成型复合硬片的均匀拉伸和应力松驰，从而增加冷冲压成型复合硬片成型破裂的几率。需要注意的是，不同的设备，不同的冲压模具和泡型，冲压速度是不同的。
3.冲压模具偏心
冲压模具的阳模应居中在阴模内，若产生偏心，就会造成两者间隙不一致，致使冲压过程中局部受力不均，拉伸变化不一致，从而大大增加冷冲压成型复合硬片成型破裂几率。
4.冲压模具损伤
一般冷冲压成型所用阳模模头由聚四氟乙烯制成，硬度不够高，冲压过程中容易产生损伤和刮花。在这种情况下进行冲压，容易导致冷冲压成型复合硬片铝箔产生破裂，增加废品率。此外，冲压模具损伤在陈旧的设备中也是常有的事，所以在冲压模具使用一段时间后，应定期进行检查，并及时进行更换。
5.储存使用条件
冷冲压成型复合硬片表层的BOPA薄膜对水蒸汽非常敏感，易吸水，如果在不适宜的湿度条件下保存，那么水蒸汽会首先进入卷材的边缘，降低BOPA薄膜的性能，从而对成品造成一定的影响。
此外，如果外界温度太高，冲压模具的阳模与PVC面之间的摩擦系数会增大，使冷冲压成型复合硬片成型性变差，从而导致废品率增加。
总的来说，虽然可以通过上述预防措施有效防止冷冲压成型复合硬片成型破裂，但由于包装生产过程的复杂性以及许多不确定因素的影响，无法保证冷冲压成型复合硬片在冲压过程中百分之百不出现问题。因此，当冷冲压成型复合硬片发生成型破裂时，制药厂一定要具体情况具体分析，采取必要措施，避免风险。
结构成型 篇4
关键词：压力诱导流动成型,聚丙烯,微观结构,SAXS,同步辐射
前言
传统的半结晶聚合物加工工艺多数是在熔融状态下实现, 例如注塑成型, 挤出成型, 模压成型等工艺。这类加工方法通常得到微观结构各向同性的材料。为了进一步提高材料的力学性能, 常用一些固态加工方法来获得某种特殊的形态结构, 如:固态挤出成型[1,2,3,4,5], 纤维、片材和薄模的冷拉成型[6,7], 辊压成型[8,9,10,11]等。这些成型方法能够使片晶高度取向, 甚至形成微纤状微观形貌[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11], 因此, 聚合物沿取向方向具有较高的力学性能。
层状结构对材料的力学性能起着重要的作用, 例如, 贝壳的微观结构是由有机高聚物联接的多边形文石板叠加堆垛而成的, 这种特殊的片层结构赋予了贝壳很高的力学性能[12,13,14,15,16,17];无机硅酸盐 (如蒙脱土) 作为增强材料与聚合物基体形成的纳米复合材料中, 通过插层聚合, 片层状粘土剥落均匀分散在聚合物基体中, 赋予了材料很高的强度和刚度[18,19,20,21,22,23]。
本课题组在近几年的研究中发现, 如用一种低温 (熔融温度以下) 压力诱导流动成型 (Pressure-Induced-Flow Processing, PIFP) 的方法对高分子材料进行二次成型加工, 可以大幅提高材料的冲击韧性 (冲击强度增加3~20倍) [26];在扫描电镜下观察, PIFP材料内部具有片状的微观结构, 同具有极高韧性的贝壳内部结构非常相似。经过PIFP之后材料的力学性能相比之前不具备该特殊结构时有大幅提高, 因此可以推测, 这种片层微观结构是各自优异力学性能的根源。然而, 过去对于微观结构中片晶尺度上的研究分析不足。本文利用同步辐射SAXS技术来研究PP在PIFP过程中长周期的变化, 进而揭示了不同PIF条件下聚丙烯的微观结构的变化机制。
1 实验部分
1.1 原料
金山石化商用级PP粒料, 密度=0.91g/cm3, 熔融指数F=4g/10min。
1.2 样品制备
采用ONLY-GH80G注塑机制备聚合物型坯 (长方体:80mm×10mm×4mm) 。具体的注射工艺条件如下:熔融温度210℃, 模具温度30℃, 注射压力100bar, 保压压力60bar, 保压时间10s, 冷却时间40s, 注射速度2cm/s。将预成型的PP坯料裁成20mm×10mm×4mm, 放入自制模具中保温30min以上, 以使坯料受热均匀, 达到所设定的温度。随后, 在不同压力下使样品发生固态流动, 即PIFP (如图1示) 。
1.3 同步辐射小角X射线散射 (Small-angleX-ray scattering, SAXS)
采用中科院上海应用物理所同步辐射光源的小角散射实验站 (BL16B1) 进行测试, 其装置如图2所示。电子直线加速器能量为150MeV, 储存环能量为3.5GeV。采用长狭缝准直系统, 单色X光经准直系统 (其作用是获得发散度很小的平行光束) , 准直后以一细束平行光透射厚薄均匀的试样, 用二维位敏气体探测器记录散射信号。样品前后各放置一个电离室检测光强, 以计算入射光强的归一化和样品对X光的吸收。电子能量为10Kev, 能量分辨率 (△E/E) 约为6×10-4, 光子通量为1011 s-1, 聚焦光斑尺寸为0.5 (h) ×0.5 (v) mm2, 光路为四狭缝系统, 波长为0.124nm, 样品至探测器的距离为5 m, 扫描范围 (Ze) :0.050~1.000。实验过程中把样品用胶带粘在样品架上, 样品架子午方向和样条的长度方向 (流动方向FlowDirection, FD) 平行。
2 数据处理
2.1 归一化
上海光源X射线小角散射试验站测试的散射信息由真空管道射入探测器, 但试样架与真空管道和探测器并未连为一体处于真空, 而是分开组成, 因而存在着空气散射。根据小角x射线散射理论, 散射强度与球粒体积 (空气中的微尘) 的平方成正比, 与球粒半径的六次方成正比。因此, 从试样的实测数据中必须扣除空气散射。
首先, 测试无试样的散射强度, 即空气散射。然后在相同条件下测试试样的散射强度。用实测试样的散射强度进行吸收修正, 扣除空气散射强度。另外, 由于在同步辐射散射试验中, 随着储存环电子流的衰减, 入射光强也在不断衰减, 所以在扣除空气散射信号时还需要考虑散射信号的归一化问题。样品“纯”散射信息经扣除空气散射后, 归一化
式中:Kl为样品前电离室计数;K2为样品后电离室计数;K3为背底后电离室计数;Is为样品散射强度;Ia为空气散射强度。
2.2 长周期计算
SAXS花样分为连续和不连续两种类型。在连续散射场合, 散射强度随散射角连续变化, 无极大值。结晶高聚物的散射图形通常是不连续的, 即在某一散射角处出现强度最大值。当试样没有取向时图形为圆环, 有取向时变为圆弧, 平行线或斑点等等。
高聚物长周期L的大小可由Bragg公式进行估算:
式中:n是反射级次, 一般取1。
令q=4πsinθ/λ称为散射矢量, 代入上式为:
对于两相模型, 高聚物的长周期的定义可用图3表示, 即由结晶区C及非晶
区A交替组成的总厚度, 得出:
在SAXS一维散射图中, q为横坐标, 也就是峰位。从前面的关系式中可知, q和L存在倒数关系, 即q越大L越小。散射图中的峰值由于是相对散射强度, 干扰因素较多, 在没有经过大量修正的情况下并无明确的意义, 在此不予讨论。
3 结果与讨论
图4为在相同温度 (110℃) 、不同压力下经过PIFP的PP样品在赤道和子午方向上的SAXS图。由图可知, 随着压力增大, 左图中的峰位不断右移, 右图则左移, 表明沿流动方向的片晶长周期呈增加趋势, 而垂直于流动方向上的长周期略有减小, 趋势相反。在225MPa时分别出现了极大值和极小值。因此我们推测:在PIFP过程中, PP中片晶沿流动方向发生相对滑移和重排, 导致流动方向上的长周期增加;而在垂直于流动方向上的长周期相应减小, 折叠链在整体上呈沿流动方向伸展的趋势。当压力达到某值时, 伸展达到最大值, 而随着压力的继续增大, 由于流动方向上的自由体积有限而使得片晶的滑移到达极限, 进而导致片晶不得不偏离流动方向滑移 (旋转) , 而随着偏移角增大, 相应将导致平行于流动方向的长周期随之减小 (如图5所示) 。需要说明的是, 虽然片晶偏转了流动方向, 但其软硬段的堆砌紧密程度会提高, 从而导致力学性能仍然继续提高。
然而, PP片晶长周期的变化幅度相对宏观样品的压缩比而言小很多, 说明在PIFP过程中, 晶区部分基本保持了原有的片晶尺寸等结构特性。
图6为相同压力 (300MPa) 下, 经过不同温度PIFP的PP样品在赤道和子午方向上的SAXS图。从图中可见, 无论是平行还是垂直于流动方向, 经过PIFP后的PP样品, 在20~110℃变化范围内, 随着PIFP温度增加, PP的片晶长周期增大。变形机制与上段中的滑移部分相似, 即在PIFP过程中, PP中片晶沿流动方向发生相对滑移, 长周期增加 (如图7所示) 。
然而, 当继续升高PIFP温度直至140℃时, 长周期发生剧烈提高, 大约增加30%。这是因为PP的结晶温度为120~140℃, 当PIF温度超过120℃时, PP片晶中的折叠链运动得以解放, 晶区中有熔融与重新结晶的行为发生, 形成的新片晶较PIFP之前厚度有所增加, 体现为平行和垂直于流动方向上的长周期均出现大幅增加的情况 (如图7所示) 。然而, 在这种情况下, 由于其软硬段的堆砌紧密程度会大打折扣, 因此会导致PP的力学性能在140℃下经过PIFP后有所下降。
与前一部分固定温度、不同压力的PIFP研究一样, 该实验条件下的长周期的变化幅度远远小于宏观样品的压缩比。说明片晶长周期的变化不是力学性能提高的主要原因。
结论
通过对经过PIFP的PP样品进行SAXS研究发现, 虽然PP在不同的PIFP压力和PIFP温度条件下的力学性能均呈总体增加趋势[26], 但它们在微观结构的变化机制上截然不同:
结构成型 篇5
关键词：电火花成型机床,机床结构,优化设计
精密数控电火花成型加工机床是精密特种加工技术的重要设备之一, 对精密机械、汽车、微电子、家电产品以及航空航天的精密零件和精密工模具制造具有重要意义[1]。当前, 市场上高精密数控电火花成型机床主要是以国外知名品牌为主, 国内品牌的电火花成型机床与之相比无论在机床性能、精度, 还是稳定性方面都存在着较大的差距。面向巨大的市场需求, 结合精密零件和工模具技术发展的要求, 笔者公司引进德国欧吉索先进技术, 成功研制出技术领先、性能优越、价格适中的中小型龙门式高精密数控电火花成型机床G450C。
1 数控电火花成型机床结构运动特点及其存在问题分析
1.1 数控电火花成型机床的结构形式及运动特点
数控电火花成型机床通常是由机械运动系统、脉冲电源系统、数控系统和工作液循环过滤系统及附件等组成。机械运动系统主要由运动部件、运动机构、主轴、工作台和工作液槽等组成。根据不同的机械结构形式, 主要分为立柱式 (C型) 结构、滑枕式 (牛头式) 结构、龙门式结构数控电火花成型机床。各种机械结构运动特点不一样, 分别适用于不同性能要求的机床。
立柱式 (C型) 结构数控电火花成型机床的运动特点是:床身和立柱固定不动, 滑板通过运动机构带动工作台相对底座床身实现横向伺服进给运动, 工作台通过运动机构相对滑板实现纵向伺服进给运动, 主轴头通过运动机构相对立柱实现上下伺服进给运动, 如图1所示。底座和立柱连成一体呈楔形对称结构, 刚性和精度较好。因采用三面开放式设计, 操作者容易进入工作区域, 装夹工件比较方便。由于此结构是靠工作台支承和装夹工件并实现纵横向运动, 因此工件的尺寸和重量不能太大, 通常应用于中、小型数控电火花成型机床。
滑枕式 (牛头式) 结构数控电火花成型机床的运动特点是:工作台固定不动, 滑板通过运动机构带动滑枕和主轴头相对底座床身实现横向伺服进给运动, 滑枕通过运动机构带动主轴头相对滑板实现纵向伺服进给运动, 主轴头通过运动机构相对滑枕实现上下伺服进给运动, 如图2所示。该结构沿用三面开放式设计, 操作者容易进入工作区域, 装夹工件比较方便, 也为设计、安装可升降式工作液槽提供方便。该结构三个运动轴相互关联, 制造比较困难。滑枕式结构在大、中、小型机床中均有采用, 比较适合数控化程度较高的机床。
龙门式结构数控电火花成型机床的运动特点是:工作台一般固定在床身上, 龙门架通过运动机构带动滑板和主轴头相对底座床身实现纵向伺服进给运动, 滑板通过运动机构带动主轴头相对龙门架实现横向伺服进给运动, 主轴头通过运动机构相对滑板实现上下伺服进给运动, 如图3所示。这种机床刚性好, 精度高, 稳定性好。但由于龙门结构较为复杂, 制造比较困难。龙门式结构适合大、中型电火花成型机床采用。
1.2 电火花成型机床常见机床结构内在问题分析
滑枕式结构具有承载能力强、工件安装稳定性好、滑枕移动便捷, 且加工精度不受工作台负荷影响等结构优势, 但滑枕式的结构使得其主轴相关部件的精度受重力的影响较大, 图4给出了滑枕式机床主轴相关部件及其变形示意图。由图可知, 平滑枕以及与其相连接的立轴底座、立滑枕受重力的作用而发生变形, 随着它们沿十字马鞍向+Y方向的移动, 变形量还会不断增大, 刚性也随着变差[2]。
对于滑枕式结构, 因为工作头的位置随滑枕的移动引起各部件受力的变化, 长期精度不稳定, 如图5所示。同时, 由于平滑枕悬伸过长刚性变差导致轴的行程也受到限制, 导轨平行度误差也随着悬伸量 (变形量) 的增大而得到放大;该结构的设计要求床身重、工作头轻, 这会导致床身受温度的变化较缓慢, 而工作头受温度的变化较为敏感, 这种受热不均结构会导致机床的精度受温度的变化而变化, 热稳定性较差。
立柱式电火花机床依靠工作台的移动来实现X/Y轴的运动, 因而这两条轴的精度与工件的重量密切相关, 其动态精度和刚性都会受之影响。同时, X/Y轴的行程因工作台需在狭小有限的空间内移动而受到限制, 如果要设计加工稍大一点的工件, 则机床的底座和立柱会更显大型化, 相对于机床尺寸来说, 可加工区域明显偏小, 而刚性也会随着立柱横梁悬伸加长而变差。此结构不宜设计、安装可升降式工作液槽, 工作液容易随着工作台的不断平动而溅出。
以上两种国内常见电火花成型机床结构由于机械结构本身内在的问题, 导致在实际的使用中直接影响到零件或模具的加工精度和表面质量, 因此必须通过机床结构正确选型和优化设计, 特别是针对这两种结构存在的问题来寻求相对应的解决方案。
2 高精密数控电火花成型机床结构选型及优化设计方案
2.1 结构选型基本思路
通过对国内常用的两种电火花成型机床机构内在问题点的比较及分析研究, 从中得到结论:虽然通过改良部分零件的设计和采用性能更加好的功能部件如导轨和丝杆等, 可以改善国内两种常见结构机床的刚性和精度, 但要避免因结构本身带来的各种问题, 因此需要对机床的结构进行合理选型和优化设计, 力求结构简洁、性能可靠, 以达到高精密数控电火花成型机床在性能、精度和稳定性等方面的要求。
相对于滑枕式结构, 龙门式结构因为工作头悬挂在龙门架上, 受力情况不会随主轴头的位置而变化, 长期精度可以保持稳定, 主轴头可以到达工作台面任意一个角落, 且受力情况都是一致的, 如图6所示。同时, 由于工作头悬伸短且固定不变, 刚性好, 受外力影响较小, 平行度误差也最小化;该结构的床身、工作液和龙门架可以实现整体温度控制, 从而实现机床的高精度和热稳定性。
相对于立柱式结构, 龙门式结构 (动龙门式) 因机床工作台固定不动, 各条轴的运动与工件的重量和工作液无关, 其动态精度和刚性不会受之影响。此结构便于设计、安装可升降式工作液槽, 油槽可装满工作液时移动, 随放电成型加工的位置自动升降, 省去冲放时间。
通过以上比较可以看出, 龙门式结构除了能够避免滑枕式结构和立柱式结构的内在结构问题, 而且本身很多优点也正好能够满足高精密电火花成型机床的各种要求, 因此龙门式结构是设计高精密数控电火花成型机床的首选机械结构。
2.2 方案
G450C龙门式高精密数控电火花机床是巨轮股份专门为中小型高精密零件和工模具市场开发的新机型, 该机型针对常见龙门式结构电火花成型机床制造成本高, 操作不太方便, 占地面积大, 只适合大、中型电火花成型机床等问题点, 从结构适用及加工工艺性好的设计原则方面考虑对龙门式结构进行优化设计。
与常见的龙门式电火花机床一样, 结构优化后的G450C机床主体机械结构仍然由床身、龙门架、滑枕、主轴箱和工作液槽组成, 整体结构没改变, 只是将一些主要零部件的结构进行改进和优化。
优化后的龙门式电火花成型机床结构跟原来的机械结构存在如下不同点。
传统的龙门式机床采用动龙门结构, 因为需要有足够大的“门”结构空间悬挂滑枕和主轴头, 因此只适合大中型电火花成型机床设计使用。为了兼容床身和工作液槽, 通常床身是由钢板焊接而成。为保证主轴头的悬伸刚性, 滑枕和主轴箱在满足刚性和使用尺寸的情况下, 采用了紧凑的设计原则。如图3所示。
而优化后的龙门结构则是针对G450C机床适用零件的特点, 对机械部分的几大部件进行改进和优化。主要体现在:龙门架采用三角横梁设计, 既能保持龙门结构的特点, 又加强了龙门架的刚性 (对比门式龙门架) ;床身为了配合龙门架的三角横梁设计, 将原来长方体的结构改进优化成L型箱体结构, 使得三角龙门架可以在L型箱体上部实现前后运动;为了确保X/Y轴的行程和刚性, 滑枕和主轴箱由原来的紧凑设计改成仿生箱体设计。如图7所示。
相对于传统的龙门式电火花成型机床结构, 优化后的G450C机床结构具有如下优点:
(1) 整机结构沿用经仿生优化设计的龙门式结构, 结构紧凑且行程大, 刚性大且可保持长期高精度, 静态和动态性能俱佳;
(2) 采用高性能铸铁结构, 确保机床的机械稳定性和精度, 不受工件重量或工作液重量的影响;
(3) 机床设计符合人机工程学原理, 提供了机床占地面积和加工面积的最佳比例, 工作台采用3方向的全开放式设计, 高度根据东方人的身高特点而设计;
(4) ATC采用独创的内藏式和悬挂导轨伸缩设计, 充分利用有限空间, 电极容量大且不干涉主轴的移动, 没有运动死角;
(5) 采用黄金侵害比例设计的外观造型, 整机简洁、匀称、色彩搭配协调, 巧妙的主轴伸缩防护设计确保了机床操作的安全性。
3 结束语
高精密数控电火花成型机床的制造首先应该有合理的结构设计, G450C通过对龙门电火花成型机床的结构进行仿生优化设计, 既吸取了立柱式和滑枕式机床结构的优点, 也保持了龙门式机床结构的优点, 这样的机械结构能有效地保证机床的高精度和高性能, 是高精密数控电火花成型机床结构设计的正确方向。
参考文献
[1]杨大勇, 付伟, 伏金娟, 等.A型精密数控电火花成形加工机床及其应用[J].航空制造技术, 2009 (05) :57-60.
结构成型 篇6
生物质能是世界第四大能源, 我国每年产生农作物秸秆7亿吨左右, 其中约有3.5亿吨可作为能源使用[1];四川省年产生农作物秸秆5 000万吨左右, 其中约有2 500万吨可作为能源使用。但由于农作物秸秆分布广、质量轻、体积大、密度低、收储季节性强, 大量收集、储存和运输的成本高, 制约着其规模化工业利用。因此, 迫切需要研究出一种适合四川农村现有农业生产规模且适宜在农村分散设点就地加工使用的秸秆成型机, 将秸秆加工成秸秆成型块燃料, 以缩小其体积、增大密度改善燃烧特性, 有效替代木材、燃煤、天然气和燃油, 同时大大增强商品性[2]。秸秆成型燃料或就地作为农村居民的炊事和取暖等生活用能, 或集中后作为工业能源用于锅炉或发电厂的燃料。这是农作物秸秆成为规模化工业燃料的有效途径之一[3]。
1 秸秆成型加工设备的现状
秸秆成型加工设备按成型的工作原理分类有:活塞冲压式成型机、螺旋挤压式成型机和辊模挤压式成型机三大类;按成型的工艺分类有:热压成型机和冷压成型机两大类;按秸秆成型后的形状分类有:实心棒状、空心棒状、颗粒状和块状四大类。根据秸秆原料的含水率、长度、拥有量等情况和秸秆成型形状的不同, 其相应加工设备和成型工艺也不相同。
环模旋转成型机属于辊模挤压成型设备, 成型工艺为冷压成型, 生产产品的形状为块状, 适宜在农村分散设点就地加工生产秸秆成型块, 是解决秸秆运输、储存问题, 使秸秆成为规模化工业燃料的有效途径之一。
秸秆成型加工设备生产的秸秆成型燃料, 是具有一定粒度的秸秆在一定温度、压力的作用下, 被压缩加工成形为块状、棒状或颗粒状[4], 其体积缩小6至10倍, 密度达到600kg/m3-1 300kg/m3, 燃烧特性明显改善, 是一种新型燃料[5]。
2 环模旋转秸秆成型机的结构设计
2.1 环模旋转秸秆成型机的工作原理
环模旋转秸秆成型机的工作原理是:秸秆铡切后通过螺旋进料机进入进料腔, 在环模的转动作用下, 进入压辊与环模内径之间的楔形空间, 然后被压辊压入成型腔挤压成型。当成型块被压出环模外径达到一定的长度后, 被甩断或与机壳的撞块碰撞断裂排出机外[6]。
针对环模旋转成型机存在的环模间隙因磨损易变化;环模间隙调节机构和压辊固定机构安装位置不当, 阻碍秸秆进入成型腔, 进料易堵塞, 生产不稳定;成型腔长度偏长, 成型块密度偏高、能耗偏高, 生产不连续;环模的转速偏高, 成型块成型率低、能耗偏高, 成型块易破碎等问题, 我们设计研制了环模旋转秸秆成型机, 保证了环模间隙, 优化了环模转速和成型腔长度, 生产稳定连续, 环模旋转秸秆成型机的工作状况如图1所示。该机已获得国家专利权, 专利号:ZL200620033031.8。
2.2 环模旋转秸秆成型机的参数确定与结构设计
2.2.1 环模的参数确定与结构设计
环模的结构设计与成型腔尺寸密切相关, 成型腔设计原则是成型后的成型块能直接燃烧使用, 不宜过大。成型腔设计为等截面成型腔, 截面尺寸在圆周方向上a=48mm, 在轴线方向b=32mm, 在长度方向L为105mm、150mm两挡。在环模圆周方向上共布置32个成型腔, 成型腔在内径的间距取为6mm, 所以环模内径d为:d= (48+6) ×32/π=550mm;从而环模外径D为:D=550+ (105、150) ×2=760mm、850mm两挡。环模结构简图如图2所示。
成型块密度和成型率与环模的转速密切相关, 设计取环模转速为150r/min、126r/min两挡。
2.2.2 压辊的参数确定
根据环模内径d=550mm, 设计确定两个压辊外径d1=200mm。
环模内径与压辊外径的间隙称为环模间隙δ, 环模间隙δ是能否成型的重要参数, 环模间隙δ优化取值为:δ≤1mm。2.2.3
2.2.3 环模旋转秸秆成型机的设计
环模旋转秸秆成型机的关键一是环模间隙δ的保证, 二是环模间隙调节机构和压辊固定机构的安装位置, 设计不好易造成原料堵塞, 生产不稳定。针对上述问题, 我们一是将压辊轴设计成偏心轴, 当环模内径和压辊外径使用磨损后造成环模间隙δ偏大, 可通过调节压辊偏心轴的转角来调节环模间隙δ, 保证环模间隙δ≤1mm。二是将环模间隙调节机构和压辊固定机构设计安装在进料腔外, 既避免了原料堵塞, 又达到了生产稳定, 设备使用可靠的效果。
环模旋转秸秆成型机的结构简图如图3所示。
图中—环模—压辊—压辊轴—环模间隙—成型
3 环模旋转秸秆成型块的试验研究
3.1 试验方法和检验指标
将收割后不同含水率的麦秸用铡草机铡切成长度25mm-50mm, 用本机将麦秸成型, 分析在不同成型腔长度和环模转速条件下, 麦秸含水率与成型块密度、生产率、成型率和单位能耗的关系, 找出适合麦秸成型块的成型腔长度、环模转速和原料含水率的范围, 不同麦秸含水率的测定采用105℃恒重法进行, 并用湿基含水率表示。
成型块密度的测量采用单块测量法, 即通过单个成型块的长度、宽度和高度计算出其体积, 将该成型块的重量除之得到其单块密度值。若干单块密度的平均值为平均密度, 根据其平均密度再按下列公式计算出其密度绝对偏差的平均值:
该值体现成型块密度的离散程度。
成型率是指从成型机出来的长度大于30mm, 单块密度大于600kg/m3的成型块的重量之和与出机物总重量的百分比。即:
生产率计算为某批次成型块总重与该批次生产时间之商。即:
单位能耗是指单位成型块重量的电耗 (注:不含粉碎能耗) 。即:
3.2 麦秸的成型试验及结果分析
3.2.1 第一参数试验结果分析
试验参数和条件:成型腔截面尺寸48mm×32mm, 成型腔长度150mm, 环模转速150r/min。用麦秸含水率从15%到34%计6种含水率进行试验。
试验结果:在模腔无料的情况下, 含水率低和高都不能成型, 含水率在27%时能成型, 但含水率要求范围窄。当模腔内有上次余留的块时, 麦秸含水率从15%到34%都不能压出原模腔中的成型块, 即不能成型。
原因分析:麦秸表面光滑, 成型阻力小时不易成型。但当模腔内有上次未压出的料时, 成型阻力又太大, 即模腔长度过大, 导致模腔内的料压不出。
3.2.2 第二参数试验结果分析
试验参数和条件:将模腔长度缩短成107mm, 成型腔截面尺寸和环模转速不变, 用麦秸含水率从14.5%到24%计8种含水率进行试验。
试验结果:试验前模腔内都有上次成型余留的料, 以增加成型阻力, 便于成型。但压出的块密度偏低, 小于400kg/m3, 成型块长度又短, 约10mm-20mm。
原因分析:环模转速过高, 离心力过大导致成型块密度小、长度短、易断裂。
3.2.3 第三参数试验结果分析
试验参数和条件:将环模转速从150r/min降到126r/min, 以降低单位质量的离心力, 同时提高了工作扭矩, 模腔长度为107mm, 成型腔截面尺寸不变。
试验结果:试验前模腔内都有上次成型余留的料, 以增加成型阻力, 便于成型。其麦秸含水率与成型块生产率、单位能耗及成型率的关系如图4, 含水率与平均密度和密度绝对偏差平均值的关系如图5所示。
从图4可以看出, 随着麦秸含水率的增加单位能耗增加, 成型率和生产率都呈下降趋势。这可能是因为麦秸含水率增高时, 成型过程中较多的水分被挤出后, 分布于秸秆之间, 使之难于紧密结合, 成型率降低。生产率也随之降低, 单位能耗增加。因此, 在能够成型的条件下, 含水率应该越低越好。
从图5的平均密度可以看出, 含水率较高的成型块平均密度也高。这可能是因为含水率较高的麦秸在压缩过程中容易变形, 从而消除了秸秆间间隙。而平均密度越高, 成型块的质量越好, 在周转运输过程中破碎可能性也越小。从这个角度上说, 含水率高些更好。这与图4的结果是矛盾的。
从图5的密度绝对偏差的平均值可以看出麦秸含水率17.5%和24%时成型块密度的绝对偏差的平均值是103和102, 说明这两种含水率时成型块的密度离散度偏大, 即密度的均匀性较差。而麦秸含水率是20%时成型块密度的绝对偏差的平均值只有45, 说明这种含水率时的成型块的密度离散度小, 即密度均匀。
在原料含水率低于15%和高于28%时也做了成型试验, 结果成型块密度、成型率和生产率都低, 单位能耗高, 不适宜成型。
综合图4和图5, 麦秸含水率从17.5%到24%都能成型, 说明第三参数对原料适应性好, 原料只需通过自然晾晒就可成型。在保证成型块质量的前提下, 成型率和生产率较高、单位能耗较低的麦秸最佳含水率应在20%左右。
3.2.4 麦秸成型块如图6所示。
3.3 玉米秸、稻秸的成型试验及结果分析
玉米秸、稻秸在含水率为17%-30%范围内也都能成型, 成型后密度在800kg/m3-1 000kg/m3之间, 成型率大于90%, 与麦秸相比更容易成型, 含水率为28%的玉米秸成型块如图6所示, 含水率为24%的稻秸成型块如图7所示。
3.4 锯木面、谷壳的成型试验及结果分析
通过对锯木面、谷壳等小粒度生物质进行的成型试验表明, 使用该机的成型率低、成型后易破碎, 含水率为30%的锯木面成型块如图8所示, 含水率为26%的谷壳成型块如图9所示。
综上所述, 环模旋转秸秆成型机适合农作物秸秆的成型, 而不适宜锯木面、谷壳等小粒度农业固体生物质的成型。
3.5 秸秆成型块的成本分析
秸秆成型块的成本由秸秆原料成本和加工成本两部分构成, 而加工成本又由能耗、人工费、设备折旧费、维修费和其他费用等五项组成。秸秆成型块的成本分析见表1。
由于2吨秸秆成型块约相当于1吨煤炭的燃烧值, 2吨秸秆成型块的成本为692元, 而目前煤碳的售价约为800元/吨, 所以秸秆成型块除具有较大的社会效益外, 也具有一定的经济效益。
4 结论
4.1通过试验找出了环模旋转秸秆成型机压制麦秸块的最佳参数及麦秸的最佳含水率。在成型腔截面尺寸为48mm×32mm的环模旋转式成型机, 成型腔长度为107mm, 秸秆长度20mm-50mm, 环模转速在126r/min条件下, 麦秸含水率17.5%-24%都能成型, 最佳的含水率为20%时, 成型率82%, 生产率103kg/h, 成型块密度均匀, 密度范围在800kg/m3-950kg/m3之间, 单位能耗131k W·h/t。
4.2环模旋转式秸秆成型机对秸秆原料的含水率、长度等要求适应范围较宽, 适合四川等南方地区作物收割后秸秆自然平衡水分为15%-25%的自然条件, 秸秆通过铡切很容易达到长度20mm-50mm;且环模旋转式秸秆成型机生产率比较适合四川农村现有农业生产规模, 使秸秆的收集半径经济可行, 与秸秆的使用量和拥有量比较匹配, 适宜在农村分散设点就地加工秸秆成型块。
参考文献
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结构成型 篇7
关键词：秸秆,秸秆压块成型机
石油、天然气和煤炭是当今人类的3大主要能源, 都属不可再生能源。因此, 再生能源的开发利用日益受到广泛关注。生物质能源作为一种重要的再生能源, 在目前世界能源消耗中占总能耗的14%, 仅次于石油、天然气和煤炭, 居第4位。
我国正致力于让废弃的农作物秸秆转化为高品位的生物质能源, 以替代部分煤炭、石油等石化燃料, 缓解农村能源紧张的局面, 并提高农民的收入, 实现农村能源的可持续发展。秸秆作为一种重要的生物能源资源, 量大充足且价格低廉。把秸秆压缩成型后, 其密度增加8~10倍, 燃烧速度快, 燃烧后灰尘及其他指标的排放比煤低, 可实现CO2、SO2降排, 减少温室效应, 环保效益明显, 可以作为高品位能源产品加以利用。
目前, 国内市场上各种结构的秸秆成型机正应运而生, 配套设备把秸秆从田间收集、干燥、粉碎、晒干、成型后再燃烧, 努力实现秸秆的高效率利用。南通机床有限责任公司通过对市场调研分析, 结合江苏省农作物秸秆的特点, 设计了9JYK-500型秸秆压块成型机, 比较实际地解决了当地秸秆压块成型问题, 在结构上与其他同类设备有很大改进和优化。
1 秸秆压块成型原理
秸秆压块成型机将秸秆粉碎后, 送入成型机, 在外力作用下, 压缩成需要的形状, 成为便于运输、适应于工业锅炉燃烧的能源, 替代部分煤炭作为燃料, 进而基本实现秸秆资源化、产业化利用, 解决秸秆焚烧问题。
通过市场调研发现, 各种秸秆成型机根据结构不同, 大致分为3种, 螺旋挤压式、活塞冲压式和辊模碾压式 (环模和平模) 。螺旋挤压成型机在我国使用量最大, 成品密度高 (1 100~1 400 kg/m3) , 成品质量好、热值高, 更适合再加工成为炭化燃料, 但生产效率比较低 (200 kg/h) , 对原料要求较高 (成型温度220~280℃, 含水率8%~12%) , 能耗高且易损件寿命短 (不超过500 h) 。活塞冲压式技术的优点是成型密度较大, 生产的成型燃料直径范围宽泛, 允许物料水分高达20%, 但因为是液压缸往复运动, 间歇成型, 生产效率不高, 产品质量不太稳定, 不适宜炭化;而且活塞式的成型模腔容易磨损, 一般100 h要修一次。辊模碾压成型机工作时一般不需要外部加热, 能耗低, 对原料的适应性好, 原料含水率在10%~30%都可以生产, 但由于块状截面面积大, 对炉具的适应性差, 燃烧也不充分, 易损件的寿命短。
根据对国内现有秸秆压块成型机的性能及适应性的调研论证, 以及近几年引进的几种秸秆压块成型机示范使用情况, 设计者对秸秆种类适应范围、生产效率、可靠性及运行成本等进行的试验和分析表明, 国内部分企业研发的秸秆压块成型技术及其配套设备, 目前存在的问题还不少。如现在很多秸秆压块成套设备普遍存在适应性较差的问题, 绝大部分只能用于玉米、高粱、木屑、木片、树枝和边角料等生物质原料, 对稻麦秸秆尤其是麦秸秆不太适应。而个别能够适应的机械也存在诸多问题, 对秸秆本身要求高, 秸秆过湿或过干燥都不能制粒, 并且不易控制;粉碎机粉碎秸秆达不到标准, 并且污染环境, 操作人员劳动强度大;效率过低, 一般机械正常情况下, 生产效率只能达150~200 kg/h, 个别生产效率较高的机械也只能达到400~500 kg/h;能耗较大, 平均制粒用电70~80 k W·h/t;生产成本较高, 平均生产成本在400~430元/t。因此, 研究和开发适用于我国农村的实际需求, 且高效、低耗、低成本和适应性强的秸秆压块成型机, 是杜绝秸秆焚烧、提高秸秆综合利用的最新发展趋势, 也是开发设计成型机的根本目的。
综合类比后, 设计者以提高适应性和生产效率为目标, 采用平模式结构, 主要针对稻麦秸秆的成型需要, 确定技术设计参数, 成品密度800~1 100 kg/m3, 生产能力500 kg/h, 成型含水率15%~25%, 平模孔直径32 mm (农作物秸秆长需预先粉碎至10~60 mm) 。
成型原理如图1所示, 经粉碎后的秸秆送入料仓, 由主轴带动的压轮轴以低速转动, 通过轴承固定在压轮轴上的挤压轮, 以同样的速度转动。挤压轮与平模盘之间的间隙, 通过多次试验得到最适合值为0.8~1.5 mm。在挤压轮转动过程中, 秸秆对挤压轮产生反作用力, 其水平分力使挤压轮绕压轮轴自转, 垂直分力使挤压轮把秸秆从平模盘模孔中挤压成型。在挤压轮的不断挤压下, 秸秆发热并被进一步碾碎, 使秸秆的纤维组织被破坏。最终在挤压轮的作用下, 秸秆通过平模盘的模孔挤压, 自行粘结成直径为32 mm、长度为30~80 mm的圆柱状压块。
2 结构特点
为实现上述的成型过程, 必须设计相应的主轴传动机构以带动压轮轴低速转动。设计者采用结构简单、成熟、稳定、高效的蜗轮蜗杆减速箱传动, 按工作要求选用Y系列三相异步电动机, 型号为Y-200L-4, 额定功率30k W, 转速1 440 r/min, 电压380 V。减速器为恒转速输出, 减速比取1∶10, 为装拆方便, 输入输出轴设计为同轴线, 压轮轴得到工作转速为144 r/min, 满足设计要求。传动原理如图2所示。
根据传动原理, 设计秸秆压块成型机的机械结构方案如图3所示。经粉碎的秸秆送入进料口, 秸秆均匀地分散到挤压轮与平模盘之间的工作区, 通过主轴转动来带动压轮转动, 秸秆被强制从平模盘的模孔中呈圆柱状挤出, 并从出料口落下。成型机上部为料斗, 料斗的底部为平模盘, 两挤压轮分别安装在同一个水平设置的挤压轮轴的两端, 挤压轮轴安装在位于料斗下部中央的挤压轮架上, 挤压轮架安装在自平模盘下面穿过平模盘上的通孔并延伸至料斗内的主轴上。
3 结构优化与创新设计
3.1 挤压轮
经粉碎的秸秆送入进料口后, 主要通过挤压轮的挤压作用, 将秸秆均匀分散到挤压轮与平模盘之间的工作区。开始时, 只设计了一对挤压轮, 通过多次试验证明其成型效率偏低, 不能适应市场需求。在同等功率电机的基础上设计者改进设计, 增加了一对挤压轮, 现共有4个挤压轮, 呈十字对称分布, 压轮轴结构相应更改设计成十字轴。这样提高了挤压轮通过平模盘模口的频率, 从而提高了生产效率。
为增加挤压轮的挤压效果, 在挤压轮的外圆上设计了同步齿形带式梯形齿, 零件图见图4。这样改进后, 由于梯形齿的作用, 以及挤压轮因反作用力的水平分力产生的自转运动, 更有利于加速将粉碎后的秸秆挤压进平模盘的模孔中。因挤压轮表面与秸秆相对摩擦较大, 考虑零件的耐磨性和工作强度, 挤压轮材料选用耐磨性较好的20Cr, 采用渗碳淬火热处理工艺使其齿面具有较高硬度, 提高零件的使用寿命。
3.2 平模盘
平模盘的作用是将受到挤压的秸秆在其模孔中成型, 模孔设计成直径为30 mm的圆柱形, 圆周方向呈单排排列。经过反复试验, 发现成型效率不够高, 固定模孔的挤压效果也不够好, 平模盘的模口和模孔容易磨损, 磨损后只能更换平模盘, 维修很不方便。
为了加快成型速度, 提高生产效率, 将平模盘的单排模孔改进设计成双排, 这样成型的效率问题得到了有效解决。随后, 又将圆柱形的固定模孔改成带有锥度的嵌入式模套孔, 磨损后只需更换模孔中的衬套, 对衬套内腔采用优化设计, 入口处特殊的锥度形状更有利于挤压成型, 用以降低功耗, 极大的方便了维修工作。模口衬套采用40Cr材料, 经淬火处理后保持一定硬度和耐磨性。改进后的平模盘零件图见图5。
3.3 过载保护
由于挤压轮与平模盘之间的间隙较小, 当秸秆碎料填铺过多、过厚时, 会使挤压轮受力短时过载, 压轮轴受力变形。在试制过程中设计者发现, 过载甚至使法兰盘盖变形。根据已设计的成型机结构图, 在法兰盘与法兰盘盖之间还有小部分空间可利用, 设计者设想通过用碟形弹簧来解决过载问题。
碟形弹簧是用钢板冲压成形的截锥形压缩弹簧, 其特点是刚度大, 能以小变形承受大载荷。当h0 (碟形弹簧压平时变形量) /t (碟形弹簧厚度) =0.4~0.8时, 即使变形有变化, 而载荷却近于不变。这一特性给设计者提供了碟形弹簧在一定变形范围内, 保持载荷恒定的方法。按照标准GB/T1972-1992, 根据法兰盘零件已设计尺寸, 选用一级精度、系列A、外径D=125 mm的第3类弹簧, 采用一对碟形弹簧组合使用。这样不仅刚度大, 承载能力高, 而且可借变形时各碟之间的摩擦作用, 使部分冲击能量转变为热能, 起到缓冲作用。
最终, 设计者采用了一对组合碟形弹簧压紧十字压轮轴的结构设计, 当挤压轮受力过载时, 碟形弹簧发生变形, 起到过载保护作用, 保护了整个传动机构不因过载而产生结构件的损坏, 结构紧凑可靠, 改进后的成型机结构见图6。
3.4 对各种秸秆的适应性
由于目前市场上同类成型机绝大部分只能适用于玉米、高粱、木屑及边角料等生物质原料, 对稻麦秸秆不太适应, 所以此次设计主要针对稻麦秸秆原料。9JYK-500型秸秆压块成型机结构对稻麦秸秆的适应性较强, 通过大量试验表明, 压制麦秸秆时加入不低于30%的稻秸秆、玉米秸秆或其他易于成型的物料就行, 成型含水率为15%~25%。试制的压块成品密度800~1 100 kg/m3, 生产能力500~800 kg/h。
4 结语
9JYK-500型秸秆压块成型机的设计结构简单、紧凑, 有效提高生产率, 适用于对生物质农业饲料压块和燃料压块的致密成型制造, 特别适用于回潮率较高的原料, 尤其是稻麦秸秆的压块成型。
通过研发与推广秸秆压块成型机, 从实质上很好地解决了农作物秸秆的去路问题, 为企业提供充裕、价廉的原料, 又能为农民提供方便、快捷的致富渠道, 具有显著的经济效益;同时又杜绝了秸秆焚烧, 最大限度地减轻秸秆烟尘对人们身体的危害, 对加快建设资源节约型、环境友好型社会具有十分重要的现实意义。
参考文献
结构成型 篇8
1 铲齿成型铣刀的结构参数设计
高速轴选用40Cr锻造毛坯, 型面部分设计廓形如图1所示, 形状精度要求6～8级, Ra 取1.63～3.20 μm。此型面轴在普通铣床上采用成型铣削法加工, 可省去轨迹法加工改装机床的费用。成型铣刀按铲齿成型设计, 为保证刀具重磨后切削刃上各点的后角保持不变, 采用对数螺线作为铲背曲线, 极坐标方程为ρ=aemθ。
1.1 工件工艺分析
为确定铣刀的刃形和制造检验铣刀的样板, 需求出刀齿廓形和刀刃廓形。本次铣刀设计取精加工, γf=0°, 它的前刀面刃形与工件的截形相同, 即工件法剖面廓形就是铣刀前刀面廓形。
分析对数螺线型面轴廓形可知, 该廓形由3段相同的曲线连接而成, 可以选任意一段 (abc段) 来设计铣刀廓形, 其中bc段为对数螺线, ab段为直线连接。为便于设计和制造成型铣刀, 取图bc段廓形作为一次铣削时的工件廓形。在坐标系中, bc段的廓形方程为:
ρ=13e0.0524 (θ-2π/9) (2π/9≤θ≤5π/6)
1.2 确定铣刀宽度和齿形高度
通常情况下, 铣刀宽度应比工件宽度略大。由于此工件廓形的特殊性, 从增加刀刃两边的强度考虑, 需将铣刀两端适度增大, 然后按标准系列选取。
由图1分析计算:
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B=BW+ (10～12) mm, 取B=35 mm
齿形高度h为最高点与最低点高度差:
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1.3 孔径d
根据铣削宽度、工作条件选取的孔径, 应保证心轴的强度和刚度。根据生产经验, 按照心轴标准系列推荐的数值查表, 当B=35 mm时, 取d=27 mm。
1.4 初选外径d0
d0大的好处是:可增大孔径, 提高心轴强度、刚度, 容许使用较高的切削用量;在容屑空间足够时, 刀齿Z可以多些, 当每齿进给量af不变时, 可增大每转进给量 (f=afZ ) ;当af不变时, d0增大后可减小工件表面上残留面的高度。但d0过大将增加铣削扭力矩 (M=FZd0/2) , 增加动力消耗和刀具材料消耗, 且铣削时易发生振动。选择时应全面考虑。
d0= (2～2.2) d+2.2h+ (2～6) ≈75.28 mm
圆整为5的倍数后, 初选d0=75 mm。
1.5 初选铣刀齿数Z
同时工作齿数多, 铣削均匀性较好。根据d0, 并考虑到制造方便, 一般Z宜取偶数, 查表初选Z=12。
1.6 确定铣刀后角αf及铲齿量K
取工艺分析时初选的αf=12°:
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查表取机床凸轮升高量接近值, 确定K=4 mm。
1.7 确定容屑槽尺寸
(1) 槽角θ。按公式θ=ψ+ε1+ε2+εr计算, 考虑容屑空间, 取15～20°, 这里取ψ=16°, ε1+ε2=1°, 因齿形高度h不太大, 选δr=60°, 取undefined, 得θ=22°。
确定后的θ符合加工容屑槽所用的标准角度铣刀系列, 这里取θ=22°。
(2) 槽底圆弧半径r。A与δ有关, δ=60°时, A=6。
undefinedmm, 取r=1.5 mm。
(3) 槽深H。H=K+h+r=11.94 mm, 取H=12 mm。
(4) 齿根强度验算。εW与δ有关, εr=60°时, undefined
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求比值:undefined
采用平底式槽底时, 其刀齿强度满足要求。
1.8 校验刀体强度
根据刀体强度要求, m最小值应为:m=0.4×d=10.8 mm。
据初定铣刀结构尺寸计算:
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大于刀体强度要求值。
1.9 分屑槽、内孔、键槽尺寸
因铣刀宽度B>20 mm, 所以应在刀刃上做出分屑槽, 所定的内孔、键槽尺寸及公差如图2所示。
2 确定铣刀的技术条件
铣刀刃公差为工件廓形公差的1/3, 即切削刃的径向及端面跳动为0.03 mm;刀体端面跳动为0.02 mm;前刀面非径向性偏差只许凹入0.06 mm;两端面应互相平行, 并与内孔中心线垂直;齿形用样板投影检查, 其允许透光度为:齿形部分为0.05 mm, 齿顶及圆周部分为0.09 mm;刀齿前面、内孔表面、端面粗糙度不大于0.8;铣刀材料采用钛钴类硬质合金YT15, 热处理后硬度为HRC63～66;铣刀工作部分不得有裂纹、划剐痕、崩刃、烧伤、毛刺、锈迹、脱炭层和软点等。
3 成型铣刀结构图
图2为铣刀结构图, 在制造成型铣刀时, 为了避免热处理时产生裂纹, 在廓形凹陷的各转折点处, 应钻小圆孔。成型铣刀用样板来检验刀具廓形精确度, 样板的廓形应与刀具廓形完全吻合, 样板用低碳钢15制造, 经表面淬火后硬度应在HRC56～62。
4 结语
将对数螺线作为本成型铣刀铲背曲线, 使刀具的后角始终保持不变, 这对刀具的耐用性、切削性能的稳定性以及型面的加工精度都有利。用本设计的成型铣刀在普通铣床上加工出的对数螺线型面轴应用在电动滚筒后, 未出现压溃损坏和断轴事故, 得到了生产厂家和用户的高度认可。
为电动滚筒高速轴生产中新工艺、新方法的开发及研究提供了一条新的途径。
参考文献
[1]刘建勋.电动滚筒设计与选用手册[M].北京:化学工业出版社, 2000.
[2]郑友益, 王裕清, 沈慧芬, 等.用成形铣削法加工等距三边型面轴[J].煤矿机械, 1997 (1) :26~28.
[3]武良臣, 郑友益.型面联接制造理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2001.
结构成型 篇9
硬绕组复形模端部材质及形状的改进。硬绕组电机定子成型线圈在制造中,有一个关键的工序就是:张形后的复形工序。硬绕组电机定子线圈复形的主要作用是:把线圈端部的形状校准到正确的形状,以保证嵌线后定子线圈端部尺寸的正确与整齐。
2 复形是在专门的复形模上进行的
早期传统的线圈复形模的端部是用硬木制造的,是木工师傅在一块方木上按成型线圈端部形状制造的。制造起来很麻烦且与复形模直线部分是用螺钉连接在一起的,使用时间长了就会松动连接起来时较困难。其整体结构如下图所示:
端部结构如下图所示:
这种复形模的端部制造周期长,制造困难,影响成型线圈的制造工期,进而影响电机的生产效率。
3 经改进后的线圈
现在经改进后的线圈复形模的端部用的材质是常用的普通碳素钢Q235-A;其结构是按照成型线圈端部弧度的形状加工出两付弧板,再根据成型线圈的尺寸要求计算出弧板的弧度、长度及角度。然后,把两付弧板按照要求与直线部分的角铁焊接起来并进行圆滑过渡。为增加弧板强度,在弧板底下与支板底脚之间焊接两根支撑肋,直线部分的角铁焊接在两侧支板上,两支板用两个侧板进行连接并焊接起来。值得注意的是端部弧板与直线部分角铁采用焊接技术连接,连接好后将直线角铁与端部弧板连接处修整平滑,光洁、圆滑过渡;表面粗糙度要达到要求时即可使用。这样能够使线圈在复形时不至破损影响线圈性能。复形模的所有零件加工起来很方便。连接起来很容易并且牢固耐用。整个复形模操作简单、实用、制造容易,而且能够满足批量生产的需要。成型线圈复形时,把拉好形的线圈放到复形模内,先矫正线圈直线部分,矫正好后把直线部分用复形模上胎压紧并夹紧,然后矫正线圈的端接部分,把线圈端部按复形模弧板的形状进行矫正。经过复形后,线圈的形状基本上可达到要求。线圈的几何形状基本一致。其整体结构如下图:
端部结构如下图:
4 结束语
经改进后的复形模端部制造起来容易。用这种复形模制造出来的成型线圈的形状、尺寸及几何形状能达到要求,缩短了电机成型线圈的制造工期,提高了电机的生产效率。
摘要：本文分析了硬绕组电机端部复形所需工艺装备复形模。介绍了复形模的工作原理并对其进行改进。改进后的模具提高工作效率。
关键词：硬绕组,复形模
参考文献
[1]章顺勤,胡夏夏等.超声波电机定子支撑部分的结构优化分析.机电工程,2008(9):45-47.