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1、1 前言1.1 选题背景和意义拉丝机在机械加工中有着广泛的应用， 拉丝机按其用途可分为金属拉丝机准件和塑料拉丝机以及竹木拉丝机等。我国拉丝机的发展可追溯到五六十年代，由于发展时间短暂，在机器性能，产品质量等方面较发达国家有很大的差距。在七八十年代有不少企业引进的先进的拉丝设备，然而多数的拉丝机还是普通的滑轮式拉丝机为主，仍然达不到性能先进的要求。二十世纪末，我国的拉丝机设备有了很大的发展，拉丝机的性能有了很大的提高。大部分都能满足国内的基本需求，但仍很难跟上市场的快速扩大和国民经济的发展。与工业发达国家相比，在工艺技术、机器性能、产品质量方面仍有较大差距。而且金属线材在机械制造行业中占有很重要
2、的的地位，覆盖了生产生活的很多方面，目前我国的拉丝机行业虽然有一定的规模而且发展迅速，但和一些工业发达国家相比还有一定的差距，因此做此方面的设计，有助于加深对金属线材制造行业的认识和最新发展情况，了解拉丝机实在际生产生活中的作用，增加自己的实践知识正确认识国内外的差距所在等方面有着许多重要的意义1.2设计中的拉丝机概述此次毕业设计的对象具体属于水箱式拉丝机，水箱拉丝机采用液体降温、润滑，相比于干丝拉丝机总压缩率高，生产效率高，拉拔钢丝时冷却条件好，没有时效脆化现象，而且水箱拉丝机价格便宜，维修方便，费用少，在金属制品行业细丝拉拔工序 应用广泛。以在毕业实习中的所接触到的水箱拉丝机位设计原型（如
3、图1所示），并参考JCJXB24水箱拉丝机（如图2所示）的结构性能，来进行水箱拉丝机的设计。设计的主要内容为拉丝机的主体设计，包括拉丝机传动机构拉丝机构，进线机构和收线机构进行描述性的设计，而考虑到自身的专业，拉丝机的电器控制部分不再毕业设计的范围内。图1 实习工厂内的拉丝机 图2 JCJXB24型水箱拉丝机2 拉丝机方案的确定2.1水箱拉丝机的主要设计要求最大进线直径：2.0mm 最小出线直径：0.8mm最大线速 600m/min机械减面率 12.27%主机功率 7.5KW拉丝道次为142.2拉丝机的功能和结构分析1.拉丝机的功能分析经整体分析拉丝机的主要功能可分为：送线功能、拉拔功能、收线
4、功能。其中送线功能里面还包括一个矫直功能用来矫直即将进入拉拔模的钢丝。拉拔功能里面还包括对拉拔模的润滑、降温功能。收线空能里又包括一个排线功能，使经拉拔后的钢丝均匀的缠绕在收线卷筒上。功能分解图如图3所示： 拉丝机送线拉拔收线矫直润滑、降温排线图3 拉丝机功能分解图2.拉丝机的结构分析及确定所设计的拉丝机为水箱式拉丝机，起拉拔作用的有拉拔模、拉丝塔伦，起传动作用的是电动机，电动机通过皮带传动，将动力传动到主传动轴，然后主传动轴通过齿轮传动，分别传递给主动拉丝塔轮，主动拉丝塔轮则再经过带传动传递给被动拉丝塔伦，在主被动拉丝塔轮的配合下，将钢丝拉过个拉拔模，完成整个拉丝过程。所以该拉丝机的主要结构
5、有:送线机构、模盒、拉丝机支架（箱体）、拉丝卷筒、主体减速箱、排线机构、收线机构等。2.3 拉丝机拉拔部分的设计2.3.1拉丝机工作原理为了更好的理解拉丝机工作原理,有必要了解一些基本的概念.首先了解拉模,如图一所示,拉模的结构!形状尺寸.表面质量和材质,对制品的质量,产量,能耗以及成本等有很大的影响。模孔分成下面几个入口区。模孔最宽截面大的部分,通过入口区,坯料易于进入模孔,润滑剂易于送入工作区润滑区和工作区一被拉金属实现变形的部分,即实现塑性变形的主要部分,并获得所需形状和尺寸定径区一被拉金属得到精确的最终尺寸和形状的部分倒圆锥区，防止了线材，棒材，管材表面上形成划道和擦伤，出口区，防止被
6、拉金属出模子时被损伤，擦伤，划伤的模孔部分。在拉拔过程中,拉模受到较大的摩擦,特别在拉线时,由于拉拔速度很高,工具的磨损很快；因此,拉模的材料要求具有高硬度，高抗磨性和足够的强度,常用的模具材料有金刚石，硬质合金，钢，铸铁和刚玉陶瓷。最后是拉拔力。坯料尖端受到拉拔作用后,其内部产生了应力,施加到坯料尖端上引导坯料进入模孔的力叫做拉拔力,与制品在模子出口处的横截面之比称为拉拔应力拉拔应力不能超过钢丝的强度极限,否则就要断丝。2.3.2拉拔路线的确定钢丝生产,从线材到成品,要经过数次的拉拔,每次拉拔都需要一只拉丝模,并按拉拔顺序排好。这些模子的配置路线,就叫拉丝模路线（简称拉模路线）。制订拉模路线
7、,要根据总压缩率!部分压缩率和拉拔道次。2.3.3总压缩率的确定总压缩率是指从毛坯到成品,总的压缩百分比,Q表示为钢丝拉拔前、后的截面面积缩小的绝对量压缩量与拉拔前钢丝的截面面积之比,见公式(2-1)。由于截面压缩量总是小于拉拔前钢丝的截面积,因此压缩率总是小于1,故压缩率的数值常用百分比表示。 （2-1）上述公式可以简化为下述公式,即（2-2）式中 Q总压缩率D进线直径d出线直径2.3.2部分压缩率的确定部分压缩率及道次压缩率,是指在总压缩不变的情况下,拉拔的道次和压缩量的大小。也就是上下相邻的两只模子直径压缩的百分比。通常以q1，q2，q3qn来表示,计算公式与总压缩率相似。 （2-3）式
8、中 qn第n道次的部分压缩率dn-1第n-1道次的直径dn第n道次的直径部分压缩率的大小对产量!断头率和钢丝的性能等,都有影响。一般中、高碳钢丝的部分压缩率范围为1030%。具体确定,要考虑以下一些因素：（1）线材的含碳量这是最主要的因素,含碳量越高,变形越困难,因此其部分压缩率应偏小。（2）制品的机械性能部分压缩率的大小,对高强度钢遨则影响很大。部分压缩率过大,会加速钢丝的硬化,而使其塑性下降,变形不均匀,尤其在扭转试验时容易产生裂纹因此拉拔高强度钢丝时,一般均采用偏低的部分压缩率。（3）拉拔速度。为了使低碳钢丝高速拉拔时减少断头,应选择偏小的部分压缩率。（4）金属的硬化。钢丝经过拉拔逐渐硬
9、化,塑性不断下降,因此其部分压缩率不能平均地配置。应该开始时偏大,以后逐渐递减。（5）拉拔道次。第一道次拉拔,因线材有直径超公差和不圆正等因素,并为了形成较厚的润滑膜,故应选择偏小的压缩率,以保证顺利拉拔。因此在具体分配部分压缩率时,一般第一模应该偏小,第二模最大,然后再逐步减小。（6）其它因素。线材夹杂多,扎制质量差,部分及总压缩率应偏小,以减少断头。钢丝的润滑和冷却条件不良时,部分压缩率亦应偏小。2.3.3拉拔路线的确定以压缩率为依据进行计算根据总压缩率!部分压缩率和拉拔道次三者的关系可得到下式：（1-q）=1-Q (2.4) 式中 q平平均部分压缩率Q总压缩率n拉拔道次从公式（2-4）推
10、导下面各式求拉拔道次： n= (2.5)求总压缩率： Q=1-（1-q） (2.6)求平均压缩率： q=1- (2.7)根据上述部分压缩率的确定方法第一模小,第二模最大,以后逐模递减将已求出的平按道次酌情增减,并令增减值的代数和等于零,然后按下式验证左右两边是否相等,如有出入略为调整即可。 1-Q=(1-q)(1-q)(1-q) (2.8)根据设计任务的要求，水箱拉丝机进线直径为2mm，出线直径为0.8mm，拉丝道次为14，由式（2-2）计算总压缩率为： (2.9)根据式（2-7），求平均部分压缩率为： 根据第一模小,第二模最大,以后逐模递减将已求出的平按道次酌情增减的原则，拉模路线入下表所示
11、：表1 拉模路线计算道次平均压缩率（%）实际压缩率（%）拉模直径（mm）进线2.00 112.27101.90 212.27151.75 312.2714.61.62 412.2714.21.50 512.2713.81.39 612.2713.41.29 712.27131.21 812.2712.61.13 912.2712.21.06 1012.2711.80.99 1112.2711.40.93 1212.2710.60.88 1312.279.80.84 1412.2790.80 根据式（2-8）验算拉模路线：右边等于：左边等于： 1-84%=0.16两边近似相等，拉模路线适合。2.
12、4拉拔力、转速及负载力矩的确定在进行滑轮式拉丝机设计之前,除了有必要确定拉模路线之外,还要计算出拉拔力、转速及其负载力矩。精确地确定钢丝的拉拔力,对设计和改进滑轮式拉丝机提供必要的设计参数,为下面的设计工作提供依据。2.4.1拉拔力的确定计算拉拔力的方法和公式较多,由于很多公式考虑的因素和条件不同,计算出来的数据差别较大,所以要确定拉拔力为了计算拉拔力,国内外学者提出了很多公式,主要是因为影响拉拔力的因素很多而且复杂,又为了简化计算,只能把某些影响因素假设为不变,故而提出了很多公式来计算拉拔力。计算拉拔力的理论公式都是从按塑性度形理论按变形区静力平衡条件或按断面变化的功能条件导出。在通常的设计
13、中,经常忽略一些影响因数,而采用较为简便的经验公式进行设计!计算,例如,拉拔力的计算可用克拉西里希柯夫公式计算,或用一个简易公式进行估算：F=0.6d (2.10)F=0.6S (2.11)式中 Fn第道次拉拔力（N）b平线材的平均抗拉强度（N/mm2）改进后表达式为： F=dK (2.12)对于圆形碳素钢丝b可由的屠林科夫公式计算： （2.13）查钢丝强度手册，2mm钢丝强度为1470MPa。根据（2-12）和（2-13），其中K取经验值0.7，计算出各直径钢丝强度和拉拔力表：表2 抗拉强度和拉拔力表道次线径（mm）强度(MPa)拉力(N)进线2.00 1470 11.90 1508 659
14、.30 21.75 1571 813.96 31.62 1633 756.76 41.50 1697 727.03 51.39 1763 695.93 61.29 1830 663.29 71.21 1890 591.63 81.13 1956 592.30 91.06 2019 553.41 100.99 2089 554.04 110.93 2156 512.17 120.88 2216 466.67 130.84 2268 416.47 140.80 2324 416.71 2.4.2拉拔速度的确定根据拉拔过程中,通过各道次的金属秒流量必须相等的关系,有 (2-14)式中 第n-1道次被
15、拉金属出模处截面积(mm2)第n-1道次被拉金属出模速度（m/s）第n道次被拉金属出模处截面积(mm2)第n道次被拉金属出模速度（m/s）由此可以计算出各道次的出模的基本速度2.4.2负载力矩的确定传动装置的输出端必需能够克服负载力矩,否则将带动不了机器的正常工作状态所以有必要求出克服负载力矩的值来。 (2-15)式中 第n道次克服负载力矩第n道次拉拔力r卷筒半径由此可以计算出各道次需要克服的负载力矩。2.4.3确定拉拔功率。计算公式为：（2-16）式中：传动电机的有效功率（千瓦）空载功率,通常为拉丝机有效（计算）功率的10%,或用电表面,工仪表测出（千瓦）。所需要的拉拔力（公斤）拉拔速度米分
16、拉丝机传动机构与电动机的功率,根据拉丝机结构不同而异,约在0.8-0.92之间。根据表达式（2-14）、（2-15）和（2-16）以及转速和线速度的转换关系，取=0.92，取塔轮最小直径为0.1m，计算出拉拔转速，负载力矩，拉拔功率和各塔轮直径入下面表格所示：表3 拉拔转速、拉拔力矩和拉拔功率道次拉拔转速（米/分钟）拉拔力矩（N.m）拉拔功率（KW）进线96.00 1106.37 32.97 0.21 2125.39 44.77 0.31 3146.32 49.19 0.33 4170.67 58.16 0.37 5198.75 66.11 0.42 6230.76 69.65 0.46 72
17、62.28 71.00 0.47 8300.73 29.62 0.54 9341.76 30.44 0.57 10391.80 36.01 0.65 11443.98 38.41 0.68 12495.87 39.67 0.70 13544.22 37.48 0.68 14600.00 41.67 0.75 表4 塔轮直径和塔轮转速塔轮1直径（m）塔轮1转速(转/分)塔轮2直径(m)塔轮2转速(转/分)塔轮3直径(m)塔轮3转速(转/分)塔轮4直径(m)塔轮4转速(转/分)0.13060.13390.18480.19570.113060.123390.118480.119570.133060.
18、143390.138480.139570.153060.163390.158480.159570.183060.193390.178480.169570.213060.223390.198480.189570.243060.253390.28480.29573 选择电动机3.1电动机类型的选择 本拉丝机可选择卧式封闭型Y（IP44）系列三相交流异步电动机。3.2选择电动机容量 1） 工作机所需功率由表3计算出各道次拉拔功率总和为：0.21+0.31+0.33+0.37+0.42+0.46+0.47+0.54+0.57+0.65+0.68+0.70+0.68+0.75=7.14KW 2） 确定电
19、动机的额定功率 由表20-1确定电动机的额定功率3.3选择电动机的转速和型号 选取同步转速为或的电动机，满足要求的方案有以下两种：传动方案对照方案电动机型 号额定功率（kW）电动机转速(r/min)电动机M(kg)同步满载1Y132M-47.515001440812Y160M-67.51000970119由表中数据可知两个方案均可行，但方案2的转速和塔轮转速太相近。因此采用方案1，选定电动机的型号为Y160M-4。3.4电动机的技术数据和外形、安装尺寸电动机轴的长度，电机中心高度 4.V带传动设计4.1确定计算功率由机械设计表8-6查得工作情况系数，故 （4.1）4.2 选取V带带型选择窄V带
20、，根据、由机械设计图8-8确定选用SPZ型。4.3 带轮参数的计算由机械设计表8-3和表8-7取主动轮基准直径，小于电机高度，满足装配要求。从动轮基准直径根据机械设计表8-7，取。验算带的速度带的速度合适。1.确定普通V带的基准长度和传动中心距初步确定中心距计算带所需的基准长度 （4.2）由机械设计表8-2选带的基准长度计算实际中心距 （4.3）2.验算主动轮上的包角 （4.4）主动轮上的包角合适。3.计算普通V带的根数用二次插值法于机械设计表8-5a和表8-5b查得 由机械设计表8-8查得，由机械设计表8-2查得取根4. 计算预紧力由机械设计表8-4查得，故 （4.5）5 计算作用在轴上的压
21、轴力 （4.7）由机械设计表8-10查得带轮宽小于电机轴长度，满足装配要求5 传动齿轮的设计5.1入线侧齿轮的设计1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1） 按所选传动方案，选用闭式斜齿圆柱齿轮传动。2） 拉丝机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。3） 材料选择。选择40Cr,调质及表面淬火,硬度48-55HRC4） 选小齿轮齿数，大齿轮齿数取5）初选螺旋角2按齿面接触强度设计 计算公式 （5.1） 1）确定公式内的各计算数值 （1） 试选。 （2） 由机械设计图10-30选取区域系数。 （3） 由机械设计图10-26查得，则 （4） 由机械设计表10-7选取齿宽系数 （5） 由机械设计
22、表10-6查得材料的弹性影响系数 （6） 由机械设计图10-21查得， （7） 计算应力循环次数 （5.2） （8） 由机械设计图10-19查得接触疲劳寿命系数 （9） 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1，安全系数，得 （5.3） 2) 设计计算 （1） 试算小齿轮分度圆直径 （5.4） （2） 计算圆周速度 （5.5） （3） 计算齿宽及模数 （4） 计算纵向重合度 （5.6） （5） 计算载荷系数 由机械设计表10-2查得使用系数 根据，7级精度，由机械设计图10-8查得动载系数；由机械设计表10-4查得齿向载荷分布系数的公式并计算 由机械设计图10-13查得 由机械设计表10-3查得。
23、故载荷系数 （6） 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 （5.7） （7） 计算模数 （5.8）3按齿根弯曲强度设计 （5.9）1） 确定计算参数（1） 计算载荷系数 （5.10）（2） 由机械设计图10-28查得螺旋角影响系数（3） 计算当量齿数 （5.11） (4) 由机械设计表10-5查得齿形系数和应力校正系数 （5）由机械设计图10-20查得小大齿轮的弯曲疲劳强度极限为， （6） 由机械设计图10-18查得接触疲劳寿命系数 （7） 计算弯曲疲劳许用应力 取失效概率为1，安全系数，得 （8）计算大、小齿轮的并加以比较 大齿轮的数值大，用大齿轮的数据设计。 2）设计计算 （5.12）对
24、比计算结果，由齿面接触强度计算的法面模数大于由齿根弯曲强度计算的法面模数，取已满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数。于是由 取，则，取4几何尺寸计算1） 计算中心矩 （5.13）将中心矩圆整为266mm。2） 按圆整后的中心矩修正螺旋角 （5.14）3） 计算大、小的分度圆直径 （5.15）4） 计算齿轮宽度 （5.16） 圆整后取，5） 结构设计小齿轮：齿轮齿顶圆直径小于160mm，故做成实心结构的齿轮。大齿轮：大齿轮齿顶圆直径小于500 mm ，而又大于160mm，故选用腹板式结构为宜。5.2出线侧齿轮传动设计1.选定齿轮类型、精度等级
25、、材料及齿数1）按所选传动方案，选用闭式斜齿圆柱齿轮传动。2）拉丝机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。3）材料选择。选择40Cr,调质及表面淬火,硬度48-55HRC4）选小齿轮齿数，大齿轮齿数取5）初选螺旋角2按齿面接触强度设计 1）确定公式内的各计算数值 （1） 试选。 （2） 由机械设计图10-30选取区域系数。 （3） 由机械设计图10-26查得，则 （4） 由机械设计表10-7选取齿宽系数 （5） 由机械设计表10-6查得材料的弹性影响系数 （6） 由机械设计图10-21查得， （7） 计算应力循环次数 （8） 由机械设计图10-19查得接触疲劳寿命系数 （9） 计算接触疲劳
26、许用应力 取失效概率为1，安全系数，得 2) 设计计算 （1） 试算小齿轮分度圆直径 （2） 计算圆周速度 （3） 计算齿宽及模数 （4） 计算纵向重合度 （5） 计算载荷系数 由机械设计表10-2查得使用系数 根据，7级精度，由机械设计图10-8查得动载系数；由机械设计表10-4查得齿向载荷分布系数的公式并计算 由机械设计图10-13查得 由机械设计表10-3查得。故载荷系数 （6） 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 （7） 计算模数 3按齿根弯曲强度设计 6） 确定计算参数（1）计算载荷系数 （2）由机械设计图10-28查得螺旋角影响系数（3）计算当量齿数 （4）由机械设计表10-5
27、查得齿形系数和应力校正系数 （5）由机械设计图10-20查得小大齿轮的弯曲疲劳强度极限为 （6） 由机械设计图10-18查得接触疲劳寿命系数 （7） 计算弯曲疲劳许用应力 取失效概率为1，安全系数，得 （8）计算大、小齿轮的并加以比较 小齿轮的数值大，用小齿轮的数据设计。 2）设计计算 对比计算结果，由齿面接触强度计算的法面模数大于由齿根弯曲强度计算的法面模数，取已满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数。于是由 取，则，取4几何尺寸计算7） 计算中心矩将中心矩圆整为194mm。8） 按圆整后的中心矩修正螺旋角 9） 计算大、小的分度圆直径10
28、） 计算齿轮宽度 圆整后取，11） 结构设计小齿轮和大齿轮齿顶圆直径大于160mm，故选用腹板式结构为宜。6 轴的设计与轴承的选择校核6.1轴的设计（1） 绘制轴的布置简图和初定跨距。考虑相邻齿轮沿轴向不发生干涉，计入相邻齿轮间距为10mm.考虑齿轮与箱体内壁沿轴向不发生干涉，计入轴向距离为8mm尺寸。（2） 高速轴（和电机连接轴）的设计选择轴的材料及热处理轴上小齿轮的直径较小，采用齿轮轴结构。轴的材料及热处理和齿轮的材料及热处理一致，选用45钢调质。轴的受力分析图中（a） 计算齿轮的啮合力（b） 求水平面内的支承反力，作水平面内的弯矩图（c） 求垂直面内的支承反力，作垂直面内的弯矩图 （d）
29、 求支承反力，作轴的合成弯矩图、转矩图 轴的初步计算 轴的材料为45钢调质处理，。取折算系数。计算危险截面（C截面）直径 计算轴的最小直径 轴的结构设计取高速轴轴端（带轮轴）的直径。取安装齿轮处直径。取轴颈直径6.2滚动轴承的选择与校核轴承类型选择初选滚动轴承依据GB/76391-1995。根据轴颈直径选择高速轴轴承为7207AC角接触球轴承，轴承预期寿命为3年。高速轴轴承的校核。(1)轴承上受力：Fte=6878.168N Fre=2590.866N Fae=1833.482N 靠近带轮的轴承所受径向力Fr1v=2051.073N Fr2N=2680.939NFr1H=2611.313N F
30、r2H=4712.037N得： Fr1=2983.123N Fr2=5421.321N(2)求两轴承的计算轴向力对于7000AC轴承，按表3-7，派生轴向力Fd=0.68FrFd1=0.68Fr1=2028.524NFd2=0.68Fr2=3686.498N比较Fae+Fd1与Fd2.左轴承受压可得：Fa2=Fe+Fd2=3862.006N Fa1=Fd1=2028.524N(3)求轴承当量动载荷P1,P20.68=e,由课本表13-5得X=1.Y=00.7120.68 得X=0.41，Y=0.87因轴承运转中有轻微冲击，由课本表13-6得fp=1.0P1=fp(X1Fr1+Y1Fa1)=29
31、83.123NP2=fp(X2Fr2+Y2Fa2)=5582.683NP1P2轴承工作转速因，故满足要求。7结 论本设计以实习企业的拉丝设备作为研究对象,对钢丝的生产进行前期计算。根据拉拔路线及秒流量原理,计算出拉拔速度、拉拔力等参数。通过整个设计的过程包括计算和图纸的绘制，达到了预期的设计目的。在电动机的带动下，通过带轮、齿轮和轴的传动将力传递到塔轮，在塔轮的牵引作用下，钢丝逐步通过各个拉拔模后被拉伸，直径变细。同时大量的分析计算和相关文献资料的查阅保证了轴、齿轮及所选轴承、键的强度，另外在选材方面，选用的材料都是实际生产十分常见，应用十分广泛的材料，如45钢、HT200等，不仅在性能上能够
32、满足要求，而且能够很好的控制成本。参 考 文 献1Smith & Associates .Drawing and Stretching of MetalsJ.C042 rev December 7, 2002 , 530 Hollywood Drive, Monroe, Michigan 48162-2943 (C) 1993, 2002 . 2Dr.Waleed Khalid Jawad. Design Modification in a Multi-stage Deep Drawing ProcessJ.2008, ENG.&TECH.VOL.26,NO.1.3王钧.拉拔新技术J.南通工学
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