小型卧式模锻机.doc

机械原理课程设计计算说明书设计题目：小型卧式模锻机执行机构与传动系统设计班号： 05020701 组员：陈苏 程刚 崔腾 翟金保宋萌 章耀印 张少龙 时间： 目 录一、设计背景与目的二、设计任务三、机械运动方案设计四、机械运动和动力五、相关主要尺寸的设计六、机械总体结构七、课题设计感想八、参考文献九、附录一、 设计背景与目的模锻，即在外力的作用下使金属坯料在模具内产生塑性变形并充满模膛（模具型腔）以获得所需形状和尺寸的锻件的锻造方法。大多数金属是在热态下模锻的，所以模锻也称为热模锻。与自由锻相比，模锻能够锻出形状更为复杂、尺寸比较准确的锻件，生产效率比较高，可以大量生产形状和尺寸都基本相同的锻件，便于随后的切削加工过程采用自动机床和自动生产线。模锻后的锻件内部形成带有方向性的纤维组织，即流线。选定合理的模锻工艺和模具，使流线的分布与零件的外形一致，可以显著提高锻件的机械性能。但模锻需要专用的模具，模具必须用优质合金工具钢制造，模膛形状复杂，要求精度高，加工量大，生产周期长，价格昂贵。因此，模锻一般适用于大批量生产，或用于批量虽不大，但对锻件的形状和性能有较高要求的场合。 模锻件的精度高,加工余量小加工余量的决定需要考虑模具的制造精度及其使用中的磨损、金属的冷缩和表面氧化、金属流动和充填状态、锻造需要的斜度、圆角和锻造偏差以及切削加工所需的余量等。在实际生产中，锻件加工余量都按标准选用。使用特殊的精密锻造工艺，严格控制锻件的局部公差,不留切削加工余量,不再切削，是现代模锻技术的发展方向之一。模锻通常按所用的设备分为锤模锻、热模锻压力机模锻、螺旋压力机模锻、水压机模锻、平锻机模锻和电热镦等。本组选题为“小型卧式模锻机执行机构与传动系统的设计”，小型模锻机在早期模锻发展过程中有十分突出的地位，其简单的结构代表了模锻机的基本结构，因此，进行该种模锻机的设计研究，对于充分扩展模锻机的使用功能是十分有必要的。本组题目要求如下：为锻造长杆类锻件（见图1-1，系用棒料局部镦粗而成），今需设计一台将杆料水平置放后用活动凹模3及固定凹模2将其夹紧后再用水平置放的冲头1进行顶锻工作的卧式模锻机。拟用电动机通过传动装置带动夹紧机构首先使活动凹模3向前移动，与固定凹模2合拢，以夹紧棒料。然后主滑块带动冲头1进行顶锻，锻件成形后，待冲头1返回离开凹模后（返回距离约占冲头全行程的1/8-1/3），由夹紧机构带着活动凹模3返回，松开杆料回到初始位置。在顶锻过程中需要两半凹模始终处于夹紧状态，不能松开。要求设计该小型卧式模锻机执行机构和传动系统，以满足以上顶锻工艺要求。图1-1 卧式模锻机执行机构 二、 设计任务本组选题为机械原理与设计课程设计一书中的第12题小型卧式模锻机执行机构与传动系统的设计，其总体设计任务如下：1. 根据上述要求进行机构的选型、经运动及动力分析与设计后确定传动方案，绘制机构运动简图。2. 确定电动机的功率与转速。3. 设计传动系统中V带传动和齿轮传动。4. 对大带轮轴进行结构设计和强度校核，并选择其轴承，计算轴承寿命。5. 进行传动系统结构设计，绘制其装配图。6. 编写课程设计说明书。另附有小型卧式模锻机执行机构与传动系统的设计一题中的具体设计数据与要求：1. 电动机同步转速n=1500r/min或1000r/min。2. 冲头顶锻次数为每分钟5075次。3. 主滑块1的全行程H=200380mm。4. 顶锻工艺开始后冲头的工作行程H1=(1/22/3）H。5. 夹紧滑块3的总行程h=6080mm。6. 作用在主滑块上的顶锻力F1=250500kN。7. 作用在夹紧滑块3上的夹紧力F2=F1/3。8. 要求该模锻机的机械效率高，振动小。本题关键部位包括执行部分冲头，和夹紧部分在符合题中所给要求的情况下能够很好的配合工作，另外，关于机构中各部件的参数设计也是十分重要的，在选择传动部件时，要注意各部件的协调一致，并且必须满足各自的技术要求。三、 机械运动方案设计根据题目中的要求，结合所学知识，分析设计题目可知，整个顶锻过程可以主要分为两个主要运动：1. 执行机构卧式模锻冲头的水平方向运动，该运动为最主要的运动，模锻件的成型来源于此，故该运动必须满足要求，足够完成冲压过程；2. 夹紧装置的竖直方向运动，该运动为辅助运动，目的在于保证工件在突然受力的情况下在工作台上不产生运动，保证冲压的精度。加工过程中棒料主要受到冲头水平方向的压力和夹紧装置竖直方向的夹紧力两个力的作用。设计这两个运动占本设计题目的很大一部分时间。所以，从以上分析来进行系统的各部分机构选型：1. 为了减小振动和冲击，保证加工的稳定性，原动机与传动机构之间应选V带传动，当机器发生过载时，传动带会发生打滑，对整个系统起到保护作用。带传动的主要特点是：传动平稳,传动中心距大,噪声小，结构简单，能缓和冲击，过载时挠性带发生打滑而避免损坏装置;但不能保证准确的传动比。在此处使用带传动，恰好能发挥带传动的优势，扬长避短。2. 在带传动之后的过程中，为了保证各机构传动的稳定和准确可靠，选用齿轮进行传动，另外此机构有传递功率大，效率高，寿命长，结构紧凑等优点。齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的 功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。此处使用齿轮传动，相比较其优点，缺点可以忽略，所以，权衡之下，使用齿轮传动。3. 执行机构要完成最重要的一道工序冲压，所以它既要承受很大的冲压反力，也要保证系统有平稳的运动过程，它的选择是整个系统中最关键的一部分，故选用模锻中最常用也是最稳定的曲柄滑块机构，为达到减小整个机器外形尺寸的目的，进一步选用偏置曲柄滑块机构（如图3-1）。 图3-1 执行机构 图3-2 夹紧装置4. 夹紧装置最关键的就是要保证足够的夹紧力，而且在冲压时不能放松，故应选择在冲压中自锁的机构，我组选择了连杆机构（如图3-2）。四、 机械运动和动力设计根据题目对转速的要求，我们选定原动机转速为1500r/min的交流电动机；相对应的，原动机与传动机构之间的V带选用联组V带及相配合的带轮（如图4-1），选择其传动比为1/5，其输出经其减速后转速为300r/min。带传动的主要特点是：传动平稳,传动中心距大,噪声小，结构简单，能缓和冲击，过载时挠性带发生打滑而避免损坏装置;但不能保证准确的传动比。在本设计中，电机传动比相对来说并不处于重要位置，可以使用带传动来进行。冲头顶锻次数为每分钟60次，即曲轴转速为60r/min，冲头和夹紧装置要求配合十分精确，故选择减速比为5：1的一级圆柱齿轮减速器（如图4-2）。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。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接、传递运动和动力的装置。在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递任意两轴之间的运动和动力。齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。故该部分选用齿轮传动符合设计要求。由于转速不高，夹紧部分采用凸轮机构来实现。凸轮机构，即由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹簧或施加重力。具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠，因此在自动机床、内燃机、印刷机和纺织机中得到广泛应用。但凸轮机构易磨损，有噪声，高速凸轮的设计比较复杂，制造要求较高。由此，我们根据设计要求，并计算得出结论，在凸轮廓线设计时应根据二次多项式运动规律进行设计，另外还要保证夹紧机构在冲压时处于自锁状态。在选定夹紧机构各杆的长度后，通过分析计算得出凸轮行程，从而确定凸轮廓线以及夹紧滑块的质量。 图4-1 联组V带及带轮 图4-2 一级圆柱齿轮减速器执行机构方面为了节省空间和材料，设计为偏置曲柄滑块机构，根据冲头行程来确定杆长，并根据顶锻力的大小确定冲头质量。确定系统各部分尺寸后，对主传动曲柄滑块机构（用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，也称曲柄连杆机构）进行动态静力分析，求出各运动副中的支反力及曲柄上的平衡力矩，进而求的电动机功率。选定大的V带轮作为飞轮，根据及其的运转不均匀系数的要求，计算飞轮的转动惯量及质量。利用MATLAB编程对执行机构的中的冲头（即滑块）进行运动分析，其程序如下：r=100; %曲柄长度l=300; %连杆长度e=-200; %偏距el=e/l;rl=r/l;w=2*pi; %曲柄角速度hd=0:pi/18:2*pi;s=r.*(1-cos(hd)-el.*sin(hd)+0.5.*rl.*sin(hd).2)%滑块位移v=r.*w.*(sin(hd)-el.*cos(hd)+0.5.*rl.*sin(2.*hd)%滑块速度a=r.*w2.*(cos(hd)+el.*sin(hd)+rl.*cos(2.*hd) %滑块加速度figure(1); %根据以上画出其线图grid on;subplot(1,3,1);plot(hd,s,r);title(位移);grid on;subplot(1,3,2);plot(hd,v,k);title(速度);grid on;subplot(1,3,3);plot(hd,a,b);title(加速度);grid on;运行以上程序，得到冲头的位移、速度、加速度等运动参数（详见下表）和各参数随曲柄角位移变化的线图（如图4-3）：曲柄角位移()冲头运动参数位移(m)速度(m/s)加速度()00418.8795.26381013.5983557.43794.66742030.7817675.82773.81773050.8975767.60912.7614073.1343827.88411.5615096.5713853.6990.29360120.235844.2693-0.963370143.1612801.0039-2.13180164.4531727.3268-3.14390183.3333628.3185-3.9478100199.1828510.2191-4.514110211.5652379.8487-4.8315120220.235244.0103-4.9112130225.1288108.9408-4.7823140226.3432-20.1334-4.4875150224.1025-139.2906-4.0769160218.7202-246.0325-3.6018170210.5599-339.2252-3.1083180200-418.879-2.6319190187.4068-485.8054-2.1943200173.1175-541.2026-1.8015210157.4359-586.2292-1.445220140.6382-621.6265-1.104230122.9895-647.4413-0.75240104.765-662.8894-0.352625086.2729-666.37880.114926067.8751-655.69430.669827050-628.31851.315928033.1454-581.85162.040929017.8688-514.47382.81533004.765-425.39033.5952310-5.568-315.19854.3253320-12.5707-186.12424.9445330-15.7692-42.08945.3929340-14.821111.40745.618350-9.5548267.59275.58153600418.8795.2638图4-3 冲头运动参数线图五、 相关主要尺寸的设计单位：mm1、 皮带轮尺寸设计：大轮直径：500，小轮直径：1002、 齿轮尺寸设计：大齿轮分度圆直径：250，小齿轮分度圆直径：503、 冲头部分尺寸设计：曲柄长度：100，连杆长度：300，偏心距：2004、 夹紧部分尺寸设计：夹紧头尺寸：200*100，杆1长度：100，杆2长度：120连杆长度：150.六、 机械总体结构设计总体结构设计是以上各项工作的综合，课本上的参考方案（见图8-1）如下：电动机1经V带传动234和齿轮传动56减速后,带动曲轴7转动。锻压机构采用曲柄滑块机构。活动凹模15的开闭及夹紧动作与主传动机构的运动配合，由固连在曲轴上的主回凸轮机构10、11（推杆与滑块10固联）及连杆机构12131415来实现。当杆料放入固定凹模16内以后，活动凹模15向杆料接近并夹紧它，然后，带有冲头的主滑块9就可以完成顶锻工作。图8-1 课本参考方案通过对课本知识的学习和认识，我们将课本上的参考方案做了部分改动得到最终方案（见图8-2），它相对参考方案主要做了如下改进：1. 为了提高夹紧机构的工作时的稳定性，使夹紧效果更好，我们将原来的单杆增加到现在的双杆；2. 减短大带轮轴的长度，将大齿轮置于曲轴中部，避免长轴因受冲击而断裂的现象，从而提高机构的稳定性；3. 为减小整个系统的尺寸，可将执行机构由对心的曲柄滑块机构改为偏置曲柄滑块机构；图8-2 小型卧式模锻机最终方案七、 课题感想宋萌：对于此次机械原理的课程设计，我有许多感想，包括对于机械原理这门课本身的，和对团队配合方面的等等。机械原理是一门十分重要的课程，它让我懂得了搞设计不光是要站在制造的基础上，还要有创新，但一定要学会继承。现在，全社会都在强调创新，但我们不能一强调创新，就瞧不起原有的东西。通常的创新分为两种，一种就是构成事物旧有元素的重新组合，一种是在旧有元素上加一些新的元素。所以，不管怎样，创新的东西总是含有一些旧有事物的影子是不可否认的。正像哲学中所讲，新事物都是在肯定中否定，否定中有肯定中产生的。我们此次的工作便是建立在创新和参考之间