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南京理工大学工程硕士论文 z 3 1 0 型三工位联合冷镦机的设计与开发 摘要 有限元分析和结构优化等c a e 技术的应用，对于缩短产品开发周期，提高产品 质量，降低制造成本，增强企业竞争力具有重要意义。本论文以z 3 1 0 型三工位联合 冷镦机机身为研究对象，利用有限元分析软件a n s y s i o 0 作为分析工具，进行有限 元静、动态特性分析，并根据分析结果进行机身结构优化设计研究。 论文在研究锻压机械机身结构分析的发展现状，以及存在的问题基础上，对 z 3 1 0 型三工位联合冷镦机机身结构和受力特点进行分析，采用模拟加载的方法实现 了机身曲轴孔上的载荷分布及其大小确定。 采用四面体实体单元建立机身的三维有限元模型并进行了计算，对机身的变形 大小和应力分布进行分析，从而定量确定机身的薄弱环节。 通过机身各部分结构对机身应力和变形的影响分析，提出了基于静态结构性能 计算的机身优化方案。 在模态分析中，计算了机身的前5 阶模态，并分析了各阶模态对所研究冷镦机 的影响，在静态优选的基础上进一步优化选择，得出了一种动态性能较好的方案。 关键词：冷镦机机身有限元静态分析模态分析优化设计 南京理工大学工程硕士论文 z 3 10 型三工位联合冷镦机的设计与开发 d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fz 310f o r g i n gm a c h i n e p o s t g r a d u a t e ：f e n gj i l i a n gs u p e r v i s o r ：d i n gw u x u e d e p a r t m e n to fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，n a j i n gt e c h n o l o g yu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o ni ss i g n i f i c a n ti n s h o r t e n i n gt h ep e r i o do fp r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t ，i n c r e a s i n gt h eq u a l i t yo fp r o d u c t i o n ， r e d u o n gt h ec o s to fm a n u f a c t u r i n g ，a sw e l la si m p r o v i n gt h ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v e n e s s s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h ef l a m eo ft h ef o r g i n g m a c h i n e ，t a k i n g “z 3 10 f o r g i n gm a c h i n e f o re x a m p l ei nt h i sc a s e ，w e r er e s e a r c h e dw i t h t h e h e l p o fap r o f e s s i o n a ls o f t w a r e ，“a n s y s1 0 0 b yu s i n gt h i ss o f t w a r e ，t h e o p t i m i z a t i o no ft h ef o r g i n gm a c h i n ef l a m es t r u c t u r ew a s m a d e p o s s i b l e i nt h er e s e a r c h ，s o m ec o m m o nm e t h o d so fs t r u c t u r a la n a l y s i so ft h ef r a m eo ft h e “m e t a l f o r m i n gm a c h i n e ”a l ei n t r o d u c e di nd e t a i l o nt o po ft h i s ，b yf u r t h e r i n gt h ea n a l y s i s ，t h e p r o b l e m sa n ds h o r t a g e sa r ep o i n t e d o u t t h el o a d so ff r a m eo fp r e s st h a tu s e di na n a l y s i sa l ed e t e r m i n e db yt h ef u l l ya n a l y t i c a l p r e s sc h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r ea n dl o a d t h el o a dd i s t r i b u t i o na n dm a g n i t u d ei nt h e c r a n kh o l ea r ec a l c u l a t e db yw a yo ft h es i m u l a t i v el o a d i n g 3 d - f e mm o d e lo ff r a m eu s i n gt e t r a h e d r o ns o l i de l e m e n ti sb u i l tu pa n dc a l c u l a t e d t h e w e a k n e s so ft h ef r a m ei sf o u n db ya i l a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n dd e f o r m a t i o n s o m eo p t i m a ls t a t i co p t i m i z a t i o np r o j e c t sa r eb m u g l l tf o r w a r da n ds e l e c t e do nt h eb a s eo f c o n c l u s i o nt h a th a sb e e ng a i n e d i nm o d a la n a l y s i s ，t h ef i r s tf i v em o d a l i t i e so ft h ef l a m ea r ec a l c u l a t e d ab e t t e rd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cs t r u c t u r ei so b t a i n e db yf u r t h e rs e l e c t i o no i lt h es t a t i co p t i m u md e s i g n k e yw o r d s ：f r a m eo ft h ef o r g m gm a c h i n e ，f e m ，s t a t i ca n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s ， o p t i m u md e s i g n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 缈7 年胆月形日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 细7 年 2 其绣日 南京理工大学工程硕士论文 z 3 1 0 型三工位联合冷镦机的设计与开发 1 绪论 1 1 研究背景和课题来源 锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备。锻压机械包括成型用 的锻锤、机械压力机、螺旋压力机、冷镦机和平锻机，以及开卷机、矫正机、剪切 机、锻造操作机等辅助机械。锻压设备广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业 领域，其中，作为衡量一个国家工业水平的标志之一的汽车工业，被当今世界主要 工业发达国家和新兴国家列为国民经济支柱产业，其发展主导了锻压技术及设备的 发展，锻压技术的发展和进步基本围绕汽车工业的发展而进行。激烈的市场竞争促 使汽车更新换代的速度加快，产品的市场寿命周期进一步缩短；与此同时，汽车变 形品种日益增多，现代汽车工业生产日益呈现生产规模化、车型个性化、车型批量 小、车型变化快、多车型共线生产、车身覆盖件大型化一体化的特征。传统的加工 单一产品的刚性生产线显然已不适应这种特征和市场形势发展的要求，其升级换代 产品具有高柔性和高效率的自动化锻压设备，成为世界冲压技术及设备发展的主要 潮流。 一 冷镦机是锻压机械中的一种，是用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、齿轮机构 传动，其工作平稳、工作精度高、操作条件好、生产率高、易于实现机械化、自动 化。z 3 1 0 型三工位联合冷镦机用于制造螺栓的高效率自动设备，本机床的镦锻工 位采用水平排列，采用冷拨盘料，经切断，初冲，精冲，切边，搓丝等工序，连续 制造出螺栓成品零件。 在数量上，冷镦机在各类锻压机械中名列前茅。在冷镦机的设计开发中，机身、 曲轴等是最主要的零件，就以机身为例吧，螺栓冷镦机具有半开式机身，工作台在 三个方向上都可进行一些操作，装卸模具和调整都较方便，同时为机械化和自动化 创造了条件，但冷镦机因为其机身呈半封闭的u 形，工作时变形大，刚性较差，而 机身的强度、刚度将直接影响到零件加工精度、机身导轨的磨损和模具的寿命等。 因此，如何优化机身结构、提高冷镦机机身的静态、动态特性，同时又能降低机身 的结构重量，对于冷镦机机身结构设计开发尤为重要。另一方面随着科学技术的发 展，冷镦机正向高精度高速度发展。要保证这些高精度高速度冷镦机的正常工作， 首先在设计开发冷镦机机身时必须保证有足够的强度和刚度，同时，还要考虑冷镦 机工作时的振动情况。 目前，我国冷镦机机身的设计开发至今大多沿用经验、类比的传统设计开发方 法，设计开发出韵机身不仅性能差，结构笨重，速度、精度提不高，而且设计周期 长，制造成本高，更新换代慢，这些问题使得国产冷镦机在高档次冷镦机领域内无 法与国外冷镦机相抗衡。随着中国加入w t o ，中国的机床制造企业的形势将变得更 1 1 绪论 南京理工大学工程硕士论文 加严峻，并面临更加强大的竞争对手，为此，中国的冷镦机制造企业必须改变原有 的传统的设计开发方法，以先进的设计制造手段作为技术支撑，来提高我国冷镦机 的设计制造水平，在新的市场环境中积极参与竞争。随着c a d c 舢州c a e 技术的日 益普及和应用，有限元方法等现代结构分析方法己为工程技术设计人员广为认识和 发展，在机床设计中得到广泛的应用，并取得了显著的技术经济效益。正因为此， 北港标准件厂积极进行技术更新，在自行开发“7 _ _ , 3 1 0 型三工位联合冷镦机”的过程 中，应用先进的c a d c a m c a e 技术，进行产品的设计开发。因此，本课题是企业 与高校合作的自选课题。 1 2 冷镦机( 机身) 开发设计现状 冷镦机开发设计过程中，机身、曲轴等是最主要开发设计的零件，以机身为例 来说明冷镦机开发设计现状；机身在冷镦机中起重要作用，早期人们对机身的研究 采用的是材料力学的方法，计算出设备在公称压力下危险点的应力和机身的最大变 形，引入许用应力和许用变形，使其应力和变形低于设备许用应力和许用变形即可。 由于这种方法不需要先进设备，所以国内绝大多数冷镦机制造企业都使用这种方法。 但是，材料力学研究的主要对象是横截面尺寸远小于轴线长度的杆件，往往采用了 一些关于变形的近似假设，如平面假设等，近似的求得所研究杆件在外力作用下的 应力和变形，最后在加入许多人为的经验才能满足工程要求。将机身简化成材料力 学中的杆件或杆件组合，其计算结果是非常粗糙的，很难说明问题。设计者为了保 险，往往加大安全系数，结果使得设备非常笨重，既增加了成本，又浪费了原材料。 在此基础上的优化，也不过是局部和近似的优化而已。 在工程中更常见的不是杆件，而是形状非常复杂的结构，就很难用材料力学的 方法来研究。机器中有很多零件的截面尺寸经常变化，如轴肩、切槽、油孔等。在 这些截面上，实际应力与材料力学公式计算的应力相差很大。弹性力学研究的是理 想弹性体在外力作用下的应力和变形。它所研究的变形从几何形状上来说比较广泛， 并不局限于杆，由于经典弹性力学要求的条件比较严格，以至于许多实际问题用经 典弹性力学很难求解。而有限元法是对弹性力学的补充，弥补了经典弹性力学的不 足，在机床结构的动力学方面得到了广泛的应用。 有限元法实际上是古典变分法的一种变体和发展，其基本思想离散化的观 点，早在二十世纪四十年代就提出来了。到了五十年代，英国的一个航空系教授阿 吉里斯( a r g y s i s ) 和他的合作者打破了十年沉默的局面，使有限元成功地应用于结 构分析问题。与此同时，美国教授克劳夫( r w c l o u g h ) 运用三角形单元对飞机结 构进行计算，并在1 9 6 0 年首先提出了“有限元法 的概念。此后的十年是有限元法 在国际上蓬勃发展的十年。六十年代中、后期，数学家开始介入对有限元法的研究， 2 南京理工大学工程硕士论文z 3 1 0 型三工位联合冷镦机的设计与开发 促使有限元法有了坚强的数学基础。我国著名计算数学家冯康早在1 9 5 6 年就发表了 研究论文。1 9 6 5 年英国教授辛格维茨( o c z i e n k i e w i c z ) 及其合作者提出了有限元 法可用于所有场的问题。有限元法首先应用于航空工程，由于其方法的有效性，迅 速被推广应用于造船、机械、动力、建筑和核子等工程部门。并从固体力学领域扩 展到流体力学、传热学、电磁学、声学和振动学等领域，并伴随高速电子计算机的 发展和有限元理论的研究得到迅速发展1 1 1 。 锻压机械的静态有限元分析主要是从上个世纪七十年代开始的，我国具有代表 性的是文献f 2 l ，主要是根据j 2 3 8 0 型压力机机身的左半部分的受力简图，利用平面 问题的有限元程序计算出各单元节点的位移和应力，并求出机身的线刚度和角刚度， 与实测和材料力学的计算值进行比较验证。随后这方面的研究逐渐增多，领域不断 扩大和深入。王留德是利用自编的空间板系通用程序s p s 对闭式4 0 吨数控回转头 压力机机身进行计算，并将计算结果与实测结果进行了比较并找出存在误差原因【j j 。 李明典等用有限元法分析了锤杆在对中和偏心载荷作用下应力沿锤杆的分布，探讨 了不同偏心、加速度和材质对锤杆动应力分布的影响，为锤杆的改进设计提供有用 的理论依据1 4 。王俊领通过对轧机机架的有限元分析，找出了危险点的位置，确定 了极限安全系数瞪】。王苏安等针对某厂2 5 吨曲柄连杆式飞剪机机架使用中存在的问 题，采用a l g o r 软件对飞剪机机架进行了有限元分析和强度研究，得出了飞剪机 架的应力、应变分布，找出了薄弱环节，并应用电阻应变仪在现场做了多点测试， 其理论值与实际测试值吻合较好。并对飞剪机架提出了改进措施，对改进后的机架 又进行了有限元分析。实践证明，通过改进的曲柄连杆式飞剪机架其性能比以前更 好1 6 。李陪武等以j 5 2 1 6 0 0 型双盘摩擦压力机为例，较为全面的分析了中心载荷、 扭转载荷和偏心载荷对机身强度和刚度的影响，提出了允许偏载荷的概念及一些解 决问题的方法与设计准则f 7 】。史宝军、管延锦等对压力机的强度和刚度进行了研究， 并结合机身的结构特点，分别采用了许多措施，是机身的结构更合理【8 胡】。史宝军主 要对j 2 1 1 6 0 型开式压力机机身进行有限元分析和结构优选，取得了既减轻重量又 提高强度、刚度的显著效果。这说明锻压机械的有限元分析已从原来的应力和变形 分析走向结构的静态优化们。 锻压机械的动态有限元分析主要是从八十年代开始的，主要集中在开式压力机 和螺旋压力机n l l - 1 1 6 】，其中文献【1 1 】是较早的一篇，文章主要对j 2 3 8 0 型开式压力机 机身进行有限元分析，并用w i l s o n e 法得出机身主截面的动应力和机身动态角变 形，均比静态大2 5 左右。动九十年代，随着数值模拟技术的引入，锻压机械动态 有限元应用的广度和深度不断增加，接着李德军等以j 5 3 1 6 0 0 型双盘摩擦压力机为 对象，建立机身有限元模型，并将理论模态分析结果与模态实验结果进行比较，还 模拟计算了冷击、锻压情况下压力机的振动响应，为摩擦压力机的动态实际提供一 3 l 绪论南京理工大学工程硕士论文 定的参考。对闭式压力机机身研究的文献有 1 6 】，文章利用m a r c 软件对闭式压力 机机身进行了三维有限元分析，并将计算结果与实测值进行比较，同时对机身进行 了优化，提出了改进方案。最后还用l a n c z o $ 方法计算了机身的前十态模态，分析 了各阶模态对设备的影响，又对机身进行了进一步优化，使机身的动态特性得到进 一步的提高，为高速压力机的动态设计提供了非常有用的资料。 对于其它机床大件的研究，汤文成教授等根据机床结构件特点，提出了用于机 床大件结构拓扑生成的方法，并对结构进行了有限元分析后优化设计，从而实现结 构的自动设计，为结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试n7 1 。谷祖强等 应用“结构系统设计灵敏度分析 理论，把有限元分析和最优化技术有机结合起来， 应用于机床结构件的优化设计，有效的提高了设计效率n 引。毛海军等将b p 神经网 络理论与有限元建模方法相结合，提出了采用b p 神经网络建立机床整体主要部件 的动力学模型，并应用大型有限元分析软件a n s y s 的a p d l 进行b p 神经网络样 本的快速采样的方法。根据所提出的方法，建立了机床双w 筋板机身的筋板位置、 厚度与机身前5 阶频率之间的b p 神经网络模型，并以机身第1 阶固有频率最高为 目标进行了设计变量的自动搜索寻优计算且获得了满意的结果，表明神经网络理论 与传统的数值方法相结合应用于实体结构的动态分析计算具有重要的现实意义n 9 1 。 徐燕申等提出数控机床大件结构设计元结构和基本框架的概念，把由机身筋板围成 的栅格称为筋格，机身的宏观构形为基本框架。筋格的动态特性直接影响机床机身 的动态特性。分别以筋格各边长、板厚和清砂孔径为设计变量，以筋格的固有频率 为优化目标，进行有限元动态设计，得到相应的筋格基频随设计变量变化的曲线图， 通过有限元分析，发现当机身的高度与宽度接近时，机身的动态特性较好。用有限 元分析法对简化的机身结构动态特性进行研究，总结出对数控机床机身设计具有普 遍指导意义的规律，可用于数控机床机身结构初步设计】。 国外对于压力机机身也有研究，德国的m n e u m a n n 和h h a h n 建立了机械压力 机的三种不同复杂程度的工程模型，并通过实验进行验证模型的参数，从而对压力 机进行计算机仿真和动态设计睢1 1 。丹麦的m a r e n t o f t , m e r i k s e n 和t w a n h e h e i m 设 计了一种压力机实验来确定了压力机的六个刚度，从而为压力机的设计提供了有益 的帮助2 2 1 。 综上所述，在机床机身的研究上，已从静态向动态上发展，而且应用了各种各 样的技术。随着控制技术的提高，锻压机械向着高速度、高精度、高效率和轻量化 的方向发展，压力机机身设计从材料力学的机身危险点应力和最大变形的校核，到 有限元的使用和数值模拟技术的引入对其进行模态分析和动态响应分析，使机身设 计水平有很大提高，但还存在以下问题： 1 ) 建立的计算模型和实际结构差距较大。 4 南京理工大学工程硕士论文 z 3 10 型三工位联合冷镦机的设计与开发 2 ) 对机身静态的特性研究比较多，对动态的研究比较少；对低速设备研究得比 较多，对高速设备研究得比较少。 3 ) 在设计上解决静态与动态的联合设计问题。 4 ) 在结构动力学优化设计中去除求解盲目性问题，应该比较清楚的研究其解的 存在性与唯一性问题。 ，5 ) 只注重研究，不注重应用问题等2 3 l 【圳。 1 3 本课题研究的目的和意义 1 3 1 本课题研究的目的 近年来，由于我国国民经济的飞速发展，标准件行业对冷镦机特别是螺栓冷镦机 的需求越来越多，国内国际市场竞争非常激烈。世界许多冷镦机生产厂家都把精力 集中在开发高速度、高精度的冷镦机上，研究的方向不但在机身上，而且己转移到 整个冷镦机的装配上，在研究的手段上不但是计算机仿真，而且应用了许多有效的 实验模拟装置。我国冷镦机的分析水平还不高，长期以来还停留在材料力学的方法 上，将机身简化成杆梁结构，而且许用应力大多来自经验。对机身的有限元分析大 多限于静态分析，而从动态方面的研究做得很少( 由于行程次数低，加工精度要求 低) 。随着电子技术、计算机技术与机床技术的结合，强烈要求分析设计内容完善化、 目标最优化、过程动态化、是机床加工高速化、加工过程自动化和柔性化。并且具 有高可靠性和良好的经济效益。只有这样，才能提高我国机床的产品质量和国际竞 争力，推动我国的民族工业生产。 1 3 2 本课题研究的理论意义和工程意义 现代工业的发展，冷镦机滑块行程次数提高很快，对加工工件的质量要求很高， 传统“材料力学加经验 的设计方法很难满足现实要求，需要在冷镦机的设计上提 倡精确化，同时应该把动态分析和动态优化引入到冷镦机的机身设计和校核上，使 我国的冷镦机设计水平提高一个新台阶。 在工程上对冷镦机机身进行动态分析和校核，对提高冷镦机的打击次数、动态 性能和加工工件质量、延长模具寿命等都有非常重要的意义。 1 4 本课题的主要研究内容 课题采用有限元结构分析软件a n s y s i o 0 作为分析工具，对“z 3 1 0 型三工位联 合冷镦机 的机身进行有限元静态、动态特性分析，并根据分析结果进行机身的结 构优化设计研究，主要内容包括以下几个方面： 1 ) 根据冷镦机的实际情况，计算冷镦机在公称力作用下，两曲轴支撑孔受到的 5 l 绪论南京理工大学工程硕士论文 作用力，并将其按余弦分布离散作用在支撑孔的左半部分孔面上； 2 ) 在a n s y s i o 0 上建立实体分析模型； 3 ) 通过对冷镦机的有限元计算，分析了冷镦机机身的静态特性，即应力场分析、 变形场分析，计算出了机身的变形量，找出了机身静态下的薄弱结构； 4 ) 对冷镦机机身进行了模态计算，分析了前5 阶固有模态对冷镦机的影响，找 出在动态情况下机身的薄弱结构，在静态结构优化的基础上对机身进行动态结构优 选，使冷镦机的各阶固有频率远离了冷镦机的工作频率和电动机的频率，从而有效 地避免了共振现象。 6 南京理工大学工程硕士论文 z 3 1 0 型三工位联合冷镦机的设计与开发 2 总体设计 z 3 1 0 型三工位联合冷镦机主要供紧固件和汽车制造厂制造各种杆部直径1 0 r a m 的高强度螺栓和同类规格的异形杆类零件的成形工艺可在本机床上连续地自动完 成。 2 1 搿螺栓g b 5 7 8 3 8 6m 1 0 x 6 0 一镦制工艺分析 图2 1六角螺栓镦制过程示意图 上图2 1 所示为“螺栓6 8 5 7 8 3 8 6m 1 0 x 6 0 ”镦制过程中每一环节的技术要求。 首先要将线材在拉丝机上“拉丝 为直径8 8 0 0 2 n 表面粗糙度为6 3 u m 的状态； 再在冷镦机上切断至图示尺寸；这称为第一工步。第二工步是“粗打头”至图示要 求；第三工步是“再打头 至图示要求；第四工步是将头部切成正六角形；第五步 是搓丝成形。专门设计专用冷镦机的目的之一就是要解决这五步的工艺问题。鉴于 搓丝成形这一步具有相对的独立性，专机设计时可以将搓丝成形单独列出，其精度 靠丝牙的自身精度来保证，此精度的数值将作为专机设计的理论依据。杆件的自身 直径误差为0 0 2 r a m ，在进行专机设计时，要考虑机床整体和镦制部分模具的受力 变形量以及整机的振动最终反应在工件上的镦制部分的尺寸偏差，应能够满足直径 在图纸公差允许的范围之内。六角头螺栓的材料为4 5 ( 或q 2 3 5 a ) 钢件，根据机械 7 2 总体设计南京理工大学工程硕士论文 设计手册查得，材料的机械性能等级要达到8 8 级；其许用应力值约是2 3 5 m p a 。另 外表面粗糙度没有过高的要求，理论上完全能够满足图纸上的各项技术规格。 2 2 专机设计的要求 表2 1 非标设备设计的主要技术参数 参数名称参数值参数名称参数值 公称压力( n )1 0 0 0 0 工位数( 个) 3 最大螺栓直径m m m i o 工件长度范围m m 1 5 0 最大切断直径l u m c1 0 5 最大镦锻直径m i l l c1 6 切断长度m l n1 6 5 阴模最大推出度m m 1 5 0 滑块行程m m2 0 0 工位距离m l l 8 0 切断行程m m1 5 最大装模高度m m 1 1 5 上模孔径及深度 c 3 8 8 5 下模孔径及深度 c5 8 1 7 0 搓丝长度m m 5 5 搓丝行程h i m 主电机功率k w 1 5 8 净重k g 8 0 0 0 外形尺寸m m3 8 0 0 1 7 0 0 1 7 7 0 2 3 机床总体结构及工作原理 z 3 1 0 冷镦机的主要功能部件由床身、主滑块、主传动、钳箱及夹钳、送料、 捅料机构，切断机构、顶料机构、电气控制部分。润滑冷却系统及罩壳等部件组成、 z 3 1 0 冷镦机多工位的主传动：由主电机旋转通过小皮带轮、皮带经过惯性储能 大皮带飞轮经由离合器将动力矩传递给主曲轴，通过主连杆带动主滑块作往复运动， 实现镦锻动作。 冲模顶出料动作由付拉杆、通过摇杆带动顶出凸轮轴，使项出摇杆作顶出摆动。 同时与副拉杆相连接的切料拉杆牵动切料凸轮轴动作。推动装有切刀的切料器 作上下位移实现切料动作。 送料摆架的滚子沿主连杆上的送料凸轮曲线轨迹作有规律的往复摆动，然后给 连杆过渡摇杆及装有棘爪的零件使棘轮及送料辊轮作间歇单旋向转动，实现间歇送 料运动。 在曲轴的左端移钳凸轮的带动下，通过装有滚子的摇杆、连杆、齿轮副拉动钳 架作钳移动动作，完成夹钳在工位之间送料动作。 。在曲轴的左端张闭钳凸轮，通过装有滚子的摇杆、连杆、张闭推移拨叉、拉杆、 张闭升降板、张闭撑杆、及张闭钳吊襻、吊襻板及钳杆的带动下，夹钳作松料张嘴 r 南京理工大学工程硕士论文z 3 1 0 型三工位联合冷镦机的设计与开发 动作。 在项出凸轮轴上的捅料凸轮板的回转推动带有滚子的摇杆、连杆、及捅料杆的 摆架作捅料动作。本机各部的动作时间及顺序和滑块的相对位置如图2 2 所示。 2 0 0 9 0 0 1 8 0 。 2 7 0 03 6 0 。 逆时针) 1 0 04 4 o5 1 0 1 4 8 o 1 8 00 2 0 0 o 2 7 0 03 6 0 0 副拉杆 向前运转 送料送料 切料 1 切刀返程切刀待料向上切料 顶料空顶 顶料 捅料 捅料 夹钳位移夹钳移动夹钳移动 夹钳张闭 闭钳范围 切边顶料空顶顶料 阳模顶出 搓丝 图2 2z 3 1 0 多工位工作循环示意图 2 4 机床主要部件的结构 2 4 1 床身部件结构 冷镦机的床身部件如图2 3 ，主要由床身及底盘组合而成，床身的结构材料为 9 2 总体设计 南京理工大学工程硕士论文 q t 5 0 0 ，底盘采用钢板及槽钢焊接制成。该机的镦锻工位呈水平排列形式，导轨采 用等宽不等高的前后分段主副导轨结构形式。下模座采用整体结构。落料斗通过调 图2 3 床身部件示意图 整第三镦锻工位前的小料斗位置，可以满足镦制切边和凹穴螺栓坯料的需要。 2 4 2 主滑块部件 1 0 南京理工大学工程硕士论文 z 3 10 型三工位联合冷镦机的设计与开发 图2 4 主滑块部件示意图 4 主滑块部件如图2 4 ，是本机进行镦锻工作的主要工作部件，本机滑块部件主 要有主连杆1 6 、连杆销轴1 5 、滑块体1 4 ，垫块1 3 及三个冲头夹持器组成。本机的 主连杆与连杆销轴是固定连接在一起的，因此本机的行程间隙较小，工作平稳，从 而减少了空行程的顶模现象。 2 总体设计南京理工大学工程硕士论文 2 4 , 3 主传动系统和夹钳传动系统 主传动系统如图2 5 所示，夹钳传动系统如图2 6 所示；本机传动系统的主要 特点是采用连杆机构形式，除少部分采用凸轮摇杆作为传动时间顺序控制之外主要 传动均采用连杆连接形式，从而提高了传动效率，降低了传动噪声，并大大地减少 了机器的横向占地面积。工作原理：由电机带动飞轮皮带轮7 ，通过离合器带动曲 轴8 作逆时针旋转。曲轴8 带动主连杆、主滑块上模座完成本机床的镦锻动作；曲 轴8 带动偏心6 、轮副拉杆5 顶料曲柄、顶料轴2 作顶料动作及捅料动作；同时副 拉杆5 牵动切料拉杆断料凸轮轴3 、切料器进行切料。曲轴8 带动送料凸轮4 、顶料 摇杆、过渡摇杆、棘轮进行送料。曲轴8 带动钳移动凸轮、移动摇件拉杆、钳移动 齿轮、钳架，使钳在各工位间传递镦锻产品。由曲轴8 带动张闭钳凸轮、张闭摇杆、 拉杆、张闭拨叉、张闭升降板、张闭吊襻、钳杆、钳片完成钳的张闭动作。 1 2 田 血 图2 5 主传动系统示意图 南京理工大学工程硕士论文 z 3 10 型三工位联合冷镦机的设计与开发 任毫阡p 臀i t一拦蚶。j 。争o 争 百：口 图2 6 夹钳传动系统示意图 2 4 4 离合器和制动器 原理：离合器在传动系统中，是使从动部分与主动部分达到迅速接合和脱 开，同时还起着过载保护作用。制动器则在很短的时间内使滑块和其它从动部件全 部停止运动。离合器与制动器的动作顺序是由气动部件中的气阀控制。 结构：本机使用的d g 系列干式单片磨擦离合器n 动器在平时非工作状态 时，是由多组弹簧预压紧制动部分磨擦片，使机器处于非镦锻状态。工作时，制动 器脱开，离合器合上。 2 4 5 夹钳和夹钳传送 夹钳转送有二个动作，即夹钳在镦锻工位间的直线平移及夹钳的张开和闭合。 ( 1 )夹钳的位移：夹钳的位移动作如图2 6 所示，安装在传动轴上的左右移 回转凸轮1 驱动摆架3 ，螺杆5 牵动左右移动摇杆齿轮7 迥转动作，左右移动齿轮9 连接连杆1 1 带动钳架1 3 作移钳动作。 ( 2 )夹钳的张开与闭合：夹钳的张闭动作如图2 6 所示，安装在传动轴上的 张闭回转凸轮2 驱动摆架4 ，螺杆6 牵动张闭钳推移拨叉8 经过连杆l o 拉动张闭钳 1 3 2 总体设计 南京理工大学工程硕士论文 起降板1 2 在张闭撑杆的支撑下作上升和下降动作，在张闭钳起降板1 2 的作用下， 张闭钳吊襻板1 4 及张闭钳吊襻1 6 随之上升下降，在张闭钳吊襻的牵引下，两对称 的钳杆1 8 作对称的摆动，实现张闭钳动作。 ( 3 ) 钳架的转出和转入：在调整模具时，整个夹钳机构( 简称钳架) 可由钳 架1 3 以轴2 4 为中心翻转，翻转前先松开压板螺栓，去掉压板，松开移动连杆销轴， 即可把钳架翻起。注意只有把钳架翻转1 2 0 。后，在翻转定位可靠时方可操作，否 则受振动后容易发生危险。 图2 7 钳箱示意图 2 4 6 送料和校直 送料和校直如图2 5 和图2 8 所示； 1 ) 送料：送料凸轮4 在主曲轴右侧副拉杆偏心轮的左侧，当曲轮旋转工作时 送料同时旋转，带滚子的摆架7 在拉簧的作用下紧贴送料凸轮工作曲面产生摆动， 摆架一端的连杆8 作相应的往复运动，经过过渡摇杆9 ，过渡连杆1 0 ，连杆的另一 端棘轮摆架1 1 用相应的摆动，在棘爪1 2 ，棘轮1 3 的单向传动下料轮作间隙单向的 1 4 南京理工大学工程硕士论文z 3 1 0 型三工位联合冷镦机的设计与开发 送料动作。校直由五个滚轮的相对位置来实现。 2 ) 送料轮的夹紧与松开：当气缸1 4 迸气时，在气阀控制下，另一端排气，活 塞向前后两侧扩张，通过送料压紧杠杆1 5 的作用，带动压紧料轮1 6 向下压紧完成 送料轮1 7 的夹紧动作。当需要要松开时，通过电磁阀改变转换控制阀进出气流，使 活塞向中间收缩通过送料压紧杠杆的作用，带动压紧料轮向上抬升，完成送料轮的 松开动作。 图2 8 送料装置示意图 2 4 7 项料装置和捅料装置 项料装置和捅料装置如图2 9 所示； 1 ) 结构：本项料机构由镦制工位项出，切边工位顶出和捅料等三部分”组成的。 项料凸轮轴1 由曲柄受副拉杆牵引实现往迥转运动，然后由顶料凸轮轴l 上的顶料 凸轮2 推动摆架3 ，使大顶针1 2 实现顶料动作、顶料凸轮2 右边的捅料凸轮4 同时 作相应迥转运动，推动摆架5 作往复运动，在规定时间内完成捅料动作。为了保护 机构中，零件避免在顶料超载发生故障时而损坏，摆架3 、1 4 与顶料块6 采用了拉 断保险销的连接，防止摆架等零件的损坏，便于装拆和更换。 2 总体设计 南京理工大学工程硕士论文 图2 9 顶料装置示意图 2 4 8 切料装置 切料装置如图2 1 0 所示；本机采用套筒切料、垂直方向切断的结构形式和切料， 切料凸轮4 的往复转动是副拉杆l ，通过切料连杆2 、摆杆3 、带动切料凸轮轴4 作 迥转摆动，当切料凸轮轴4 顺时针方向转动时，凸轮轮廓径向直径增大，刀杆5 上 滚子与之紧贴，装有套筒切刀和刀板的刀杆在导柱1 0 上向上运动，完成切料，料切 断后继续向上送料到捅料孔，等待捅料及夹钳的转送，当凸轮逆时针方向转动时， 切刀返回，切料工作的循环时间由凸轮轴4 及摆杆3 的键槽位置在安装时保证不必 调整。 1 6 南京理工大学工程硕士论文 z 3 1 0 型三工位联合冷镦机的设计与开发 图2 1 0 切料装置示意图 本机主要部件设计具有下列特点： 镦锻工位排列采用水平布置形式。 机器上的主要工作机构( 切料、项料、送料) 的传动机构采用了连杆凸轮结 构形式。 夹钳传送机构采用平行换位及大张嘴松料结构形式。 顶料机构可根据产品长度调整，达到顶出行程无级调节的目的。 本冷镦机的主要零件的设计简述如下。 2 5 主曲轴的基本要求 主曲轴及其组件是冷镦机的重要组成部分之一。主曲轴组件通常由主曲轴、轴 承和安装在主曲轴上的传动件组成。冷镦机工作时由主曲轴带动着曲柄滑块直接形 成镦制运动( 往复运动) ，也带动着其他运动机构形成运动。所以，主曲轴组件的工 作性能，对加工质量和冷镦机生产率有重要的影响。对冷镦机主曲轴组件的要求， 和一般的传动轴组件有共同之处：就是都要在转速下传递一定的扭距；都要保证轴 上的传动件和轴承正常的工作条件。因此，对于主曲轴组件又有许多的特殊要求。 2 5 1 旋转精度 1 7 2 总体设计南京理工大学工程硕士论文 主陆轴组件的旋转精度，是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下主曲轴前 端径向和轴向跳动值。主曲轴组件的旋转精度决定于组件中各主要件如主曲轴、轴 承等的制造精度和装配、调整精度。运动精度则还决定于主曲轴转速、轴承的设计 和性能以及主曲轴组件的平衡。 2 5 2 静刚度 静刚度，简称刚度，反映了机床或部、组、零件抵抗静态外载荷的能力。 2 5 3 抗震性 主曲轴组件的抗震性会影响镦制螺栓的表面质量、模具的耐用度和主轴轴承的 寿命，还会产生噪声影响环境。如果发生自振，将严重影响加工质量，甚至有可能 使镦制无法进行下去。影响抗震性的，是主曲轴组件的静刚度、质量分布和阻尼， 主曲轴的固有频率应远大于激振力的频率，使它不易发生共振。 2 5 4 热变形 主曲轴组件的热变形使主轴伸长，使轴承的间隙发生变化。如果主曲轴轴承是 滑动轴承，温升使润滑油的粘度下降，从而降低轴承的承载能力。温升使主曲轴所 在机身发生热膨胀。，使主曲轴偏离正确的位置。如果前后轴承温升不同，还将使主 曲轴倾斜。 2 5 5 耐磨性 主曲轴组件必须具有足够的耐磨性，以便能长期的保持精度。磨损后对精度有 影响的部位首先是轴承，其次是连杆的部位。本冷镦机装有滑动轴承，则轴颈的耐 磨性对精度的保持影响很大。 2 6 主曲轴的设计 主曲轴是主曲轴部件中的关键零件，其结构、形状、尺寸、制造精度、材料以 及热处理等对整个主曲轴部件的工作性能有决定性的影响。在冷镦机主曲轴的设计 过程中，要系统地考虑各种因数( 如：功能要求、性能、成本等) 的影响，其中要 处理的许多定性因数或定量因数之间通常以某种复杂的方式相互影响、相互作用。 主曲轴的结构形状主要取决于曲轴上所安装的零件、轴承、传动件的类型、数 目、位置、安装定位方式等，同时也考虑其加工装配的工艺性。通常冷镦机主曲轴 的结构是中间粗两头细的阶梯轴，这样的结构是为了适应主轴各段承受的不同载荷， 以满足刚度要求，同时也为其上的多个零件提供足够的安装、定位及推面，也有利 于加工和装配。主曲轴的初步结构形状示意如图2 1 l 所示。 1 8 南京理工大学工程硕士论文z 3 1 0 型三工位联合冷镦机的设计与开发 图2 1 1 主曲轴结构形状示意图 图2 1 2 主曲轴主要受力情况示意图 主曲轴的主要受力情况如上图2 1 2 所示，来自皮带轮的扭矩1 和来自滑块的 锻力1 。锻力1 的额定值为1 0 0 0 k n ，扭矩1 = 1 0 5 k n m 根据材料力学的强度理论， 初步计算出主曲轴的直径参数，考虑到冲击性，再加大安全系数，设计出主曲轴。 ( 参见主曲轴零件图) 2 7 主连杆设计 主连杆是主曲轴和滑块之间的连接件，既要有足够的强度，又要有抗震性；既 要连接可靠，又要运转灵活。特别是铰接处要有相当强的耐磨性。为此，两端铰接 处，特设计用铜衬套。参考主曲轴直径和长度尺寸，主连杆的初步形状如图2 1 3 所示： 1 9 2 总体设计南京理工大学工程硕士论文 图2 1 3 主连杆结构形状示意图 考虑到安装工艺，连杆大头采用剖分式结构；用螺栓牢固连接。 图2 1 4 ，主连杆大头铜套形状示意图 图2 1 5 主连杆小头铜套形状示意图 南京理工大学工程硕士论文z 3 1 0 型三工位联合冷镦机的设计与开发 2 8 主滑块设计 主滑块是提供锻力的元件，既要有足够的质量，也要有足够的刚性。它的底面 在机身导轨上滑动，其它几个面也与机身接触，因此，四个角上均贴有铜片，增加 耐磨性，后端要与主连杆铰接；前端还要安放一些模具。主滑块的初步形状如图所 示： 2 9 机身的设计 巳 ml打 产j 卅i码 图2 1 6 主滑块形状示意图 2 9 1 概述 机身是支撑和容纳机器中各种运动零件的重要部件，它有如下的主要功能。 、支撑并包容各种传动零件，如齿轮、轴和轴承等，使他们能够保证正常的 运动关系和运动精度。机身还可以储存润滑剂，实现各种零件的润滑。 、安全保护和密封作用，使机身内的零件不受外界环境的影响，既保护了机 器操作者的人身安全，又有一定的隔振、隔热和隔声作用。 、使机器各部分分别由独立的部件组成，形成各种单元，便于加工、装配、 调整和修理。 ， 、改善机器造型，协调机器各部分的比例，使整机造型更美观。 2 9 2 机身设计的主要问题及要求 设计机身首先要考虑机身内零件的布置及与机身外部零件的关系，确定机身的 形状和尺寸。此外还应考虑以下问题： 、满足强度和刚度要求。有些受力很大的机身零件，满足强度要求是一个重 2 1 2 总体设计南京理工大学工程硕士论文 要问题，机身的强度应根据工作过程中的最大载荷验算其的静强度，对承受变载荷 的机身还应验算其疲劳强度。但是，对于大多数机身，评定性能的主要指标还是机 身的刚度。 机身的刚度分静刚度和动刚度，静刚度是机身在静载荷下的抗变形能力，动刚 度则是衡量机身抗振能力的重要指标，二者有一定的联系。 、散热性能和热变形问题。箱内零件摩擦发热使润滑油粘度变化，影响其润 滑性能，温度升高使机身产生热变形，尤其是温度不均匀分布的热变形和热应力， 对机身的精度和强度有很大的影响。 、结构设计合理性。如支点安排、筋的布置、开孔位置和连接结构的设计等 要有利于提高机身的强度和刚度。 、工艺性好。包括毛坯制作，机加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装 运输、维护修理等各个方面的工艺性。 2 9 3 机身的结构设计 机身的形状和尺寸由内部零件及内部零件间的相互关系决定，还应考虑外部有 关零件对机身形状和尺寸的要求。该“z 3 1 0 型三工位联合冷镦机”内有曲柄滑块机 构和剪料机构及三工位的模具和钳箱，外有曲柄摇杆、凸轮机构等；经过以上种种 因数的分析和综合考虑，借鉴原有机身结构，我们采用相对整体式的机身结构： 图2 1 7 机身形状示意图 箱体由常用的材料h t 2 0 0 铸造而得，铸造出的箱体热影响变形小，吸振能力强， 并且容易获得较好的结构刚度。 南京理工大学工程硕士论文z 3 1 0 型三工位联合净馓机的设计与开发 3 机身的静态特性分析 3 1 有限元模型的建立 在进行有限元分析之前，首先需要将分析对象的结构模型转换为便于分析的结 构分析模型和力学模型，在这个转换中重要的是对分析对象进行简化，并确保原始 分析对象的主要结果力学性能不发生变化。为此针对本文所研究的“z , 3 1 0 型三工位 联台冷镦机”结构特点和工作状况，确定了下面三条建模原则： 1 ) 对于明显不会影响机身强度、刚度的部位，如螺钉孔、销孔、圆角等予以简 化； 2 ) 冷镦机正常工作时，必须保证滑块底平面和工作台上平面的平行度，保证滑 块运动方向与工作台面的垂直度，导轨和滑块的导向面应保证一定的间隙，因此特 性分析时可以把导轨看成自由