钉条机的毕业设计及建模仿真

哈尔滨工业大学学士学位论文I摘 要进几年，随着人们生活水平和生活品位的提高，铺设地毯的家庭和单位越来越多，地毯固定钉条的需求量随之剧增，而对专门从事房屋装潢的公司来说，传统的由手工制作钉条的生产方式远远满足不了钉条用量的需求。本次毕业设计的课题正是从目前钉条生产效率底、手工制作成本高、钉条质量难以保证这一现状出发，致力于设计一种钉条自动化生产设备，以降低钉条生产成本、提高钉条的生产效率和质量。本次毕业设计的主要任务是设计 1200mm25mm6mm 型钉条生产设备的机械执行部分。本文在叙述国内外钉条机研究现状的基础上，对钉条机的传动系统、主体结构方案进行了设计；对关键零部件及整个传动机构进行了三维造型设计；重点进行了送钉弹簧和主液压缸的设计计算及校核；同时，对钉条机的工作过程进行了仿真研究。本文设计的钉条机采用液压传动，根据钉条生产自动化功能要求，将钉条机分为冲压机构、送钉机构、木条进给机构、送料机构四部分。主液压缸用来实现冲压功能，将预定位置的钉子冲压到木条当中；排钉夹实现送钉的功能，在冲压完成后，自动的将下一枚钉子送到相应的冲压位置；进给液压缸实现木条进给功能，在上次冲压完成后，将木条向前进给一定的距离；送料液压缸在前面的一根钉条生产完成后，将下一根木条送到待冲压位置，如此循环，从而实现钉条生产的自动化要求。关键词：钉条机；冲压机构；送钉机构；送料机构；造型设计哈尔滨工业大学学士学位论文IIABSTRACTAs the developing of our society, many people enjoy to laying carpet in the home, especially for many companies, for which they can show their position in their customers or in the public. At the same time, the demand of nails strip for fixing the carpet is increasing. The tradition method of producing the nails strip can not be satisfied with the demand. The design task is from this current situation. In order to reduce the production cost, a nail-strip production machine with higher production efficiency, high automation will be designed in the paper. The main task is to design the main mechanical structure of the machine to produce the nail-strip with the type of 1200mm25mm6mm.Based on the study status on the nail-strip production machines in and abroad, the main transmission system and the total structure of the machine are designed. The three-dimension design about the key components and the total transmission mechanism are carried on. Especially, the theoretical design on the main hydraulic cylinder and the nail feeding spring is carried out. At the same time, the simulation research on the working process of the machine is made. The nail-strip production machine in the paper adopts the hydraulic transmission. According to the automation function requirement, the machine includes four apartments, the punching mechanism, the nail feeding mechanism, the strip feeding mechanism and the strip entering mechanism. The main hydraulic cylinder is used to realize the function of stamping nails into the strip. The nail row clip is used to sends the nails to the stamping position after the stamping. The feeding hydraulic cylinder is used to realize the strip feeding function, after the former punching, the feeding hydraulic cylinder moves forward to a certain distance, preparing for the next punch. When the former strip production is completed, the entering hydraulic cylinder is used to send the next strip to the appropriate position for the next punching, and the next stamping recycle to realize the automation requirement of the nail-strip production.Keywords: nail-strip production machine; the punching mechanism; the nail feeding mechanism; the strip feeding mechanism; the solid modeling design 哈尔滨工业大学学士学位论文III目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪 论 .11.1 国内外钉条机的研究现状 .21.2 国内外钉条机的发展趋势 .31.3 本课题的研究目的及意义 .32 1200mm25mm6mm 型钉条机的总体方案设计 .52.1钉条机的功能要求 .52.1.1 钉条机的基本功能 .52.1.2 钉条机的主要设计参数 .62.1.3 钉条机的设计要求 .72.2总体方案设计 .82.2.1 钉条机各种执行机构的比较与确定 .82.2.2 钉 条机总体方案的确定 .92.3小结 .113 钉条机各执行机构及其零部件的设计 .123.1 钉条机冲压机构及其零部件的设计与计算 .123.1.1 主液压缸所需推力大小的计算 .123.1.2 主液压缸主要尺寸的设计与计算 .143.1.3 主液压缸关键零部件的选型、设计与计算 .163.1.4 木条导轨的设计与计算 .233.1.5 冲压板的设计与计算 .253.1.6 冲压导向板的设计与计算 .27哈尔滨工业大学学士学位论文IV3.2 钉条机进给机构、送料机构及其零部件的设计与计算 .273.2.1 辅助液压缸主要尺寸的设计与计算 .273.2.2 辅助 液压缸关键零部件的选型、设计与计算 .283.2.3 进给机构相关零部件的选型、设计与计算 .323.2.4 送料机构相关零部件的选型、设计与计算 .323.3 钉条机送钉机构及其零部件的设计与计算 .333.4 小结 .354 钉条机机架设计及钉条机的建模、总装、仿真 .364.1 钉条机各 零部件的建模与部件装配 .364.2 钉条机机架的设计与钉条机的总装 .384.3 钉条机的运动仿真 .394.4 小结 .415 总结 .42参考文献 .45致 谢 .47附 录 .48英文 文献 .48英文文献译文 .61哈尔滨工业大学学士学位论文11 绪 论钉条亦称为木刺条、地毯固定条，是最近几年人们为解决地面装修中地毯的快速便捷固定而发明的。使用时将钉条固定在需要铺设地毯的地面边缘上，刺钉向外的一面向上，勾住地毯，从而达到固定地毯的作用。一根 1200mm25mm6mm 型钉条上面共有 49 枚长为 12mm 直径为1.21.3mm 的钉子, 这些钉子分两排按一定规则排列，其中，钉子与木条上表面成约 45 的夹角，钉子头部的上表面全部钉入木条上表面以下，以便使钉条与地面很好的接触。初期，钉条的制作主要依靠人工来完成。由于钉条上面的钉子尺寸很小、数量很多，且钉子和木条正面成一定的角度，还需将钉子帽钉入到木条上表面以下，故人工制作木条比较困难，生产效率也很低。随着人们生活水平和生活品位不断的提高，铺设地毯的家庭和单位越来越多，钉条的用量也越来越大，完全由手工制作钉条的方法很难满足用户的需求，特别是对于专门从事装潢的公司，钉条的生产方法急待改进。目前，人们已使用特殊的工具如钉枪、前端带一定角度的特殊钉钉机等，从一定程度上提高了钉条生产的效率，但依然没有摆脱人力的主导作用。这种方法制作钉条不仅需要大量的劳动力，而且效率较低，由于钉子很小，手工钉钉子时钉入的角度把握不好，各个钉子的角度不一致，影响钉条的使用性能，钉条质量不理想，生产率低，费工费时，不能很好的满足用量需求。本次毕业设计的课题正是从目前这一现状出发，致力于设计一种具有更高效率的 1200mm25mm6mm 型钉条自动化生产设备，从而将人力从钉条生产制作的枯燥劳动中解放出来，以更好的满足市场和客户的需求。哈尔滨工业大学学士学位论文21.1 国内外钉条机的研究现状随着人们生活水平的提高，铺设地毯的家庭、单位越来越多，钉条需求数量剧增，与钉条生产制作相关的工具、设备也随之出现。目前，国内钉条的生产主要由人工完成，用到的大部分是辅助性工具，如钉枪、钉钉机等，生产钉条的专用设备较少。有人进行这方面的研究，也设计出了相应的钉条生产专用工具，但初期产品的性能依然无法完全满足用户的高效率生产需求：在生产中各种钉枪虽能自动钉钉子，但其钉入的角度还需要人来掌握，且每一次只能钉一个钉子，还不能将钉子的大头端完全打到木条上表面以下，效率比较底；有一些设备虽能将钉子按一定的角度钉入到木条中，相对提高了效率，但还需要人手工打入，没有完全解放人力并且效率还是不理想。近几年随着钉条用量越来越多，钉条生产设备的需求量也随之增大，已有相关学者做了钉钉机这方面的探索与研究工作，专门设计了生产钉条的专用设备，其用的是散钉，用气压提供动力，并为该设备申请了专利保护。但伴随着设备的生产和使用，暴露了一系列的不足：如漏钉、偏钉、飞钉、堵钉、每次钉的钉子数量较少等现象。为了进一步提高钉条的生产效率，人们根据自己的生产经验不断的对其所出现的问题提出了相应的改进：如对排钉机构的改进、对送钉机构的改进、对锁钉机构的改进、对压钉机构的改进、对工作台的改进，通过不断的改进使生产钉条的专用设备不断的得到完善。但目前，这种设备只是定单生产，生产数量很少，故在市场上很少见到实物。关于国外，没有查到直接与钉条机相关的外文资料，但有不少关于钉枪种类、钉枪工作原理的资料，虽然不是直接与钉条机有关，但其工作原理值得本次设计借鉴。哈尔滨工业大学学士学位论文31.2 国内外钉条机的发展趋势由于目前的钉条生产设备具有很多不足之处（如生产效率低、自动化程度低、还没有完全摆脱人的枯燥劳动、使用范围小，只能生产单一型号的钉条等） ，目前的由手工制作钉条的方法将远远不能满足人们高生产效率的需求，因此未来钉条机将向以下几个方向发展。（1） 高生产效率生产效率是人们目前最为关心的问题，因为目前的很多生产方式都无法满足客户大用量的需求，且由人工生产钉条的方式费时费力，人工成本也比较高；高生产效率，将可以实现一次冲压完成一根长达 1.2 米的钉条的生产。（2） 高自动化能完全实现钉条自动进给、钉子自动供给，最终实现钉条生产的完全自动化。目前很多钉条生产设备都是半自动化，很多设备大部分的工作还需要人工参与来完成。（3） 使用范围广、功能齐全化能使用散钉，这样就可以在市场上随处都可以买到，而不是只能使用排钉，这将大大提高钉条机的使用范围；能生产各种型号的钉条，而不是一个特定型号的钉条。总之，钉条机将会向高生产效率、高自动化、操作人性化、智能化、使用范围更宽更广的方向发展，以更好的满足人们的各种需要。1.3 本课题的研究目的及意义本课题研究的目的：从目前我国钉条生产现状出发，设计一台1200mm25mm6mm 型钉条机。以代替目前的钉条手工生产工具，从而降低工作人员的劳动强度，实现钉条生产的自动化，提高生产效率，更哈尔滨工业大学学士学位论文4好的满足市场和用户的需求。本课题研究的意义：钉条能够方便的固定地毯，是目前固定大面积地毯常用的方式，特别是专门从事装潢的公司，每天都需要用到大量的钉条，然而，目前，钉条的生产制作的大部分工作还是由手工来完成，无法满足这一要求：因钉条上面的钉子很小、钉条较长，每根钉条上面的钉子数量非常多，完全由手工钉钉子效率很低；如果用钉枪等辅助工具又不能将钉子的大头端完全钉入木条上平面以下，且钉子钉入的角度不好控制，每个钉子钉入的角度不一样，这样制作出来的钉条既不美观，也影响后面的使用功能，而且每次只能钉一个钉子，生产效率依然很低，不能满足客户特别是装潢公司高生产效率的需求；有一些钉钉机虽能将钉子按一定的角度钉入木条，但其是由人提供动力，而且每次只能钉一枚钉子，生产效率依然很低。本次设计的钉条机将致力于改变目前这一现状。哈尔滨工业大学学士学位论文52 1200mm25mm6mm 型钉条机的总体方案设计2.1 钉条机的功能要求本课题研究的是 1200mm25mm6mm 型钉条生产设备的设计，要进行此钉条机的设计，首先要了解本课题对钉条机的基本功能要求和相应的设计参数。2.1.1 钉条机的基本功能钉条机要完成在一根长达 1200mm 的木条上钉完 49 枚按一定规律排列的钉子的总功能，需要完成以下系列功能。（1） 冲压因木条较长、钉子数量较多，很难一次性冲压就钉完 49 枚钉子，故应分成多次冲压。根据钉条上钉子的排列规则，可一次冲压完成 7 枚或 14枚钉子的钉钉过程，7 或 4 次冲压完成一根木条的生产。根据钉子的总数目，本次设计采用一次冲压完成 7 枚、分 7 次冲压完成一根木条的生产。（2）送钉待冲压位置的钉子在一次冲压后，被钉入到木条中，因分 7 次冲压，故若要继续完成下一个冲压动作，就需要将后面的钉子再次送入到待冲压位置，以使下一次冲压有效。（3）木条进给考虑到木条虽然很长，但横截面尺寸较小，而冲压机构体积较大，相对复杂，故采用木条进给方式；每冲压一次，木条向前进给一段距离，以保证下一次的有效冲压。哈尔滨工业大学学士学位论文6（4） 送料本课题旨在设计一种更高效率的钉条生产设备，将人从枯燥的劳动中解放出来,故应具有送料功能，从而能够实现一定数量木条的自动上料功能；在本课题中，每冲压七次，送一次料，从而自动的进行下一根钉条的生产。因此，针对上述各项要求，本次设计在完成总体方案设计后，主要设计钉条机的冲压机构、送钉机构、进给机构、送料机构等机械执行部分和机架部分的零部件的设计，并对其工作过程进行模拟仿真研究。2.1.2 钉条机的主要设计参数本次设计在完成总体方案设计后，主要设计钉条机的机械执行部分的零部件的设计，使用的钉子为排钉。主要设计参数：木条的尺寸为 1200mm25mm6mm，木条横截面形状与尺寸和钉条三维立体图分别如图 2.1（a） 、 （b ）所示。（a） （b）图 2.1 木条横截面形状及其尺寸和钉条三维立体图钉子的直径为 1.2 1.3mm，长为 1213mm；钉子与木条的上表面法线方向成约 45的夹角，其方向如上图 2.1 中竖直方向的双点画线所示。49 枚钉子分两排，每 7 枚一组，按一定的规则错开排列，其相应的尺哈尔滨工业大学学士学位论文7寸如图 2.2 所示。图 2.2 钉子的排列方式及相应的尺寸每组钉子之间隔有较大的空间，以便用水泥钉在此处将钉条反向固定在地面上。为了使钉条的上表面与地面能较好的配合，钉子钉帽的上端面应钉入木条上表面以下。2.1.3 钉条机的设计要求在本次设计中，设计要求如下：（1） 本次毕业设计中，设计的钉条机能够高效率的完成1200mm25mm6mm 型钉条的生产，能够实现一定数量的钉条的自动化生产，达到提高生产率、解放劳动力的最终目的。（2）各执行机构能够较好的协调配合、有较广的适应范围，并且能达到稳定、可靠、高效率的要求，具有较好的可扩展性和适应性。（3）在设计中，能采用标准零部件的尽量采用标准件，以降低机器的成本，提高机器的实用性、可靠性、可行性和易维修性。（4） 先设计各个执行机构的零部件，然后在 Pro/E 内建模、部件装配，查看各个执行机构零部件的配合情况，以对各个零部件进行初次校验，对不合适的零部件重新进行设计，以达到相关配合要求。（5） 根据各个机构的安装尺寸，设计机架，再将各个执行机构进行总装；根据总装结果和装配工艺要求，再次设计、修改各个零部件的细节，以优化各个机构的零部件，达到协调配合、可靠的要求。哈尔滨工业大学学士学位论文8（6） 用 Pro/E 软件的机构运动仿真分析模块，进行各执行机构的运动仿真分析，以检查干涉、校验行程和配合情况，对相关细节再次设计、修改，完成最终优化设计，并将运动仿真结果输出，制成动画。（7） 根据最终优化设计结果，绘制出钉条机总装配图、主液压缸轴零件图、进给液压缸活塞轴零件图、木条导轨零件图、排钉夹零件图，完成本次毕业设计的绘图任务；根据毕业设计要求，完成相应的其它各项任务。2.2 总体方案设计根据钉条机的功能要求，可将钉条机分为冲压机构、送钉机构、进给机构、送料机构，各执行机构的运动形式均为直线运动。2.2.1 钉条机各种执行机构的比较与确定实现直线运动的常用执行机构有齿轮齿条机构、凸轮机构、滑块机构、液压缸、气压缸、电磁铁；综合考虑，齿轮齿条机构、滑块机构作为执行机构时，机械结构尺寸较大，各执行机构之间的配合、协调不易控制；凸轮机构的尺寸相对较小，但各执行机构之间的协调和配合也不容易控制；电磁铁很容易实现往复直线运动，但力的大小不易控制，如果设计的不好，电磁铁的线圈很容易被烧毁，提高其可靠性有一定的难度，和本专业的专业知识有一定的距离，需现学现用，不利于自己专业知识的发挥；液压缸和气压缸工作原理相似，也是自己的专业领域范围内所涉及到的知识，故较易发挥专业知识，从而设计一台较为实用、可靠的钉条机。考虑到方便性、便捷性、宜人性等因素，本次设计中，冲压机构、进给机构、送料机构均采用液压缸来实现；参考各种钉枪的工作原理及其送钉机构，本次设计中，送钉机构亦采用排钉夹的形式，用弹簧存储能量，作为送钉动力源。哈尔滨工业大学学士学位论文9钉子与木条的上表面的法向成一定的角度，为达到这一要求，将木条斜着成一定的角度放置，如图 2-3 所示，这样钉子可以从竖直向下的方向钉，冲压机构就可以垂直放置，从而最终达到上述要求。钉子钉帽的上端面需钉在木条上表面以下，为满足这一要求，可以使用冲压杆来冲压钉子，而不宜通过撞击力来发射钉子，以保证上述要求。2.2.2 钉条机总体方案的确定根据各个执行机构和上面的相关要求，可确定钉条机的总体方案，其示意图如 2-4 所示。图 2.3 木条放置方向图中，主液压缸通过竖直往复运动，实现冲压功能，每次冲压将 7 枚钉子按一定的排列规则冲压到木条上，达到相应的要求。送钉机构采用排钉夹形式，用弹簧提供动力，当前面的一枚钉子被冲到木条里、冲压杆随主液压缸返回而返回后，在弹簧弹力的作用下，排钉向前移动一枚钉子的距离，从而将下一枚钉子送到待冲压位置，为下一次有效冲压做好准备。因木条较长，若用一个液压缸同时实现送料和进给功能，辅助液压缸哈尔滨工业大学学士学位论文10在纵向的尺寸超过 1200mm，而且每次进给的距离不好控制。经综合考图 2.4 钉条机总体方案示意图虑，送料功能和进给功能分别由两个液压缸来实现，这样通过左边的液压缸水平往复运动实现送料功能，通过中间的液压缸水平往复运动来实现进给功能；但这样也会遇到一些问题，如若送料液压缸以木条的后端面为着力点，推着木条向前以完成送料，那进给液压缸的着力点应放在哪呢？若也放在木条的后端面，也会遇到前面同样的问题：进给液压缸纵向尺寸太大，且每次进给的距离不好控制。经仔细思考与观察，发现在木条送料到冲压位置，完成第一次冲压后，钉子一端已突出木条的下表面，向外伸出一段，可以利用钉子的这一段，以此段为着力点，实现木条的进给。因为是每冲压一次，进给液压缸伸展一次，木条向前进给一段距离，进给液压缸缩回，主液压缸再次冲压，该段又被钉上钉子，进给液压缸伸展时，以新的钉子为着力点，推动木条向前进给一段距离，如此循环，这样不仅能解决送料与进给之间的矛盾，又能减小进给液压缸的纵向尺寸。哈尔滨工业大学学士学位论文11木条进给与木条定位夹紧之间存在一定的矛盾，为了能将钉子按一定的排列规则钉入木条，木条需要合适的定位与夹紧，但钉完一组钉子后，又需要将木条向前进给一段距离。为解决这一矛盾，木条可采用滑道形式，这样可以方便的实现木条的定位；此时为防止进给液压缸向前推动木条进给时，由于惯性力的作用而使进给距离不等的问题，可采用弹簧片压紧装置，既可达到夹紧的目的，又不致夹紧力太大而影响木条的进给。2.3 小结钉条机在工作过程中，冲压是将钉子直接压入木条中，而不是利用钉子本身的动能将钉子钉入木条，故不需要很高的冲压速度，这和钉枪的工作原理有一定的区别；同时采用液压传动，噪音小、传递的动力比较大、冲压过程平稳，符合现代化绿色设备的要求，也能够较好的实现冲压过程；若采用气动式，其噪音较大，撞击力也比较大，撞击过程不易控制，易将木条撞裂。设计中，综合考虑到了钉条机各机构的工作细节和钉条机整体布局等各个方面，最终确定的整体方案能够较好的实现预期的功能要求，同时各机构之间的协调配合可通过液压控制来调节，其工作效率有较大的提升空间。哈尔滨工业大学学士学位论文123 钉条机各执行机构及其零部件的设计3.1 钉条机冲压机构及其零部件的设计与计算根据钉条机的总体方案，设计冲压机构及其零部件。冲压机构采用的是液压缸，由液压缸实现冲压功能。根据冲压功能要求和实用性、方便性、易维修性、便捷性原则，主液压缸选用拉杆式液压缸，如下图 3.1 所示。图 3.1 拉杆式液压缸结构图3.1.1 主液压缸所需推力大小的计算主液压缸所需推力大小即冲压力的大小，是将 7 枚钉子钉入到木条里所需力的大小，其大小根据每枚钉子钉入到木条里所需力的大小来确定。钉条所用的木条是人造板，由于人造板种类繁多，且影响其力学性能的因素很多，力学性能没有确定的值，没有找到人造板的力学性能参数值和相应的范围值，本次设计中将参照相关木材的力学性能参数值来计算所需力的大小。考虑到人造夹板的力学性能介于硬质木材和软质木材之间，计算时可哈尔滨工业大学学士学位论文13根据硬质木材和软质木材的各项力学性能指标来大致确定人造夹板的各项力学性能指标值，由于大部分硬质木材的力学性能值要比人造板的高，故根据硬质木材的力学性能参数值来设计，是偏向于安全的。为了保证机器有足够的强度和较高的可靠性，设计中可采用最坚硬的木材的力学性能值来替代人造板的力学性能值进行设计和计算。几种典型木材的力学性能参数值见表 3.11。表 3.1 几种典型木材的力学性能值（圆钉直径 2mm）力学性能横纹抗压强度（MPa）横纹抗剪强度（MPa）硬度（ MPa）冲击强度(KJ/ )径面握钉力（N）弦面握钉力（N ）白桦树 3.24 10.40 311.3 302.4水曲柳 10.49 10.3 63.25 34.9 1401.4 1372山合欢 6.67 13.44 58.15 34.6 980.6 960.5枧木（糙叶树） 17.85 20.69 139.84 96.8 2126.6 2018.8上表所示的各种木材中，糙叶树是所有树木中硬度最大的一类，其握钉力也是最大的；白桦树是典型的软质木材，其强度和握钉力相对都是比较小的一类；而水曲柳属中上等硬度的木材，是一种比较偏硬的一类，设计计算时可参照水曲柳的力学性能值来设计计算，然后用枧木的力学性能进行校核。在将钉子钉帽的上端面钉入到木条上表面以下的过程中，钉子一方面需要克服因木条与钉子之间很大的挤压力而产生的强大摩擦力，此摩擦力的大小即握钉力( 木材的握钉力，是指木材抵抗钉子拔出的能力。握钉力的大小取决于木材的种类、含水率、密度、硬度、弹性、纹理方向、钉子的哈尔滨工业大学学士学位论文14形状及其与木材接触面的大小等)的大小，用 F1 表示；另一方面，需要克服木条表面硬度而压入木条表面以下，需克服木条的屈服力，用 F2 表示。用水曲柳的力学性能值进行设计：钉 1 枚钉子所需力 F 的大小为F= F1+ F2=1401.4N+63.251.211 =1477.3 N钉 7 枚钉子所需力 的大小为 总=7F=71477.3=10341.1N总用枧木的力学性能值进行校核：钉 1 枚钉子所需力 的大小为F校 核= + =2018.8N+139.841.211N 校 核 校 核1校 核2=2186.6 N钉 7 枚钉子所需力 的大小为 总 校 核=7 =72186.6N=15306.3N总 校 核 校 核在上面的计算中，钉子的直径按 2mm 计算，而在本次课题中用到的钉子的直径为 1.21.3mm，钉子的直径小，实际所需克服的握钉力比计算中的握钉力要小；而且人造板的硬度远远小于枧木的硬度，用枧木的力学性能值来校核强度值是可靠的。综上所述，主液压缸所需设计的最大推力为 = =15306.3N。F推 总 校 核3.1.2 主液压缸主要尺寸的设计与计算液压缸的选型、设计与计算均参考文献2 、 3 、 4进行，密封圈、导向环、防尘圈、排气阀、油管接头、活塞杆端螺柱、螺母、垫圈等哈尔滨工业大学学士学位论文15零部件均选用标准件，前后端盖、安装形式、活塞、活塞杆密封件则根据相应零部件的尺寸进行设计。液压缸的主要尺寸包括缸筒内径 D、活塞杆直径 d 和缸筒长度 L；其中缸筒内径 D、活塞杆直径 d 可根据所需推力的大小来设计与计算，缸筒长度 L 根据冲压所需行程来设计。（1） 缸筒内径 D 的设计与计算一般设备、机床的液压系统为低压系统，其压力小于 7MPa，在本次设计中也采用低压系统；根据液压手册 2-4，综合考虑，确定系统的压力为5MPa，可选择南京液压件制造厂生产的型号为 BBXQ 的外啮合单级齿轮泵，其具体参数：排量为 16ml/r，压力为 5MPa，额定转速为 1500r/min。所需缸筒直径 D= =）PF4(mm ）53.106=62.4mm 根据文献3，取缸筒直径 D=63mm。液压缸的负载率 =0.50.7，液压缸在实际中，所需推力的大小按水曲柳的力学性能计算，为 =10341.1N，液压缸的额定推力 ： F实 F额=PA=5（D/2） 额 2=5（63/2 ） N . =15586.2 N实际负载率 = / =10341.1/15586.2=0.66，符合上述液压缸实 F实 额负载率的要求。（2） 活塞杆直径 d 的设计与计算根据可靠性、稳定性原则和文献3，选取活塞两端有效面积比值哈尔滨工业大学学士学位论文16=1.24 ，则活塞杆直径 d 为：d=D =63 mm=27.7mm 1)/-(1)/.24-(.根据参考文献2取活塞杆直径为 d=28mm。（3） 缸筒长度 L 的设计与计算根据冲压所需行程确定缸筒长度：因钉子很小，长为 12 mm，考虑到相关零部件的尺寸、冲压板、冲压滑块安装拆卸工艺要求和排钉夹的尺寸，可初步确定液压缸的冲压行程为 120 mm。根据冲压行程、缸筒的安装工艺要求和后面活塞的尺寸，缸筒长度 L=120mm+40mm+4mm2=168mm。3.1.3 主液压缸关键零部件的选型、设计与计算（1） 活塞的设计与计算首先，根据缸筒的内径 D 选择活塞密封圈和活塞导向环。参照文献2，活塞密封圈选用 O 型密封圈，由 D=63mm 选用型号为 53005300 的 O 型密封圈。其中 O 型密封圈的直径 d =5.3mm，d2=53mm，其结构如下图 3.2 所示；相应的 O 型密封圈安装槽尺寸如1图 3.3 所示。图 3.2 O 型密封圈尺寸 图 3.3 O 型密封圈安装槽尺寸哈尔滨工业大学学士学位论文17根据缸筒内径 D 和文献2，活塞导向环（支承环）的尺寸如图3.4 所示，其材料为酚醛树脂；相应的安装槽尺寸如图 3.5 所示。图 3.4 活塞导向环尺寸 图 3.5 活塞导向环安装槽尺寸根据活塞杆直径设计缓冲套筒，提高活塞的使用寿命，同时可将缓冲套筒设计成一定的形状，可起到缓冲的作用，以防止活塞与缸盖相碰的现象；根据手册2 ，选择的缓冲套筒尺寸如图 3.6 所示。图 3.6 缓冲套筒外形安装尺寸哈尔滨工业大学学士学位论文18根据活塞密封圈和活塞导向环的安装槽尺寸、活塞杆直径、缓冲套筒尺寸和相关要求，设计活塞尺寸如图 3.7 所示。图 3.7 活塞的形状与尺寸其中活塞密封圈安装槽和活塞导向环安装槽尺寸分别如图 3.3、3.5 所示。（2） 活塞杆导向套、密封件的设计与计算根据活塞杆的直径 d 选择活塞杆密封圈和防尘圈，其中活塞杆密封圈亦选用 O 型密封圈，根据文献2，选取 35502800 型 O 型密封圈，其安装槽尺寸如图 3.8 所示。哈尔滨工业大学学士学位论文19图 3.8 活塞杆密封圈安装槽的形状与尺寸防尘圈采用唇形防尘圈，根据活塞杆直径 d 选用的防尘圈形状与尺寸如图 3.9 所示，材料为丁青橡胶；其安装槽尺寸如图 3.10 所示。图 3.9 防尘圈的形状与尺寸 图 3.10 防尘圈安装槽的形状与尺寸根据防尘圈和活塞杆密封圈的安装槽尺寸设计活塞杆导向套，设计时应考虑到液压缸安装形式、安装耳与缸盖安装配合工艺要求、密封等因素，设计的形状与尺寸如图 3.11 所示。图 3.11 防尘圈安装槽的形状与尺寸（3） 前后缸盖的设计与计算哈尔滨工业大学学士学位论文20主活塞缸前、后端盖上均需安装排气阀、进出油管接头和缸筒零部件，此外前缸盖上需安装活塞密封件，并留有缓冲空间；根据以上零部件尺寸，设计前后端盖。排气阀根据文献2，选择各种液压缸上通用的排气阀 M12，其阀杆材料为 3Cr13，形状与尺寸如图 3.12 所示，安装尺寸如图 3.13 所示。图 3.12 排气阀的形状与尺寸 图 3.13 排气阀安装孔的尺寸油管接头采用 M221.5 的卡套式端直角管接头，其安装尺寸如下图 3.14 所示。图 3.14 油口安装孔的尺寸缸盖端面与缸筒之间的静密封圈选用 26505800 的 O 型密封圈，其安装槽尺寸如下图 3.15 所示。哈尔滨工业大学学士学位论文21图 3.15 静密封圈安装槽的尺寸根据以上各零件的安装尺寸、应留缓冲空间尺寸和活塞杆密封件的外形安装尺寸，设计前后端盖；前端盖、后端盖的最终设计结果分别如图 3.16、图 3.17 所示。图 3.16 前缸盖形状及其整体尺寸哈尔滨工业大学学士学位论文22图 3.17 后缸盖形状及其整体尺寸（4） 外形安装连接件的设计与计算在本次设计中，主液压缸的冲压方向为竖直向下方向，故主液压缸的外形安装连接形式的最佳选择为 LC 型高脚架式外形安装连接，其前后端高脚架的尺寸和形状分别如图 3.18、图 3.19 所示。图 3.18 前端盖形状及其整体尺寸哈尔滨工业大学学士学位论文23图 3.19 后端盖形状及其整体尺寸（5） 活塞杆的设计与计算根据前面设计的各零部件尺寸和相关安装工艺要求，设计活塞杆的具体结构尺寸；活塞杆与活塞之间的连接采用螺栓连接，螺母选用M16；另一端也采用螺栓连接，考虑到冲压板在横向方向上的尺寸很小，此处螺母选用 M8，设计详细零件图见毕业设计附件 A4 图纸。（5） 其它零部件的选择、设计与计算本液压缸采用的是拉杆式液压缸，根据端盖和缸筒的尺寸，拉杆选用 M10 的螺柱，两端螺柱长度各取 25mm，螺柱的公称长度 L 取320mm。为使端盖与外形安装连接件之间能更好的配合，期间应设置相应的垫片，可采用毡圈垫片。3.1.4 木条导轨的设计与计算木条导轨起着工作台的作用，在冲压时，利用导轨上的木条导向哈尔滨工业大学学士学位论文24槽定位，并用弹簧压片实现夹紧；根据图 2.3 木条放置方向，设计木条导轨，这样钉子以竖直方向钉入木条，主液压缸就可以安装在竖直的方向上，既方便竖直方向的冲压，又方便排钉夹的设计。每冲压一次，钉 7 枚钉子，钉子尖端均伸出木条下表面一定的长度，故在木条导向槽下面应留有一定的空间，以保证冲压有效，顺利完成冲压。考虑到木条的进给由辅助液压缸来实现，而辅助液压缸的尺寸相对木条导向槽的尺寸大了许多，不能直接由副主液压缸的活塞杆来实现进给，可通过中间连接件滑块来实现，故在木条导向槽下面，还应为滑块留有滑槽。根据以上主要条件，设计的木条导轨横截面尺寸及形状如下图3.20 所示，其中图(a)为木条导轨左边的横截面，图(b)为木条导轨右端的横截面。图(a)哈尔滨工业大学学士学位论文25图(b)图 3.20 木条导轨左、右端横截面尺寸3.1.5 冲压板的设计与计算（1）冲压杆设计在设计冲压板前，应先设计冲压杆。在总方案中，考虑到钉子钉帽的上表面需钉入到木条下表面，确定用冲压杆将钉子冲压到相应的位置；根据钉子钉帽的尺寸、排钉夹尺寸、木条导轨尺寸和主液压缸行程大小，设计冲压杆的尺寸。考虑到木条在横截面方向上的尺寸比较小，特别是在图 2.3 所示方向上，同时考虑到方便性、便捷性原则，参考数控加工中心车刀的安装方式，冲压杆上端与冲压板之间的连接形式采用锥孔连接，锥孔的锥度选用通用的1：50。设计的冲压杆形状与尺寸如下图 3.21 所示。哈尔滨工业大学学士学位论文26图 3.21 冲压杆的形状及其尺寸（2）冲压板的设计冲压板用来安装冲压杆，因冲压杆的排列比较紧密，为保证冲压板由足够的强度，冲压板的材可选用 45 号钢，并经一定调制处理和相应的热处理，以提高其强度和安装孔处的表面硬度；根据冲压杆安装尺寸和木条上面钉子排列尺寸，设计冲压板的形状与尺寸如下图3.22 所示，其中 6.0mm，9mm 和 8.0mm 的孔均为通孔。图 3.22 冲压板的形状及其尺寸哈尔滨工业大学学士学位论文273.1.6 冲压导向板的设计与计算每冲压一次，冲压 7 枚钉子，冲压力在冲压方向上存在不平衡现象，为更好的实现冲压，在冲压板上应设有导向装置；考虑到冲压板在横截面上有效尺寸比较小，同时冲压板与主液压缸轴端的连接存在一定的尺寸限制，为提高此处连接的强度，可设计一冲压导向板，利用导向杆来实现导向功能。根据上述因素，设计的结果的尺寸和形状如图 3.23 所示。图 3.23 冲压导向板的形状及其尺寸3.2 钉条机进给机构、送料机构及其零部件的设计与计算进给机构和送料机构的运动形式、工作过程相似，作用力的大小相同，仅仅是其行程不同，故实现钉条机进给机构的液压缸和实现送料机构的液压缸大部分零部件是相同的，只是缸筒、活塞杆的长度不同，进给液压缸和送料液压缸统称为辅助液压缸。3.2.1 辅助液压缸主要尺寸的设计与计算根据上面木条导轨的设计，木条在木条导轨槽里定位后，弹簧片并不需要很大的夹紧力，其进给所需推力并不是很大，故根据文献2，辅助液压缸（即进给液压缸和送料液压缸）可选择缸筒直径较小的液哈尔滨工业大学学士学位论文28压缸；据此，液压缸的类型可选择焊接式液压缸或螺纹式液压缸，这样方便制造，也比较经济。综上所述，缸筒直径 D 选择为 D=16mm，活塞轴直径 d 选择为d=10mm，此时，液压缸向前进给时的推力 为：F进=PA=5（16/2） F进 2=1005.3 N 液压缸返回时的推力 为：返=PA=5（16/2） - （10/2） 返 22=612.6 N 进给液压缸行程根据木条每次需要进给的距离来设定，钉条上面有 7 组钉子，每组对应钉子之间的距离为 172mm，故进给液压缸的行程 L 确定为 L=180 mm。3.2.2 辅助液压缸关键零部件的选型、设计与计算（1）活塞轴的设计与计算由于辅助液压缸缸筒直径和活塞轴直径都比较小，活塞和轴最好设计在一起，即设计成活塞轴。根据缸筒内径，选择型号为 26501120 的 O 型活塞密封圈，其安装槽尺寸如图 3.24 所示。图 3.24 密封圈安装槽尺寸哈尔滨工业大学学士学位论文29根据手册2，选择的活塞导向环（支承环）的尺寸如图 3.25 所示，其材料为酚醛树脂；相应的安装槽尺寸如图 3.26 所示。图 3.25 活塞导向环尺寸 图 3.26 活塞导向环安装槽尺寸活塞轴的缓冲，可采用在活塞轴上开取具有一定尺寸的缝隙作为卸流槽，以起到缓冲的作用；根据上面零件的尺寸和相关要求，设计的活塞轴形状和尺寸详细情况见毕业设计附件 A4 活塞轴零件图图纸。（2）前后缸盖的设计与计算辅助液压缸的前、后缸盖上需安装缸筒