（机械工程专业论文）气排钉打钉机机械结构的设计与研究.pdf

摘要 摘要 1 随着人们生活水平的提高，对家居，装饰的要求也会越来越高，气排钉的用 量不可估量，整个制钉行业的发展前景十分广阔。设备的简化，质量的提高，使用 寿命的延长，生产线的全自动化将是未来发展的趋势。 2 市场的扩大带来更多的人投资到制钉行业，但是目前业内竞争已经相当激烈， 谁能取胜和气排钉打钉机的生产效率息息相关。如何提高气排钉的生产效率就成了 提高企业效益的最关键所在。 3 目前形势迫切需要设计出一整套效率更高、更优化的自动打钉设备。原来打 钉5 0 7 0 片分钟( 1 0 0 枚是一片) ，现改进设计为1 6 0 片分钟，该机具有生产效 率高，结构简单，通用性好，工作可靠，成本低廉等特点。 4 由于原气排钉打钉机主要机体部分为焊接连接，焊接件容易变形，而变形后 的机座给调整带来了许多不便，往往需要工人仔细打磨，机床停工，这都将会消耗 掉许多无用功的投入和工时的浪费。不合理的设计还使机器的某些部位出现应力集 中，产生裂痕，随时可能发生危险，而液压缸和刀具中间的连接杆由于很难达到要 求，也经常损坏。 经过分析，把现有的焊接连接，改进设计为铸钢z g 2 7 0 - 5 0 0 ( 原牌号是z g 3 5 ) 机体连接，这样当加工不同型号产品需要调整刀具时，会方便的多，也会减小使用过 程中产生的变形。 气排钉打钉机改进设计之后，产量将近是原来的两倍，机器的寿命也大大提高， 这必将大幅度提高企业的竞争实力，进而将对整个制钉行业产生重大影响。 关键词制钉；机座：焊接连接；铸钢z g 2 7 0 5 0 0 ：气排钉 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d , p e o p l er e q u i r eb e t t e ra n d b e r e rf u r n i t u r ea n dd e c o r a t i o n sa th o m e s ot h eu s a g eo fp n e u m a t i cl i n e - u pn a i li s i n e s t i m a b l ea n di t sm a n u f a c t u r eh a sab r i l l i a n tf u t u r e t h es i m p l i f i c a t i o no ft h ee q u i p m e n t ， q u a l i f i e dp r o d u c t s ，t h ee x t e n s i o no fs e r v i c el i f ea n dt h ea u t o m a t i cm a n u f a c t u r ef l o w sw i l l b eat e n d e n c yi nt h ef u t u r e 2 a sar e s u l to ft h em a r k e te x p a n s i o n , m o r ea n dm o r ep e o p l ei n v e s ti n n a i l m a n u f a c t u r i n g t h ec o m p e t i t i o ni sq u i t es e v e r e w h ow i l lw i nt h em a r k e td e p e n d so ni t s p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , w h i c hi se s s e n t i a lt oi m p r o v et h ee n t e r p r i s eb e n e f i t 3 a tp r e s e n t ，i ti s u r g e n tt od e s i g nab e t t e ra u t o m a t i cn a i lm a c h i n ew i t l lh i g h e f f i c i e n c y t h ep r o d u c t i v i t yo ff o r m e rm a c h i n e5 0 - 7 0p i e c e sp e rm i n u t e ( 10 0i so n ep i e c e ) n o wt h en e wo n e s16 0p i e c e sp e rm i n u t e e s p e c i a l l y , t h en e wm a c h i n ei ss i m p l e ，e f f i c i e n t ， r e l i a b l e ，u n i v e r s a la n d1 0 wc o s t 4 b e c a u s et h ee n g i n eb l o c ko ft h ep n e u m a t i cl i n e - u pn a i lm a c h i n ei st h ew e l dj o i n t a n dt h ew e l d m e n ti se a s yt od i s t o r t t h ed i s t o r t e dp e d e s t a lw i l lm a k ea d j u s t m e n td i f f i c u l t ， w h i c hr e q u i r e sc a r e f u l l yp o l i s h i n ga n ds h u t t i n gd o w nt h ee n g i n el a t h e a n da l lo ft h e a b o v ec o n s u m e si n v e s t m e n ta n dt i m e t h eu n r e a s o n a b l ed e s i g na l s oc a u s e st h es t r e s s c o n c e n t r a t i o na n df r a c t u r ei nc e r t a i np a r ta n da sar e s u l tt h ed a n g e re x i s t sn o wa n dt h e n w h a t sm o r e ，t h eh y d r a u l i cc y l i n d e ra n dt h ec o n n e c t i n gr o db e t w e e nt o o l sa r eo u to fo r d e r a n dd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，w e 1 1c h a n g et h ew e l dj o i n ti n t oc a s ts t e e lz g 2 7 0 - 5 0 0 ( o r i g i n a l t r a d e m a r ki sz 0 3 5 ) i nt h i sw a y , i ti sc o n v e n i e n tt oa d j u s tt h et o o l sf o rd i f f e r e n tp r o d u c t t y p e sa n di tc a na l s or e d u c et h ed i s t o r t i o ni ni t so p e r a t i o n a f t e rt h ei m p r o v e m e n t ，i tw i l ld o u b l et h eo u t p u ta n dp r o l o n gt h em a c h i n el i f e ，w h i c h w i l le n h a n c et h ee n t e r p r i s e sc o m p e t i t i o ng r e a t l ya n dp r o d u c eag r e a ti n f l u e n c ei nn a i l m a n u f a c t u r i n g k e yw o r d sp n e u m a t i cl i n e u pn a i lm a c h i n e ；p e d e s t a l ；w e l dj o i n t ；c a s ts t e e lz g 2 7 0 - 5 0 0 ； p n e u m a t i cl i n e u pn a i l i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1选题背景 由于经济条件的提高，人们对住宅、生活环境等各方面的标准要求越来越高， 在这些装修、装饰中都离不开钉子。这就要求把钉制成具有一定规格的气排钉，以 便把钉快速装进射钉枪。射钉枪由于其效率高，使钉受力均匀、一致，使用方便等 优点而广泛用于包装、广告装饰等方面，而作为其“子弹”的气排钉，也就有了大 量的需求。它们将取代小铁钉、人工装修、装饰等各方面用钉。我曾在珠江三角洲 地区的制钉厂调查，发现这种气排钉不仅在本地区，而且在内地和港澳、东南亚等 地，都有相当的需要，经济效益可观。 气排钉就是把规则排列的单个钉子用粘接剂或其它方式粘接在一起的一种新型 木工用钉。气排钉被放入特制的射钉枪中，以电或压缩空气为动力，通过冲击作用， 射入木板、塑料或其它复合材料中【2 】。它在建筑、装修、包装、装潢、沙发等行业得 到了越来越广泛的应用。 气排钉的生产是由原材料盘条即圆铁丝见表1 1 。先生产成线带，也即经多次冷 拔【3 】 把它们先变成细铁丝，然后把它们用压扁机拉直、压扁，并集于一定数量的线轴 上，多根并排用上胶机【4 】粘在一起，送进送料器j n - r 烘干制成线带，当然这些步骤， 都需要相应的设备，经过多次运输，最后将制成的线带送入气排钉打钉机中进行切 断、打帽，从而完成整个制作程序。现在的打钉速度是：5 0 - 7 0 片分钟；线带宽 范围：f 车t 1 0 0 枚，f 钉规格：f 1 0 ，f 1 5 ，f 2 0 ，f 2 5 ，f 3 0 ，f 3 2 ，f 3 5 ，f 4 0 ，f 4 5 ， f 5 0 。按中华人民共和国机械行业标准j b t7 7 3 9 9 5 选取最大的钉宽：1 3 m m 钉厚： 1 1 m m 。f 钉系列材质：低碳高镀锌层，抗拉强度为3 4 - - 4 2 公斤。f 钉切料长度= 不同型号钉长+ 1 2 r a m ，例：f 3 0 切料长度：3 0 m m + 1 2 m m = 3 1 2 m m 。气排钉的规格 如图1 1 所示： 河北科技大学硕士学位论文 一- 1 3 1 9 _ 卜 r - a ：l 。孤曩 图1 1 气排钉规格 f i g i - i p n e u m a t i ch n e - u pn a i ls p e c i f i c a t i o n 表1 - 1 盘条的执行标准 t a b 1 - 1t h ec a r r y i n g - o u ts t a n d a r do f w i r er o d ： 产品名称钢牌号执行标准名称执行标准产品规格范围 高线：0 5 5 - 1 6 m 皿盘重 盘条q 1 9 5 、q 2 1 5低碳钢热轧圆盘条 g b t 7 0 1 1 9 9 7 2 0 0 0 k g 1 2 国内外研究状况 打钉机起源于国外，日本、台湾、西欧的技术比较先进。目前已经实现流水线 全自动化控制，一个工人可以负责几条甚至十几条流水线，打钉机的生产速度也可 以达到1 8 0 片分钟左右，但是它们的设备复杂，价格昂贵，一台打钉机至少需要八 十万人民币，而整条流水线的价格更高。 国内打钉行业起步于八十年代，目前生产线尚未完全实现自动化控制。打钉企 业主要分布于沿海地区和华北地区。开始主要从德国、台湾购买打钉机，但由于价 格太高，现在很多企业都与台商合办企业，吸收先进技术的同时，着力于自主创新， 已经研制出自己国产打钉设备。其水平已经和台湾进口的设备质量相当，但价格却 2 第1 章绪论 是进口价格的一半甚至更低。现在国内打钉行业已经形成规模，资产大多是几百万 到几千万。生产的气排钉不仅满足国内市场的需要，而且远销海外。 1 3市场前景及课题立项的重要意义 随着气排钉的用量越来越大，竞争越来越激烈，现有的气排钉打钉机里面的液 压元件大多从台湾进口，电控设备也多是日本、台湾、德国进口的可编程控制器。 这些气排钉打钉机存在的主要问题是速度慢，拆装更换模具费力费时，机器的使用 寿命短，最终导致产品的成本提高，改良相应打钉机的结构，速度的提高，使用寿 命的延长，生产线的全自动化将是未来发展的趋势。 。 为此，在收集了各种相关文献资料的基础上，设计出一整套效率更高、更优化 的气排钉打钉设备。现有的打钉速度一般集中在5 0 一7 0 片分钟，改进设计预计为 1 6 0 片分钟，该机具有生产效率高，结构简单，通用性好，工作可靠，成本低廉等 特点。 本文将讨论工程设计中创造性设计问题及其工程应用。以气排钉打钉机机械方 案设计为对象，讨论机械工程方案创新设计过程，并简要给出了气排钉打钉机的结 构，工作过程和有关参数。预计在生产中有较好的实用价值和广阔的应用前景。 为了进行创造性设计，设计过程的早期阶段，即概念设计阶段，必须系统化， 因为大多数关键的设计决策在这个阶段进行。本文将结合气排钉打钉机的设计研制， 就这一问题做一探讨。 1 4 研究内容和目标 本课题主要对现有的气排钉打钉机进行结构优化，设计出一种新型全自动打钉 机【5 】，预期目标为16 0 片分钟，运用u g n x 三维造型设计软件对机器各部分进行造型 装配，并通过c a x a 画图软件1 6 】转化成二维图纸。分析原来设计中存在的不足，就目 前整个行业内所使用的打钉机生产速度慢，大约为5 0 7 0 片分钟，而且打钉机使 用了一段时间之后机体就会发生变形报废。其主要原因是钉机的机体结构为焊接连 接，有一个应力释放的过程，才会导致机体结构发生变形，缩短了钉机的寿命。机 体受力变形严重，往往会发生变形，导致钉排面上受力不均匀，出现弯曲，甚至切 不断，生产出的产品变成废品，机体的变形还会引起刀具上各个点磨损不均匀，从 而缩短使用寿命，液压缸受到刀具传递上来的不平衡力作用也会加剧磨损，现在工 厂解决这些问题的方法，只是一味的增加垫片打磨刮研等。然后进行调整，而这个 调整的时间往往需要几个工人一天的时间，甚至更多，但这种办法并不能从根本上 解决j , 廿- j 题，而且调整机器的时间间隔也是越来越短。当客户需要改变产品尺寸时， 往往要取下刀具重新调整，由于打钉机主要部分为焊接连接1 7 。8 】，焊接件容易变形， 而变形后的机体给调整带来了许多不便，往往需要工人仔细打磨，这将消耗掉许多 3 河北科技大学硕士学位论文 工时。不合理的设计还使机器的某些部位出现应力集中，产生裂痕，随时可能发生 危险，而液压缸和刀具中间的连接杆由于设计不合理，同心度很难达到要求，也经 常损坏。 由此作出相应的改进，把现在的焊接连接，改成铸钢z g 2 7 0 5 0 0 一体的机体 连接，这样当加工不同型号产品需要调整刀具时，会方便的多，也会减小加工装配时 产生的变形。同时缩小了体积。材料方面：机体部分，主要承受压力，采用铸钢 z g 2 7 0 5 0 0 e 9 j o 】；导轨部分，主要承受摩擦力，采用q t 4 0 0 加回火处理，由于液压 、 一 ： 缸最大推力高达2 2 79 7 0 1 8 71 ( 第四章参数的计算对液压缸推力有详细计算) ，而 且在1 6 0 片分钟如此高速下作往复运动，这些力都会传到机体上，把主要应力集 中部位进行加固处理或圆滑处理，来消除减少内应力。把原来的由气动控制的送料 器变成由伺服电机控制的n c f 滚轮式精确送料机【l l l ，不仅送料速度可以达到要求， 也不会产生累积误差，速度提高后原来的接近开关检测灵敏度会降低，我们拟采用 光纤式传感器【12 1 ，来识别系统动作。 所以经过分析，气排钉打钉机改进之后，产量将近是原来的两倍，机器的寿命 也将大大提高，这必将大幅度提高企业的竞争实力，进而将对整个打钉行业产生重 大影响。打钉机研制成功之后，我们会着手整条生产线的全部自动化控制，这样可 以给企业节省更多的成本，用更少的工人控制更多的设备。 4 第2 章受力分析 第2 章受力分析 2 1 气排钉机的总体结构 气排钉打钉机设备的结构是根据设备负载的大小、受力分析、行程长短、空间 结构等条件来确定的。图2 1 为气排钉打钉机的结构示意图。 压紧切断液压缸 图2 - 1 气排钉机结构简图 f i g 2 1 p n e u m a t i cl i n e - u pn a i lm a c h i n es t r u c t u r ed i a g r a m 气排钉打钉机动作顺序步骤如下： ( 1 ) n c f 滚轮式精确送料器把板料( 线带) 送到冲模下方。 ( 2 ) 压紧切断液压缸带动冲模下降将板料压紧并切断。 ( 3 ) 冷镦液压缸带动冷镦模前进将被压紧切断的板料头部镦成钉头。 ( 4 ) 冷镦液压缸带动冷镦模退回。 ( 5 ) 压紧切断缸上升离开板料。 ( 6 ) 推料气缸把加工成形的气排钉推出打钉机。 河北科技大学硕士学位论文 2 2 剪切时受力变形分析 2 2 1 刀 刀( 上、下) 见图2 - 2 所示。它的主要作用是起到剪切线带的作用。 t岁i 幽 二 0 0 5 j jl t7i 一i ”j j i l i 0 专 i ( 引i j 7 l 6 1 3 1 lo 一划! 幽竺一 图2 - 2 刀( 上、下) f i g 2 - 2k n i f e ( t o pa n db o t t o m ) 刀( 上、下) 有两种冷作模具钢c r l 2 和c r l 2 m o v 可供选择。 表2 1c r l 2 和c r l 2 m o v 化学成分比较 t a b 2 - 1 c r l 2a n dc r l 2 m o vc h e m i c a lc o m p o s i t i o nc o m p a r i s o n 村质 cs il i l nc rspm ov c r l 22 o o 2 3 00 4 00 4 01 1 5 1 3 o o0 0 3 00 0 3 0 c r l 2 m o v1 4 5 1 7 00 4 00 4 01 1 5 0 1 3 0 00 0 3 00 0 3 00 4 0 0 6 00 1 5 0 3 0 c r l 2 是一种应用广泛的冷作模具钢，含碳量高达2 2 3 直接淬火加低温回火。 它是一种高碳、高铬类型莱氏体合金钢。具有高强度、较好的淬透性和良好的耐磨 性，由于钢中碳质量分数最高可达2 3 ，从而使钢变得硬而脆，所以冲压韧性较差， 几乎不能承受较大的冲击载荷，易脆裂，而且易形成不均匀共晶碳化物。用于制造 受冲击载荷较小且要求高耐磨的冷冲模和冲头、钻套、量规、搓丝板和螺纹滚模等。 c r l 2 m o v 经淬火时体积变形小，因其碳含量比c r l 2 钢低很多，且加入了钼、钒， 因此，钢的热加工性能、冲击韧性和碳化物分布都得到了明显改善。 淬火后洛氏硬度可达5 8 - 6 2 h r c ，再加上气体软氮化处理，气体氮碳共渗。在 1 9 世纪7 0 年代由美国人发明，距今不到4 0 年的历史。经氮碳共渗的零件扩散层的 硬度比渗氮( 硬氮化) 低故称之为软氮化工艺温度常用为5 2 0 * 0 - - 5 8 0 气3 之间1 1 3 - 3 4 】。 软氮化具有如下特点： ( 1 ) 渗层无脆性，化合物层均匀，厚度8 2 5l am ，强韧性好，耐疲劳性和耐磨性 6 第2 章受力分析 高。耐磨性主要靠化合物，比纯淬火的零件耐磨性高几倍到十几倍o ( 2 ) 工艺温度低、热应力小，工件变形小。 ( 3 ) 应用范围广泛。各种碳钢、合金钢、铸铁、粉末冶金制件、刀具、模具等都 可进行氮碳共渗提高其使用寿命。 ( 4 ) c r l 2 m o v 经软氮化后，表面硬度可达洛氏硬度6 7 h r c 。它的淬透性、淬火 回火后硬度、强度、韧性比c r l 2 高得多，直径为3 0 0 4 0 0 m m 以下的工作可完全淬 透，淬火变形小，但高温塑性较差。多用于制造截面较大、形状复杂、耐磨性要求 高、承受较大冲击负荷的冷作模具和工具，如冲孔凹模、切边模、滚边模、压印模、 螺纹滚模、钢板深拉伸模，以及要求高耐磨的冷冲模和冲头等【1 5 】。 。 综上所述，因c r l 2 m o v 淬火时体积变形小，且碳含量比c r l 2 低很多，能承受 较大冲击负荷，所以选择它为刀的材料更好更适合。 2 2 2 剪切、挤压时受力分析 剪切、挤压时受力分析如图2 3 所示。 图2 - 3 剪切、挤压受力分析 f i g 2 3c u t t i n g ，e x t r u s i o ns t r e s sa n a l y s i s 线带受到压紧切断液压缸剪切、挤压力的作用，当刀尖间隙小到一定值0 4 r a m 左右时，钢丝就会崩断。四个限位块在刀尖相距0 2 m m 时才接触，其挤压力由限位 块全部承担，而不会挤坏刀尖，起到保护刀尖的作用。 剪切、挤压时的受力、变形特点见表2 2 所示。 河北科技大学硕士学位论文 表2 - 2 剪切、挤压受力特点 t a b 2 - 2 c u t t i n g e x t r u s i o ns t r e s sc h a r a c t e r i s t i c ( 1 ) 受力特点线带两侧作用有大小相等，方向相反，作用线相距很近的外力。 t ( 2 ) 变形特点两外力作用线间截面发生错动，由矩形变为v 形。( 见图2 - 2 受剪切作用的板料线带) 剪切实用计算中，假定受剪面上各点处剪切力f 平行且相等。 2 2 3 剪切行程计算 剪切时的行程分析见图2 4 。 ： ： l f c ； a 。r 一口 一i a - a 缀 j 酸 皋 钉竟1 3 、一 j。 - j 图2 - 4 切断剖面图 f i g 2 - 4 s e c t i o n a ld r a w i n g 行程计算，选取规格按最大f 5 0 钉宽：1 3 m m 钉厚：1 1 m m 。线带进入时活动 间隙选为0 3 m m ( 斜着的没有间隙就进不去) 。所以设计时，剪切行程= 1 1 m m ( 钉厚) + 0 3 m m ( 活动间隙) = 1 4 m m 。因刀尖间隙小到一定值0 4 m m 左右时，钢丝就会崩断。 最终剪切行程确定为l m m 。 8 第2 章受力分析 2 2 4 剪切力的计算 在剪切时关键是切断所需剪切力和挤压应力的计算。参考金属塑性加工及锻压 方面的计算方法f 16 1 ，分别计算如下： 2 2 4 1 板料切断所需的剪切力的计算： f = s f ( 2 1 ) 式中：s 为剪切断面面积，s = 1 3 x 1 1 = 1 4 3m m 2 = 1 4 3 x 1 0 刁1 0 。3 m 2 ，板料线带 中金属线被压扁后粘接在一起的根数取最大值1 0 0 根计算。 r 为板料抗剪切强度，按q 2 1 5 取6 8 0 m p a 。( q 2 1 5 的抗剪切强度3 4 0m p a ， 安全系数选2 ) f = s xr = 1 0 0 x 1 4 3 x 1 0 。3 x 1 0 - 3 x 6 8 0 x 1 0 6 = 9 72 4 0 ( n ) 2 2 4 1 板料切断所需的挤压应力的计算： 挤压：联接和被联接件接触面相互压紧的现象称“挤压”。图2 3 就是气排钉被 切断时的挤压情况。 有效挤压面：挤压面面积在垂直于总挤压力作用线平面上的投影。 挤压时，以，表示挤压面上传递的力，表示挤压面积，则挤压应 力和挤压强度条件写为 a b s = 尸a b s a 6 s ( 2 2 ) 式中： a b s 一材料的许用挤压应力，一般 a b s = ( 1 7 2 ) 【尺朋】 a b s 按q 2 1 5 取8 2 0 m p a 。( 见表2 3q 2 1 5 的抗拉强度r m4 1 0m p a ， 安全系数选2 ) 表2 3 抗拉强度r m ( m p a ) t a b 2 - 3t e n s i l es t r e n g t hr m ( m p a ) 0 1 9 5 3 1 5 3 9 0 q 2 1 5 3 3 5 4 l o 式中：x b s = ( s 2 ) x t 9 4 0 。x 2 为挤压面积，s - - 1 3 x 1 1 = 1 4 3 1 0 3 x 1 0 3 m 2 ，按最大 值1 0 0 根( 板料线带中金属线根数) 计算； 户1o o a b s x a b s = 1 0 0 ( s 2 ) x t 9 4 0 0 x 2 x 1 0 3 1 0 - 3 x 8 2 0 x 1 0 6 = 1 0 0 x ( 1 4 3 2 ) x t 9 4 0 0 x 2 x 1 0 - 3 x l o 一3 x 8 2 0 x 1 0 6 = 9 83 9 2 8 2 28 ( n ) 板料切断所需的挤压应力稍大于切断所需的剪切力。所以计算时按挤压应力进 行计算。 9 河北科技大学硕士学位论文 2 3 冷镦时受力变形分析 2 3 1 冷镦行程的计算 冷镦时变形分析见图2 - 5 。 图2 5 冷镦行程 f i g 2 - 5 c o l dh e a d i n gt r i p 根据冷镦前和后体积不变的原则来计算冷镦时镦头行程的大小。 冷镦前体积= 冷镦后体积。 冷镦前体积= ( 1 1x o 5 5 t 9 5 0 0 ) 2 x 1 3 + xx 1 1 1 3 = ( 1 1 x 0 4 6 15 ) 2 x 1 3 + xx 1 4 3 = 0 3 2 99 7 + 1 4 3 x = 冷镦后体积= 1 x 1 9 1 3 = 2 4 7 m m z = ( 2 4 7 一o 3 2 99 7 ) 1 4 3 = 1 4 9 65m l t l 冷镦行程= 1 4 9 65 + 0 5 5 t 9 5 0 0 一1 = 1 4 9 65 + 0 4 6 15 1 = 0 9 5 8 m m 根据实际情况考虑到切断时的线带会被刀挤压出约0 4 6 15 m m 的量，所以打帽 后必须后退约0 5 m m 的量，才能防止条料变形。因此冷镦行程确定为1 5m m n 。 2 3 2 冷镦力的计算 打帽板的结构形式如下图2 - 6 。打帽板的主要作用是当刀完成切断线带的作用以 后，由冷镦液压缸带动冷镦模上的水平推杆，推动打帽板夹中被夹紧的打帽板，将 已经切断的线带打帽，从而完成气排钉打钉机的整个打钉成型制作过程。 打帽板的材料要求是模具钢材6 w 6 m 0 5 c r 4 v ( g b t1 2 9 9 - - 1 9 8 5 ) 。它是一种抗磨 损低碳高速工具钢类型的冷作模具钢，是一种应用广泛的模具材料。6 w 6 m 0 5 c r 4 v 性能：具有优异的强韧性和耐磨性，具有比高速工具钢韧性好的特性。并具有类似 高速工具钢的高硬度、高耐磨性、高强度等综合性能。其淬透性好，用该钢制造的 冷挤冷镦模有较高的使用寿命。因钢中钼含量较高，其加热温度范围稍窄，变形抗 力较大。此钢易脱碳l 憾1 。用途：用于制造冷挤压凹模和上下冲头等。 1 0 第2 章受力分析 j i 拶 图2 - 6 打帽板 f i g 2 - 6d r i v i n gc a pb o a r d 打帽镦粗变形时冷镦力计算由下式确定： f = z x n x r m x 2 x 1 + a x l , x ( d 4 x h ) x s ( 2 - 3 ) 式中f 冷镦力( n ) ； z 变形系数取值为1 5 ( 见下表2 4 ) 精镦、简单； 刀工具形状系数取值为1 0 ( 见下表2 - 4 ) 无凹陷、无棱角； 足m 一抗拉强度( m p a ) q 2 1 5 的抗拉强度取4 1 0 m p a ； 2 安全系数： a 形状系数( 见下表2 4 ) 矩形：形状系数取值为2 3 ： 摩擦系数( 见下表2 - 4 ) 研磨无润滑取值为0 1 5 ； d 吲头直径( m m ) 取值为1 3 5 m m ( 按切断剖面1 3 x 1 1 算) ； 日一墩头高度取值为1 ( m m ) ； 铲一头部与工具接触面积为1 3 x 1 1 ( m m 2 ) 。 河北科技大学硕士学位论文 表2 - 4 计算系数 t a b 2 - 4 c o m p u t a t i o nc o e f f i c i e n t 2 变形系数n 工具形状系数 工序形状系数 凹陷棱角系数 预镦简单1 o 1 2 无 无1 o 。精镦 简单 1 2 1 5有无1 7 5 2 0 精镦复杂 1 5 1 8 有有 2 5 a 形状系数 。 p 摩擦系数 条形系数状态润滑系数 圆柱形1 3 研磨石墨 0 0 5 o 1 0 正方形六角形 2 o 研磨无 0 1 0 o 1 5 矩形2 3精加工 o 1 5 o 2 0 非对称形复杂形2 5 3 0精加工0 2 0 o 3 0 设计中最关键的是压紧切断液压缸剪切力计算和冷镦液压缸冷镦力的计算。 参考金属塑性加工及锻压方面的知识所需的冷镦力计算女r l t 1 9 - ：o 】： f = 1 0 0 x 1 5 1 o x 4 1 0 x 2 x 1 + 2 3 x o 1 5 x 1 3 5 ( 4 x 1 ) 】x 1 3 1 1 = 1 5 0 x 8 2 0 x 1 + 2 3 x 0 1 5 x 0 3 3 75 i x l 4 3 = 1 2 30 0 0 x 1 + 0 11 64 1 4 3 = 1 2 30 0 0 x 1 11 6 4 x 1 4 3 = 1 9 63 7 0 1 9 19 ( n ) 另外，前苏联c n 古尔今以及第四机械工业部标准化研究所的计算冷镦力的公 式与之类似，只是系数的选择计算更复杂，要考虑体积应力状态、外摩擦、镦锻形 状、是否有石墨润滑等等一系列因素的影响f 2 。计算出的冷镦力为1 9 63 3 0 n ，与上 述计算结果接近。 根据剪切力和冷镦力可分别计算出压紧切断液压缸与冷镦液压缸的缸径及其他 尺寸。 1 2 第2 章受力分析 2 4 本课题的特点 2 4 1 优化机体结构，提高机器使用寿命 目前使用的机器，由于焊接应力释放，般使用一年半左右就会报废。主要是 因为焊接结构本身存在一些缺点所致，表现在以下几个方面： ( 1 ) 焊接结构的应力集中比较大，在焊缝与焊件交接的焊趾处，易引起较大的应 力集中，而应力集中对结构的脆性断裂和疲劳极限有很大影响，破坏往往从这里开 始【2 2 】。 ( 2 ) 焊接结构还存在较大的焊接应力和变形，这不仅引起工艺缺陷，还会影响结 构的承载能力、加工精度和尺寸的稳定性。 ( 3 ) 焊接结构具有较大的性能不均匀性，焊接接头的不同区域具有不同的性能， 其中就有可能存在一个薄弱环节，焊缝中也存在着一定数量的焊接缺陷，这些缺陷 不但会降低强度、引起应力集中，结构的破坏经常就从这里开始。 ( 4 ) 焊接结构的止裂性也没有铸钢z g 2 7 0 、 5 0 0 一体的结构好，裂纹一旦扩展就 不易制止，而铸钢z g 2 7 0 5 0 0 一体因没有接头，往往可以起到预防、限制裂纹扩 展的有效作用。 通过以上的详细分析，优化它的机体结构，由现在的焊接连接，改变设计为铸 钢z g 2 7 0 5 0 0 机体连接。结构设计的关键是消除应力集中问题，长期使用不易发 生变形。使气排钉打钉机的使用寿命有一个明显的提高。 2 4 2 优化液压传动控制系统，提高打钉力量 液压系统主要给压紧切断液压缸和冷镦液压缸提供动力，同时利用液压油给机 体润滑。本系统主要通过计算冲模和镦头的力来确定液压系统的压力和液压缸直径， 根据生产速度1 6 0 片分钟设计液压缸行程，设计液压油路，选择系统的各个部分， 设计集成块。 液压传动控制系统的优点是能在较大的速度范围内实现无极变速，能获得很大 的力或力矩，因此承载能力强。在功率相同的情况下，液压传动系统的体积小、质 量轻，因而动作灵敏，惯性小。传动平稳，吸振能力强，便于实现频繁换向和过载 保护。操作比较简便，采用电气、液压、气压联合控制来实现自动化。由于采用油 液为工作介质，液压传动系统的一些零部件之间能自动润滑，组件的使用寿命长。 而且液压组件能够实现标准化、通用化，便于设计、制造【2 引。 2 4 3 优化工艺过程，提高生产效率 在原有生产速度稳定在5 0 - 7 0 片分钟的基础上，通过优化工艺过程并采用了 光纤传感器，新颖巧妙构思利用前置o 0 5 s 的前置量。即上一个动作没做完前，提前 河北科技大学硕士学位论文 0 0 5 s 启动下一个动作。因换向开关需用0 0 6 s 的动作时间，虽然将下一个动作提前 了o 0 5 s 启动，但真正动作到位仍滞后上一个动作完成后0 0 1s ，不会相互干涉，从 而使生产速度预计可达到1 6 0 片分钟。系统的设计简单，维护方便，容易改造p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建 造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。除了选择合适的可编程控制器，设 计系统程序外，还要计算出在这种打钉速度下送料机的速度，和接近开关的灵敏度， 在选择这些器件时，不光要考虑它们的性能，也要考虑它们的成本。 2 5 本章小结 本章通过详细分析剪切时受力具体情况，力的大小。冷镦时加工变形情况，明 确指出了冷镦时所需要的力要远大于剪切时力的大小。根据这一特点，为以下的改 进设计提供了一个总体思路。 1 4 第3 章机器结构与功能 3 1 机器结构组成 第3 章机器结构与功能 设计后的机器结构由四大部分组成，分别是机械控制系统、液压传动控制系统、 电器控制系统、气动控制系统。 3 2 机械控制系统结构组成 机械控制系统总体结构由四大部分组成：铸钢z g 2 7 0 - 5 0 0 机体部件、冲模、 冷镦模、底座出料部件。 3 2 1 铸钢z g 2 7 0 - 5 0 0 机体部件 图3 - 1 为铸钢z g 2 7 0 - 5 0 0 机体部件的结构示意图。 ”、 诫 隧瀚瓣粼 图3 1铸钢z g 2 7 0 5 0 0 机体 f i g 3 - 1 c a s ts t e e lz ( i 2 7 【) 一5 ( o r g a n i s m 改成铸钢z g 2 7 0 - 5 0 0 机体连接优点主要有以下几个方面： 铸钢z g 2 7 0 - - 一5 0 0 是比较经济的毛坯成形方法，对于形状复杂的零件更能显 示出它的经济性。成本低廉、综合经济性能好、能源、材料消耗及成本为其它金属 成形方法所不及。 ( 2 ) 铸钢z g 2 7 0 5 0 0 的零件尺寸和重量可在很大的范围内变动，最适合生产形 状复杂，特别是内腔复杂的零件，而且它有一定的尺寸精度，使加工余量小， 比普 通锻件、焊接件成形尺寸精确。节约加工工时和金属材料。 ( 3 ) 铸钢件的各向同性和整体结构性强，因而提高7 - r _ 作可靠性。设计时对铸件 15 蔼 河北科技大学硕士学位论文 的形状和尺寸有最大的设计选择自由，特别是形状复杂和中空截面的零件，铸钢件 可采用组芯这一独特的工艺来制造。其成形和形状改变十分容易，从图样到成品的 转化速度很快，有利于快速报价响应和缩短交货期。形状和质量的完善化设计( s t a t e o f t h ea r t ) 、最小的应力集中系数以及整体结构性最强等特点，都体现铸钢件设计的 灵活性和工艺优势【2 4 】，再加上减轻重量的设计和交货期短等优点，在价格和经济性 方面具有竞争优势。 3 2 2 冲模 图3 2 为冲模的具体结构。它是由压紧切断液压缸驱动来完成以下几个步骤。 第一步：由压紧切断液压缸带动竖直推杆1 运动。 第二步：竖直推杆推动竖直滑块2 在上模( 左、右3 ) 滑槽的两个导轨面之间做快 速运动。 第三步：快速运动的竖直滑块推动冲模前端装的模架4 、压块上5 快速向下运动。 第四步：由n c f 滚轮式精确送料机将线带送入进料板1 7 0 m m 宽的腰形入口，压 块( 上、下) 快而有力的夹紧线带，再由冲模下边装夹的刀6 和底座出料部件上的刀 共同完成切断线带的作用【2 5 - 2 7 】。 l 竖直推杆2 竖直滑块3 上模右滑槽4 模架5 压块( 上) 6 刀( 上) 图3 - 2 冲模 f i g 3 - 2p u n c h i n gm o u l d 压块( 上、下) 的结构形式如下图3 3 所示。 1 6 第3 章机器结构与功能 图3 - 3 压块( 上、f ) f i g 3 - 3b r i q u e t t i n g ( t o pa n db o t t o m ) 压块( 上、下) 的主要作用是起到压平并夹紧线带的作用，以防止线带翘曲和变 形。它的材料要求是c r l 2 经调质处理淬火加低温回火。硬度要求h r c 不小于6 0 。 压印是将材料放在上、下模之间，在压力作用下使其材料厚度发生变化，在工 件表面得到凹的直线条。 3 2 3 冷镦模 如图3 4 所示为冷镦模的具体结构。它主要是由水平滑轨支撑1 、水平滑块1 2 、 打帽板夹1 5 、打帽板1 8 、水平滑轨1 9 、水平推杆3 1 等组成。 冷镦模的作用是当刀完成切断板料( 线带) 时，冷镦液压缸带动冷镦模前端的打 帽板1 8 将气排钉头部冷镦成钉头的制作过程。主要分以下几个具体动作步骤来完成。 第一步：当刀完成切断板料( 线带) 并压紧后，由冷镦液压缸驱动冷镦模上的水 平推杆运动。 第二步：由水平推杆3 1 的推动作用，推动水平滑块1 2 在水平滑轨1 9 的两个导 轨面之间做快速运动。 第三步：快速运动的水平滑块推动冷镦模前端的打帽板夹1 5 前进运动。 第四步：打帽板夹前端装夹着被夹紧牢靠的打帽板1 8 ，它有效的打击力量，快 速前进而将已经切断的板料( 线带) 头部冷镦成钉头。 河北科技大学硕士学位论文 1 水平滑轨支撑2 螺钉3 垫圈4 垫圈5 螺钉6 螺母7 销8 螺钥9 螺钥1 0 垫圈l l 垫圈 1 2 水平滑块1 3 螺钉1 4 螺母1 5 打帽板夹1 6 螺钉1 7 螺母1 8 打帽板1 9 水平滑轨2 0 螺钉2 l 架2 2 螺母2 3 螺栓2 4 传感器2 5 传感器架2 6 螺钉2 7 油盖2 8 水平球套2 9 水平固定螺钉3 0 螺 母3 1 水平推杆 图3 4 冷镦模 f i g 3 - 4 c o l dh e a d i n gm o u l d 水平滑块的结构形式如图3 5 所示。它的主要作用是起到推动的作用。它是由冷 镦液压缸带动冷镦模的水平推杆，再由水平推杆推动水平滑块在水平滑轨的两导轨 面之间做快速运动，从而推动冷镦模前端的打帽板快而有力的打帽运动，从而完成 气排钉的制作过程。它的材料要求是q t 4 0 0 。零件铸造完毕后要求进行回火去应力 的处理。导轨面之间的平行度在l o o m m 测量范围内应不大于o 0 2 m m 。加工时重点 是动静导轨面之间配合要求每2 5 x 2 5 平方毫米接触面上应至少有5 个接触点。 1 8 第3 章机器结构与功能 图3 - 5 水平滑块 f i g 3 5 h o r i z o n t a ls l i d e 3 2 4 底座出料部件 图3 6 为底座出料部件的具体结构。它主要是由进料板1 、传感器7 、下模架8 、 压块( 下) 1 3 、刀( 下) 1 5 、气缸1 6 、料推夹2 5 、料推3 0 等组成。 底座出料部件的作用是将已经冷镦成钉头的气排钉，由底座出料部件把它推出 气排钉打钉机。动作过程由以下几个步骤来完成。 第一步：由底座出料部件上的气缸1 6 通过气压系统快速把力传给料推夹2 5 0 第二步：料推夹的前端装有被夹紧的料推3 0 ，通过气缸把力传给料推，靠料推 夹、料推的力量推出已经制做成型的气排钉。 底座出料部件在使用中不易发生变形。除采用刚度大的结构优良的钢板外，经 过分析，作出相应的改进，如：刀采用的是c r l 2 m o v ，竖直压块采用的是c r l 2 ，气缸 推料杆采用的是1 ：1 0 的推料杆，缩短了推料所占用的时间，提高了工作效率。 1 9 河北科技大学硕士学位论文 1 进料板2 螺钉3 下垫板4 螺钉5 螺钉6 气缸传感器支架7 传感器8 下模架9 螺钉1 0 垫圈 11 垫圈1 2 垫片1 3 压块( 下) 1 4 螺钉1 5 刀( 下) 1 6 气缸1 7 螺钉1 8 垫圈1 9 垫圈2 0 气缸架2 l 螺 钉2 2 垫圈2 3 垫圈2 4 螺母2 5 料推夹2 6 螺钉2 7 垫圈2 8 垫圈2 9 母3 0 料推 图3 - 6 底