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机械毕业设计全套
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JX03-250@铁皮分割机设计,机械毕业设计全套
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专业课程设计任务书 院（系）： 机械工程与自动化学院 教研室： 机械设计教研室 学 号 070103053 学生姓名 专业（班级） 机设 072 设计题目 白铁皮分割机设计 技 术 参 数 与 要 求 镀锌板尺寸：厚度 0.3、 0.4、 0.5、 0.75、 1.0、 1.2 （单位 mm） 宽度 270mm；长度 500mm，可根据用户需求确定。 圆柱滚刀： 转速 50 r/min ；直径 300 mm 。 要 求：将镀锌板分割成宽 27mm 的钢带。 工 作 量 1. 总装配图一张， 0#； 2. 零件图二张， 2#； 3. 有限元分析、三维仿真和程序计算光盘一张； 4. 设计计算说明书一份 工 作 计 划 1. 方案拟订 3.5 天 2. 设计计算 2.5 天 3. 有限元分析、三维仿真和程序计算 4 天 4. 绘制总装图 10 天 5. 绘制零件图 2 天 6. 编写设计说明书 1 天 7. 答辩 1 天 成 绩 评 定 及 评 语 图面 (40 ) 说明书 (20 ) 答辩 (10 ) 平时 (15 ) 有限元分析 (5 ) 三维仿真 (5 ) 程序计算 (5 ) 总分 评语： 成绩： 指导教师签字： 学生签字： 年 月 日 nts nts 专 业 课 程 设 计 说 明 书 题目： 铁皮 分割机 学院（系）： 机械工程与自动化 专业班级： 学 号： 学生 姓 名： 指导教师： 起止时间： nts 共 24 页 第 页 2 目录 第一章 绪论 1.1 题目来源 3 1.2 选题意义 3 1.3 设计内容 4 第二章 总体方案设计 2.1 研究给定设计任务 5 2.2 确定系统边界 5 2.3 确定工艺方案 6 2.4 功能分解 6 2.5 功能元求解 6 2.6 方 案评价 7 2.7传动系统方案简图 7 第三章 执行系统的设计计算 3.1 圆柱滚刀 8 3.2 牵引滚子 9 第四章 传动系统的设计计算 4.1 运动与动力参数的设计计算 10 4.1.1 电机的选择 10 4.1.2总传动比计算及传动比分配 11 4.1.3各轴转速、功率及转矩的计算 11 4.2 传动零件的设计计算 12 4.2.1 齿轮计算 12 4.2.2 链轮计算 16 4.3轴的校核 17 4.4轴承的验算 20 4.5联轴器 选择 22 第五章 结论 22 参考文献 23 nts 共 24 页 第 页 3 第一章 绪论 1.1 题目来源 本次课程设计选题来源于市场调研，主要是市场上打包扣的制造与生产销售，制造打包扣的原料之一就是镀锌板，首先简单说一下目标产品，打包扣。打包扣 按照材料不同分类：塑料打包扣、塑钢打包扣和铁皮打包扣。 塑料打包 (图 1.1)扣是一种替代传统尼龙绳及手工打包带包装方式，依靠打包带对扣腿儿的拉力与扣环对扣腿儿的束附力的相互作用来实现打包任务的。可以在不持任何工具的情况下包装使用，操作简单，携带方便，并可以重复使用，上海和美塑料打包扣是各类包装耗材的首选产品。 塑钢打包扣（图 1.2）是一种新型的环保的适用于 PET塑钢带上的打包扣，外观漂亮拉力大更不会因为打包而弄伤手，内双向打齿外表镀锌和镀金色。 铁皮打包扣（图 1.3）选用宝钢专用带钢，内有密麻小刺，起到防滑、增加联系处拉力、保障货物安全的效果。打包铁扣表面镀锌，能够防止生锈。规格在宽度 13-19mm，厚度 0.6-1.0mm之间，可根据打包带规格进行配套使用。铁皮打包扣必须用专用的打包机打包。 图 1.1 塑料包扣 图 1.2 塑钢包扣 图 1.3 铁皮包扣 打包扣是在产品包装运输过程中，为了将产品捆实扎牢，将打包带两头紧紧连结在一起的小铁皮扣，它虽然小，看着不起眼，但是它的用途和用量却非常大。我们的日常生活中随处可见，如：鞋厂的鞋箱、制药厂的药箱、棉纺厂布匹、棉花包、瓷砖厂瓷砖外包装箱、菜农长途贩运蔬菜时用的纸箱等外包装，都离不开打包扣。 本次镀锌板分割机的设计就是基 于第三种铁皮打包扣的生产流程中的第一部分原材料初加工为主要内容，将原料的初步加工效率化，操作简单化。 1.2选题背景及意义 具体可参考国标 GB2518-88 连续热镀锌薄钢板和钢带； nts 共 24 页 第 页 4 镀锌板即白铁皮的“外衣” 锌； 我国是世界上最早发现并使用锌的国家。据王琎在 1922年对我国古钱的化学成分进行化学分析，证明其中含有锌。接着，章鸿钊于 1923年对我国古代用锌问题进行专门研究，连续发表了中国用锌的起源及再论中国用锌之起源。他根据对我国古代文献的考证及对汉钱的分析，认为我国在 汉初 (公元前一世纪 )已知道用锌。 锌是银白色的金属。提水的小铁桶，常常见用白铁皮做的，在它的表面有着冰花状的结晶，这就是锌的结晶体。在白铁皮上镀了锌，主要是为了防止铁被绣蚀。然而，奇怪的是，锌比铁却更易生锈：一块纯金属锌，放在空气里，表面很快就变成蓝灰色 生锈了。这是因为锌与氧气化合生成氧化锌的缘故。可是这层氧化锌却非常致密，它能严严实实地覆盖在锌的表面，保护里面的锌不再生锈。这样，锌就很难被腐蚀。正因为这样，人们便在白铁皮表面镀了一层锌防止铁生锈。每年，世界上所生产的锌，有 40被用于制造白铁皮 ，制成各种管子、桶等等。 但是，目前针对铁皮分割这一部分，市场上由于利润很难扩大，且横向产品比较多，所以一般的铁皮分割在技术上只有两种生产模式，即大批量或者小批量。前者一般集中在较大的金属制造企业，利用大型机械完成大量钢带等系列产品的输出；后者是个体或小型制造私企，人工利用铁皮分割剪到，低效率生产，针对规模不大，但需求量不小的打包扣的生产，可以说，在目前的市场环境中，要找到成本够低，且效率较高的原料初加工方法十分困难，基于目前的这种情 况，设想得到一种较合适的方法实现铁皮的高效分割，即是本次课程设计的宗旨所在。 1.3 设计 要求 为了实现将整张的铁皮分割成指定尺寸的钢带，主要工作原理是利用刀具对薄板纵向的剪切力实现分割，再加上滚刀的滚压力，是铁皮的褶皱程度降到最低。 为了实现平稳加工，机器采用主动牵引，实现对铁皮的压平，通过控制圆柱滚刀的间距，实现各种钢带的宽度尺寸，本机通过打包扣的标准尺寸，定为生产宽为 27mm的钢带。表 1.1列出设计要求。 设 计 要 求 表 1.1 1 原 料 镀锌板尺寸：厚度 0.3、 0.4、 0.5、 0.75、 1.0、 1.2 （单位 mm）； 宽度 270mm；长度 500mm。 2 适应性 作业对象：除本设计中指定的板材规格，可根据厂家要求制定原料尺寸； 工 况：中载负荷； nts 共 24 页 第 页 5 环 境：室内作业，有较大噪声，不受温度影响； 3 性 能 运 动：连续性回转运动； 刀 具：可换，间距可调； 4 工作制 24 小时连续工作，机器额定寿命 5年； 5 人机工程 半自 动，单人操作，需人工填料 6 安 全 单人操作、机器工作时人机保持 1m距离，机器上防护罩； 7 包装运输 成捆包装运输，防潮； 第二章 总体方案设计 2.1 研究给定设计任务 总功能提炼 将成规格的镀锌板切割称为符合要求的钢带，即利用刀具实现铁皮的分割。 任务分析 铁皮（镀锌板）作为打包扣的原材料种类之一，其除了具有防锈、耐腐蚀特点外，还有一定的金属特性，即韧性适中、延展性良好。 行业标准：薄板即厚度小于 3mm，加工强度小，但是由于面积较大，可能会产生局部褶皱，需要通过 采用长圆滚作牵引来解决问题。 原料规格：镀锌板厚度 0.3、 0.4、 0.5、 0.75、 1.0、 1.2 （单位 mm） ； 镀锌薄板宽度： 200 1220不等，可根据用户需求确定。 2.2 确定系统边界 根据所要生产的目标产品，以及生产原料顺序，用“黑箱”表示整个系统边界，系统边界分为两个部分，即“输入”、“输出”。 输入 原料、动力； 输出 目标产品、能量耗费、信息； 除以上部分，系统还会产生振动、噪声等。 如图 2.1，为系统黑箱 ： 铁皮 钢带 动力 能量 图 2.1 黑箱 （ 白 ） 铁 皮分割机 nts 共 24 页 第 页 6 2.3 确定工艺方案 机器总体主要执行部分唯一，只有滚刀与牵引部分，滚刀主要利用剪切力将薄钢板分割成型，为保证大面积薄板发生变形，采用部分牵引压平。保证铁皮分割同时，刀具之间间距可调，适用性范围有所扩大。 2.4 功能分解 图 2.2所示，为铁皮分割机的整 体功能树，分功能主要分为三部分，即分割、输送与定位，收集与牵引部分没有给予过多设计，一般采用人工收集，牵引部分为传动系统的一个分支。 图 2.2 铁皮分割机功能树 2.5 功能元求解 针对功能元求解，采用形态学矩阵方式，了解各种实现功能的方案或者原理。表2.1为该机器各分功能元的解，即可行方案。 表 2.1 1 2 3 4 A、输送 链传动 带传动 滚轮 B、定位 牵引定位 刚性约束 夹具 C、分割 滚刀剪切 冲压 D、动力 电动机 汽油机 柴油机 液压 （ 白 ） 铁皮分割机 分 割 输 送 定 位 收 集 牵 引 nts 共 24 页 第 页 7 根据效率、成本、效益等因素，得出较为经济合理的方案： A3+B1+C1+D1 2.6 方案评价 对于“输送”、“定位”、“牵引”部分，从结构简单考虑，且机器精度要求偏低，这部分功能采用最普遍的机构实 现。即定位导向板，牵引滚子。 对于本设计唯一的执行部分，针对铁皮的分割，考虑到了两种方法： 分割部分沿用最初的想法，即采用可套的圆柱滚刀，实现对铁皮的剪切分割，如图 2.3所示，上刀刃以一定的压力 P 垂直作用于板材上表面，下刀刃以大小相同的反作用力垂直作用于板材的下表面。两个作用力的作用线很接近。实际生产中上下刀片间隙取板厚的 7 9。 P 力和 P 力迫使在 n n 截面左右的两部分板材发生沿 n n 截面相对错动的变形，直到被剪断。 图 2.3 滚刀功能原理图 第二种分割方法也是常见的，就是锻压工艺，锻压一次成型，将规定尺寸的铁皮一次性分割成短钢带，需要较大的力，且会加大作用面积，使机器体积偏大。给人整体感觉大材小用。故放弃锻压方案。 2.7 传动系统方案简图 根据总体的功能方案 ，以及各功能元的筛选，最终初步确定，系统的传动方案，图2.4为系统传动的方案简图。 nts 共 24 页 第 页 8 1、电机； 2、电机轴（ 0 轴）； 3、主轴（ 1 轴）； 4、滚刀； 5、 2 号 轴； 6、传动齿轮； 7、 3 号 轴； 8、牵引辊 图 2.4 传动系统方案简图 第三章 执行系统的设计计算 3.1 滚刀的设计计算 本机器执行系统由两部分组成，圆柱滚刀（动力型）、主动牵引辊（运动型）。动力型执行主要以应用剪切力为主，克服材料的强度极限；运动型执行（即牵引），利用 摩擦力提供主动力，速度与主轴线速度一致（即牵引V主V）。 所用生产材料为镀锌板，俗称“白铁皮”，即镀锌的低碳钢薄板 (厚度一般在2.144.0 mm 之间 )。不易生锈。有平板和波形 (瓦楞 )两种。常用以 制作屋面、管材和各种容器等。未镀锌的俗称 黑铁皮 。这种板通常通过冷轧制造（ TGB/ 19882518 ）。 工作力计算： 剪切计算 =AQ (3-1)； Q 剪切面的内应力； A 剪切面的横截面积； 材料成份： Q 195 （普通碳素结构钢）； 抗拉强度： B 390315 Mpa ； 伸长率： 33.0 ； nts 共 24 页 第 页 9 计算式中板厚取 1 mm ； 如图 1.2 所示，当圆柱滚刀工作时，与被加工件接触面积可近似看为高为 1 mm ，长为一定角度（ 5 ）对应的弧长。则可以根据滚刀半径 150 mm ，计算出剪切面的面积A 13 2mm ；那么，有 ： Q B A ； Q 409513315 N ； 根据滚刀转速 50n min/r , 滚刀半径 R 150 mm 有： V n2 785.0 sm/ ； 主P=Q V 22.3 KW ； 图 2.1 图 2.2 圆柱 滚刀的尺寸确定 由任务书可知，板材尺寸为 宽 270 mm ，长 500 mm ；即滚刀需要将板材分割成十条宽 27 mm 的钢带，则有每条刀刃间距 27 mm ；如图 2.2 所示，为圆柱滚刀的主视图。 2.3 牵引滚子尺寸确定 查阅文献 ，选用滚子材料为尼龙 9，已知尼龙 9与碳钢摩擦系数 1f 0.43（无润滑），软钢 铸铁静摩擦系数 2f 0.2，下面通过计算摩擦力，如图 2.3 所示，估算滚子轴上的功率： 根据工艺要求，滚子线速度要与圆柱滚刀线速度保持基本同步，即牵引V主V； nts 共 24 页 第 页 10 通过前面计算，得知主V牵引V 785.0 sm/ ；由板材尺寸计算板材质量 m ： m blt （ 3-2）； m 27050018.7 053.1 Kg （ g 取 8.9 KgN/ ）； gm 3.10 N ； 2F 3.102.0 06.2 N ； 1F 43.006.28.4 N ； 则有滚子的近似功率： 滚P 76.31 主VF W ； 确定滚子最小径： 滚r滚滚 nV 2 6.2 mm ； 图 2.3 则可给定牵引滚子直径 40滚d mm； 第四章 传动系统 的设计计算 4.1 运动与动力参数的设计计算 4.1.1 电机的选择 工作机功率： 22.3785.04095 刀刀 VFPKW ； 滚P 76.31 主VF W ； 效率：齿轴承减 6（ 4-1）； 52.396.095.096.04滚刀电PPP KW ； 选择电动机 型号： 4132 SY 5.5NPKW ； 同步转速： 1500 min/r ； 工作转速： 140 min/r ； 电机= 855.0 ； nts 共 24 页 第 页 11 滚刀的工作转速：刀n 3.014.3 785.060 50 min/r； 4.1.2 总传动比计算及传动比分配 总传动比 8.28501440 总i取 30总i； 即 30齿减 ii； 取 3齿i， 10减i， 3齿链 ii； 减速器选择 查 参考文献 ，选择 YNL 型减速器 ； 公称传动比 10减i； 公称转速 1n 1500 min/r ， 1502 n min/r ； 中心距 192a mm ； 额定功率 27NP KW； 4.1.3各轴转速、功率及转矩的计算 0 轴（电动机轴 ） 0P rP 5.5 KW； 14400 n min/r ； 55.90T00nP= 1440 1055.95.53 5.36 mN ； 轴 1P = 链联轴器轴承减 0P 864.495.095.099.099.05.5 KW ； 1n减in0 101440 144 min/r ； 55.91T11nP 144 10864.455.9 3 323 mN； 轴 2P 齿轮轴承 1P 6 7 4.497.099.08 6 4.4 KW ； nts 共 24 页 第 页 12 2n21in 314 48 min/r； 55.92T22nP 48 10674.455.9 3 930 mN； 轴 3P 链轴 21P 53.495.099.0864.4 2 KW； 3n链in1 48 min/r ； 55.93T33nP 48 1053.455.9 3 901 mN； 表 1.4 4.2 传动零件的设计计算 4.2.1 齿轮计算 选择材料 轴小齿轮材料 45 号钢，调质处理，由 文献 表 15 查得硬度， 255217 HB ； 轴大齿轮材料 45 号钢，正火处理，硬度， 217162 HB ； 查 文献 图 5-16 1limH =500 Mpa ； 2limH =480 Mpa ； 计算应力循环次数 N （一年按 300天，每天 12小时工作，预期寿命 5年）； 1N =60 144 1（ 300 5 12） =1.5556 108； 2N = iN1 =5.185 107； )(KWP min)/(rn )( mNT 传动 i 效率 0 5.5 1440 36.5 减速器 10 0.95 4.864 144 323 齿轮 链轮 3 3 0.96 0.95 4.674 4.53 48 48 930 901 nts 共 24 页 第 页 13 查 文献 图 5-17 1NZ=1.0 ，2NZ=1.08； 取WZ=1.0 minHS =1.0； 1H =min1limHHS WN ZZ 1=1 11500 =500 Mpa ； 2H =min2limHHS WN ZZ 2 1 108.1480 =518.4 Mpa ； 2H 1H ，取 H = 1H =500 Mpa ； 按齿面接触强度确定中心距 3231 T mN 323000 mmN ； 初取tK 2tZ=1.2 ,a=0.35 查 文献 表 5-5 EZ =189 MPa ； HZ sincos cos2 b oo b 20sin20coscos2 =2.47 （ b =12o）； 计算中心距： a ( 1u ) 3221)(2 HEHaZZZZuKT )13( 322500)99.08.1895.2(335.023 2 3 0 0 02.1 =222； 取中心距为 230 mm ； 估计模数： )6.461.1()02.0007.0( am ； Z= cos =0.99； 查 文献 表 5-7 选取 m =2.5； 齿数和 Z ma cos2 180 ； 1Z 13180 45 取 1Z 45 ； 则 2Z 13545180 ； 实际传动比 i 3 ； 精求 ： cos =a ZZm 2 )( 21 978.0 ； nts 共 24 页 第 页 14 9.11 ， 可不修正； 1d cos1mZ 978.0 455.2 03.115 取 115； 2d cos2mZ 978.0 1355.2 09.345 取 345； 圆周速度 齿V 100060 115144 87.0sm/ （取齿轮精度为 8级）； 校核齿面接触疲劳强度 查 文献 图 5-3 AK 25.1 ； 10011 ZV1004587.0 3915.0 ； 8级精 度VK 05.1； 齿宽： ba a 5.8023035.0 ； 取 80b ； db7.0 ； 查 文献 图 5-7a K 05.1； 查 文献 表 5-4 K 4.1； KKKKK VA 1.25 1.05 1.05 1.4=1.93； 1ad 1d+ m2 120 ； 2ad 2d+ m2 350 ； t=arctan (costan)=arctan (9.11cos 20tan)= 4.20 ； 75.1 0 7c o s11 tb dd ； 24.3 2 3c o s22 tb dd ； 114.26)a r c c os (111 abat dd； nts 共 24 页 第 页 15 55.22)a r c c o s (222 abat dd； tattat ZZ t a nt a nt a nt a n2 1 2211 714.1 ； 1.28.12s in52s in mmb ； 758.01 Z； 9 8 9.0co s Z ； 17.11c o st a na r c ta n tb ； 45.2s inc os c os2 ttbHZ ； 32.44812 211 uubdKTZZZZEHH S 6 安全； 4.3主轴的校核 主轴最小直 径确定 ,图 4.1为本设计中的主轴，即 1号轴； 2.5648674.4120 330m i n nPAd mm ； 图 4.1 根据设计尺寸，运用 ANSYS软件，对主轴进行有限元分析，主要看在静态下轴的形变量是否过大。图 4.2为有限元中的创建模型部分截图。 图 4.4 为加载后经过后处理计算轴的形变量的前后对比，我们可以 看到，变化几乎为零。也就是说，对主轴上所受的支持力 与 压力，对轴的综合作用所体现的形变十分微小。图 4.5 为各单元的节点位移云图，再由图 4.6 从列表看各节点位移的截图，各节点位移实际上都为零，也就是说，轴的承受能力远大于它所受的外力的矢量和，刚度是十分充足的。 nts 共 24 页 第 页 18 图 4.2 图 4.3 nts 共 24 页 第 页 19 图 4.4 图 4.5 nts 共 24 页 第 页 20 图 4.6 4.4轴承的验算 图 4.2 如图 4.2所示，为主轴的示意图： 直齿轮：NPT 9549； nts 共 24 页 第 页 21 切向力：d TFt 2000； NRTF 70.3023211 刀； 径向力： )20(ta n tr FF； 轴向力： 0aF； 法向力：cos tn FF ； 则： 9784892.49549 T； NFt 5674345 9782000 ； NFFtr 2 0 6 5ta n 由已知得 rFFF 1 NF 2135206570 ； NRR 5.1 0 6 722 1 3 521 ； 选择轴承型号 30313； 查 文献 NC r 185000 ， NC 1420000 ； NFA A 5091 ， 02 A ； 查 文献 表 9-6 301 1058.314 2 00 0509 CA； 插值法确定 34.01 e ； 477.05.106750911 RA1e ； 则 56.01 X ， 11Y ； 由 文献 表 9-4 取 95.0tf， 1mf； 1 1 0 711111 AYRXffP md ； 5.1 0 6 722 RffP md ； nts 共 24 页 第 页 22 73610 1058.149201 8 5 00 095.0486010 hL h15000 4.5 联轴器的选择 根据实际情况，选择套筒联轴器，结构简单，且电机轴转矩较小。下表 4.2是由 参考文献 截取 的数据。 表 4.2 选取 mmd 40 的套筒联轴器； 校核转矩，有 nc TnPKTKT 09550 K 工作情况系数， K =1.5； nT 公称转矩； mNT c 7.541 4 4 05.59 5 5 05.1 nT 280 ； 第五章 结论 铁皮分割机属于打包扣机的一个分支产品，可以经过简单改装，与打包扣机整合，制成全自动打包扣机。从市场方面来说，铁皮分割机的设计本身效益不大，但是一旦组合到包扣机上，可以说市场是很大的。 就设计本身而言，组成部分仅仅一个执行机构，比较简单，在整个设计过程中，问题主要集中在传动系统的确定上，因为执
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