曲柄压力机曲柄滑块工作机构毕业设计

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 1 -摘 要曲柄压力机广泛应用于冲裁，弯曲，校正，模具冲压等工作。本次设计的为单点闭式中型，公称压力为 160 吨曲柄压力机。此次设计由于分工不同，主要完成的是曲柄压力机曲柄滑块机构的设计。在设计中主要是根据总体设计确定的压力机主要参数，公称压力，滑块行程等参数参考相关手册初步估算曲柄，连杆，滑块，导轨相关尺寸，然后分别校核，修正，最终确定各零部件尺寸，并根据要求完成装模高度调节装置设计。最后写出详尽曲柄滑块机构设计说明书，绘出主要零件图。关键字：公称压力，曲轴，连杆，导轨，调节装置。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 2 -AbstractIt was crank press slider crank mechanism design that crank press extensive use to blanking，bent，adjustment，mould stamping quiescent. This degree rated for single-point closed type mesotype skill pressure for 160 ton crank press. This degree design owing to division of labour differ. Mostly finished at design suffer primarily as per overall design final contractor major parameter，nominal pressure，slide stroke is isoparametric reference correlation manual general estimate winch，pitman，slipper rack correlation size，then parting check，amend，ultimately ascertain each spare size，combine or finish fit design up with. be the last written out at large slider crank mechanism design specifications，out major parts chart to.key word：nominal pressure，crankshaft，pitman，rack，regulating block.哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 3 -目 录前 言.1 曲柄压力机构成及工作原理和相关参数1.1 曲柄压力机构成及工作原理.1.1.1 曲柄压力机一般有工作部分构成1.1.2.曲柄压力机工作原理1.2 曲柄压力机的主要技术参数. 1.2.1 曲柄压力机的主要技术参数1.2.2 曲柄压力机的型号介绍2 曲柄压力机滑块机构的运动分析与受力分析2.1 压力机曲柄滑块机构的构成2.2 曲柄压力机滑块机构的运动规律分析2.2.1 滑块的位移和曲柄转角之间的关系.2.2.2 滑块的速度和曲柄转角的关系.2.3 曲柄压力机滑块机构的受力分析2.3.1 忽略摩擦情况下滑块机构主要构件的力学分析2.3.2 考虑摩擦情况下滑块机构主要构件的力学分析3 齿轮传动3.1 齿轮传动的介绍.3.1.1 齿轮在应用的过程中对精度要求.3.2 直齿轮传动.3.2.1 齿轮参数确定3.2.2 齿轮的尺寸初步计算3.2.3 齿轮的强度校核哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 4 -3.3 锥齿轮传动3.3.1 几何参数的计算.3.3.2 核算弯曲应力.3.4 蜗杆蜗轮传动3.4.1 蜗杆传动的特点.3.4.2 蜗杆蜗轮的材料.3.4.3 蜗杆蜗轮尺寸的计算.3.4.4 校核蜗轮蜗杆.4 曲柄压力机滑块机构的设计与计算。4.1 曲柄压力机滑块机构的构成4.1.1 选定轴的材料4.1.2 估算曲轴的相关尺寸4.1.3 设计轴的结构并绘制结构草图4.1.4 校核轴劲尺寸4.1.5 曲轴的危险阶面校核4.2 曲轴设计与计算4.2.1 连杆和调节螺杆初步确定4.2.2 校核调节螺杆的和连杆尺寸4.3 连杆设计与计算4.4 导轨的设计与计算.4.5 高度调节装置的设计5 轴承的选用5.1 滑动轴承的选用.5.1.1 连杆大端滑动轴承选用与校核5.1.2 曲轴颈上滑动轴承选用与校 核哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 5 -5.2 滚动轴承的选用.翻译.英语原文.后记.致谢参考资料哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 6 -前言制造业是一个国家经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家的经济实力、科技水平和国防实力。压力机是机械制造业的基础设备。随着社会需求和科学技术的发展，对机床设计要求越来越高。尤其是模具制造的飞速出现，使机床向高速、精确，智能化的方向发展。因此，对压力机的精度和生产率等各方面的要求也就越来越高。本次设计是结合中型压力机的工作实际，对 JB31-160 型曲柄压力机进行改造性设计。由于传统 JB31-160 型曲柄压力压力机，存在滑块运动精度底，装模高度调节麻烦，滑块行程量小等缺点，严重影响了生产效率。本次设计鉴于以上缺点对其进行了如下改正：1 改进部件结构设计，采用新型材料。例如离合器部件，尽量减小其从动惯量，采用新兴摩擦材料。2 调节装置方面，采用二级的锥齿蜗杆蜗轮调节，节省了工人劳动量，又提高了精度。3 采用了曲轴代替同类型的偏心轴，用变位齿轮代替普通齿轮，这样就减小了机身的高度，更方便按装。压力机是冲压模具制造的常用设备，而提高冲压模具坯料精度，提高生产率，提高使用寿命，减少劳动劳动量的有效方法，此外，还要考虑到人机结合的合理性，使机床更人性化，便于工人的操作，减轻劳动强度和增加安全性。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 7 -1 曲柄压力机的工作原理及主要参数1.1 曲柄压力机的构成及工作原理.1.1.1 曲柄压力机一般有工作部分构成1)工作机构，一般为曲柄滑块机构，由曲柄、连杆、滑块等零件成。2)传动系统，包括齿轮传动、皮带传动等机构。3)操作系统，如离合器、制动器。4)能源系统，如电动机、飞轮。5)支撑部件，如机身。上述除了的基本部分以外，还有多种辅助系统与装置，如润滑系统、安全保护装置以及气垫等。1.1.2.曲柄压力机工作原理:曲柄压力机是以曲柄传动的锻压机械，其工作原理是电动机通过三角带把运动传给大皮带轮，再经小齿轮，大齿轮，传给曲轴。连杆上端连在曲轴上，下端与滑块连接，把曲轴的旋转运动变为连杆的上下往复运动。上模装在滑块上，下模装在垫板上。因此，当材料放在上下模之间时，及能进行冲裁或其他变形工艺，制成工件。由于工艺的需要，滑块有时运动，有时停止，所以装有离合器和制动器。压力机在整个工作周期内进行工艺操作的时间很短，也就是说，有负荷的工作时间很短，大部分时间为无负荷的空程时间。为了使电动机的负荷均匀，有效的利用能量，因而装有飞轮。本次曲柄压力机的设计中,大皮带轮的设计兼有飞轮的作用。工作原理图如下图：哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 8 -图 1-11.2 曲柄压力机的主要技术参数和型号1.2.1 曲柄压力机的主要技术参数曲柄压力机的主要技术参数是反映一台压力机的工艺能力,所能加工的零件尺寸范围,以及有关生产率等指标的重要资料.本次设计的曲柄压力机主要技术参数如下：1.公称压力： 160 吨2.滑块行程： 200 mm3.滑块每分次数： 32r/min4.最大装模高度： 450 mm5.装模高度调节量： 200 mm哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 9 -6.导轨间距离： 880 mm7.滑块底面尺寸： 700 mm8.工作台尺寸： 800 mm1.2.2 曲柄压力机的型号曲柄压力机的型号用汉语拼音字母和数字表示，例如 J A 3 1 160 型曲柄压力机型号的意义是：J A 3 1 160 型J机械压力机（第一类锻压机）A次要参数与基本型号不同的第一变型3第三列闭式单点压力机1第一组 160公称压力（10 千牛） 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 10 -2 曲柄滑块机构的构成及相关分析2.1 压力机曲柄滑块机构的构成由于压力机要求滑块作往复直线运动,而为动力的电动机却是作旋转运动,因此,需要一套机构,将旋转运动变为直线往复运动。下图中的结构就是完成这部分工作的重要部分曲柄滑块机构。图 2-1由本图知采用一套曲柄连杆，它对滑块只有一个加力点，因此常称做单点式曲柄压力机，这是中小型压力机广泛采用的形式。当工作台左右较宽时，也常采用两套曲柄连杆，这时它们对滑块有两个加力点，叫双点压力机，对于左右前后哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 11 -都较宽的压力机也可采用四套曲柄连杆，相应的滑块有四个加力点。曲轴中心到曲柄颈中心的距离，这个距离通常叫做曲柄半径，它是曲柄压力机的一个重要参数， （有关曲轴的部分第四章详述） 。有时小型压力机，可能用偏心轴代替曲轴，同样偏心轴也可以将旋转运动转变为滑块的直线往复运动。2.2 曲柄压力机滑块机构的运动规律分析。本次设计压力机工作机构采用是曲柄滑块机构, A 点表示连杆与曲轴的连结点,B 点表示连杆与滑块连接点 ,AB 表示连杆长度. 滑块的位移为 s。a 为曲柄的转角。习惯上有曲柄最底位置（相当于滑块在下死点处） ，沿曲柄旋转的相反方向计算。其运动简图如下图所示.,图 2-22.2.1 滑块的位移和曲柄转角之间的关系滑块的位移和曲柄转角之间的关系表达为 ()(cos)sRLa而 ini哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 12 -令 则RLsinia而 2co1所以 ssi代入 整理得:()(c)sRLa21ossina代表连杆系数。通用压力机 一般在 0.10.2 范围内.故上式整理后得:(cs)(cos)4sRa式子中 s滑块行程.(从下死点算起)a曲柄转角, 从下死点算起,与曲柄旋转方向相反者为正.R曲柄半径连杆系数L连杆长度(当可调时取最短时数值) 因此,已知曲柄半径 R 和连杆系数 时,便可从上式中求出对应于的不同 a 角的 s 值.有余玄定理知 22()cosLSa2.2.2 滑块的速度和曲柄转角的关系求出滑块的位移与曲轴转角的关系后,将位移 s 对时间 t 求导数就可求得到滑块的速度 v.即:1cos1cos24ini2dsavtt daRtdavat哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 13 -而 dat所以 sini2vRa式中 v滑块速度曲柄的角速度又因为 0.153n所以 .siin2vRa式中 n曲柄的每分钟转数从上式可看出,滑块的速度 V 是随曲柄转角 a 角度变化的。在 a=0 时 V=0 , a 角增大时 V 随之显著增大；但在 a= 之间时，V 的变化很小,而数值最大.因0759此常常近似取曲柄转角 的滑块的速度当作最大速度。用 表示0a=9max即 00max0.15nRsi+sin182V上面公式表明，滑块的最大速度与曲柄的转速 n，曲柄半径 R 成正比，n越高，R 越大，滑块的最大速度 Vmax 也越大。本压力机滑块的最大速度 00Vmax=0.15nRsi9+sin182 36s2.3 曲柄压力机滑块机构的受力分析哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 14 -判断曲柄压力机滑块机构能不能满足加工需要除了它的运动规律是否符合要求外，还有很重要的一点就是要校核它的强度。而进行强度校核之前必须首先正确的将曲柄压力机滑块机构的主要构件进行力学分析。2.3.1 忽略摩擦情况下滑块机构主要构件的力学分析忽略摩擦和零件本身重量时滑块的受力情况如图 2-3 所示。其中 P1 料抵抗变形的反作用力，N 导轨对滑块的约束反力， Pab 对滑块的约束反力，这三个力交于 B，组成一个平衡的汇交力系。根据力的平衡原理，从力三角形中可以求得 P1、N、Pab 之间关系如下：ab1 P=/cos1 =Ptan有上式知 当 时， 取到最大值 Sina09一般曲柄压力机， ，负荷达到公称压力时的曲柄转角仅 30 度左右。因0.3此可近似认为：Cos=1tan=siina哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 15 -上面两式便成为：ab1 P1 N=Psina例如求公称压力角 时,曲轴上齿轮传递的扭矩025p0M因为在 时,滑块能承受的最大负荷是 160 吨,所以坯料抵抗变形的反作用0p力 也允许达到这个数值,即1 160:N吨80:Rm.8740.9可查表 2-2 得 sini251因此在不考虑摩擦时齿轮传动的扭矩为:010(siin)260.847515MpRNm上面,我们在分析连杆、滑块受力和曲轴所需传递的扭矩的过程中,都没考虑各活动部位的摩擦.这种处理问题的方法,对于分析连杆和滑块受力,来说,误差很小.且简化了计算公式,完全可应用.但是,在计算曲轴所需传递的扭矩时,不考虑摩擦的影响,却会带来较大的误差,因此计算时,应考滤由于摩擦所增加的扭矩 .M2.3.2 考虑摩擦情况下滑块机构主要构件的力学分析曲柄滑块机构的摩擦主要发生在四处:1）.滑块导向面与导轨之间的摩擦.如下图所示,摩擦力的大小等于滑块对导轨的正压力,与摩擦系数的乘积,摩擦力的方向与滑块的运动方向相反.工作行程时,滑块向下运动,导轨对滑块的摩擦力朝上,形成对滑块运动的阻力.2）. 曲轴支承劲 与轴承之间的摩擦.轴旋转时,轴承对轴劲的摩擦力分布在0d轴劲工作面上,这些摩擦力对轴颈中心 O 形成与轴旋转方向相反的阻力矩.它可近似的按下式计算:哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 16 -001200()MdR由于小齿轮的作用力 远小于 ,所以可以认为两个支反力的和nPabp于是上式可变为:121ABR 0012dMp3）曲轴颈与连杆大端轴承之间的摩擦,它和上一种摩擦相同,也形成阻力矩,且可按下式计算: 12AABdMP4）连杆销与连杆小端轴承能够之间的摩擦.它也形成阻力矩: 12BBAdP根据能量守恒的原理,曲轴所需增加扭矩在单位时间内所做的功。等于克服各处磨擦所消耗的功率。即： 0BARLBAMNM式中： 曲柄的角速度；滑块的速度；B曲柄和连杆的相对角速度，RL rfdRL连杆的摆动角速度，AB tABd所以可以求得 的绝对值为：RLABRL而 cosAB将上式代入，并取 =1，经整哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 17 -理后得由于摩擦使曲轴所增加的扭矩为： 10coscos2insin22ABPMddR 现以所设计的曲柄压力机的曲柄滑块机构为例,来分析上式中方括号内的值.有该曲柄压力机的参数如下:0.874450AdmR=80mm1Bdm018代入式子 中求得方括号1coscos2inin2ABddPMR 内的值,即 的值如下:1p0020460809684.9 681.61 679.95 673.90 661.30 649.4012Mp从以上可以看出, 的值随曲柄转角 而变化,但变化较小,在近似计算12p中,可以将 看作不随 变化的常数,并取其相当于 = 时的值.因此,上式10可简化为 0()2ABPMdd已知 16:pN吨 0.874.9085m5AmBd哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 18 -0.516085(1.074)50.8741274MNm与不记摩擦的扭矩比较, 0.是 的 倍最后的到考虑摩擦后曲轴所需传递的扭矩: 0qM11 0(sini2)()AbpPRdd以上式子中:R曲柄半径;曲柄的转角;连杆系数;摩擦系数,一般取 0.05曲轴支承颈的直径0d曲轴颈的直径A连杆销的直径B坯料抵抗变形的反作用力.1P哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 19 -3 齿轮传动3.1 齿轮传动的介绍由于齿轮传动能传递较大的扭矩，又具有结构紧凑、工作可靠和寿命较长等优点，因此齿轮得到了广泛的应用，齿轮传动一般会遇到：齿面磨损、牙齿折断、倒牙、齿面麻点和振动、噪音等。根据这些情况，对于曲柄压力机的齿轮传动提出下面两点基本要求：1） 够的承载能力。要尽可能缩小齿轮的尺寸，采用常用的材料，又要保证能承受外载荷的作用，并且有足够的寿命。2） 要的传动平稳性。齿轮在传动过程中产生的噪音和振动要在允许范围之内，不能过大。3.1.1 齿轮在应用的过程中对精度有以下的要求1） 动精度为了准确的传递运动，要求主动齿轮转过一个角度，从动齿轮按传动比关系准确的转过相应的角度，但由于制造的误差，使从动齿轮不能按传动比关系准确地转过相应的角度。但为了满足使用要求，规定齿轮一转的过程中回转角误差绝对值的最大值不超过一定限度。2） 工作平稳性精度为了减小齿轮传动的躁声和振动，必须将齿轮在一转中的瞬时传动比的变化限制在一定的范围之内，也就是要求齿轮每转中回转角误差多次反复变化的数值小。3） 接触精度在齿轮的使用过程中要使齿轮的齿面有足够的接触面积，不可是齿轮局部接触。4） 齿侧间隙互相啮合的一对牙齿，在非工作面沿齿廓法线方向留有一定的间隙 Cn,这是为哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 20 -了避免安装、制造不准确，以及工作时温度变化和弹性变化而造成牙齿卡住，同时还可以利用它储存润滑油，改善齿面的摩擦条件。总之，为了保证齿轮传动有良好的性能，必须对齿轮的运动精度、工作平稳性、接触精度和齿轮侧隙有一定的要求，但这，四方面的要求也不能够平均对待，具体工作条件不同，每个方面的要求也不一样。3.2 直齿轮传动根据总体的设计方案，曲柄滑快机构的里是有齿轮传入的。由于传递的力较大，结合已有的设计方案，确定本传动采用双边齿轮传动。为了达到传动平稳和足够承载能力。本设计采用的是直齿圆柱齿轮。3.2.1 齿轮参数确定参考同类型的曲柄压力机的传动齿轮设计。有传动比 i 为 6.47 初步确定齿轮的相关参数方案如下：方案一齿轮摸数 m=12mm, 标准直齿轮为不发生根切， 小齿轮齿数 ,那么大齿1Z=7轮齿数为： 21Z=i6.47=1m.Dm032.12(+)A(7)6方案二齿轮摸数 m=12mm，采用变位齿轮。由于采用了变位齿轮，可不考虑根切，这时可暂定小齿轮齿数 ，那么大1Z=5齿轮齿数为：21Z=i6.479m哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 21 -2D=mZ197=64mA(+)(5)72从以上两种齿轮的参数比较可知，诺用直齿圆拄标准齿轮比变位齿轮中心距增加了 90 毫米，分度圆增加了 156 毫米。为了传动系统机构尺寸减小，相应减轻机器的重量和节约材料。结合近年来曲柄压力机和其它这种设备中变位齿轮的广泛应用，本次设计曲柄压力机采用变位直齿圆柱轮传动。相关参数如下：模数 m 12 压力角 a 02变位系数 10.42.4齿数 z=5 z=973.2.2齿轮的尺寸初步计算 有以上数据根据齿轮设计时的相关尺寸计算公式，计算齿轮的相关尺寸如下：分度圆直径 D=mz 1D=mz297=164m2580齿顶圆直径 a0(z+f-).11a=2D(54)7.8m a202a(z+f-)=19.1齿根圆直径 f0D(z-fC)哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 22 -f1101fD=m(z-2fC+)97.5-20.43.6f2202f(z-f)=1.+.D.齿顶高 0()hm111(.4)26.8fh2022(.)17fm齿根高 0()hfc11(.254)0.220(.)9.8hfcm齿全高 0=f+C-h(.5)12=73.2.3 齿轮的强度校核有总体设计的计算知大齿轮承受的扭距为 M2=515000 千克*厘米，变位系数为-0.4，转速为 n=32r/min；加工精度为八级。现按照弯曲强度计算方法检验所设计的齿轮是否恰当。并确定齿轮的材料和热处理方式。1） 确定载荷集中系数 k。因为齿宽与小齿轮节圆直径的比值：哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 23 -1B2=0.6mz.15d齿轮位于两轴承之间并对称布置。轴的刚度较好，大齿轮的齿面不准备火（即硬度 HBS故所确定的连杆及调节螺杆尺寸合适,材料能满足要求.其零件图如下所示图 4-4哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 41 -图 4-54.4 导轨的设计与计算常见的曲柄压力机的导轨有两种基本类型,即 V 形左右对称布置的导轨和四角布置的导轨,前者主要用于开式压力机,后者用于中型和大型压力机.导轨与滑块应有适当的间隙,间隙小,导向准确,但过小,则会出现发热、拉毛和烧黑现象,造成导轨与滑块接触面迅速磨损. 导轨与滑块的间隙大小随压力机形式和导轨间距离而异,通用压力机导轨与滑块的间隙一般在 0.040.25mm 之间.本次设计的曲柄压力机为了使滑块在适当的间隙内运动,把滑块与导轨的间隙做成可调节的.如下图所示:哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 42 -.图 4-6四角布置的导轨.共有四个导向面.左面的两个导向面为固定的平面,右面两个导向面为可调节的 45 度斜面.在右边两个导轨上各有三组螺栓,内侧面装有固定导轨的螺栓;导轨外部装有另外两组螺栓,一组拧入机身的螺纹孔内,另一组拧入导轨的螺纹孔内,用来前后移动导轨,以便调节间隙.参考同类型的压力机导轨尺寸的计算方法及公式,确定斜导轨的结构尺寸如下:有总体设计知导轨长度 L=950mm.则0.3.4aL0.359.25am圆整后取 a=40mm.7.12b:.14b哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 43 -圆整后取 a=40mm0.1cL.095.cm圆整后取 c=10mm.2d:.02951d圆整后取 d=20mm0.3.6eL.7em圆整后取 e=60mm.1.8f:0.389561f圆整后取 f=400mm0.3.gL.2gm圆整后取 g=285mm.5.7h:0.7956.h圆整后取 h=70mm有以上计算尺寸,绘制出导轨的零件图如下:图 4- 7哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 44 -4.5 装模高度调节装置总体设计 4.5.1 装模高度调节装置构成及工做原理为了使压力机适应于不同高度的模具,和便于模具的安装和调正整, 曲柄压力机的连杆及封闭高度应是能调的.本压力机采用的电动机驱动的二级传动机构来代替人力,调节螺杆螺纹来调节连杆的长度,达到调节装模高度目的.其传动第一级采用圆锥齿轮,第二级采用蜗杆蜗轮.如下图所示：图 4-8有上图可知连杆不是整体的,而是有连杆体和调节螺杆所组成.调节螺杆下部哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 45 -与滑块相联接.连杆替上部的轴瓦与曲轴相联结.为了有效的防止调节螺杆的松动,在蜗杆轴上安装了一套放松装置.该装置的结构和工作原理如下:大圆锥齿轮的内孔空套在蜗杆轴上,其轮毂右端面铣有牙齿,并与空套在蜗杆轴上的轴套左端面相配.调节电动机经过二级锥齿轮和蜗杆蜗轮,带动调节螺杆旋转,从而改变连杆的长度和调节封闭高度.连杆上段和调节螺杆之间的螺纹连接依靠两极传动中的摩擦阻力来防止松动.调节螺杆上端还装有撞杆,当螺杆调节到上或下极限位置时,撞杆分别与安装在连杆上段的两个行程开关相碰,调节电动机自行停车,这时只有按下使调节螺杆向另一方向旋转的按扭,调节电动机才能启动,用以防止调节电动机过载或避免调节螺杆旋出过长.查机械传动与曲柄压力机表 6-6,参考其设计参数,确定本曲柄压力机高度调节装置的相关参数如下:电动机 P=1.5 千瓦 n=750r/min传动级数 2 级 总传动比 i=137 低速级蜗杆蜗轮传动: 传动比 模数 m=6154i9qz254z高速级锥齿轮传动: : 传动比 模数 m=32.i5B10z21z4.5.2 调节装置电动机选定1 电动机功率计算原理曲柄压力机传动系统中装有飞轮之后，电动机的负载平稳许多，但仍是有变化的，所以确定电动机的功率也要注意一些问题，通常如下确定电动机：1)电动机的过载条件。冲压工件时电动机扭矩上升，如果超过它的最大容许扭哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 46 -矩，电动机就可能停下，着就是过载条件的限制。2)电动机发热条件。冲压工件时电动机的负载增加，电流上升，电动机的损耗变为热能，使其温度上升，冲压过后，负载变小，相应的转化为热能的耗损也减小。电动机运行一段时间后，电动机的温度达到一稳定状态。电动机的温升应在允许的范围之内，否则，电动机就会损坏，这是工作时发热条件的限制。此外，有由于曲柄压力机有较大的飞轮，加速飞轮使其达到额定转速，需要一定的功率，如电动机的额定功率不足，就会引起电动机的启动电流过大和启动时间过长，使电动机温升过高而损坏，所以还应核算启动时间，视其是否在允许范围之内。这就是启动时发热条件的限制。在通常情况下，冲压作用时间很短，短时过载还不致使电动机停下来，因此，一般按工作时发热条件来解决电动机功率。曲柄压力机主传动电动机的负载虽然是不均匀的，但是从发热条件来看，可以折合成某一恒定的功率 N，如果所选用的电动机的额定功率大于或等于N，那么从发热条件看是能够满足要求的。因此带飞轮传动的电动机功率计算，归结为如何确定折合功率 N。当电动机的负载波动较小，飞轮的能量较大时，这时折合功率 N，接近于压力机一个周期的平均功率 Nm。当电动机的负载波动较大，飞轮的能量较小时，这时的折合功率 N 与平均功率 Nm 差距较大。折合功率 N 与平均功率 Nm的关系可用下式表示： N=KNm式中 K折合功率 N 与平均功率 Nm的比值，K1。平均功率 Nm为压力机一个工作周期内，电动机所做的功初以工作周期的时间；在此期间压力机所消耗的能量就等于电动机所做的功。E=102t式中 E一个工作周期内压力机所消耗的能量（公斤米） ；哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 47 -E工作行程时消耗的能量；E非工作行程时消耗的能量；t一个工作周期的时间。因此，(千瓦)KEN=102tK 的数值随压力机的具体情况而定，一般 K 在 1.151.6 范围内2. 封闭高度调节装置电动机功率的计算方法在稳定负载下，电动机在单位时间内所做的有用功，除以传动系统的效率，便是电动机所需的功率。写成公式为：(千瓦) 102N式中 N电动机所需的功率（千瓦）N电动机每分钟所做的有用功；传动系统的机械效率；上式中 102 是单位换算常数，表示功率 1 千瓦相当 102kgm/s。电动机通过传动系统提升滑块时，每秒中内所做的有用功为N=Gv 式中 G滑块部件重量v滑块的调节速度（m/s）3 封闭高度调节装置传动系统的机械效率传动系统的机械效率主要包括：1)导轨与滑块相对滑动的效率 1。2)调节螺杆传动效率 2。3)调节螺母与套筒端面之间相对滑动的效率 3。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 48 -4)皮带、齿轮传动效率 4。除了以上几方面的摩擦损失之外，轴承处还有摩擦损失，但因调节装置多采用滚动轴承，效率较高，所以可忽律。因此，封闭高度调节装置传动系统的机械效率为：（10-3）多数曲柄压力机封闭高度调节装置传动系统的机械效率在 0.020.03 之间。4 电动机功率计算将式 N=Gv 代入式 中，得：102N102Gv调节电动机可采用一般封闭式鼠笼型电动机。电动机的同步转速根据传动级数和传动类型而定，在实际生产过程中，为了减少曲轴压力机的零件品种和规格，实现部件通用化，常常将吨位接近的曲柄压力机采用相同的调节电动机，传动系统的某些零件亦相互通用。5 轴承 的选用哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 49 -由于曲轴受冲击较大,参考同类型压力机, 连杆与曲轴接触, 曲轴颈与箱体接触处采用滑动轴承.调节装置轴采用选用滚动轴承.5.1 滑动轴承选用与校核5.1.1 连杆大端滑动轴承选用与校核初步拟订轴承的尺寸如下：=250mm L=270mmAdH =6mm B=10mm根据曲轴上滑动轴承的工作条件，承受的载核较大，查手册选用铅青铜Zcupb30 材料较符合要求，为满足要求，现对所选材料校核。根据曲轴的转速 n=32r/min 轴劲 mdA250snv /41.06134.610Mpa7.2725dLFP1.9410.3vpv由以上计算知，此轴承的材料。及尺寸合适，形状如图 5-1 所示： 图 5-1选择轴承的配合，参考手册，选哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 50 -用 H7/e6 为轴承的配合。按此配合确定轴劲和轴瓦的加工偏差标注在绘制的零件图上。5.1.2 曲轴颈上滑动轴承选用与校核已知轴瓦的内径为 d=200mm,轴瓦的工作长度 L=270mm,曲轴转速为 32r/min,轴瓦初定材料为铅青铜 Zcupb30.查轴承选用手册暂定选 YD4/180 型.1. 核算比压 160802gPFN所以有公式 3214.7npdl.140/606v ms2 核算 pv.8035.7ppv核算表明最初所确定的轴承材料是合适的,所选的型号能满足要求.图型如下图5-2 所示:图 5-25.2 滚动轴承选用与校核本滚动轴承是用于调节装置,不经常使用,且受力较小,故选用普通深沟球轴承即可满足需要.有轴承径向载荷 Fa =2700N,Fr=5500N,轴承转速为 500r/min,装轴承处的轴颈可在 3040mm,范围内选择,运转时有轻微冲击 ,预期寿命为 Lh=5000h.哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 51 -5.2.1 求比值:有公式 270.495arF根据手册查表,深沟球轴承的最大 e 值为 0.44,故此时 0.49arFe1）初步计算当量动载荷 p,根据式 查表的 fp=1.01.2,在此取为 fp=1.2()praPfXF查表的 X=0.56,Y 值需要在已知型号和基本静载荷 C0 后才能求出.现暂选一近似中间值,取 Y=1.5.则:()1.2(0561.27)1.2738prafPN2）根据公式求轴承的基本额定动载荷值366005456011hnLCN 3）按照轴承的选用手册选择 C=45460N 的轴承为 6307 型.此轴承的基本额定静载荷 C0=38000N.验算如下:5.2.2 求相对应轴承轴向载荷的 e 值与 Y 值1）查手册,知深沟球轴承 f0=14.7,则相对应轴向载荷为04.721.4380afFC在此间对应的 e 值为 0.280.30,Y 值为 1.551.45.2)用线性插值法求 Y 值.1541.30.4.4.80故 X=0.56 Y=1.55哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 52 -3)求当量动载荷 P ()1.2(0561.5270)1.27658prafXFN4)验算 6307 轴承的寿命6601045875148CLhnPh故所选用的 6307 轴承合哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 53 -响应曲面法在最优化切削条件下获得最小表面粗糙度的应用摘要：这篇文章主要讨论：在模具表面的铣削中，综合运用响应曲面法和常规算法相结合这样一种有效的方法，在最佳的切削条件下获得最小的表面粗糙度。响应曲面法被用于创造一种有效的模型来分析表面粗糙度，即切削参数：进给量、切削速度、轴向切深、径向切深和机器公差。为了收集表面粗糙度值，做了大量基于三个等级的，大部分因素的试验方法设计的机械试验和数据统计。一个有效的第四等级的响应曲面模具的型腔在试验中被测量。最优化切削条件下的常规算法对响应曲面模具获得预想表面粗糙度有很大的影响。常规算法使模具型腔的表面粗糙度值有过去 降到现在的 ，相对降低了 10%。基于常规算0.412m0.375m法的最优化切削条件下的生产被实验测量证实具有一致性。关键词：铣削、切削条件、表面粗糙度、注射模、响应曲面法、遗传算法.1、引言目前生产塑料制品的模具零件需要铣削加工，而制造工业的发展主要取决于数控加工技术的发展。在用铝合金 7075T6 制造机械模具零件时也常用数控铣削加工中心。在本次的研究中用的也是铝合金 7075T6，由于它具有像高抗变形、良好的传导性、较高的拉伸强度等优点，所以在飞行器和模具工业中广泛应用。塑料注射模生产的塑料产品的质量受模具表面铣削质量的影响，这些产品的质量通常与表面粗糙度值和表面粗糙哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 54 -度的测量有关。各种机床加工出来的工件的表面粗糙度是不规则的。表面粗糙度值即平均表面粗糙度，常用符号 Ra 表示。理论上，R a 是离轮廓中心线的长度的算术平均值。R a 也是控制机器工作的重要因素。刀具几何尺寸、进给量、切削条件和其它不规则的机器运转因素，如：刀具的涂层、振动、刀具挠度、切削液和工件特性等都会影响表面粗糙度。这里研究的主要是切削条件的影响（进给量、切削速度、轴向、径向切深和机床公差） 。一些学者已经研究过铣削条件在铣削和塑料注射模制造中的影响。例如真空封蜡模的制造。为了预测表面粗糙度和刀具寿命，也就是在铣削钢材时的切削速度、进给量和轴向切深，建立了分析模型。在铣削铬镍铁合金718时，提出了一种优化表面光洁度的有效方法 。在这个研究中，建立了一个四等级的响应曲面模型，能够在铣削铝合金7075T6 材料的模具表面时获得预期的表面粗糙度。通常利用响应曲面法统计响应曲面模型，实验测量证实了响应曲面模具的精确度。在寻找最佳切削条件获得最小表面粗糙度上，成熟的响应曲面模型和成熟的遗传算法有很大的联系。切削条件用进给量、切削速度、轴向和径向切深及机器公差表示。用遗传算法预期的最佳切削条件可用实验测量证实。目前，在这个研究中创造和利用响应曲面模型和常规算法比手册中的其它方法有许多优点。响应曲面模型是一个具有足够精确度的高等级、更富经验性的多项式模型，遗传算法去除了在遗传算法中存在的需用户定义的参数。用响应曲面法和遗传算法得到的最优化加工所生成的响应曲面模具的细节在下面的章节中给出。2、试验过程2.1 试验规划响应曲面法生成响应曲面模具的一个重要阶段是试验规划。在这个研究中，计划用三个等级的全部因素的设计来哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 55 -统计切削实验数据。切削实验表现为 5 个参数：进给量（ ） 、切削速度（ ） 、tfcv轴向切深（ ） 、径向切深（ ）和机器公差（ ） 。进行所有 35=243 个切削实aratm验。切削余量分为高中低三个等级的全部因素试验设计的切削参数在表 1 中列出。切削参数的取值范围都是从 Sandvik Tool Catalogue 中的推荐值选取的。铣削加工是在已设置完毕切削参数的 DECKEL MAHO DMU 60P 五轴铣削加工中心上进行的，表面粗糙度 Ra 从模具的表面上量取。2.2 刀具和材料实验中的刀具是铣头直径为 10mm 的平头四齿铣刀，刀具材料是 PVD AlTiN，表面渗碳处理。刀具的螺旋角为 45，前倾角为 10。机械实验都是在尺寸为 12012050的铝合金（7075T6）锭上的模腔上进行的。后面所用的试件材料化学成分是：1.6% 的铜，2.5% 的镁，0.23%的铬，5.4%的锌。工件的硬度值为布氏硬度 150。铝合金的机械特性是：拉伸强度为 570MPa，屈服强度为505MPa，剪切强度为 330MPa，延伸率为 11%.用 Surftest 301 表面粗糙度测量仪通过一条沿中心线为 2.5的样条测量表面粗糙度，把测量结果转化为 Ra 数值。由于这种方法比较简便，通用，这个研究也采用这种方法。每个 Ra 的测量至少重复三次，三个 Ra 的平均值作为响应曲面模具的表面粗糙度值记录下来。2.3 模具零件用于该研究的模具零件是用于生产应用于生物力学上的矫正部件的组成部分。如图 1 所示。矫正部件常用于行走器械上用于保持人腿在行走时的平稳。它配备有一根直径为 12，长度为 300的铝制圆棒，绑到膝盖的区域。矫正部件由三个主要组成部分。本次研究的对象就是其中之一。2.4 制造矫正部件的零件用一套完整的方法制造矫正部件的组件，用了三道机械加工工序。首先，在数控铣削加工中心上加工选定的部件，表面粗糙度值 Ra 从模具型腔表面量取。其哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 56 -次，用 ARBURG 把塑料注射进塑料注射模中，Polyacetal (POM)C902 是常用的注射用聚合材料。这种材料熔化后的密度为 ，注射温度是 165，粘度为3g1.2cm50 Pa s，熔化后的填充流速是 。最后，为了获得模具铸件，进行浇铸。30.8inc模具部件、塑料产品和模铸件都在图 2 中给出了。3、响应曲面模具的表面粗糙度在用响应曲面法获得预期的表面粗糙度中，响应曲面模型是一个分析函数。在模具的生产阶段响应曲面法利用了试验数值统计法和最小正方形填充法。它被总结在图 3 中。响应曲面法最初被 Box 和 Draper 用于物理实验的填充中，后来在其它领域也被采用。响应曲面模型可用下面的多项式函数表示： 011.nniijifaxax式中 ， 和 为切削参数， 是模型的参数(例如：加工参数)。在这个研0iij n究中，建立一个响应曲面模型，必须用 MATLAB 语言编写一个计算机程序，如果有足够的数据，响应曲面程序具有创建多达第十等级多项式的能力。在模型中所有的交叉条件都能考虑到（例如：参数的相互影响） 。响应曲面模型同样能在参数相反的条件下生成，即：如果需要的话能用 取代 。在建立响应曲面模型中，1ixi为 5 个参数（ 、 、 、 和 ）设计的基于 3 个等级的全部因素试验决定tfcvartm了 243 个表面粗糙度值，将其分为训练数组和检验数组两部分。训练数组包括236 个用于模具安装中的粗糙度。为了节省空间，大量的训练数组值用图 4 表示，而不用表格。在图 4 中横坐标表示数组数，纵坐标表示相应的表面粗糙度值。检验数组包括 7 个表面粗糙度值，用于检验响应曲面模具的精度。检验数组如表 2所示。它们都选自 243 个数组，显示了切削参数空间上良好的分布状况和在响应曲面模具精度上的良好检验。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 57 -在这个研究中，用设计的程序建立和检验从第一等级到第四等级的响应曲面模型。表 3 中几个响应模型的建立显示了各自精度上的误差。在表 3 中相反的部分中：0 表示参数 ，1 表示它的倒数 。四等级的全部多项式方程为：ix1ix用测量数组得到最好的安装结果，用检验数组检查响应曲面模具的精度。最大的精度误差大约为 2.05%。这一结果表明切削参数在允许的变化范围内响应曲面模具获得预期的表面粗糙度值具有足够的可能性。4、最优切削条件下获得的表面粗糙度4.1 最优化问题的公式化由于表面粗糙度值表示模具铣削质量的高低，因此希望得到尽可能低的表面粗糙度。在合适的数学优化条件方法的帮助下通过调整切削条件，很容易得到较低的表面粗糙度。为了获得最小的表面粗糙度