冲压机构及传动系统设计

目  录

1  引言1

1.1  冲压机床1

1.2  冲压机床主传动的分类2

1.3  冲床设备安全防护2

1.4  冲压机床在国内外的发展现状3

1.5  论文主要研究内容及手段4

2  曲柄压力机5

2.1  曲柄压力机的结构5

2.2  曲柄压力机传动系统结构形式5

2.3  曲柄压力机传动系统的布置方式6

2.4  曲柄压力机传动级数及速比的分配6

2.5  本课题传动系统选型7

3  传动系统设计10

3.1  主要设计参数10

3.2  曲轴的确定10

3.3  齿轮的计算15

3.4  连杆及滑块的计算17

4  伺服电机选型22

4.1  伺服电机直接驱动可行性分析22

4.2  电机选型分析23

5  传动系统三维造型设计29

5.1  三维造型软件的概述29

5.2  各组成部分三维模型设计29

5.3  装配图的设计31

结束语32

致谢33

参考文献34

引言

1.1  冲压机床

冲压是利用压力机和冲模对材料施加压力，使其分离或产生塑性变形，以获得一定形状和尺寸大小制品的一种少无切削加工工艺。这种加工方法通常在常温下进行，主要用于金属板料成型加工，故又称为冷冲压。

冲床是制造工业广泛采用的冲压设备，是生产薄壁零件或一些冲压零件的主体设备[1]。

1.1.1  冲压机床的结构

(1)冲压机构组成

冲压机构由机床本体、传动系统、动力源、控制系统等组成。其中传动系统又由伺服电机、减速机、齿轮传动、曲轴传动、连杆。伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置,其作用是可使控制速度,位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。曲轴是引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件[2-4]。.

(2)送料机构的组成及特点

送料机构是由摆动从动件盘形凸轮机构与摇杆滑块机构串联而成，设计时，应先确定摇杆滑块机构的尺寸，然后再设计凸轮机构。送料机构要求作间歇送进，比较简单。

1.1.2  冲压机构工作原理

冲压机构及其相配合的送料机构.上模先以比较大的速度接近坯料,然后以近似匀速进行拉延成形工作,以后,上模继续下行将成品快速推出型腔,最后快速返回.上模退出下模以后,送料机构从侧面将坯料送至待加工位置,完成一个工作循环[4]。

1.1.3  工艺过程

(1)利用成形板料自动输送机构或机械手自动上料，上料到位后，输送机构迅速返回原位，停歇等待下一循环。

(2)冲头往下作直线运动，对坯料冲压成形。

(3)冲头（上模）继续下行将成品推出型腔，进行脱模，最后快速直线返回。

(4)将成形脱模后的薄壁零件在输送带上送出。

(5)上模退出下模后，送料机构从侧面将坯料送至待加工位置，完成一个工作循环。

1.2  冲压机床主传动的分类

按主传动方式，冲床可分为曲柄滑块式、机械凸轮式、肘杆式、液压式。

(1)曲柄滑块式：使用曲柄机构的冲床称为曲柄滑块式冲床，大部分的机械冲床使用本机构。使用曲柄机构的最多理由是，容易制作、可正确决定行程之下端位置、及滑块运动曲线大体上适用于各种加工。因此，这种形式的冲压适用于冲切、弯曲、拉伸、热间锻造、温间锻造、冷间锻造及其他几乎所有的冲床加工。

(2)机械凸轮式：在滑块驱动机构上使用凸轮机构之冲床称为凸轮式冲床。这种冲床的特征式以制作适当的凸轮形状，以便容易地得到所要的滑块运动曲线。但因凸轮机构之性质很难传达较大的力量，所以这种冲床能力很小。

(3)肘杆伺服式：在滑块驱动上使用肘杆机构称为肘杆式冲床。这种冲床具有在下死点附近的滑块速度会变得非常缓慢(和曲柄式冲床比较)的独特滑块运动曲线。而且也正确的决定行程的下死点位置，因此，这种冲床适合于压印加工及精整等的压缩加工，现在冷间锻造使用的最多。

(4)液压式：与上面介绍的机械式不同，其驱动力由液压提供。液压式冲床以其使用液体不同，有油压式冲床和水压式冲床，目前使用油压式冲床占多数，水压式冲床则多用于大型机械或特殊机械。

1.3  冲床设备安全防护

在各类机械设备伤害事故中，冲压设备所造成伤害的比例最大。由冲压作业所发生的重伤事故，一般要占各种重伤事故总数的50％左右。因此，对于冲压设备安全防护，必须给予足够的重视。

(1)冲压设备事故的主要原因冲压设备多数以机械传动为主，其特点是行程速度快，每分钟几次到数百次。在目前机械化、自动化程度还不高的情况下，多数冲压作业还采用手工操作。操作者在简单、频繁、连续重复作业的情况下，容易产生疲劳。一旦操作失误，放料不准，模具移位，都有可能发生冲断手指等伤害事故。

(2)防止冲压伤害的主要措施：

(a)改革工艺、模具和作业方式，实现人手模外作业。对于大批量生产作业，可从改革工艺和模具入手，实现机械化和自动化。例如，采用自动化，多工位冲压机械设备，采用多工划具与机械化进出产装置，采用连续模、复合模等合并工序措施。所有这些不仅能保障冲压作业的安全，而且能大大提高生产效率，这是冲压技术的发展方向。小批量、多品种的冲压生产，当前难于实现自动化，妥善的办法是尽量采用安全、劳动强度较小、使用方便的工具。同时，还可改革模具的定位、出件、清理废料等工序，使操作更为安全。

(b)改造冲压设备，提高生产安全可靠性。目前许多陈旧冲压设备的操纵系统、电器控制系统存在很多不安全因素，若继续使用对应其进行技术改造。冲压设备制造厂应当改进产品设计，确保冲压设备的安全可靠性。

(c)安装防护装置。由于生产批量小，在既不以实现自动化，又不能使用安全冲压工具的冲压作业中，必须安装安全防护装置，以防止由于操作失误而造成的伤害事故。各种防护装置有各自不同的特点和使用范围，使用不当仍然会发生伤害事故。因此，必须弄清各种防护装置的作用，以做到正确使用，保证操作安全[5]。

1.4  冲压机床在国内外的发展现状

(1)国外的发展情况

目前，国外冲压机床已经开始采用伺服电机+数控的方式进行控制。在现有伺服压力机产品方面，有小松公司设计制造的H1F系列复合型伺服压力机，会田公司的NS1-D系列数控伺服压力机，山田公司的Svo-5型与Mag-24型伺服压力机，纲野公司的Servo Link型伺服压力机，以及金丰公司的CM1型伺服压力机。其中H1F45系列AC伺服压力机是小松公司顺应市场变化开发的一种新型冲压设备，其最大的特点是取消了飞轮、离合器和制动器，而由AC伺服电机直接驱动曲柄或螺杆带动滑块上下往复运动，可施加350～2000 的压力，并且采用高性能CNC系统，滑块的动作灵活，可在运行的过程中随时加减速或停止，且精度很高[6-8]。

(2)国内的发展情况

国内数控压力机的研制工作起步较晚，水平也较低。上海第二锻压机床厂曾在1976研制出硬件连接数控(NC)步冲压力机，其板料进给系统由电液脉冲马达驱动。在从国外引进大量的数控压力机后，国内对其技术进行了消化、吸收及国产化工作，在科研人员的努力下，国产压力机装备水平也有了一定的提升。如北京机床研究所与天津重型机器厂联合生产了国内第一台大型数控压力机，通过伺服闭环系统，实现了高精度的位置、压力控制，并配有人机界面。浙江锻压机械有限公司也成功研制JZ21K-110型1100kN开式数控快速返程压力机，该机是以普通的开式曲柄压力机为基型，在传动系统中增设多连杆机构，在控制系统中增加数控系统设计而成。该机在结构、性能、操纵控制等方面均处于同类压力机领先水平。其主要技术特点有：

(a)应用曲柄多连杆机构，使滑块运行速度更适宜板料冲压要求。该机滑块能快速接近公称力行程区，冲制完成后又可快速返回上死点。可明显缩短滑块空程时间，提高生产率。而且，在公称力行程范围内，该机滑块运行速度明显减慢且近似匀速，使上模与工件接触后的冲击减少，冲裁噪声明显降低，模具使用寿命延长。当滑块运行至下死点附近范围时，可在一定时间内保压，从而提高拉深制件质量。

(b)采用了美国HELM公司的数控系统，使主机具有以下功能：菜单式显示和设定压力机工作状态；实时显示曲轴转动角度、滑块运行速度与冲压力；冲压速度实现数字化设定；显示并控制制件计数；可在线编程电了凸轮；高速模具保护接口；具有光线式安全保护装置；中英文自动显示故障原因并提示诊断方法；可设定各类安全密码；可配置装模高度传感器，实现装模高度闭环控制；可配置送料伺服系统[6]。

1.5  论文主要研究内容及手段

针对课题中出现的几个问题，将在接下来的时间里通过以下途径来解决。

(1)查阅相关书籍资料，了解关于冲床冲压技术及传动系统的传动系统。

(2)冲床传动结构总体设计,根据所给定的参数，查阅有关方面书籍资料，设计总体的传动结构。

(3)使用三维造型软件将所设计的结构模型绘制出来。

2  曲柄压力机

曲柄压力机是材料成型（塑性成型）种广泛应用的设备，通过曲轴连杆机构获得材料成形时所需的力和直线位移，可进行冲压，挤压，锻造等工艺，广泛应用与汽车工业，航空工业，电子仪表工业，五金轻工业领域[6]。

2.1  曲柄压力机的结构

根据压力机各部分零件的功能，可分为如下几个组成部分：

(1)工作机构 设备的工作执行机构由曲柄连杆，滑块组成，将旋转运动转换成往复直线运动。

(2)传动系统 由带传动和齿轮传动组成，将电动机能量传输至工作机构，在传输过程中，转速逐渐降低，转矩逐渐增加。

(3)操作机构 主要由离合器，制动器以及相应电气系统组成，在电动机运动后，控制工作机构的运行状态，使其能间歇或连续工作。

(4)能源部分 由电动机和飞轮组成。机器运行的能源由电动机提供，开机后电动机对飞轮进行加速，压力机短时工作能量则由飞轮提供，飞轮起着储存和释放能量的作用。

(5)支承部分 由机身，工作台和紧固件等组成。它把压力机所有零部件连成一个整体。

(6)辅助系统 包括气路系统，润滑系统，过载保护装置，气垫快换模，打料装置，监控装置等。它提供高压力计的安全性和操作方便性。对新型压力机，此系统成本所占比例有提升趋势[7]。

2.2  曲柄压力机传动系统结构形式

曲柄滑块机构是曲柄压力机的工作机构，亦是压力机的核心部分，它将电动机的旋转动作转变为滑块的直线上下运动，提供给磨具工作所需的成形力和位移，同时提供一些辅助功能，如装模高度调节，过载保护顶件等。

按曲柄形式，曲柄滑块机构主要有如下几种：

(1)曲轴式 曲轴两端由设备床身支撑，当曲轴绕支撑轴转动时，滑块在导轨的约束下上下运动，上下位置之差值为2R，此结构应用与较大行程的中小型压力机上。

(2)偏心齿轮式 偏心齿轮安装在芯轴上并绕芯轴转动通过偏心齿轮与芯轴的偏心距为R，实现曲柄机构动作，应用于中大型压力机，芯轴仅受弯矩，偏心齿轮受弯矩作用，负荷分配合理，加工制作也方便，但偏心轴直径较大，有一定磨损功耗[7-8]。

2.3  曲柄压力机传动系统的布置方式

(1)上传动及下传动的比较

传动系统设置在压力机工作台之上的为上传动，在工作台之下的为下传动。现有的通用压力机大多数采用上传动机构。

(2)曲轴纵放和横放的比较

传动系统曲轴安装形式有垂直与压力机正面（称为纵放）及平行与压力机正面（称为横放）两种形式。旧式通用压力机多采用横放的安装模式。这种布置曲轴和传动轴比较长，受力点与支承的距离比较大，外形不够美观，现代压力机越来越多的采用纵放的安装模式。传动系统刚性好，外观美观。

(3)开式及闭式传动的比较

开式及闭式传动系统指传动齿轮安放在机身外还是机身内。开式传动齿轮工作条件差，外形不美观，但安装维修方便，而闭式传动齿轮工作条件较好，但安装维修困难。现较多的采用开式传动结构。

(4)单边和双边齿轮传动的比较

对于一般的压力机均采用单边传动[8]。

2.4  曲柄压力机传动级数及速比的分配

压力机的传动级数与电动机的转速和滑块每分钟行程次数有关，行程次数低，则总速比大，传动级数就应多些，否则每级的速比过大，结构不紧凑。现有开式压力机传动级数一般不超过三级。行程次数在80次/分以上的用单级传动。80次/分～40次/分的用二级传动。40次/分～10次/分的用三级传动。齿轮传动中心距与模数的确定见表2.1。