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9张CAD图纸、说明书 GC系列 20 2500 板材 剪床 机械 结构 控制系统 设计 CAD 图纸 说明书 GC 系列

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购买后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q1304139763 毕 业 设 计（论 文）题目：202500板材剪床机械结构与控制系统设计（英文）：Design of mechanical structure and control system in20 x 2500 plate shears 院 别：专 业：姓 名：学 号：指导教师：日 期：202500板材剪床机械结构与控制系统设计摘要本次剪板机的毕业设计要求其最大剪裁钢板厚度为20mm，剪裁宽度2500mm，每分钟最多可以剪裁30次。由三相交流电动机提供动力，经过一级带传动与二级齿轮传动减速。然后通过对心曲轴滑块的运动形式把电动机输出的旋转运动转化为往复直线运动，从而实现刀架上下往复运动，对板材进行剪切工作。控制系统使用电气元件控制。这种曲机械转动柄滑块式的的剪板机结构简单、制造容易，维修方便。关键词：剪板机；曲柄滑块机构；20 x 2500 plate shears mechanical structure and control system designABSTRACTThe graduation design of the shearing machine demands of its, maximum cutting thickness of steel plate is 20 mm, the cutting width of 2500 mm, cutting up to 30 times per minute. Powered by a three-phase ac motor, and primary level belt transmission gears reduction gear. And then through the movement of ecg crank slider form the motor output rotary motion into reciprocating linear motion, so as to realize tool slide up and down reciprocating motion, to shear work sheet. Control system USES electrical components. The mechanical rotating handle the slider type of piece of shearing machine of simple structure, easy fabrication, convenient maintenance.Key words: shearing machine; Slider-crank mechanism;目录1绪论11.1剪板机的简介与发展趋势11.2剪板机的分类21.3剪板机的工作原理22总体方案设计42.1液压传动方案42.2机械传动方案52.2.1凸轮机构方案52.2.2曲柄滑块机构方案52.3设计的总体方案63电动机的选择83.1.电动机的选型83.2电动机容量的选择83.3计算传动装置的运动和动力参数104带传动设计计算124.1带的选型124.2确定计算功率124.3选择V带的型号124.4确定带轮基准直径124.5确定中心距和带轮的基准长度134.6验算小带轮的包角144.7确定V带根数144.8求初拉力及带轮轴上的压力154.9小轮带的机构设计154.10大轮带的机构设计175齿轮的设计计算195.1确定齿轮材料、精度等级及齿轮齿数195.2确定设计准则195.3按齿根弯曲强度设计195.3.1确定式中内的各计算数值195.3.2设计计算205.4几何设计尺寸计算215.5结构设计及绘制齿轮零件图215.5.1对小齿轮的结构设计225.5.2对大齿轮轮辐的设计226高速轴的设计256.1轴的材料选用256.2轴径的最小许用值256.3确定轴结构266.3.1拟定轴上零件的装配方案266.3.2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度266.3.3确定轴上圆角和倒角尺寸276.4轴的强度校核计算276.5向心角接触轴承的寿命计算297曲柄滑块机构设计317.1曲柄滑块机构317.2曲柄滑块机构运动规律317.2.1曲柄滑块机构的运动分析317.2.2曲柄滑块机构的受力分析337.3曲轴的设计计算347.3.1曲轴的机构设计347.3.2曲轴的强度计算357.4连杆的设计377.5曲轴连杆机构中的滑动轴承388控制系统设计40202500板材剪床机械结构与控制系统设计8.1离合器的选用408.2制动器的选用408.3离合器的操纵机构428.4电动机的启动与制动438.5剪板机的电器控制原理45结论47参考文献48致谢491绪论1.1剪板机的简介与发展趋势现代工业不可避免地都会用到金属板材，经常要在加工工艺中对金属板材剪切成条料、块料或带料等等不同形状不同尺寸的金属。这些剪切的加工工艺就是用剪板机完成的。即使进入了21世纪工业技术发展迅速，计算机、电力电子等技术发展迅猛的今天，装备制造业也一直是现代工业技术的基础，也一直在整个现代工业技术中有举足轻重的地位。在一些使用金属比较多的生产部门中，就需要根据尺寸要求对金属板材进行剪切。剪板机不仅仅用于在装备制造企业中，而且还是生产各种金属板材的钢铁厂与配送企业的不可缺小的机械装备中，所以金属剪板机是整个现代工业的不可缺少的机械设备。自从英国工程师史密斯发明人类历史上的第一台蒸汽锤1，开创了蒸汽动力锻压机械时代，之后同样是英国工程师布拉默发明了水压机，到了十九世纪末，随着电动机的发展，出现以电为动力的机械剪板机以及空气锤，并获得快速成长。二十世纪初，锻压机械改变了从19世纪开始的向重型以及大型方向成长的趋向，转而向高速、高效、自动、精密、专用、多品种出产等方向成长2,3，于是出现了每分种行程2000次的剪板机，为普通剪板机的510倍的剪板机，所谓剪板机剪切次数一般是指每分钟的行程次数。自60年代以来，剪板机已经有较大的成长，其每分钟行程次数已经从几百次成长到3千次左右，其吨位已经从十吨成长到上百吨，现在剪板机主要用在电子、仪器仪表、轻工、汽车等行业中进行特大批量的冲压出产。近年来，生产的剪板机的效率在提高，剪切板料厚度也在增加，剪切精度也有很大的提高，发展并努力降低噪音，创新改善设备，在安全性、自动化程度、劳动条件方面有很大改善，特别是开始不断地采用自动化控制。国内外的情况进行分析，可知剪扳机的发展会有以下几种趋势：1剪板机的可剪宽度在逐年增加，但机架凹口(喉口)深度在逐渐的减小；2必须提高剪切质量和加工精度，以满足市场需求；3必须提高和完善安全设施，还需提高生产率和自动化程度，增加经济效益，减轻工人的劳动强度；4液压传动的剪板机及液压与机械混合式传动的剪板机在逐渐增多； 5用微机控制和数控型的的剪切机及其流水生产线得到迅速发展。1.2剪板机的分类剪板机可以按不同的分类方式进行分类。剪板机可按其工艺用途与结构类型分类，可分为平刃剪板机和斜刃剪板机，其中斜刃剪板机又可以分为闸式剪板机和摆式剪板机两类，摆式剪板机又可以分为直剪式与直、斜剪两用式。平刃剪板机采用平刃剪切方式，板料与上下刃口全长接触，剪切的板材质量好比较平直，无扭曲变形，但是剪切力大，需要电动机的输出的功率大，剪切过程的振动大。所以多用于小型剪板机和薄板下料。斜刃剪板机采用斜刃剪切方式，上刀刃采用渐入剪切的方式，故瞬间剪切尺寸小于板料宽度。斜刃剪切质量不如平刃剪切，有扭曲变形，但是剪切力和所需电动机的输出的功率比平刃剪切要小，故多用于大中型的剪板机。但是剪板机按传动方式不同，又可以分为液压传动剪板机和机械传动剪板机两类。此外再根据剪板机的传动方式、结构形式及使用性质的不同等来分，又可以分为曲柄剪板机、螺旋剪板机、高速剪板机、高速冲裁剪板机、多工位自动剪板机、冲压液压机、冲模回转头剪板机和电磁剪板机。按其工艺用途和结构类型可分为：平刃剪板机、斜刃剪板机、多用途剪板机、专用剪板机和数控剪板机4。1.3剪板机的工作原理剪板机的剪切工作示意图如图1.1所示。板材在剪板机的上、下剪刀作用下受剪产生分离变形。剪板机剪切板材时，上剪刀片向下运动，下刀片固定不动。开始剪切时，上剪刀刀刃压入板料，产生一对剪力F及相应的力矩Fd，迫使被剪板料转动。但在转动过程中受到剪刀侧面的阻挡，在剪刀的另一侧面也产生一对侧推力Ft及相应的力矩FtC，其方向阻止板料的转动。开始剪切时，板料转角随压入深度的增大而增大，而力矩FtC也随之增大，故剪刀压入一定深度后有Fd=FtC，这时被剪板料就不再转动，直至在剪力作用下被剪断为止。这种剪切板料的设备称为剪切机5。剪板机是属于直线剪切机类型，主要用于直线剪切各种厚度尺寸的金属板材，其剪切要能满足被剪板料剪切表面的直线性和平行度要求，并减少板材扭曲，以获得高质量的工件，主要广泛用于轧钢、治金工业、飞机、桥梁、压力容器、农业机械制造、汽车行业、造船、电器电气工程设备、餐饮家具、医疗机械、仪表仪器等各个机械工业部门。图1.1剪板机的剪切过程示意图52总体方案设计剪板机主要通过刀片的上下往复运动实现对板材的剪切，实现刀片的上下往复运动主要有机械传动和液压传动这两种方式。合理的传动方案既要满足设计的剪板机的性能要求好，还要能够适应所需的工作条件，工作一定要可靠，另外剪板机的传动装置的结构也要尽量简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、经济实用、传动效率高和使用维修方便，要同时满足上述的几个要求是比较困难的，所以我们要通过下面的多种传递方案的分析，进行比较，最终选择出符合本次设计要求的最佳传动方案。2.1液压传动方案剪板机液压传动系统原理图如图2.1所示，其原理：手动换向阀6推向左位（即左位接入系统），此时活塞在压力油的作用下向下运动，对板料进行剪切加工，当加工完成后，将阀6手柄推向右位（即右位接入系统），活塞向上运动，即刀片上抬，到了一定位置，将阀6手柄推入中位，这样活塞就停留在此位置不动。然后剪切第二次时，重复上述操作。手动换向阀6也可改为电气控制的换向阀，从而实现自动连续剪切，提高效率。图2.1 液压传动系统原理图液压传动式剪板机日益增多，其主要原因是剪切力在全行程中都能保持不变，可防止过载，工作安全，通用化程度高，质量较轻，自动化程度高，可以剪切板材的厚度也比较大。液压传动式剪板机依靠液体作为系统介质传递动力的，剪切力大时，油压也相应的高，对液压元件的精度、强度要求也高，制造成本也相应的较高，而且液压系统不可避免的存在，泄露问题，会造成污染，油温的变化会引起油液粘度变化，影响液压传动工作的平稳性，所以适应环境能力小。而且液压传动的行程次数叫机械传动式剪板机的低，电动机功率也较机械传动式剪板机高，维修不如机械传动式剪板机方便，因此此次设计不选用此方案。2.2机械传动方案2.2.1凸轮机构方案凸轮机构的工作原理如图2.2所示，凸轮的传动是由主轴的转动来带动的，当凸轮在升程时就推动滑块(即刀片)进行剪切板料；在回程时，滑块则在弹簧力的作用下上慢慢升到初始(开始)位置，准备下一个动作循环。凸轮机构的优点是可以根据推杆的运动规律来凸轮的轮廓曲线和机构的尺寸，机构简单，可靠性高。缺点是凸轮轮廓与推杆之间为点、线接触，易磨损，因为其工作压力不能太大，本次设计的剪板机工作压力较大，会严重磨损凸轮的轮廓及推杆，严重影响机器的稳定性，所以该方案不予采用。图2.2 凸轮机构的工作原理2.2.2曲柄滑块机构方案曲柄连杆机构的工作原理如图2.3所示,由主轴转动带动曲柄转动，通过连杆将旋转运动变成使滑块直线运动(上下往复运动)，从而来实现剪切。图2.3 曲柄连杆机构的工作原理该机构具有结构简单、加工容易、维修方便、经济实用的优点，故采用此方案即曲柄滑块机构作为执行机构比较合适6。2.3设计的总体方案合理的传动方案既要满足剪板机的性能技术要求，也要能适应剪板机所处的工作环境的要求。而且剪板机的传动装置尽量做到结构简单、加工方便、成本低廉、工作可靠等要求。由于总体传动方案中可能会用到几种传动形式的多级传动，所以在确定总体传动方案是要了解几种传动形式的特点：1带传动的承载能力小，在传递相同转矩时,较其它传动形而言，其所需结构尺寸要大的多，但具有结构简单，传动平稳，价格低廉,能吸振缓冲，传动效率高的特点，宜布置在高速级。 2链传动只能实现平行轴间链轮的同向传动，磨损后易发生跳齿，不均匀有冲击，不适用于高速级，应布置于低速级。3开式直齿圆柱齿轮传动由于润滑后润滑液不易保存，也暴露在外面，这样的话，它的工作环境与圆锥齿轮传动等其他传动相比则要差，由于润滑不好回造成磨损严重，寿命也较其他传动短，应布置在低速级。4斜齿圆柱齿轮传动适合用在速度高或传动平稳的场合，因为其传动平稳性和接触疲劳强度比较的高。5圆锥齿轮传动的啮合性较其他齿轮传动要好，能承受高负载，而且寿命长，但由于它的加工比较困难，所以要限制齿数、模数和传动比，故在高速级的传动中运用较多。根据性能、工作条件、成本的各方面的因素，选择带传动和直齿圆柱齿轮进行若干个减速级的传动。优点：采用V带传动，传动效率较高；成本低廉，经济实用；结构简单，尺寸紧凑传动平稳，可承受较大的预紧力，具有过载保护；缓冲吸振等，还可减少带传动的尺寸。本次设计剪板机设计的总体方案为电动机经过一级带轮减速及一级齿轮减速驱动主轴上的曲柄滑块机构，使刀架上下运动，刀架上的刀片对板料进行剪切。此次设计的传动系统图如图2.4所示。1-压料架 2-机身 3-下刀架 4-压料脚 5-减速齿轮 6-曲柄机构 7-制动器 8-电动机9-V带 10-离合器 11-上刀架图2.4 机械上传动式剪板机工作原理图电动机8通过V带9减速，通过离合器10和齿轮减速系统5驱动偏心轴，然后通过连杆带动上刀架11，把旋转运动转化为刀架的上下往复直线运动，对板材进行剪切工作。在刀架下行时，随动式弹簧压料器在剪切之前压紧板料5。3电动机的选择3.1.电动机的选型本次剪板机采用机械传动方案，用电动机作为该剪板机的动力原件。这次毕业设计应该根据载荷大小和启动性能、制动、正反转的频率程度等条件来选择。电动机一般有直流与交流这两种。如无特别需要，一般选用Y系列三相交流异步电动机。Y系列电动机为上世纪80年代的更新换代产品，Y系列交流三相异步电动机多为封闭式三相异步电动机,能防止灰尘、铁屑或其它杂物侵入电机内部，使电动机有一个良好的运行环境。Y系列三相异步电动机具有高效，节能，性能好，低噪音，体积小，振动小，运行安全可靠，安装尺寸与功率等级符合国际标准（IEC）。Y系列三相交流异步电动机不仅使用于水泵、鼓风机、金属切削机床及运输机械等运行环境良好的工作中,更使用于灰尘较多、水土飞溅的运行环境中,如碾米机,磨粉机,脱壳机及其它农业机械,矿山机械等。根据剪板机的一般工作环境和设计要求，本次剪板机的设计选用选用三相笼型异步电动机，Y系列，封闭式结构，电压380V，频率50Hz。3.2电动机容量的选择选择合适的电动机的功率，对于剪板机的正常工作与经济性有重要的影响。容量过小的电动机，不能保证电动机的正常工作或容易发生电动机过载而发生损坏。容量过大的电动机，虽然能保证电动机的正常工作，但是价格较高，而且经常不能满载工作，其效率和功率因数都较低,增加电能消耗而造成能源的浪费，不符合经济性的要求！本次剪板机的设计要求剪裁20mm厚的金属板材，根据诺沙里公式6： (3.1)式中 剪切力，； 被剪板料强度极限，实际中的板料； 被剪板料延伸率，； 被剪板料厚度，； 上刀刃倾斜，； 被剪部分弯曲力系数，； 前刃侧向间隙相对值， ； 压具影响系数，。把已知数据代入式（3.1）解得：考虑到刃口钝化系数后，实际的剪切力应比理论剪切力大，则实际剪切力为:刀架工作功率： （3.2）式中 剪切力,； 刀架速度,。把已知数据代入式（3.2）解得：传动装置的总效率： （3.3）查文献资料7得式中、分别为联轴器、滚动轴承、圆柱齿轮传动和皮带的效率。(取（联轴器），（滚动轴承），（齿轮精度为8级，不包括轴承效率），)则：电动机所需功率： （3.4）代入数据解得：由于传动由皮带和齿轮组成的。按推荐的传动副传动比较合理的范围，取V带传动比。二级圆柱齿轮减速器传动比，则总传动比合理范围为 =16160,=30r/min,则电动机转速可选范围为：查表19-3YZR系列冶金及起重用三相异步电动机的技术数据7,选取YZR250M1-6型电动机比较合适,其技术参数7如下:功率为37kW，满载时的电流、转速、效率分别为26.5A、960r/min、89%。其主要性能如下表3.1。表3.1电动机性能型号额定功率kWYZR250M1-63计算传动装置的运动和动力参数总传动比 （3.5） （3.6）式中 V带传动比,; 圆柱齿轮传动比, 。计算各轴转速 （3.7） （3.8）则各轴的功率： 各轴转矩 (3.9)式中 电动机转矩,； 电动机功率,； 满载转速, r/min 。 运动和动力参数计算结果整理于下表3.2：表3.2各轴运动的参数轴名效率P()转矩T（）转速r/min传动比效率输出输出电动机轴37368.0796040.95轴34.451370.8324080.95轴32.410310304带传动设计计算4.1带的选型带传动按照原理来可以分为摩擦传动与啮合传动两种，其中摩擦传动的带传动依靠传动带与带轮的摩擦力实现传动，如平带传动、V带传动等。在同样的张紧力的条件下，V带轮传动能力允许的传动力比较大，而且V带轮传动通常是多条带并用，结构较紧凑，造价便宜，传动平稳以及缓冲吸振等优点。因此，在很多机械中到用到V带传动。4.2确定计算功率计算功率是根据传递的额定功率，并考虑到载荷性质和每天运转时间长短的因素的影响而定的。 （4.1）式中 电动机功率，; 工作情况系数。查文献资料8，金属剪切机床的载荷变化小，一天工作时间10到16个小时，取。代入数据得：。4.3选择V带的型号根据和主动带轮（小带轮）转速，由查文献资料8中选定C型V带。4.4确定带轮基准直径根据文献资料8中得出，小带轮基准直径为。验算小带轮的带速 一般应使,对于普通V带应使，由于小带轮的带速为，所以小带轮符合范围。计算大带轮的基准直径并按照V带轮的基准直径系列进行圆整,圆整后4.5确定中心距和带轮的基准长度当结构上对中心距无一定要求,可下式初步中心距 （4.2）代入, 初定取,然后由带传动的几何关系,可按下式计算所需带的基准长度 (4.3)代入数据得 根据查文献资料8中，可以选取与之接近的基准长度，由于V带的中心距一般是可以调整的,故采用下式进行近似计算 （4.4）代入数据得考虑安装调整和补偿预紧力(如带伸长而松弛后的紧张)的需要，中心距的变化范围为4.6验算小带轮的包角根据对包角的要求，应保证 （4.5）代入数据得 则小带轮上的包角满足要求。4.7确定V带根数 （4.6） 式中 包角系数，查文献资料8； 长修正系数,查文献资料8； 单根V带的基本额定功率； 单根V带额定功率的增量；根据，查文献资料8，用内插法得由下式得功率增量为 （4.7）式中 弯曲影响系数，查文献资料8C型V带； 小带轮转速，； 传动系数，查文献资料8；代入数据式（4.7)得代入数据式(4.6)得圆整得根，符合C型带的最多使用根数。4.8求初拉力及带轮轴上的压力查文献资料8得C型普通V带的每米长质量考虑离心力不利的影响，和包角对所需预紧力的影响，单根V带的预紧力为 （4.8）代入数据式（4.8）得为了设计安装带轮的轴和轴承，必须确定带传动作用在带轮轴上的力，此压力称为轴压力。如果不考虑带的两边的拉力差，则压轴力可以近似的按带的预紧力的合力来计算，即 （4.9）式中： 带的根数； 单根带预紧力； 主动轮上的包角；代入数据的 4.9小轮带的机构设计带轮材料常用灰铸铁、钢、铝合金和工程塑料的。其中灰铸铁应用最为广泛，由于带速时，一般使用HT150。由参考文献7得：电机轴，电机轴伸出长度为，且已知小带轮的基准直径，所以小带轮采用腹板式结构9。带轮的基准直径为。查文献8得C型V带带轮的轮槽尺寸如下：轮槽基准宽度基准线上槽深基准线下槽深槽间距槽边距最小轮缘厚轮槽角轮槽结构如图4.1所示图4.1 轮槽结构带轮宽：带轮外径：=轮缘外径： ，取轮毂长度： 因为所以，取，取小带轮的结构如图4.2图4.2 小带轮结构4.10大轮带的机构设计带轮材料常用灰铸铁、钢、铝合金和工程塑料的。其中灰铸铁应用最为广泛，由于带速时，一般使用HT150。初选大带轮的轴径，已知大带轮的基准直径，所以大带轮选用轮辐式结构。 轮槽尺寸同小带轮。轮缘及轮毂的尺寸：带轮宽：带轮外径：轮毂外径：，取轮毂长度：因为所 ，取 (4.10)式中： 传递的功率，为； 带轮的转速，为； 轮辐数，取。代入数据得 =95.7mm=0.8=0.895.7mm=76.56mm=0.4=0.495.7mm=38.28mm=0.8=0.838.28mm=30.62mm=0.2=0.295.7mm=19.14mm=0.2=0.276.56mm=15.31mm大带轮的结构如图4.3 图4.3 大齿轮机构5齿轮的设计计算5.1确定齿轮材料、精度等级及齿轮齿数根据设计的传动方案选择斜齿圆柱齿轮传动，查文献资料9，由于机器工作时属于中速中等冲击，选取大小齿轮的材料均为45Cr（调质处理），硬度为240260HBS。因为是普通减速器，查文献资料9选8级精度，要求齿面粗糙度。初选螺旋角。5.2确定设计准则由于该减速器为开式齿轮传动，按理应根据保证齿面抗磨损机齿根抗折断能力准侧进行计算，但是现今理论对于齿面磨损能力的计算方式迄今尚不够完善。故对于开式齿轮传动目前为按弯曲疲劳强度校核齿根的弯曲强度计算，再适当增大模数。选小齿轮齿数为，大齿轮齿数。5.3按齿根弯曲强度设计由齿根弯曲强度的设计公式： (5.1)5.3.1确定式中内的各计算数值载荷系数 (5.2)载荷系数 根据纵向重合度，查资料9螺旋角影响系数计算当量齿数查取齿形系数，得；。查取应力校正系数，得；。弯曲疲劳强度查文献资料9小齿轮的弯曲疲劳强度极限。大齿轮的弯曲疲劳强度极限。弯曲疲劳寿命系数查得，。计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 由 (5.3) 查取齿形系数，得；。查取应力校正系数，得；。计算大、小齿轮的并加以比较小齿轮的数值大 5.3.2设计计算对比计算结果，可取由弯曲强度算得模数4.64并就近圆整为标准植。按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数小齿轮取大齿轮齿数 5.4几何设计尺寸计算计算中心距 将中心距圆整为。按圆整后的中心距修正螺旋角螺旋角改变不多，故上述参数不必修正。计算大、小分度圆直径计算齿轮宽度为防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大大齿轮的工作载荷，常将小齿轮的齿宽在圆整数值的基础上人为地加宽。故取小齿轮的齿宽。大齿轮的齿宽。5.5结构设计及绘制齿轮零件图5.5.1对小齿轮的结构设计根据上面的计算得出齿轮尺寸值，见表5.1：表5.1 圆柱齿轮几何尺寸名称代号公式小齿轮大齿轮法面模数法面压力角、端面压力角、分度圆直径齿顶高齿根高齿全高齿顶圆直径齿根圆直径 基圆直径法面齿距基圆齿距齿厚顶隙 因为小齿轮的齿顶圆直径 ，所以小齿轮可以做成实心结构的齿轮9。小齿轮的结构如图5.1所示。5.5.2对大齿轮轮辐的设计由于大齿轮的齿顶圆直径，所以选用轮辐截面为轮辐式结构的齿轮9。轮辐数取因为大齿轮的材料为铸铁，所以 取 取 取 取 取 取 取 取大齿轮如图5.2所图5.1 小齿轮的结构图5.2 大齿轮的结构6高速轴的设计6.1轴的材料选用轴的材料首先应该有足够的强度，对应力集中敏感性低；还须要满足刚度、耐磨性、耐腐性等要求，而且要求具有良好的加工性能，价格低廉。轴的常用材料主要是碳钢和合金钢，其中由于碳钢比合金钢廉价，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学处理的办法提高耐磨性和抗疲劳强度。在载荷一定的情况下，好的材料能提高轴的工作性能及寿命，但同时要考虑到材料的经济性，故采用45号钢，并做调质处理。6.2轴径的最小许用值轴在转矩的作用下，产生切应力。对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为： （6.1）式中 轴所传递的转矩，； 轴的抗扭截面系数，； 传递的功率，为； 带轮的转速，为； 、轴的切应力、许用应力，45号钢为； 带轮的转速，。轴的设计计算公式为 （6.2）C值查文献资料8得，代入数据得考虑到轴的最小直径处于安装的皮带大带轮与小齿轮，会有键槽存在，故需将估计的轴直径加大，取mm。查文献资料10，取标准直径。6.3确定轴结构6.3.1拟定轴上零件的装配方案轴承、套筒、皮带轮、轴端挡圈从左端向右依次安装。轴承、套筒、齿轮、轴端挡圈依次从轴的右端向左安装，轴承选择型30222圆锥滚子轴承。传动轴的零件装配及轴的机构如图6.1所示。 1.轴端挡圈 2.大带轮 3.套筒 4.圆锥滚子轴承 5.小齿轮图6.1 传动轴的结构及装配图 6.3.2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度6.2直轴机构图确定，6.3.3确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为，除下图标注外，各轴肩处的圆角半径，均为R2。6.4轴的强度校核计算输出轴上的功率P，转速n和转矩T，小齿轮上所受的力、，大齿轮与小齿轮相互作用，依据牛顿第三定律，(d为小齿轮的分度圆直径) 直轴受力分析如图6.3图6.3 主轴的受力分析图最危险截面，按第四强度理论校核 该轴的材料为45钢（调质），差得，故设计的轴有足够的强度。6.5向心角接触轴承的寿命计算根据文献资料10，向心角接触轴承30220的尺寸为由文献资料8查得心角接触轴承30220的内部轴向力的计算公式为： （6.3）其中，由于、则、。因为这对轴承反装，,故轴承1为压紧端，有：由查资料12得30220轴承的，而查得，;，；，取，则轴承的当量动载荷为：因为这两个轴承的型号相同，所以其中当量动载荷大的轴承寿命短，因为,所以只需计算轴承2的寿命。查资料1230220轴承。取，则代入下式 （6.4）得由此可见轴承的寿命大于轴承的预期寿命，所以所选轴承型号合适。7曲柄滑块机构设计7.1曲柄滑块机构曲柄滑块结构如图7.1所示：图7.1 曲柄滑块结构图11曲轴滑块机构由曲轴、上连杆、下连杆组成。曲轴做旋转运动带动连杆作摆动，从而带动上刀架在导轨中作上下往复运动。7.2曲柄滑块机构运动规律7.2.1曲柄滑块机构的运动分析曲柄滑块机构由连杆、曲柄和滑块组成，如图7.4所示。OA是曲柄，O点是曲柄的旋转中心。AB为连杆，A点事曲柄和连杆的联结点。B点为连杆与滑块的联结点。曲柄的长度为，也称为曲柄半径，连杆长度为。该机构中以O为中心，以一定的角速度绕O作旋转运动，则刀架(滑块)以一定速度作直线往复运动。刀架(滑块)位移和转角的关系可以根据几何关系推导出： (7.6)又知由以上两式整理可得： (7.7)又由于称为连杆系数，一般取值为：，由二项式定理得又有倍角关系知，将上式代入式(7.7)得， (7.8)式中： 滑块的位移(即刀架运动的从上下止点的距离)，； 曲柄的转角，从下止点开始算起，方向与曲柄转向相反； 曲柄长，； 连杆长度(当连杆的长度可调时，取最短时的值)，。对式两边时间求导，可推导出： (7.9)式中： 滑块的速度，； 曲柄连杆的角速度，； 曲柄半径，； 曲柄每分钟转速，。图7.2 曲柄连杆机构运动关系计算简图5由计算可知，尽管曲柄做匀速转动，但滑块在运动中各点的速度是不等的。当滑块运动到上止()点和下止点()的时候，其运动速度等于零，即。当滑块运动到点()和()的时候，它的运动速度是最大的。7.2.2曲柄滑块机构的受力分析如图7.5所示，在的作用下曲柄首先承受扭矩的作用，同时曲柄滑块机构各运动零件的摩擦力又使扭矩变大，对于单边传动的曲轴滑块机构，曲轴上锁承受的扭矩为：图7.3 曲柄受力简图11 （7.10）上式可写成 （7.11）式中： 曲柄所受的扭矩，； 工件变形抗力，； 当量力臂，； 曲柄颈直径，； 支承颈直径，； 连杆球头或连杆销直径，； 摩擦因数，； 连杆系数。从上式可知，即使作用在连杆上的工件变形抗力不变，曲轴承受的扭矩或当量力臂也是一个变量，它随着曲轴转角的增大而增大，在时为最小，在左右时为最大。7.3曲轴的设计计算曲柄是剪板机机械的最重要零件，由于它受力复杂，故设计制造要求高。材料选用18CrMnMoB调质钢而且曲轴支承轴颈和曲柄颈需要精车或光磨。为了延长曲轴寿命，在各轴颈特别是圆角处，最好用棍子辗压强化。7.3.1曲轴的机构设计在设计曲轴时，先决定曲轴的有关尺寸，然后再进行精确校验。图7.4曲轴的结构11支承颈直径根据曲轴的有关尺寸根据经验公式11： （7.12）式中 剪板机公称压力,。则取，则曲柄颈直径为。则偏心距为，则取。其他各部分尺寸见下表7.1表7.1曲轴尺寸经验数据曲轴各部分尺寸名称代号 经验数据实际尺寸（mm）曲柄颈直径132支撑颈长度180曲柄两臂外侧面向长度300曲柄颈长度 180圆角半径9.6曲柄臂宽度180曲柄臂宽度 87.5偏心距R1927.3.2曲轴的强度计算曲轴除了承受扭矩的作用力外，还承受工件变形抗力给予的弯矩作，为图7.3将截面B-B、C-C为危险截面，而且对载荷做了一些简化：1）大齿轮对曲轴的作用力远远小于连杆对曲轴的作用力，所以可忽略不计；2）连杆对曲轴的作用力近似看成公称压力Pg,并且看做Pg/2作用于连杆轴瓦两侧11。则危险截面C-C的弯矩为 （7.13）危险截面C-C的最大弯曲应力： (7.14)式（7.13）和（7.14）中 公称压力，； 支撑颈长度，； 曲柄两臂外侧面向长度，； 曲柄颈直径，； 圆角半径，； 、轴的最大弯曲应力、许用最大弯曲应力，18CrMnMoB调质钢为； 弯曲截面系数。代入数据得 图7.4 曲轴计算简图（纯弯梁法）11理论上在曲柄颈上，除受弯矩作用外，尚受到扭矩的作用，本应该按弯扭联合作用计算。但实际上弯矩比扭矩要大得多，故可以忽略扭矩产生的应力，因此对于标准行程的剪板机，用式（7.3）计算危险截面C-C的最大应力是否满足要求足够准确。曲轴除了在曲柄颈的C-C截面上有可能破坏以外，在支承颈的B-B截面也要很大的机会破坏，故尚需要核算B-B截面的强度。但是与C-C截面恰恰相反的是，B-B截面上所受到的扭矩要比弯矩大得多，故可以忽略弯矩的影响，只计算B-B截面的扭矩： (7.15)危险截面B-B的最大剪应力： (7.16)式（7.4）和（7.5）中 公称压力，N； 支承颈直径，； 公称当量力臂，； 、轴的最大剪应力、许用最大剪应力，18CrMnMoB调质钢为Pa； 扭转截面系数。代入数据得7.4连杆的设计由于采用曲柄滑块形式如图7.5所示，AB杆长。机构在时的传动角，为压力角，同时为了保证曲柄滑块的性能合理，要求 。图7.5 曲柄滑块机构示意图 由上图可知：因为，所以的最大值为1 ,代入数据得 根据市场上出售的样机，选。连杆材料用HT200，连杆结构简如图7.6。尺寸确定：,图7.6 连杆结构简图7.5曲轴连杆机构中的滑动轴承在剪板机中，曲柄连杆机构的旋转速度较低，但载荷较大，因此必须检验作用在滑动轴承上的轴瓦上的压强。连杆大端轴承衬的压强为： 曲轴两端轴承衬的压强为: 连杆小端轴承衬的压强为： 三种轴承衬的材料均选ZQSn6-6-3。类型为剖分式曲轴滑动轴承。8控制系统设计在剪板机控制系统中，一般都装有离合器和制动器，用来控制工作机构的运动和停止。剪板机常用的离合器可分为刚性离合器和摩擦离合器两类；常用的制动器有圆盘式制动器、带式制动器和闸瓦式制动器。8.1离合器的选用剪板机的离合器一般有刚性离合器和摩擦离合器两种。刚性离合器通过键连接把主动部分和从动部分连接起来。根据键类型的不同，可分为转键式、滑销式、滚柱式和牙嵌式等几种，本次设计采用双转键式离合器。转键式离合器的一般结构如图8.1所示。中套4装在大齿轮内孔中部，用平键与大齿轮连接，跟随大齿轮转动。内套2和外套6分别用平键与曲轴3连接。内、外套的内孔上各加工出两个缺月形的槽，而曲轴的右端加工出两个半月形的槽，两者组成两个圆孔，主键和副键便装在这两个圆孔中，并可在圆孔中转动。半圆形转键离合器，它的主动部分包括大齿轮8、中套4和两个滑动轴承等；从动部分包括曲轴3、内套2和外套6等；接合件是两个转键（一个工作键也叫主键，一个副键）；操纵机构由关闭器等组成在离合器的操控机构的作用下，离合器的工作键转过一个角度，使得中套上的半圆形槽和传动轴上的半圆形槽对正，此时离合器就啮合了，这样从动轴会被大齿轮经中套和工作键带动，从而实现转动。操纵机构上有复位弹簧，可以使离合器复位，这样大齿轮就绕套筒转动(从动轴就停转动)，完成一个工作循环。8.2制动器的选用制动器都是通过摩擦作用来实现制动的，常用的制动器有圆盘式制动器、带式制动器和闸瓦式制动器三种。本次设计采用带式制动器，常用的有偏心带式制动器、凸轮带式制动器和气动带式制动器。本次设计采用凸轮带式制动器，结构简图如图8.2所示，其中制动弹簧5是用来控制制动带6的张紧，而凸轮l、杠杆4和滚轮用来控制其松开的，因此，在非制动行程时，剪板机的制动带是松开的，而且这样能量损耗也会比较小。制动器改为凸轮带式制动器以后，能量损耗与压力机电动机功率之比变为967，下降约50。顺便应说明点，由于小型机一般没有滑块平衡装置，因此，在压力机空程向下时，为了防止连杆等零件的“超前”现象，应提供一定的制动力矩。故非制动行程一般指回程。1 滑动轴承 2内套 3曲轴 4中套 5滑动轴承 6外套7端盖 8大带轮 9尾板 10弹簧 11平键 12副键13工作键 14拉板 15副键板 16工作键 图8.1 转键式离合器的一般结构1凸轮 2制动轮 3滚轮 4杠杆 5制动弹簧 6制动带图8.2 凸轮带式制动器118.3离合器的操纵机构图8.3所示是电磁铁控制的离合器操纵机构示意图，此操纵机构可以使压力机获得单次行程和连续行程。单次行程：预先将拉杆5上的圆孔与右边的打棒3上的销子11连接起来，形成单次行程工作状态。工作时，电磁铁6通电，衔铁上吸，拉杆向下拉打棒；由于打棒的台阶面4压在齿条12上面，由于齿条也跟着向下；齿条带动齿轮1和关闭器10转过一定角度，尾板与转键在拉簧的作用下转动，离合器接合，曲轴转动，滑块向下运动。在曲轴旋转一周前，电磁铁仍然处于通电状态。但随曲轴一起旋转的凸块2将撞开打棒；齿条与大棒脱离，并在下端弹簧的作用下向上运动，经齿轮带动关闭器回到原位置，离合器脱开；曲轴在制动器作用下停止转动，滑块完成单次行程。若要再次进行单次行程，则必须先使电磁铁断电，让打棒在它下面的弹簧作用下复位，并重新压住齿条，才能实现再次行程。综上所述，这种机构能够防止由于操纵失误而产生的连冲现象。连续行程：先用销子将拉杆5上的圆孔与左边齿条12连接起来，形成连续行程工作状态。工作时时电磁铁通电，衔铁上吸，拉杆向下拉齿条，于是经齿轮带动关闭器转动一定角度，离合器结合，曲轴旋转。此时凸块和打棒已不起作用，如不使电磁铁断电，滑块便作连续行程。要使离合器脱开和曲轴停止转动，则必须断开电磁铁的电源，齿条才能在它下面弹簧的作用下向上移动，经齿轮使关闭器复位并挡住尾板。1 齿轮 2凸轮 3打棒 4台阶面 5拉杆 6牵引电磁铁7衔铁 8摆杆 9机身 10关闭器 11销子 12齿条图8.3 电磁铁控制的离合器操纵机构示意图8.4电动机的启动与制动鼠笼式异步电动机采用全压直接启动时，控制线路简单，维护工作量较少。但是，并不是所有异步电动机在任何情况都可以采用全压。这是因为异步电动机的全压启动电流一般可达额定电流的4到7陪。过大的启动电流会降低电动机的寿命，致使变压器二次电压大幅度下降，减小电动机本事的启动扭矩，甚至使电动机根本无法启动，还要影响同一电网路中其它设备的正常工作。一般来说，电动机容量在10kW以下者，可直接启动。10kW以上的异步电动机是采用降压启动方式。本设计采用降压启动也称为星形-三角形降压启动，简称星三角降压启动。在启动时将电动机定子绕组接成星形，每相绕组承受的电压为电源的相电压（220V),减小了启动电流对电网的影响。而在其启动后期则按预先整定时间换接三角形接法，每相绕组承受的电压为电源的线电压（380V），电动机进入正常运行。凡是正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，均可采用这种方式。机械制动是在电动机断电后利用机械装置对其转轴施加相反的作用力矩来进行制动。电磁抱闸就是常用方法之一，结构上电磁抱闸由制动电磁铁和闸瓦制动器组成。断电制动型电磁抱闸在电磁线圈断电后，利用闸瓦对电动机轴进行制动，电磁铁线圈得电时，松开闸瓦，电动机可以自由转动。图8.4为电动机的启动与制动的主电路。图8.4 电动机的启动与制动的主电路图8.5为电动机的启动与制动的控制线路。启动：按下启动按钮SB2，接触器KM线圈得电，电动机M接入电源，同时，时间继电器KT、制动电磁铁YB通电及接触器KM1线圈得电。接触器KM1线圈得电，其常开主触点闭合，电动机M定子绕组在星形连接下运动。KM1的常闭辅助接触点断开，保证了接触器KM3不得电。时间继电器KT的常开触点延时闭合；常闭触点延时断开，切断KM1线圈电源，其主触点断开而常闭辅助触点闭合。接触器KM2线圈得电，其主触点闭合，使电动机M由星形启动切换为三角形运行。制动：按下SB1辅助电路断电，各接触器释放，在断电制动型电磁抱闸利用闸瓦对电动机轴进行制动，电动机停车。图8.5 为电动机的启动与制动的控制线路8.5剪板机的电器控制原理图8.6为剪板机的控制电气原理图。按下按钮SB3电磁铁电源接触器KM4线圈得电KM4吸合电磁铁工作。当剪板机剪刀工作一个往复曲轴上的凸轮触动行程开关XK。XK常闭点断开使KM4线圈失电释放，同时电磁铁失电释放。为了避免剪刀连续动作发生危险，在控制回路里加装了电气联锁保护。XK动作其常开点闭合将中间继电器KA1触发使KM4控制回路上的KA1常闭点断开。用来保证牵引电磁铁线圈不会重复得电造成误动作。按钮BS3常闭点和中间继电器KA2线圈串接并入控制回路是为了防止长按控制按钮造成剪刀连剪。KA2的常闭点窜入KA1控制回路使KA1能够断电为下一个循环做准备。 （a）主电路 （b）控制线路图8.6 为剪板机的控制电气原理图结论剪板机广泛应用于在板材加工中，是一种常见的剪板设备。本次设计从机械式中的凸轮机构和曲柄滑块机构方案中选择了曲柄滑块式的剪板机方案，然后参照剪板机的设计标准，从曲柄滑块机构设计、传动方案的选择、电动机选择、离合器及制动器