高速平动冲压装置的设计及装置设计高速平动冲压装置的设计及装置设计

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Ⅲ摘要创新教育是加速培养创造性人才的重要手段和方法,是素质教育的一个重要组成部分,是把创新学、发明学、基础知识等相关学科的一般原理有机综合起来,培养学生的创新思维和提高创新能力的一个重要过程。高速冲压技术是集设备、模具、材料和工艺等多种技术于一体的高新技术。相对于普通冲压而言,高速冲压的速度每分钟在几百次到上千次,因此其生产效率要高出普通冲压上十倍甚至几十倍,被誉为是一种质量好、效率高、适合于大规模生产、成本低的先进制造技术,在电子、电器、汽车家电等工业领域的应用越来越广泛,如电子接插件、电器接插件、各类连接器、IC框架、汽车连接件、空调器散热片、医疗器件等一些中小型及微细金属零件及超微细金属零件均可实现高速冲压。高速冲压技术是集设备、模具、材料和工艺等多种技术于一体的高新技术。主要表现为实现高速冲压的设备不但本身具有高的加工精度和全自动化数字化功能,其配套的周边设备、模具的结构设计、材料选用等均需考虑由于高速条件下温度、振动等效应带来的影响;工艺设计时的排样和出料、定位和导料等都必须考虑速度因素。这些也是高速冲压需要达到高生产率、获得高精度零件,并保证模具和设备的使用寿命长、制品的材料利用率高的关键技术。高速冲压技术是近20年发展起来的先进成形加工技术,20世纪80年代末开始在我国的一些外资企业应用,当初其设备和模具均是依靠进口。最近10年来我国在高速冲压技术方面从引进、消化吸收到自主开发都有了较快的发展,有了自主开发的高速压力机、高速冲压用模具材料、可自行设计和加工高速冲压用多工位级进模具等。但是其水平与发达国家相比还有较大的差距。如何缩小与发达国家的差距,加快我国高速冲压技术的推广。关键词创新;功能元;高速冲压ⅣABSTRACTINNOVATIVEEDUCATIONISIMPORTANTTOACCELERATETRAININGCREATIVETALENTMEANSANDMETHODS,QUALITYEDUCATIONISANIMPORTANTCOMPONENTOFTHEINNOVATIONANDSCIENCE,INVENTIONSSCIENCE,BASICKNOWLEDGEOFRELATEDDISCIPLINESSUCHASGENERALPRINCIPLESOFORGANICSYNTHESISUPTOTRAINSTUDENTSINCREATIVETHINKINGANDIMPROVETHEINNOVATIONABILITYOFANIMPORTANTPROCESSUSINGFUNCTIONALELEMENTFORTHECREATIVEDESIGNTECHNOLOGYISAHIGHSPEEDSTAMPINGEQUIPMENT,TOOLING,MATERIALSANDTECHNOLOGYANDOTHERTECHNOLOGIESINONEHIGHTECHCOMPAREDWITHTHEGENERALPRESS,THERATEOFHIGHSPEEDSTAMPINGHUNDREDSOFTIMESPERMINUTETOTHOUSANDSOFTIMES,SOITSEFFICIENCYISHIGHERTHANNORMALTIMESOREVENDOZENSOFTIMESONTHEPRESS,HAILEDASAGOODQUALITY,HIGHEFFICIENCYSUITABLEFORMASSPRODUCTION,LOWCOST,ADVANCEDMANUFACTURINGTECHNOLOGY,ELECTRONICS,APPLIANCES,AUTOMOBILESANDHOMEAPPLIANCESINDUSTRYISWIDELYAPPLIED,SUCHASELECTRONICCONNECTORS,ELECTRICALCONNECTORS,VARIOUSCONNECTORS,ICFRAME,CARCONNECTIONPARTS,AIRCONDITIONERHEATSINK,MEDICALDEVICESANDSOMESMALL,MEDIUMANDMICROMETALPARTSANDMETALPARTSCANBEULTRAFINEHIGHSPEEDSTAMPINGTECHNOLOGYISAHIGHSPEEDSTAMPINGEQUIPMENT,TOOLING,MATERIALSANDTECHNOLOGYANDOTHERTECHNOLOGIESINONEHIGHTECHMAINLYASFOLLOWSHIGHSPEEDSTAMPINGEQUIPMENTFORNOTONLYITSHIGHPRECISIONANDFULLYAUTOMATEDPROCESSINGOFDIGITALFEATURES,ITSSUPPORTINGPERIPHERALEQUIPMENT,DIESTRUCTUREDESIGN,MATERIALSELECTION,ANDMUSTBESUBJECTTOCONDITIONSASHIGHTEMPERATURE,VIBRATIONANDOTHEREFFECTSCAUSEDIMPACT;PROCESSDESIGNTHELAYOUTANDTHEMATERIALS,POSITIONINGANDGUIDANCEMATERIALANDSOTHESPEEDFACTORTOBECONSIDEREDTHESEAREALSOHIGHSPEEDPRESSINGNEEDTOACHIEVEHIGHPRODUCTIVITY,ACCESSTOHIGHPRECISIONPARTSANDTOOLINGANDEQUIPMENTTOENSURELONGLIFEPRODUCTS,HIGHUTILIZATIONRATIOOFKEYTECHNOLOGIESHIGHSPEEDSTAMPINGTECHNOLOGYINTHELAST20YEARSDEVELOPEDADVANCEDFORMINGTECHNOLOGYSINCETHELATE80SOFTHE20THCENTURYANUMBEROFFOREIGNAPPLICATIONSINCHINA,HADTHEIREQUIPMENTANDMOLDSAREIMPORTEDTHELAST10YEARSINCHINAINTHEHIGHSPEEDPRESSTECHNOLOGYFROMTHEINTRODUCTION,DIGESTIONANDABSORPTIONTOHAVEDEVELOPEDARAPIDDEVELOPMENT,WITHSELFDEVELOPEDHIGHSPEEDPRESSES,HIGHSPEEDPRESSWITHAMOLDMATERIALCANBEDESIGNEDANDPROCESSEDWITHMULTIPLEHIGHSPEEDSTAMPINGTHEPROGRESSIVEMOLDSBUTTHELEVELOFDEVELOPEDCOUNTRIESTHEREISALARGEGAPHOWTONARROWTHEGAPWITHTHEDEVELOPEDCOUNTRIESTOSPEEDUPOURHIGHSPEEDPRESSTECHNOLOGYPROMOTIONANDAPPLICATIONOFENGINEERINGANDTECHNICALPERSONNELISSTAMPINGINDUSTRYINCUMBENTKEYWORDSINNOVATION;FUNCTIONALELEMENT;HIGHSPEEDSTAMPINGⅤ目录摘要错误未定义书签。ABSTRACT错误未定义书签。目录错误未定义书签。1绪论错误未定义书签。11课题背景错误未定义书签。12课题的研究意义错误未定义书签。13本文研究的主要内容和关键问题214功能分析法错误未定义书签。15用功能分析法确定设计方案52总体设计721方案设计722功率计算及电动机的选择83技术计算与设计831传动齿轮的计算1133轴的计算与设计1534滚动轴承的选择及校核计算1735凸轮的计算与设计错误未定义书签。36键联接的选择及校核计算错误未定义书签。37润滑与密封错误未定义书签。4齿轮加工工艺错误未定义书签。41直齿圆柱齿轮的主要技术要求错误未定义书签。42直齿圆柱机械加工的主要工艺问题错误未定义书签。43实施装置中的齿轮255三维图的绘制2551三维图绘制方案的确定2552三维图的图样266设计的不足以及展望30致谢错误未定义书签。参考文献3311绪论11课题背景创新设计是指充分发挥设计者的创造力,利用人类已有的相关科技成果进行创新构思,设计出具有科学性、创造性、新颖性及实用性的一种实践活动。在创新过程中,利用功能元方法有着重要的实际创新意义。为了实施创新设计,突出创新教育加速培养创造性人才是关键。在整个教学实践中,把创新学、发明学、基础知识等相关学科的一般原理有机综合起来,利用功能元创新方法完成一个工程实例是一个重要过程高速冲压技术是集设备、模具、材料和工艺等多种技术于一体的高新技术相对于普通冲压而言,高速冲压的速度每分钟在几百次到上千次,因此其生产效率要高出普通冲压上十倍甚至几十倍,被誉为是一种质量好、效率高、适合于大规模生产、成本低的先进制造技术,在电子、电器、汽车家电等工业领域的应用越来越广泛,如电子接插件、电器接插件、各类连接器、IC框架、汽车连接件、空调器散热片、医疗器件等一些中小型及微细金属零件及超微细金属零件均可实现高速冲压高速冲压技术是集设备、模具、材料和工艺等多种技术于一体的高新技术现有的高速薄板冲压装置,有气动冲压装置和气液压冲压装置等。这些装置在工作过程中均是在固定的位置,上模作等速运动或同时作横向往返运动,下模是静止的。其缺陷是随着工作频率提高,振动、噪音等不利因素将增大而影响工作质量和工作环境。12课题的研究意义实现高速冲压的设备不但本身具有高的加工精度和全自动化数字化功能,其配套的周边设备、模具的结构设计、材料选用等均需考虑由于高速条件下温度、振动等效应带来的影响;工艺设计时的排样和出料、定位和导料等都必须考虑速度因素这些也是高速冲压需要达到高生产率、获得高精度零件,并保证模具和设备的使用寿命长、制品的材料利用率高的关键技术高速冲压技术是近20年发展起来的先进成形加工技术,20世纪80年代末开始在我国的一些外资企业应用,当初其设备和模具均是依靠进口最近10年来我国在高速冲压技术方面从引进、消化吸收到自主开发都有了较快的发展,有了自主开发的高速压力机、高速冲压用模具材料、可自行设计和加工高速冲压用多工位级进模具等。但是其水平与发达国家相比还有较大的差距。如何缩小与发达国家的差距,加快我国高速冲压技术的推广应用,是冲压行业工程技术人员义不容辞的责任。冲压是汽车制造的四大工艺之一,车身的制造精度在很大程度上取决於冲压及其总成的精度。冲压技术源於大批量生产的发展和需要,尤其是汽车工业的发展,现在依然如此。13本文研究的主要内容和关键问题同步高速冲压板厚1MM,孔长45MM,孔宽15MM,孔距2MM,板以50M/M直线匀速。要求工作平稳,噪音小。冲压时工件与冲压机构同步横向运动。实现高速冲压的设备不但本身具有高的加工精度和全自动化数字化功能,其配套的周边设备、模具的结构设计、材料2选用等均需考虑由于高速条件下温度、振动等效应带来的影响;工艺设计时的排样和出料、定位和导料等都必须考虑速度因素。这些也是高速冲压需要达到高生产率、获得高精度零件,并保证模具和设备的使用寿命长、制品的材料利用率高的关键技术。本设计的关键问题是怎样利用功能元分析法进行创新方案的确定,以及对设计方案的分析,最后就是图纸的绘制。14功能分析法为了更好地开发和发展产品,明确产品的功能是非常重要的。基于从产品设计的观点对功能的理解,提出一种比较仝面、系统、便于使用的功能分析法。它可用于产品的功能分析和功能结构的建立,并为寻求产品的合理实体解答打下良好基础,为改进现有产品及发展新产品找出方向它还可作为某些新的设计技术与方法的基础。任何产品都是为了满足人类的某种需要而存在的,亦即要求它在一定的环境条件下完成所需要的某种动作或发挥所要求的作用,这就构成了对产品的功能要求。整个产品的构成就是为了完成这种功能要求。为了设计出高质量的产品,不少学者在其所提出的设计进程中都提到了设汁对象的功能问题,并将功能结构的建立作为发展产品方案的苇要阶段。功能结构的建立,不仅对新产品的实体结构设汁具有指导意义,通过对现有产品的功能结构分析,可以明确或找出其改进及发展方向曾在设计进程建议中专门提出了建直功能结构圈的要求,以期取得设汁人员的重视但目前大家对功能的理解还很不统一,功能的分析及功能结构罔的建立还缺少简明可行的方法。本文试罔存分析冉天功能的概念的基础上提出分析广品功能和建立其功能结构的一般方法。目前,功能的概念已广泛应用在许多领域中。例如在价值分析中,有人提出功能是产品所具有的能够满足用户需要的特性。或者说是产品所具有的效能、用途、使用价值。在设计领域内,许多学者也对功能有一定的描述,如功能是某系统的输人与输出间的一般关系,其目的在于执行或掌握某种任务。功能是由某量如输人量的元素到某量如输出量的元素问的明确的编排说法很多,理解不一。尽管如此,从各种说法中可以看出①功能是系统所具有的苇要特征之一,是对系统一个侧面的抽象捕述②功能是从使用角度提出的系统所应完成的任务;③功能常表达为输人和输出之间的艾系。由于系统是在一定的环境条件下为完成某既定要求而工作的,它所应具有的功能显然离不开环境条件的影响。因而为了更全面地理解功能,为了更有利于产品的开发和改进,可以认为功能是在一定环境条件下系统所必须解决的问题。或为解决某问题系统所应完成的动作或发挥的作用。15用功能分析法确定设计方案功能分析法指紧紧围绕产品功能进行分析、分解、求解、组合、优选的方案设计方法。功能的抽象描述应该能够放映出产品或技术系统在特定约束条件下输入与输出量之间的因果关系。由总功能分解为分功能再分解至功能至功能元,最后做出功能树状结构图的构成,即为功能分析。为了找到正确合适的设计方案,我利用功能元分析法,将总功能分解为功能远的目的是为了便于找到实现功能元的功能载体。设计功能载体是完成原理方案的重要设计环节。而功能载体是具有完成某一功能属性的物体。3当功能元的解法求出后,将各功能元的解合理地组合起来成为一个整体,便形成实现系统总功能的原理解。系统原理解可以用功能元解法形态学矩阵求出。以系统的功能元为行,各功能元的相应解法为列,构成形态学矩阵。将各功能元的不同解法进行组合可以形成多个系统原理解,即得到多个原理设计方法。在组合过程中应当注意组合在一起的各功能元的解应具有相容性,即各功能元的解在几何学、运动学、能量流、物理流和信息流上分析是相互协调的,不相互干扰,不相互矛盾,否则形成的方案应予以剔除;其次,组合的方案从技术和经济效益上衡量具有先进性、合理性和经济型。功能原理方案设计步骤图11功能原理方案设计图常用的五种物理功能元图12物理功能元图41)包括各种类型能量之间的转变、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的转变及信号种类的转换等。2)指各种物理量如位移、速度、力的放大或缩小等。3)包括能量流、物料流、信息流的结合或分离(如运动的合成或分解)。4反映能量流、物料流、信息流的位置变化。如离合器、开关、阀门等。5体现三大流在一定时间范围内保存的功能,如弹簧、电池、录音带、光盘等的储存功能元(分功能)的求解一个功能元(分功能)都要找出相应的技术、物理效应来实现,有时一个功能元(分功能)可以相应地提出几个技术、物理效应。功能元的求解方法主要有①参考有关资料、专刊或产品求解法;②利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法;③利用设计目录求解法。设计目录是把能实现某种功能元的各种原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。部分功能元解法目录表11功能元解法表机械一次增力功能元解法目录连杆5表12机械一次增力功能元解法表四杆机构运动转换解法目录表13四杆机构运动转换解法表211212LLFLLF1212FLLF1TANTAN12FFTAN12FF2SIN212FF当量摩擦角螺纹升角螺纹中径22TAN2DDTF212FF62总体设计21方案设计在功能元目录表39(参考吕仲文主编机械工业出版社机械创新设计),查出以上三个功能元的解法,将功能元及其解法(功能载体)组成分功能形态矩阵如下表21传动方案形态学矩阵传动方案形态学矩阵功能因素功能载体(形态)123456A上下运动曲柄滑块机构汽缸液压缸凸轮机构链传动齿轮机构B左右运动曲柄滑块机构汽缸液压缸凸轮机构链传动齿轮机构C同步冲压齿轮系组合凸轮机构取三种功能的各一种解法组合可得N66272共72种方案。根据本身的使用情况还有设计的方便实用,并且排除那些带有冲击与急回特性的方案,故从72种方案中选用共轭直动从动件凸轮机构和齿轮机构,即A4B4C1,因为要同步冲压所以选择齿轮机构,用4个齿轮成正方形互相啮合来达到同步以及传动的作用。图21方案运动原理图方案运动原理如图1所示包括第一齿轮1、上模2、第一凸轮3、第二凸轮4、第三凸轮5、第四凸轮6、第二齿轮7、下模8、第三齿轮9、第五凸轮10、第六凸轮11、第七凸轮12、第八凸轮13、第四齿轮14、凸模15及凹模16等。本发明是一种平动式同步高速薄板冲压装置,包括上模2及下模8,上模2的本体及下模8的本体是相同的矩形框架。上模2的矩形框架的底部设置有凸模15,下模8的矩形7框架的顶部设置有凹模16。上模2及下模8的传动系统由四个相同的齿轮和八个相同的凸轮构成。四个相同的齿轮分别是第一齿轮1、第二齿轮7、第三齿轮9及第四齿轮14,四个齿轮中至少有一个是主动齿轮。八个相同的凸轮分别是第一凸轮3、第二凸轮4、第三凸轮5、第四凸轮6、第五凸轮10、第六凸轮11、第七凸轮12及第八凸轮13。四个齿轮排成二行二列矩形阵列,两两啮合,每个齿轮的传动轴上装配有两个凸轮,该两个凸轮的长轴方向正交布置。上模2的矩形框架套装在处在上面一行的四个凸轮外,即套装在第一凸轮3、第二凸轮4、第三凸轮5及第四凸轮6外。下模8的矩形框架套装在处在下面一行的四个凸轮外,即套装在第五凸轮10、第六凸轮11、第七凸轮12及第八凸轮13外。所有八个凸轮均是等宽凸轮。如图1所示,驱动第一齿轮1顺时方向转动,第二齿轮7逆时方向转动,利用等宽凸轮第二凸轮4、第三凸轮5的轮廓曲线控制上模2的内侧上下面上下运动,并在冲压工件时作等速运动,用第一凸轮3、第四凸轮6的轮廓曲线控制上模2内侧的左右面横向运动,与工件的输送速度一致。同理,第四齿轮14逆时方向转动,第三齿轮9顺时方向转动,利用等宽凸轮第六凸轮11、第八凸轮13的轮廓曲线控制下模8的内侧上下面上下运动,并在冲压工件时作等速运动(与上模2相对应),用第五凸轮10、第七凸轮12的轮廓曲线控制下模8的内侧左右面横向运动,与工件的输送速度一致(与上模2相对应)。在本发明的工作过程中,第二凸轮4、第三凸轮5、第六凸轮11及第八凸轮13控制上模2与下模8作冲压运动并实现等速,第一凸轮3、第四凸轮6、第五凸轮10及第七凸轮12控制上模2与下模8作相同的横向运动并实现同步工件的输送速度(在冲压工件时间段)。上模2在第二凸轮4、第三凸轮5、第一凸轮3、第四凸轮6的控制下只能在平面中作平动,同理下模8也只能在平面中作平动,从而实现了平动同步高速冲压。22功率计算及电动机的选择1、电动机类型和结构型式的选择按已知的工作要求和条件,选用Y系列三相异步电动机。2、确定电动机的功率1确定冲压力大小根据冲压力公式PKLTT其中K表示系数,通常取值为13;L表示冲压形状的周长;T表示冲压的厚度;T表示材料的抗剪强度L2错误未找到引用源。B4AB根据给定的数据可知A225B075;所以L23140754(225075)107。因为冲孔的材料为45号钢所以经过查找得到ΣB600MPAΣS355MPA8所以抗剪强度为178MPA178N/MM2最后得到P13107111782478294N≈24783N2电机所需的工作功率根据给定的数据,我们假设在冲压的瞬间,转过角度为30,向下的距离为2MM;通过计算得到R15MMV048M/S前面得到冲压力P24783N所以功率WPV247830481189584NM/S总齿轮8次方085总总85058411891399NM/S≈1400NM/S3、确定电动机转速轴的工作转速NW601000V/ΠD1282R/MIN因为要去稍微大点的转速的电动机,所以取转速为1400R/MIN。综合考虑电动机和传动装置尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比,故选择电动机型号Y90L4。4、确定电动机型号根据以上选用的电动机类型,所需的额定功率及同步转速,选定电动机型号为Y100L24其主要性能额定功率15KW,满载转速1400R/MIN,额定转矩22。93技术计算与设计31传动齿轮的计算与设计根据之前计算出来的数据得到WPK51电转速为1400R/MIN额定转矩为22;因为齿轮的传递效率是099,所以WP194142698099015002齿传动比12092112821400ZZNNI齿;底下的计算参考机械设计211页–213页P11500W,小齿轮转速N11400R/MIN,齿数比为1092。选定齿轮类型,精度等级,材料及齿轮。1)根据传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动;2)机构为一般机器,速度不高,故选用7级精度(GB100988)3)材料选择由表101选择小齿轮材料为40CR(调质),硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢(调质),硬度为240HBS,二者硬度差为40HBS。4)选小齿轮齿数241Z,大齿轮齿数27208262409212Z按齿面接触强度设计,由设计计算公式(109A)进行计算即DLT≥232DUZUKTE2111)确定公式内的各计算数值。1)试选载荷系数KT132)计算小齿轮传递的转矩MMNNPT4115110023211400519550000105953由表107选取齿宽系数ΦD14)由表106查得材料的弹性影响系数EZ189821MPA5)由图106D按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限ΣHLIM1600MPA;大齿轮的接触疲劳强度极限ΣHLIM2550MPA6由式1013机选应力循环次数9111040861530082114006060JLHNN9210545N错误未找到引用源。7由图1019取接触疲劳寿命系数KHN1090;KHN20958计算接触疲劳许用应力取失效概率为1,安全系数S1由式(1012)得MPASKNHH540LIM1110MPASKNHH5522LIM222)计算1)计算小齿轮分度圆直径TD1,带入ΣH中较小的值TD1≥232DUZUKTE211347536MM2)计算圆周速度VSMSMNDVLT/5462/10006014007536341006013)计算齿宽BBDLTD1347536MM347536MM4)计算齿宽和齿高之比错误未找到引用源。模数MT错误未找到引用源。1448MM齿高H225MT2251448MM3258MMB/H347536/325810667≈10675)计算载荷系数根据V2546M/S,7级精度,由图108查得动载系数KV11直齿轮KHΑKFΑ1由表102查得使用系数KA1;有表104用插值法查得7级精度,小齿轮相对支承非对称布置时,KHΒ1423由B/H1067KHΒ1423查图1013得KFΒ135故载荷系数56531423111111HHVAKKKKK6)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,由式(1010A)得MMKKDDTT973631117)计算模数MMNDM541113)按齿根弯曲强度设计由式(105)得弯曲强度的设计公式为M≥311212FAAYSYFDZKT1)确定公式内的各计算数值2)由图1020C查得小齿轮的弯曲疲劳强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高速 平动 冲压 装置 设计
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