沖床沖壓機構(gòu)-送料機構(gòu)及傳動系統(tǒng)的設(shè)計-棒料校直機課程設(shè)計示例

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1、第五章 課程設(shè)計示例第一節(jié) 沖床沖壓機構(gòu)、送料機構(gòu)及傳動系統(tǒng)的設(shè)計一、 設(shè)計題目設(shè)計沖制薄壁零件沖床的沖壓機構(gòu)、送料機構(gòu)及其傳動系統(tǒng)。沖床的工藝動作如圖51a）所示，上模先以比較大的速度接近坯料，然后以勻速進行拉延成型工作，此后上模繼續(xù)下行將成品推出型腔，最后快速返回。上模退出下模以后，送料機構(gòu)從側(cè)面將坯料送至待加工位置，完成一個工作循環(huán)。（a） （b） （c）圖51 沖床工藝動作與上模運動、受力情況要求設(shè)計能使上模按上述運動要求加工零件的沖壓機構(gòu)和從側(cè)面將坯料推送至下模上方的送料機構(gòu)，以及沖床的傳動系統(tǒng)，并繪制減速器裝配圖。二、 原始數(shù)據(jù)與設(shè)計要求1動力源是電動機，下模固定，上模作上下往復(fù)直

2、線運動，其大致運動規(guī)律如圖b）所示，具有快速下沉、等速工作進給和快速返回的特性；2機構(gòu)應(yīng)具有較好的傳力性能，特別是工作段的壓力角應(yīng)盡可能小；傳動角大于或等于許用傳動角=40o；3上模到達工作段之前，送料機構(gòu)已將坯料送至待加工位置（下模上方）；4生產(chǎn)率約每分鐘70件；5上模的工作段長度l=30100mm，對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角j0=（1/31/2）；上?？傂谐涕L度必須大于工作段長度的兩倍以上；6上模在一個運動循環(huán)內(nèi)的受力如圖c）所示，在工作段所受的阻力F05000N，在其他階段所受的阻力F150N；7行程速比系數(shù)K1.5；8送料距離H=60250mm；9機器運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)不超過0.05。若對機構(gòu)進行運動和

3、動力分析，為方便起見，其所需參數(shù)值建議如下選取：1）設(shè)連桿機構(gòu)中各構(gòu)件均為等截面均質(zhì)桿，其質(zhì)心在桿長的中點，而曲柄的質(zhì)心則與回轉(zhuǎn)軸線重合；2）設(shè)各構(gòu)件的質(zhì)量按每米40kg計算，繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量按每米2kgm2計算；3）轉(zhuǎn)動滑塊的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量忽略不計，移動滑塊的質(zhì)量設(shè)為36kg；6）傳動裝置的等效轉(zhuǎn)動慣量（以曲柄為等效構(gòu)件）設(shè)為30kgm2；7) 機器運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)不超過0.05。三、 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計沖床傳動系統(tǒng)如圖52所示。電動機轉(zhuǎn)速經(jīng)帶傳動、齒輪傳動降低后驅(qū)動機器主軸運轉(zhuǎn)。原動機為三相交流異步電動機，其同步轉(zhuǎn)速選為1500r/min，可選用如下型號：電機型號 額定功率（kw） 額定轉(zhuǎn)速（

4、r/min）Y100L24 3.0 1420Y112M4 4.0 1440Y132S4 5.5 1440由生產(chǎn)率可知主軸轉(zhuǎn)速約為70r/min，若電動機暫選為Y112M4，則傳動系統(tǒng)總傳動比約為。取帶傳動的傳動比ib=2，則齒輪減速器的傳動比ig=10.285，故可選用兩級齒輪減速器。圖52 沖床傳動系統(tǒng)四、 執(zhí)行機構(gòu)運動方案設(shè)計及討論該沖壓機械包含兩個執(zhí)行機構(gòu)，即沖壓機構(gòu)和送料機構(gòu)。沖壓機構(gòu)的主動件是曲柄，從動件（執(zhí)行構(gòu)件）為滑塊（上模），行程中有等速運動段（稱工作段），并具有急回特性；機構(gòu)還應(yīng)有較好的動力特性。要滿足這些要求，用單一的基本機構(gòu)如偏置曲柄滑塊機構(gòu)是難以實現(xiàn)的。因此，需要將幾個

5、基本機構(gòu)恰當?shù)亟M合在一起來滿足上述要求。送料機構(gòu)要求作間歇送進，比較簡單。實現(xiàn)上述要求的機構(gòu)組合方案可以有許多種。下面介紹幾個較為合理的方案。1齒輪連桿沖壓機構(gòu)和凸輪連桿送料機構(gòu)如圖53所示，沖壓機構(gòu)采用了有兩個自由度的雙曲柄七桿機構(gòu)，用齒輪副將其封閉為一個自由度。恰當?shù)剡x擇點C的軌跡和確定構(gòu)件尺寸，可保證機構(gòu)具有急回運動和工作段近于勻速的特性，并使壓力角盡可能小。送料機構(gòu)是由凸輪機構(gòu)和連桿機構(gòu)串聯(lián)組成的，按機構(gòu)運動循環(huán)圖可確定凸輪推程運動角和從動件的運動規(guī)律，使其能在預(yù)定時間將工件推送至待加工位置。設(shè)計時，若使lOGlOH ，可減小凸輪尺寸。圖53 沖床機構(gòu)方案之一 圖54沖床機構(gòu)方案之二2

6、導(dǎo)桿搖桿滑塊沖壓機構(gòu)和凸輪送料機構(gòu)如圖54所示，沖壓機構(gòu)是在導(dǎo)桿機構(gòu)的基礎(chǔ)上，串聯(lián)一個搖桿滑塊機構(gòu)組合而成的。導(dǎo)桿機構(gòu)按給定的行程速比系數(shù)設(shè)計，它和搖桿滑塊機構(gòu)組合可達到工作段近于勻速的要求。適當選擇導(dǎo)路位置，可使工作段壓力角較小。送料機構(gòu)的凸輪軸通過齒輪機構(gòu)與曲柄軸相連。按機構(gòu)運動循環(huán)圖可確定凸輪推程運動角和從動件的運動規(guī)律，則機構(gòu)可在預(yù)定時間將工件送至待加工位置。3六連桿沖壓機構(gòu)和凸輪連桿送料機構(gòu)如圖55所示，沖壓機構(gòu)是由鉸鏈四桿機構(gòu)和搖桿滑塊機構(gòu)串聯(lián)組合而成的。四桿機構(gòu)可按行程速比系數(shù)用圖解法設(shè)計，然后選擇連桿長lEF及導(dǎo)路位置，按工作段近于勻速的要求確定鉸鏈點E的位置。若尺寸選擇適當，

7、可使執(zhí)行構(gòu)件在工作段中運動時機構(gòu)的傳動角滿足要求，壓力角較小。凸輪送料機構(gòu)的凸輪軸通過齒輪機構(gòu)與曲柄軸相連，若按機構(gòu)運動循環(huán)圖確定凸輪轉(zhuǎn)角及其從動件的運動規(guī)律，則機構(gòu)可在預(yù)定時間將工件送至待加工位置。設(shè)計時，使lIHlIR，則可減小凸輪尺寸。圖55沖床機構(gòu)方案之三 圖56沖床機構(gòu)方案之四4凸輪連桿沖壓機構(gòu)和齒輪連桿送料機構(gòu)如圖56所示，沖壓機構(gòu)是由凸輪連桿機構(gòu)組合，依據(jù)滑塊D的運動要求，確定固定凸輪的輪廓曲線。送料機構(gòu)是由曲柄搖桿扇形齒輪與齒條機構(gòu)串聯(lián)而成，若按機構(gòu)運動循環(huán)圖確定曲柄搖桿機構(gòu)的尺寸，則機構(gòu)可在預(yù)定時間將工件送至待加工位置。選擇方案時，應(yīng)著重考慮下述幾個方面：1）所選方案是否能滿

8、足要求的性能指標；2）結(jié)構(gòu)是否簡單、緊湊；3）制造是否方便，成本可否降低。經(jīng)過分析論證，方案1是四個方案中最為合理的方案，下面就對其進行設(shè)計。五、 沖壓機構(gòu)設(shè)計由方案1圖53可知，沖壓機構(gòu)是由七桿機構(gòu)和齒輪機構(gòu)組合而成。由組合機構(gòu)的設(shè)計可知，為了使曲柄AB回轉(zhuǎn)一周，C點完成一個循環(huán)，兩齒輪齒數(shù)比Z1/Z2應(yīng)等于1。這樣，沖壓機構(gòu)設(shè)計就分解為七桿機構(gòu)和齒輪機構(gòu)的設(shè)計。1七桿機構(gòu)的設(shè)計設(shè)計七桿機構(gòu)可用解析法。首先根據(jù)對執(zhí)行構(gòu)件（滑塊F）提出的運動特性和動力特性要求選定與滑塊相連的連桿長度CF，并選定能實現(xiàn)上述要求的點C的軌跡，然后按導(dǎo)向兩桿組法設(shè)計五連桿機構(gòu)ABCDE的尺寸。設(shè)計此七桿機構(gòu)也可用實

9、驗法，現(xiàn)說明如下。如圖57所示，要求AB、DE均為曲柄，兩者轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反，而且曲柄在角度的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動時，從動件滑塊在l=60mm范圍內(nèi)等速移動，且其行程H=150mm。圖57 七桿機構(gòu)的設(shè)計1）任作一直線，作為滑塊導(dǎo)路，在其上取長為l的線段，并將其等分，得分點F1、F2、Fn（取n=5）。2）選取lCF為半徑，以Fi各點為圓心作弧得K1、K2、K5。3）選取lDE為半徑，在適當位置上作圓，在圓上取圓心角為的弧長，將其與l對應(yīng)等分，得分點D1、D2、D5。4）選取lDC為半徑，以Di為圓心作弧，與K1、K2、K5對應(yīng)交于C1、C2、C5。5）取lBC為半徑，以Ci為圓心作弧，得L1、L2、

10、L5。6）在透明白紙上作適量同心圓弧。由圓心引5條射線等分（射線間夾角為）。7）將作好圖的透明紙覆在Li曲線族上移動，找出對應(yīng)交點B1、B2、B5，便得曲柄長lAB及鉸鏈中心A的位置。8）檢查是否存在曲柄及兩曲柄轉(zhuǎn)向是否相反。同樣，可以先選定lAB長度，確定lDE和鉸鏈中心E的位置。也可以先選定lAB、lDE和A、E點位置，其方法與上述相同。用上述方法設(shè)計得機構(gòu)尺寸如下：lAB=lDE=100mm， lAE=200mm， lBC= lDC=283mm， lCF=430mm，A點與導(dǎo)路的垂直距離為162mm，E點與導(dǎo)路的垂直距離為223mm。2齒輪機構(gòu)設(shè)計此齒輪機構(gòu)的中心距a=200mm，模數(shù)m

11、=5mm，采用標準直齒圓柱齒輪傳動，Z1=Z2=40，ha*=1.0。六、 七桿機構(gòu)的運動和動力分析用圖解法對此機構(gòu)進行運動和動力分析。將曲柄AB的運動一周360o分為12等份，得分點B1、B2、B12，針對曲柄每一位置，求得C點的位置，從而得C點的軌跡，然后逐個位置分析滑塊F的速度和加速度，并畫出速度線圖，以分析是否滿足設(shè)計要求。圖58是沖壓機構(gòu)執(zhí)行構(gòu)件速度與C點軌跡的對應(yīng)關(guān)系圖，顯然，滑塊在F4F8這段近似等速，而這個速度值約為工作行程最大速度的40%。該機構(gòu)的行程速比系數(shù)為故此機構(gòu)滿足運動要求。圖58 七桿機構(gòu)的運動和動力分析在進行機構(gòu)動力分析時，先依據(jù)在工作段所受的阻力F05000N，

12、并認為在工作段內(nèi)為常數(shù)，然后求得加于曲柄AB的平衡力矩Mb，并與曲柄角速度相乘，獲得工作段的功率；計入各傳動的效率，求得所需電動機的功率為5.3KW，故所確定的電動機型號Y132S4（額定功率為5.5KW）滿足要求。（動力分析具體過程及結(jié)果略）。七、 機構(gòu)運動循環(huán)圖依據(jù)沖壓機構(gòu)分析結(jié)果以及對送料機構(gòu)的要求，可繪制機構(gòu)運動循環(huán)圖（如圖59所示）。當主動件AB由初始位置（沖頭位于上極限點）轉(zhuǎn)過角（=90o）時,沖頭快速接近坯料；又當曲柄由轉(zhuǎn)到（=210o）時，沖頭近似等速向下沖壓坯料；當曲柄由轉(zhuǎn)到（=240o）時，沖頭繼續(xù)向下運動，將工件推出型腔；當曲柄由轉(zhuǎn)到（=285o）時，沖頭恰好退出下模，最

13、后回到初始位置，完成一個循環(huán)。送料機構(gòu)的送料動作，只能在沖頭退出下模到?jīng)_頭又一次接觸工件的范圍內(nèi)進行。故送料凸輪在曲柄AB由300o轉(zhuǎn)到390o完成升程，而曲柄AB由390o轉(zhuǎn)到480o完成回程。圖59 機構(gòu)運動循環(huán)圖七、送料機構(gòu)設(shè)計送料機構(gòu)是由擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)與搖桿滑塊機構(gòu)串聯(lián)而成，設(shè)計時，應(yīng)先確定搖桿滑塊機構(gòu)的尺寸，然后再設(shè)計凸輪機構(gòu)。1四桿機構(gòu)設(shè)計依據(jù)滑塊的行程要求以及沖壓機構(gòu)的尺寸限制，選取此機構(gòu)尺寸如下：LRH=100mm，LOH=240mm，O點到滑塊RK導(dǎo)路的垂直距離=300mm，送料距離取為250mm時，搖桿擺角應(yīng)為45.24o。2凸輪機構(gòu)設(shè)計為了縮小凸輪尺寸，擺桿的行程

14、應(yīng)小AB，故取，最大擺角為22.62o。因凸輪速度不高，故升程和回程皆選等速運動規(guī)律。因凸輪與齒輪2固聯(lián)，故其等速轉(zhuǎn)動。用作圖法設(shè)計凸輪輪廓，取基圓半徑r0=50mm，滾子半徑rT=15mm。八、調(diào)速飛輪設(shè)計等效驅(qū)動力矩Md、等效阻力矩Mr和等效轉(zhuǎn)動慣量皆為曲柄轉(zhuǎn)角的函數(shù)，畫出三者的變化曲線，然后用圖解法求出飛輪轉(zhuǎn)動慣量JF。九、帶傳動設(shè)計采用普通V帶傳動。已知：動力機為Y132S-4異步電動機，電動機額定功率P=5.5KW ，滿載轉(zhuǎn)速n1=1440rpm ,傳動比i=2, 兩班制工作。 （1）計算設(shè)計功率Pd 由6中的表6-6查得工作情況系數(shù)KA =1.4（2）選擇帶型 由6中的圖6-10初

15、步選用A型帶 （3）選取帶輪基準直徑 由6中的表6-7選取小帶輪基準直徑 由6中的表6-8取直徑系列值取大帶輪基準直徑： （4）驗算帶速V 在(525m/s) 范圍內(nèi)，帶速合適。 （5）確定中心a和帶的基準長度 在 范圍內(nèi)初選中心距 初定帶長 查6中的表62 選取A型帶的標準基準長度 求實際中心距 取中心距為500mm。（6）驗算小帶輪包角 包角合適 （7）確定帶的根數(shù)Z 查表得取Z=3根（8）確定初拉力 單根普通V帶的初拉力 （9）計算帶輪軸所受壓力 （10）帶傳動的結(jié)構(gòu)設(shè)計（略）十、齒輪傳動設(shè)計齒輪減速器的傳動比為ig=10.285，采用標準得雙級圓柱齒輪減速器，其代號為ZLY112101

16、。第二節(jié) 棒料校直機執(zhí)行機構(gòu)與傳動系統(tǒng)設(shè)計一、設(shè)計題目棒料校直是機械零件加工前的一道準備工序。若棒料彎曲，就要用大棒料才能加工出一個小零件，如圖510所示，材料利用率不高，經(jīng)濟性差。故在加工零件前需將棒料校直?，F(xiàn)要求設(shè)計一短棒料校直機。確定機構(gòu)運動方案并進行執(zhí)行機構(gòu)與傳動系統(tǒng)的設(shè)計。圖510 待校直的彎曲棒料二、設(shè)計數(shù)據(jù)與要求需校直的棒料材料為45鋼，棒料校直機其他原始設(shè)計數(shù)據(jù)如表51所示。表51 棒料校直機原始設(shè)計數(shù)據(jù)參數(shù)分組直徑d2(mm)長度L(mm)校直前最大曲率半徑(mm)最大校直力(KN)棒料在校直時轉(zhuǎn)數(shù)(轉(zhuǎn))生產(chǎn)率(根/分)1151005001.051502181004001.2

17、41203221003001.431004251002001.5280注：室內(nèi)工作，希望沖擊振動??；原動機為三相交流電動機，使用期限為10年，每年工作300天，每天工作16小時，每半年作一次保養(yǎng)，大修期為3年。三、工作原理的確定1) 用平面壓板搓滾棒料校直(圖5-11)。此方法的優(yōu)點是簡單易行，缺點是因材料的回彈，材料校得不很直。2) 用槽壓板搓滾棒料校直?？紤]到“糾枉必須過正”，故將靜搓板作成帶槽的形狀，動、靜搓板的橫截面作成圖5-12所示形狀。用這種方法既可能將彎的棒料校直，但也可能將直的棒料弄彎了，不很理想。3) 用壓桿校直。設(shè)計一個類似于圖5-13所示的機械裝置，通過一電動機，一方面讓

18、棒料回轉(zhuǎn)，另一方面通過凸輪使壓桿的壓下量逐漸減小，以達到校直的目的。其優(yōu)點是可將棒料校得很直；缺點是生產(chǎn)率低，裝卸棒料需停車。4) 用斜槽壓板搓滾校直。靜搓板的縱截面形狀如圖5-14所示，其槽深是由深變淺而最后消失。其工作原理與上一方案使壓下量逐漸減小是相同的，故也能將棒料校得很直。其缺點是動搓板作往復(fù)運動，有空程，生產(chǎn)效率不夠高。雖可利用如圖所示的偏置曲柄滑塊機構(gòu)的急回作用，來減少空程損失，但因動搓板質(zhì)量大，又作往復(fù)運動，其所產(chǎn)生的慣性力不易平衡，限制了機器運轉(zhuǎn)速度的提高，故生產(chǎn)率仍不理想。5) 行星式搓滾校直。如圖5-15所示，其動搓板變成了滾子1，作連續(xù)回轉(zhuǎn)運動，靜搓板變成弧形構(gòu)件3，其

19、上開的槽也是由深變淺而最后消失。這種方案不僅能將棒料校得很直，而且自動化程度和生產(chǎn)率高，所以最后確定采用此工作原理。圖5-11平面壓板搓滾棒料校直 圖5-12 槽壓板搓滾棒料校直圖5-13 壓桿校直圖5-14 斜槽壓板搓滾校直 圖5-15 行星式搓滾校直四、執(zhí)行機構(gòu)運動方案的擬定行星式棒料校直機有兩個執(zhí)行構(gòu)件，即動搓板滾子和送料滑塊。動搓板滾子的運動為單方向等速連續(xù)轉(zhuǎn)動，可將其直接裝在機器主軸上。送料滑塊的運動為往復(fù)移動。圖516給出了兩種送料機構(gòu)方案，其中圖a）為曲柄搖桿機構(gòu)與齒輪、齒條機構(gòu)組合，圖b）為擺動推桿盤形凸輪機構(gòu)與導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)的組合，曲柄（或凸輪）每轉(zhuǎn)一周送出一根棒料。由于凸輪機

20、構(gòu)能使送料機構(gòu)的動作和搓板滾子的運動能更好的協(xié)調(diào)，故圖b）的執(zhí)行機構(gòu)運動方案優(yōu)于圖a），下面設(shè)計計算針對圖b）方案進行。 a) b)圖5-16 行星式棒料校直機執(zhí)行機構(gòu)運動方案五、傳動系統(tǒng)運動方案的擬定初步擬定的傳動方案如圖5-17所示。驅(qū)使動搓板滾子1轉(zhuǎn)動的為主傳動鏈，為提高其傳動效率，主傳動鏈應(yīng)盡可能簡短，而且還要求沖擊振動小，故圖中采用了一級帶傳動和一級齒輪傳動。傳動鏈的第一級采用帶傳動有下列優(yōu)點：電動機的布置較自由，電動機的安裝精度要求較低，帶傳動有緩沖減振和過載保安作用。圖5-17 行星式棒料校直機傳動方案六、執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計由于動搓板滾子1直接裝在機器主軸上，只有執(zhí)行構(gòu)件，沒有執(zhí)行機構(gòu)

21、，故只需對送料機構(gòu)進行設(shè)計。對于圖516b）所示得運動方案，送料機構(gòu)的設(shè)計，實際上就是擺動推桿盤狀凸輪機構(gòu)的設(shè)計。凸輪軸的轉(zhuǎn)動是由滾子軸（傳動主軸）的轉(zhuǎn)動經(jīng)過齒輪機構(gòu)傳動減速而得到的。下面來討論滾子軸與凸輪軸間的傳動比應(yīng)如何確定。應(yīng)注意在校直棒料時，不允許兩根棒料同時進入校直區(qū)，否則將因兩根棒料的相互干擾，可能一根棒料也未被校直。所以一定要待前一根棒料退出落下后，后一根棒料才能進入校直區(qū)。設(shè)滾子1的直徑，棒料的直徑為，校直區(qū)的工作角為，從棒料進入到退出工作區(qū)，滾子1的轉(zhuǎn)角為。因在棒料校直時的運動狀態(tài)跟行星輪系傳動一樣，弧形搓板相當于固定的內(nèi)齒輪，其內(nèi)經(jīng)為，角相當于行星架的轉(zhuǎn)角，根據(jù)周轉(zhuǎn)輪系的計

22、算式，即可求得滾子1的相應(yīng)轉(zhuǎn)角，即 故 設(shè)已確定為了校直棒料，棒料需在校直區(qū)轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)為，校直區(qū)的工作角為，則滾子1的直徑，可由下式確定： 為了保證不出現(xiàn)兩根棒料同時在校直區(qū)的現(xiàn)象，應(yīng)在滾子1轉(zhuǎn)過角度時，送料凸輪4才轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，由此可定出齒輪的傳動比為 圖中采用了一級齒輪減速(輪為過輪，用它主要是為了協(xié)調(diào)中心距)。若一級齒輪減速不能滿足要求時，可考慮用二級或三級齒輪減速。對于第一組數(shù)據(jù)，并設(shè)校直區(qū)的工作角為1200，則由上面公式可求得滾子1的直徑240mm，滾子1的轉(zhuǎn)角為2550，故取j1=2600,從而求得齒輪的傳動比為ig0.722。故取Zc26，Za36。送料滑塊應(yīng)將棒料推送到A點，設(shè)推送距離對應(yīng)的圓心角為300，則可求得滑塊行程約為120mm，若取擺桿長lCF400mm，則其擺角為17.25o。確定推桿運動規(guī)律，設(shè)計凸輪輪廓曲線（略）。七、傳動系統(tǒng)設(shè)計原動機選為Y100L2-4異步電動機，電動機額定功率P=3KW ，滿載轉(zhuǎn)速n=1420rpm，則傳動系統(tǒng)的總傳動比為in/n1，其中n1為滾子1的轉(zhuǎn)速。對于第一組數(shù)據(jù)，n12600150/3600 =108.3，總傳動比為i13.11，若取帶傳動的傳動比為ib3.0,則齒輪減速器的傳動比為ig13.11/3.0=4.3，故采用單級斜齒圓柱齒輪減速器。帶傳動和單級斜齒圓柱齒輪減速器的設(shè)計（略）。