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单点开式曲柄式机械剪板机设计【全套含CAD图纸和三维PROE图纸说明书】

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全套含CAD图纸和三维PROE图纸说明书 单点 曲柄 机械 板机 设计 全套 CAD 图纸 三维 PROE 说明书
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题 目 机械剪板机的设计及分析学 院 名 称: 专 业 班 级: 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 老 师: 摘要制造业是国家经济的支柱之一,同时也是评价一个国家科技实力和国防实力是否领先的重要标准。在机械制造业中,金属加工是机械制造过程中一个不可或缺的环节,而冷冲压技术是近代金属加工领域中的一个重要组成部分,是实现少切屑甚至无切屑的先进工艺。在现代工业生产中,剪板机是最重要的板材加工设备之一,而曲柄式剪板机是利用机械传动产生压力的实现冷冲压技术的重要机器之一,在冷冲压工艺中占有很大的比重。曲柄式剪板机的动力由电动机提供,后通过传动系统把电动机的运动和能量传给工作机构,从而将工件发生确定的变形,达到剪切的目的。本文设计了公称压力为60KN开式单点曲柄式剪板机。首先进行了剪板机的总体方案设计;然后设计了剪板机的机械传动系统;重点对曲柄滑块机构进行了分析设计,并对主要承载构件上刀片进行了工作能力校核及ANSYS应力分析;选择了合适的离合器和压料器。关键词:剪板机;传动系统;曲柄连杆;动态仿真ABSTRACTManufacturing is one of the pillars of the national economy. It is also an important criterion to evaluate whether a countrys scientific and technological strength and national defense strength are ahead. In the machinery manufacturing industry, metal processing is an indispensable link in the process of mechanical manufacturing, and cold stamping technology is an important part of the field of modern metal processing, and it is an advanced technology to realize small chip or even no chip. In the modern industrial production, the shearing machine is one of the most important processing equipment, and the crank shears are one of the most important machines to realize the cold stamping technology using mechanical transmission, and it occupies a large proportion in the cold stamping process.The power of the crank shears is provided by the motor, and then the motion and energy of the motor are passed to the working mechanism through the transmission system, thus the deformation of the workpiece is determined and the purpose of shearing is achieved. The open type single point crank shearing machine with a nominal pressure of 60KN is designed. First, the overall scheme of the shearing machine is designed; then the mechanical transmission system of the machine is designed; the emphasis is on the analysis and design of the crank slider mechanism, and the ANSYS stress analysis is carried out on the blade of the main bearing member; the suitable clutch and pressure feeder are selected.key word:Shearing machine; transmission system; crank connecting rod; dynamic simulation.目录摘要IABSTRACTII1.绪论11.1 剪板机概述11.2 剪板机国内外发展状况31.3 剪板机的发展趋势51.4 研究目的及研究内容61.5 本章小结72.剪板机总体方案的确定82.1 剪板机的基本参数要求82.2剪板机设计总体方案的确定92.3 本章小结123.剪板机的传动系统设计133.1 电动机的选型133.2带传动的设计及其计算183.3本章小结274.曲柄连杆机构的设计274.1曲柄连杆机构简介274.2曲轴的设计计算及校核284.3 连杆的设计334.4 本章小结355.离合器与制动器355.1 离合器的选择365.2 制动器的选择376.上刀架的设计及上刀片的有限元分析396.1上刀架的设计396.2 刀片的选择406.3 上刀片的有限元分析416.4 本章小结457.简易机械剪板机的技术经济分析467.1方案选择的合理性分析467.2技术经济分析49总结与体会50参考文献51致谢53附录一54附录二72IV1.绪论1.1 剪板机概述剪板机(英文名称:plate shears;guillotine shear)是用一个运动的上刀片相对另一固定的下刀片作往复直线运动剪切板材的机器。是借于运动的上刀片和固定的下刀片,采用合理的刀片间隙,对各种厚度的金属板材施加剪切力,使板材按所需要的尺寸断裂分离【1】。剪板机属于锻压机械中的一种,主要作用于金属加工行业。剪板机根据结构类型可以分为闸式剪板机和摆式剪板机两类;按传动方式分,可以分为液压传动式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可以将剪板机分为曲柄剪板机、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、冲压剪板机等;按照工艺用途和结构类型可以分为平刃剪板机、斜刃剪板机、多用途剪板机、专用剪板机和数控剪板机。剪板机目前主要有以下几种:平刃剪板机:剪切质量较好,扭曲变形小,但剪切力大,耗能大。机械传动的较多,该剪板机上下两刃彼此平行,常用于轧钢厂热剪切初扎方坯和板坯。斜刃剪板机:分闸式剪板机和摆式剪板机,剪切质量较前者差,有扭曲变形,但力能消耗较前者小,适用于中大型剪板机。多用途剪板机:板料折弯剪板机,即在同一台机器上可完成两种工艺,假期下部进行板料剪切,上部进行折弯,也有的机器前部进行剪切,后部进行板料折弯。专用剪板机:气动剪板机大多用在剪切线上速度快,剪切次数高。数控剪板机:直接对后挡料器进行位置编程,可进行位置校正,具有多工步编程功能,可实现多步自动运行,完成多工步零件一次性加工,提高生产效率【2】。图1-1为引进国外先进技术制造的数控摆式剪板机。图1-1 数控摆式剪板机剪板机的剪切原理:剪切过程是由压入变形和剪切滑移两个阶段组成,剪切过程的实质是金属塑性变形的过程。当上剪刃下移与钢板接触后,剪刃便开始压入钢板,由于剪切力力在开始阶段比较小,在钢板剪切断面上产生的剪切力小于钢板本身的杭前能力,因此钢板只能发生局部塑性变形,故这一阶段称为压入变形阶段。随着上剪刃下移量增加,钢板压入变形增大,剪切力也不断增加。当剪刃压入到一定深度,即剪切力增加到一定值时,钢板的局部压入变形阻力与剪切断面的剪切力达到相等,剪切过程处于由压入变形阶断过渡到剪切滑移阶段的临界状态。当剪切力大于钢板本身的抗剪能力时,钢板沿着剪切面产生相对滑移,开始了真正的剪切,这一阶段被称为剪切滑移阶段。在剪切滑移阶段,由于剪切断面不断变小,剪切应力也不断变小,直至钢板的整个断面被剪断为止,完成一个剪切过程【3】。1.2 剪板机国内外发展状况随着社会的发展的技术的进步,很多的工业部门、企业都在使用金属板材,都需要对板材进行剪断加工,所以剪板机在现代工业发展中起着不可或缺的重要作用。随着科技的发展,剪板机的功能和精度也得到了很大的提高。剪板机属于直线剪切类机器,能剪切各种尺寸金属板材的直线边缘。在轧钢、汽车行业、电器、仪表仪器行业、船舶、桥梁、压力容器等各个行业中都有广泛应用。1842年,英国工程师史密斯制造第一台蒸汽锤,开始了蒸汽动力锻压机械的时代;十九世纪末,出现了以电为动力的机械剪板机及空气锤,并获得快速成长。二十世纪初,锻压机械改变了向大型及重型方向发展的趋势,转而向高速、高效、自动、精密、多品种出产等方向发展。自60年代以来,剪板机已经有了十分迅速的发展,其每分钟行程次数已经从几百次发展到现在的3000次左右,其吨位也已从十吨发展到上百吨。现在剪板机首要用在电子、仪器仪表、轻工、汽车等职业中进行特大批量的冲压出产。近年来,随着模具技术以及冲压技术的发展,剪板机的使用范围在不断地扩展,数量在不断地增加【4】。进入21世纪以来,工业技术飞速发展,装备制造业在整个工业生产中占据了举足轻重的地位,装备制造业的发展离不开相应的原料加工机械设备,剪板机也随着工业自动化进程的深入得到越来越广泛的应用。近十多年来,随着对发展先进技术的重要性获得前所未有的共识,冲压成型技术无论在深度和广度上都取得了前所未有的进展,其特征是与高新技术结合,在方法和体系上开始发生很大变化。计算机技术、信息技术、现代测控技术等冲压领域的渗透与文化交叉融合,推动了先进冲压成型技术的形成和发展。在汽车、航空航天、电子和家用电器领域,需要大量的金属板壳零件,特别是汽车行业要求生产规模化、车型个性化和覆盖性大型一体化。进入21世纪,我国汽车制造业飞速发展,面对这一形势,我国的板材加工工艺及相应的冲压设备都有了长足的进步。发展数控技术,进而发展数控锻压机械是提高锻压生产技术水平的关键。近几年来,数控技术广泛应用于锻压机械的各个领域,国内的数控剪图1-2 数控闸式剪板机板机也有了一定的发展。从1986年第一台数控折弯机由天水锻压机床厂研制成功以来,国内在数控折弯、数控剪切技术发展较为有代表性的单位有济南铸造锻压机械研究所、黄石锻压机床厂和上海冲剪机床厂。图1-2为我国自主制造的数控闸式剪板机。现在的很多行业都离不开金属板材,并且金属板材都需要根据严格的尺寸要求进行裁剪,所以剪板机的地位可谓重中之重。我国剪板机的发展速度很快,而且结构也在不断改善,品种也不断齐全,已经有了完整的剪板机系列。虽然近几十年来我国剪板机技术取得了巨大的进步,但是相比较于发达国家,我国的锻压设备还有一定的差距,如品种和规格不全,尤其是大、高、精、尖的锻压设备还依赖于进口;设备的稳定性和自动化程度还有待提高,国际市场竞争力差;由于应用的越来越广泛,剪板机的发展也是非常的迅速,虽然功能越来越完善,但是还是普遍存在着生产效率差,自动化程度低等问题。1.3 剪板机的发展趋势随着工业技术的不断进步,国内的设备生产发展也是飞速猛进,剪板机的性能也有很大的改善。但是工业的发展和对产品要求的不断提高也对加工设备提出了更高的要求,这就促使剪板机需要不断地创新,不断地更新换代,以满足更高的生产要求和更高的经济效益,如果不采用高效自动化设备,产品的成本与质量在国内乃至国际市场上将失去竞争能力。因此制造和使用大吨位、高效率的自动剪板机,已成为工业先进国家的发展方向之一。近年来,剪板机械正向着高效率、高吨位、高精度的方向发展并努力降低噪音,提高安全性,扩大自动化程度,改善劳动条件,特别是开始不断地采用自动化控制。通过对剪板机发展进程及现状问题的分析,我们可以发现剪板机有以下几种发展趋势:用微机控制的剪板机和数控剪板机会迅速发展。生产率和自动化程度会越来越高。由于所需产品的多样性要求提高剪板机的剪切能力。附件会越来越多,功能越加完善,可操作性提高,促使工人的工作环境及安全性也大幅改善。1.4 研究目的及研究内容本次设计的传动方案既要满足设计的剪板机的性能要求,还要能适应工作条件,工作可靠,另外剪板机传动装置结构也要尽量简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、经济实用、传动效率高。而且本次设计除了基本的传动方案的设计外还通过对剪板机的曲轴部位进行受力分析以及上刀片的ANSYS分析,可以清楚的看出剪板机的关键部位是否满足设计要求,以对本次设计起指导作用。本次设计的主要研究内容总结为以下几项:利用图书馆或者互联网收集充足的资料,充分认识并了解剪板机传动系统的主要工作原理、传动类型及结构组成,了解剪板机发展历程、现状及存在的问题;根据本次毕业设计的具体参数和剪板机工作原理,拟定出一个较为合适的传动方案;电动机的选型及相关计算;传动系统选型及设计计算,包括带传动的设计计算,并用CAD绘制关键零件图纸;曲轴的设计计算及连杆的设计计算,并绘制曲轴的CAD图纸;剪板机上刀片的三维模型的建立与分析将剪板机上刀片的三维模型进行合理的简化,然后导入到ANSYS软件中对其进行刚度、强度分析,确定是否满足设计要求。1.5 本章小结本章首先介绍了现今剪板机的概述,包括其分类以及工作原理;了解了剪板机的国内外发展概况;并分析了剪板机可能的发展趋势,同时对现如今剪板机的发展现状进行了一定的总结并说明了一些存在的问题。介绍了本次设计的主要研究目的及内容,陈述了本次设计要做的工作,可以使自己在设计的时候更具有目的性,也促使自己对新的软件进行学习,同时便于安排时间。2.剪板机总体方案的确定2.1 剪板机的基本参数要求剪板机的工作能力主要通过技术参数反映出来,剪切工件的尺寸范围等指标也通过参数反映出来,本次设计的技术参数如下表所示:表2-1 剪板机基本参数表项目数据可剪最大板厚(mm)2可剪最大板宽(mm)400剪切角2被剪材料强度(MPa)200剪板次数(次/分)120公称压力(KN)60曲轴半径(mm)372.2剪板机设计总体方案的确定合理的传动方案既要满足设计的剪板机的性能要求,还要能适应工作条件,工作可靠,另外剪板机传动装置结构也要尽量简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、经济实用、传动效率高。要同时满足上述几个要求是比较困难的,所以我们要做如下多种方案的分析,进行比较最终选出符合本次设计的最终方案。2.2.1液压传动方案液压式剪板机根据帕斯卡原理设计,其液压传动系统原理图如图2-1所示,手动换向阀6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接入中位,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剪板机采用液压传动,可以令机器工作时平稳,噪声小,安全可靠,可以进行单次连续剪切,剪板厚度也较机械传动的厚,但是液压系统是利用液体作为中间介质来传递动力的,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【5】。另外,液压剪板机的维修也不方便,需要掌握一定的专业知识,因此此次设计不选用此方案。2.2.2 机械传动方案选择机械传动方案时,要充分考虑各种传动形式的特点,合理分配传动顺序:带传动承载能力小,较其他传动形式,在传递相同扭矩的时候,所需结构尺寸要大得多,但是带传动具有结构简单、价格便宜、传动平稳、传动效率高等特点,宜布置在高速级。链传动的要求较高,只能实现平行轴间的同向传动,易磨损,且磨损后传动不均匀有冲击,不适合布置在高速级,应布置在低速级。直齿圆柱齿轮传动适合用在速度高或者传动平稳的场合,对润滑要求较高,适合布置在低速级。圆锥齿轮传动的啮合性较其他齿轮传动要好,承载能力高,而且寿命长,但是加工困难,所以要限制齿数、模数和传动比,多布置在高速级。凸轮机构的传动是由主轴的转动来带动的,当凸轮在升程时推动刀片进行剪切,回程时,刀片慢慢回到初始位置,准备下一个动作循环。凸轮机构优点是可以根据推杆的运动规律来设计凸轮轮廓曲线和机构尺寸,机构简单。可靠性高;缺点是承载力小,易磨损,稳定性不高。如下图所示:图2-1 凸轮机构原理图曲柄滑块机构由主轴转动带动曲柄转动,通过连杆将旋转运动转变成刀片的直线往复运动,从而实现剪切。该机构结构简单、加工容易、经济适用、承载能力较大【6】。如下图所示:图2-2 曲柄滑块机构原理图根据性能、工作条件、成本及难易程度各方面的因素,本次剪板机传动系统的设计选择带传动作为减速机构。执行机构选择曲柄连杆机构较为合适。总体方案为由电动机提供剪板机运行所需要的动力,经由一级带传动减速,带动曲柄连杆机构,将曲轴的旋转运动转化为刀具的上下往复运动,使刀具完成剪切。传动系统简图如下所示:图2-3 传动系统简图由于生产工艺的需要,系统中装有离合器与制动器,实现间断运动。剪板机在整个工作周期内进行有效工艺操作的时间很短,大部分为无负荷的空程时间。为了使电动机的负荷均匀,有效地利用能量,有些结构中装有飞轮,有时,大皮带轮即起到飞轮作用。2.3 本章小结在本章中初步给出了剪板机的具体性能参数,为后面的计算做准备;并具体介绍了剪板机液压传动系统和机械传动系统的优缺点,了解了凸轮机构和曲柄滑块机构工作原理及各种传动的优缺点,最后确定出了本次设计的主要传动方案为机械传动方案,具体要求是电动机提供动力,经过一级带传动后驱使曲柄连杆机构的运动,达到剪切目的。3.剪板机的传动系统设计3.1 电动机的选型 3.1.1 电动机类型和结构形式的选择本次设计所选用的电动机的类型和机构形式应根据电源种类、工作条件、载荷大小和性质变化、启动性能、制动、正反转的频率程度等条件来选择。电动机分交流电动机和直流电动机两种。由于生产单位一般多采用三相交流电源,因此,无特殊要求时,均应采用三相交流电动机。其中异步电动机是交流电动机的一种,它是把电能转化为机械能的一种动力机械,一般以三相异步交流电动机应用最广泛。Y系列三相异步电动机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,效率高,耗能少,性能好,噪音低,振动小,体积小,重量轻,运行可靠,维修方便。不仅使用于水泵、鼓风机、金属切削机床及运输机械,更使用于灰尘较多、水土飞溅的地方,如碾米机,磨粉机,脱壳机及其它农业机械,矿山机械等。根据工厂工作环境要求,选用Y系列三相异步电动机。 3.1.2 电动机功率的选择在选择电机时,要考虑电机容量的合理性,因为容量对电机的正常工作影响很大,合理的容量可以减小经济投入。如果电机容量过大,电机效率不高,会造成不必要的经济损失;如果电机容量过小,会使电机超负荷工作,会降低电机寿命,造成损失【7】。确定剪切力,剪切力公式由诺沙里公式求出,即 (3-1) 式中:剪切力的大小,; 被剪板料强度极限,本设计中取=200MPa;被剪板料延伸率,=25%;被剪板料厚度;上刀刃倾斜角,本设计中取=2;前刃侧向间隙相对值,=0.005; 压料脚距离的相对值,x=10;被剪部分弯曲力系数。式3-1中的被剪部分弯曲力系数由下式决定:(3-2)当时,;当时,。式中:被剪掉板料的长度。前刃侧向间隙相对值由式(3-3)(3-3)式中:刀片间隙的相对值; 刀片间隙,其大小约为板料厚度的0.05倍。压料脚到下刀刃的距离由式(3-4) (3-4) 式中 压料脚轴线到下刀刃的距离,查资料得当板料厚度为2-6.3时,mm综上求得 。确定剪切功,剪切功由公式(3-5)(3-5)式中:工作行程时剪板机所消耗的能量; 剪切深度; 板料宽度; 材料产生裂纹时,剪切刃进入材料的深度(mm);注:剪切刃进入材料的深度与材料厚度之比约为33%,即:综上求得。确定主轴上的扭矩,由式(3-6)(3-6)式中:主轴上的最大扭矩;上刀架传递的剪切力,即;主轴曲柄的半径,大小为37mm;主轴曲柄半径和连杆长度之比,根据通用压力机一般取植范围在0.10.3之间.由总体结构设计,初步选取=0.27;摩擦系数,取;曲柄旋转的角度;曲柄颈直径,大小为55mm;连杆销直径,由公式决定,;主轴两端支撑处轴径,。综上求得主轴上最大扭矩:确定电动机的功率(3-7)式中:电动机轴的扭矩;主轴上的最大扭矩; 工作行程中所消耗的能量; 主轴的工作角度,大小为160; 剪板机刀架每分钟行程次数; 电动机额定转速; 传递效率,取。求得电动机的功率按照下式确定:(3-8)(3-9)(3-10)式中:工作行程的相对持续时间; 剪板机行程次数的利用系数,对于手工送料剪板机取30%; 总传动比,取; 空行程的相对转矩。最后求得电动机功率综上所述,并查机械设计课程设计手册三相异步电动机的技术数据,本次选取Y160M1-8型电动机,其技术参数如下:功率为4kw,转速为750r/min,满载转速720r/min【8】。3.2带传动的设计及其计算带传动作为挠性传动的一种,其基本组成零件是带轮和传送带。工作时是通过皮带与带轮之间的摩擦来完成动力传递,在传动中由于不同的截面形状所以传递的力也有所不同,因此可分为平带传动、V带传动、圆带传动等。带传动中有中间挠性件,具有冲击载荷小、传动平稳、噪声小、安装方便、安全性高、适应性强等优点。由于V带套在带轮上以后,带与带轮轮槽的工作面紧密贴合,在张紧力相同和成本相等的条件下,V带传动的工作能力比其他带传动要好。此外还具有传动比大、传动平稳、成本低等优点,在近现代机械中应用广泛,所以本次设计中采用V带传动。 3.3.1确定计算功率由于带轮在运转时有较大的载荷变动,还要满足每日工作时间要求,查,机械设计第九版表8-8,取KA=1.1。功率计算公式:Pca=KAP(3-11)式中: P带传动的额定功率;KA工作情况系数。代入数据KA=1.1,P=4KW,得出Pca=4.4KW3.3.2 选择V带的类型根据功率Pca=4.4KW和主动带轮转速n=720r/min,查机械设计第九版图8-11选择A型V带。3.3.3 确定小带轮直径并验算带速初选小带轮直径在一定功率下,选择带轮秩序井要合适,太小会增加V 带根数和弯曲应力。一般情况下,为避免应力过大,应保证dd(dd)min,查机械设计第九版表8-9选取小带轮的基准直径.验算带速带速的计算公式:v=dd1n601000(3-12)将相应数据代入得v=3.768m/s,在合理范围内,所以带速合适。计算大带轮的基准直径dd2根据机械设计第九版式(8-15a),计算大带轮的基准直径 (3-13)带入数据求得,根据机械设计表8-9选取合适的大带轮直径=630mm。3.3.4 确定中心距并选择V带的基准长度中心距大,可以增加带轮的包角,减少单位时间内带的循环次数,有利于提高带的寿命,但是中心距过大,则会加剧带的波动,降低传动平稳性;中心距小,则有相反的弊端。所以,一般初选带传动的中心距可以根据机械设计中公式:(3-14) 式中:初选的带传动中心距。本次初选带传动中心距=730mm计算相应的带长,由式(3-15)(3-15)代入数据求得mm带的基准长度根据查机械设计表8-2选出。中心距及其变动范围。传动的实际中心距近似为(3-16)求得。考虑到带轮的制造误差、带长误差、带的弹性以及因带的松弛而产生的补充张紧的需要,常常给出中心距的变动范围如下:(3-17)(3-18)求得中心距的变化范围为3.3.5 验算小带轮上的包角通常小带轮上的包角小于大带轮上的包角,小带轮上的临界摩擦力小于大带轮上的临界摩擦力。因此,打滑通常发生在小带轮上。为了提高工作能力,应使得:(3-19)3.3.6 计算单根V 带的额定功率为了传动的平稳,V 带的受力要合适,同时要求根数也不宜过多,一般应少于10根。单根V带的额定功率计算公式如下:P单=(P0+P0)KaKL(3-20)其中P0可以根据dd1和n的大小查机械设计第九版表8-4得出,P0=1.16KW, P0可以根据n、i带和V型带查机械设计第九版表8-5得出,P0=0.11KW,Ka为包角修正系数,参见机械设计第九版表8-6,取Ka=0.9,KL为长度修正系数,参见机械设计第九版表8-2,取KL=1.03。计算求得P单=1.185KW计算V带根数(3-21)代入数据,并取整,所以取4根V带。3.3.7 计算单根V带压力最小值及压轴力单根V 带压力最小值计算公式:(F0)min=500(2.5-Ka)PcaKazv+qv2(3-22)其中q为V带单位长度的质量,查表得A型V带的单位长度质量q=0.1kg/m,代入数据求出由于新带容易松弛,所以在安装新带后,为保证正常工作,预紧力要设置为上述预紧力的1.5倍,对于V带而言一般是1.3倍。为了设计带轮轴的轴承,需要计算带传动时轴上要承受的力。(3-23)式中:小带轮包角;带的根数;F0单根V带预紧力。求得。3.3.8 小带轮的结构设计V带轮中的典型带轮根据轮辐结构来分可分为实心式带轮、腹板式带轮、孔板式带轮和轮辐式带轮。V带轮的基准直径不同,考虑传动效率和成本等条件,应选择不同的结构。当带轮基准直径(d为安装带轮的那根轴的直径),可采用实心式;当时,可采用腹板式;当,同时时,可采用孔板式;当时,可采用轮辐式【9】。带轮形状一般都比较复杂。且造价成本高,因此选用灰铸铁,因为灰铸铁铸造方便、成本低;灰铸铁碳含量高,相应的润滑性能好,不容易与其他零件粘接;并且具有良好的摩擦性能,能减少打滑,所以确定材料为Q235。查阅机械设计手册知Y160M1-8型电动机的电动机轴D=42mm,电机轴伸出长度为E=110mm,且已知小带轮的基准直径=100mm,2.5=2.542mm=105mm2.5所以小带轮采用实心式结构。带轮的基准直径为100mm,外径=105.5mm。轮槽的尺寸如表3-1所示:槽轮结构如下图所示: 图3-1 槽轮结构图项目符号结果槽型无A型基准宽度(节宽)(mm)11.0基准线上槽深(mm)2.75基准线下槽深(mm)8.7槽间距(mm)第一槽对称面至端面的距离(mm)9最小轮缘厚(mm)6槽轮角()34表3-1 V带轮轮槽截面尺寸表确定小带轮外形尺寸带轮宽: =(4-1)15+29mm=63mm带轮外径:=100+22.75mm=105.5mm轮缘外径: =(1.82) =(1.82)42mm=(75.684)mm,取=80mm所以=(1.52) =(1.52)42mm=(6384)mm,取=70mm =(1/7-1/4) =(1/7-1/4)63mm=(915.75)mm,取=12mm。3.3.9 大带轮的结构设计材料:HT200确定带轮的结构形式根据以下公式确定轴的直径(3-24)式中:带轮轴直径; 轴的材料相关系数,材料为45钢时,=126-103,这里取=110; 传递的功率; 轴的转速;求得mm。所以初选大带轮的轴径405mm,已知大带轮的基准直径=630mm300mm,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: =(4-1)15+29mm=63mm带轮外径:=630+22.75mm=635.5mm轮毂外径:=(1.82)=(1.82)35mm=(6370)mm,取=65mm轮毂长度:因为=63mm1.5=1.535mm=52.5mm 所以=(1.52) =(1.52)35mm=(52.570)mm,取=55mm。 (3-25)式中: 传递的功率,为3.76kW; 带轮的转速,为120r/min; 轮辐数,取4。=mm=57.4mm=0.8=0.856.2mm=46mm=0.4=0.456.2mm=23mm=0.8=0.822.5mm=18mm=0.2=0.256.2mm=11.2mm=0.2=0.244.9mm=8.9mm 主要设计结论如下:本次带传动设计选用A型普通V带4根,带基准长度为2500mm。小带轮基准直径为100mm,大带轮基准直径为630mm,中心距控制在786899mm,单根带初拉力为262N。其三维示意图如图3-2所示:3.3本章小结本章主要给出了剪板机的技术参数,并根据技术参数选择了电机的型号,并对传动机构做了具体的计算,包括带传动的设计计算及大小带轮的计算和齿轮传动的设计计算及大小齿轮的设计。并绘制了这些零件的二维零件图。图3-2 带传动三维示意图4.曲柄连杆机构的设计4.1曲柄连杆机构简介曲柄连杆机构由主轴转动带动曲柄转动,通过连杆将旋转运动转变成直线往复运动,从而实现目标操作。该机构结构简单、加工容易、经济适用、承载能力较大。我国机械行业中采用的通用机械压力机,普遍采用曲柄连杆机构,这一机构将剪板机传动系统的旋转运动转变为连杆的往复直线运动,实现剪切工艺。目前应用较为广泛的曲柄连杆机构的驱动方式分以下几种:曲轴驱动式,该类型的曲轴轴径较大,适用于公称行程较大的压力机。偏心轴驱动式,该类型的曲柄颈短而粗,支座间距小、结构紧凑、刚性好;缺点是偏心直径大,摩擦损耗多,制造困难,适用于行程小的压力机。曲拐驱动式,曲拐颈在轴的一端,形成悬臂,刚性较差,适用于开式单柱压力机。偏心齿轮驱动式,应用于中大型压力机,芯轴仅受弯矩,偏心齿轮受扭矩作用,负荷分配合理,制造方便;但维修较复杂,而且偏心轴直径大,磨损较为严重。4.2曲轴的设计计算及校核轴类零件是组成机械的主要零件之一。一切做回转运动的传动零件,都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递,轴类零件的主要作用是支撑回转零件及传递运动和动力。轴按照承受载荷的不同,可分为以下三类:转轴既承受弯矩又承受扭矩。心轴只承受弯矩不承受扭矩。传动轴只承受扭矩不承受弯矩。按轴线形状的不同,可分为两种:曲轴通过连杆可以将旋转运动改变为往复直线运动,或作相反的运动变换。直轴又可按外形分为光轴和阶梯轴。结合各种曲柄连杆机构各种驱动形式的优缺点及成本,本次设计的剪板机曲柄连杆机构采用的是曲轴驱动式。其结构简图如4-1所示: 图4-1 曲柄连杆机构简图4.2.1 曲轴的尺寸确定在曲柄压力机中,常见的曲轴有三种形式,即曲轴、曲拐轴和偏心轴。在本设计采用曲轴形势,曲轴为压力机械的重要零件,受力复杂,故制造条件要求较高。材料选用45#调质钢。曲轴支撑颈需加以精车或磨光(Ra0.8)。为了延长曲轴寿命,在各轴颈特别是圆角处,最好用滚子辗压强化。本设计的剪板机采用对心曲柄连杆机构,其运动简图如下图所示:图4-2曲柄连杆机构运动简图曲柄AB作为原动件,通过连杆带动剪板机刀片C的上下运动,当曲柄与连杆到达下死点位置时,剪板机刀片C到达最低点完成剪切。由于本次设计的剪板机采用对心曲柄连杆机构,故剪板机的剪切行程即曲轴半径的两倍,曲轴半径是曲轴结构最重要的尺寸,曲轴的其他相关尺寸尺寸通常由经验公式决定,曲轴的尺寸简图如下:图4-3 曲轴尺寸简图曲轴的有关尺寸根据经验公式取:,取,式中压力机公称压力(KN) 其他各部分尺寸见下表4.1表4.1 曲柄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55支撑颈长度91曲柄两臂外侧面向长度133曲柄颈长度82圆角半径r3曲柄臂宽度a67曲柄臂高度h934.2.2 曲轴的强度计算由材料力学知识可知,曲柄受力后发生弯曲变形,曲柄颈中部的变形远远大于两边的变形,因此,连杆给予曲柄颈的作用力是一组非均布载荷,两端大,中间小,所以将其简化为两个集中力作用在曲柄颈两端,即载荷分为两个集中力,作用在距离曲柄臂2r出,所以将曲轴简化后的受力简图如4-4所示。认为A-A、B-B危险截面,后对载荷作如下简化1 齿轮对曲轴的作用力比连杆对它的作用力小得多,可忽略不计。连杆对曲轴的作用力近似看成公称压力Pg,并分 别以Pg/2作用于连杆两侧。因为曲柄连杆系统在运动时会受到很多处阻力,如滑块与导轨面之见的阻力、连杆销处与连杆小头的阻力、曲柄颈与耐磨轴套的阻力等,所以实际情况下,作用于曲轴上的总扭矩应该为工件变形抗力所引起的扭矩和摩擦所引起的扭矩之和。所以曲轴上动力输入端即B-B界面上所受的扭矩之和为:Mq=(4-1)(4-2)式中:R曲轴半径,R=37mm; 曲轴旋转角度,;为连杆销直径,由公式决定,;根据通用压力机一般取植范围在0.10.3之间.由总体结构设计,选取=0.27,取。最大剪应力为:(4-3)式中:抗扭截面模量。最后求得对于危险截面A-A弯矩(4-4)A- A截面的最大应力(4-5)在曲轴颈上,除了受弯矩外,还受到扭矩作用,应按弯扭组合作用计算。但是由于弯矩比扭矩大的多,所以可以忽略扭矩。所以强度符合要求【11】。 图4-4 曲轴受力简图4.3 连杆的设计4.3.1 连杆工作情况及材料确定工作情况连杆小头与上刀架相连接,与刀具一起做上下往复运动,连杆大头与曲柄销相连并和曲轴一起做旋转运动。所以,连杆除做上下运动外,还左右摆动,做复杂的平面运动。材料选择连杆主要承受压力和往复惯性力所产生的交变载荷,所以,应首先保证连杆具有足够的疲劳强度和结构钢度。为保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度,初定材料为45钢(调质)。4.3.2 连杆长度的确定 连杆大头的结构设计 连杆大头的结构与尺寸主要由曲柄颈直径、曲柄颈长度、连杆轴瓦厚度决定,其中与在曲轴的设计中确定,为了减少磨损,通常在连杆大头孔中以一定过盈量压入耐磨衬套,轴套厚度按照经验公式确定,取。取壁厚,所以,连杆大头的宽度,连杆大头孔直径。上下连杆间的分开面采用平切口。连杆螺栓直径。连杆大头的主要结构尺寸如下图所示:图4-5 连杆大头结构简图连杆小头的结构设计连杆小头与上刀架相连接,连杆小头轴套内径和连杆小头宽度根据上刀架的结构初步选定,取连杆小头的孔径为,连杆小头宽度。连杆杆身的结构设计 设计连杆时首先需要确定连杆大小头孔之间的距离,即连杆长度,连杆长度可以根据以下公式确定:式中曲柄半径 连杆长度 连杆比,通常取。 此处取连杆长度为176mm。为了确保传动的稳定性,连杆的过渡处要选用较大半径的圆弧过度【12】。4.4 本章小结本章从原理和分类方面了解了曲柄滑块机构,对曲柄滑块机构进行了设计,从中对材料的选择、曲柄滑块杆件长度确定和曲柄的设计计算,确定出了曲柄的尺寸,并对曲柄的受力情况做了分析。5.离合器与制动器在剪板机传动系统中,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。5.1 离合器的选择离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或者接合。对离合器的基本要求有:结合平稳、分离迅速而彻底;调节和修理方便;外廓尺寸小、质量小;操纵方便省力。压力机的离合器都是由主动部分、从动部分、联接零件以及操纵机构组成。刚性离合器,一般是靠结合零件把主动部分和从动零件连接起来。这类离合器根据结合零件的类型,可分为转键式、滑销式、滚柱式和牙嵌式等几种。本机选用半圆形双转键式离合器。其工作原理如下:半圆形双转键离合器的组成包括主动部分、接合部分和从动部分。离合器中套的内壁有四个缺月形槽,轴的外壁有两个丰月形槽,外套和内套各有两个缺月形的槽。曲轴及中、内、外套的槽直径相同。转键的中部为丰月形实体,两端为圆柱形轴颈,轴颈支承在由曲轴上的槽与内、外套的槽共同形成的圆形轴孔中;转键中部的丰月形实体与曲轴的丰月形槽配合,并在操纵机构控制下可绕转键自身的轴线在曲轴槽内转动。这样可能出现两种情况,当转键的丰月形实体与曲轴的丰月形槽完全重合时,转键与曲轴共同组成一个实整圆(见图5-1中D-D的左剖视图),该整圆可相对中套滑动,曲轴不随大齿轮转动,离合器处于分离状态;当大齿轮中套缺月形槽与曲轴丰月形槽对正成完整圆槽时,如恰好转键转动,卡在该圆槽中(见图5-1中D-D的右剖视图),则大齿轮带动曲轴转动,离合器处于结合状态。本次设计选用的离合器采用手动控制,按下手柄,挡块向下运动,曲轴就同中套一起转动。手柄上有拉伸弹簧,可以使手柄复位,这样曲轴就停止转动,完成一个工作循环。图5-1 离合器原理简图5.2 制动器的选择压力机械上常用的制动器有三种,圆盘式制动器、带式制动器和闸瓦式制动器。本机采用带式制动器。常用的带式制动器有3种:偏心带式制动器、凸轮带式制动器和气动带式制动器。图5-2是凸轮带式制动器。制动带6的张紧是靠制动弹簧5,而松开是靠凸轮l、滚轮和杠杆4,因此,剪板机在非制动行程时可以完全松开制动带,能量损耗较小。有调查显示,J 2310压力机,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。图中3为滚轮,2为制动轮。图5-2 凸轮带式制动器5.3本章小结本章主要了解了剪板机离合器和制动器的作用,并选取了离合器和制动器的类型,以及他们各自的工作原理。6.上刀架的设计及上刀片的有限元分析6.1上刀架的设计现在很多行业都离不开金属板材,并且金属板材需要剪板机进行切割,所以剪板机是这些部分必不可少的加工设备,其中刀架更是剪板机不可或缺的部件,被加工板料的精度以及质量在很大程度上由刀架决定,所以刀架的设计要注意强度和刚度。刀架的上部与连杆小头相连固定,在上刀架背面装有刀架滑柄,与机身上的导轨相连。目前常见的刀架结构有三种:整体焊接的直线运动刀架、组合焊接的直线运动刀架以及整体焊接的摆动刀架。该剪板机采用整体焊接的直线运动刀架,由于上刀架上装有上刀片,是剪切功能的主要承接装置,所以上刀架的强度要有保证,结合曲轴的材料选择,本设计的上刀架采用45#调质钢,刀架结构简图如图6-1所示:图6-1 上刀架结构图上刀架主要由刀架底部的刀片、刀架前方的压料器以及刀架后方的导轨组成,刀片部分完成切割功能,导轨部分限制上刀架的位移,顶部锁环与连杆的小头相连,跟随连杆,使刀架一直做往复直线运动,完成剪切。6.2压料器的选型剪板机的压料装置是确保剪切时压紧板料,以防发生板料位移而影响剪切质量的装置。实践论证,剪板机的合理压料力应为剪切力的1/31/6。所以,设计一种既可以实现合理压料力又不影响整机结构和性能的理想压料装置,便成为剪板机设计中的重要一环。目前国内中小型剪板机普遍使用的机械压料装置主要有两种:螺旋弹簧变压压料装置。该装置的压料力随着上刀架的下行而逐渐增大,初始剪切时最小,剪切终了时最大。由于该装置对于上刀架也起到了平衡作用,所以压料力的提高也受到限制,最大只能达到剪切力的1/2,继续增大既会消耗剪切能量,又会引起上刀架的回程冲击。螺旋弹簧恒压压料装置。该装置虽然提高了剪切初始时的压料力并保持恒压压料,但它的压料力也只能达到剪切力的1/10,继续增大就必须使用大规格的螺旋弹簧或增加螺旋弹簧的数量,从而使设计结构发生困难。考虑到结构和操作的简易型,本次设计的剪板机压料器选用螺旋弹簧变压压料器,实现变压力压料。6.2 刀片的选择刀片材料剪板机刀片是整个设备最核心的结构,执行剪切动作的时候,刀片受到挤压、弯曲和摩擦的作用,刀片的材料和性能对整个剪切质量有很大的影响。因此要求刀片材料要有高的硬度和耐磨性,并且要有足够的刚度和韧性,同时要求具有良好的耐热性和导热性。因此我们此次选择合金钢为刀片材料,合金钢具有高强度、高刚度、韧性好等优点,而且具有良好的导热性,符合刀片材料的选择原则。刀片尺寸刀片尺寸的确定根据剪板机设计手册刀片尺寸表确定,刀片尺寸表如下:被剪板厚h(mm)刀片尺寸TH(mm2)12.520604162580202532120324045150根据减半机刀架的尺寸参数,确定上刀片的尺寸为2060400mm。6.3 上刀片的有限元分析ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,软件主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。其中前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便的构造有限元模型;分析计算模块可以进行结构分析、流体动力学分析和电磁场分析等多种分析,还可以模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。6.3.1模型的建立和简化在ANSYS中直接建立模型有一定的难度,在设计的过程中,选择在三维软件Pro/E中建立好需要分析的模型。在实际生产中,上刀片的结构也较为复杂,所以在分析之前要对模型进行相应的简化处理:把螺丝孔等小特征进行合理的省略;把焊缝进行合理简化,建模时候可以建成倒圆角形式。将进行过合理简化后的模型导入ANSYS环境中,准备进行分析。 6.3.2分析过程及数据解析上刀片模型的建立利用之前在Pro/E中建好的上刀片模型,直接导入ANSYS中进行应力分析,建立的上刀片模型如图6-1所示。图6-1 上刀片实体模型创建材料上刀片材料选用合金钢,查表可得合金钢的材料属性为:弹性模量为E=2.11011Pa,泊松比=0.3,材料密度=7700kg/m3。创建网格采用自由网格划分模型,网格划分后的模型如图6-2所示。图6-2 上刀片网格划分图施加约束在进行应力分析前,需要对上刀片模型进行约束,约束面为前后面,约束后额上刀片模型如图6-3所示。图6-3 上刀片固定约束图施加载荷上刀片在工作时只有Y轴的上下移动,此次分析假设剪切力直接作用在刀片底面,力的大小设置为60KN。结果显示施加完载荷后,进行运算求解,分析结果包括上刀片所受应力、变形等结果,其变形位移图及应力图如下所示:图6-4 上刀片变形位移图图6-5 上刀片变形应力图结果分析:从应力图上可以看出,上刀片所受应力分布不均匀,在上刀片的下部接触板料部分所受应力较大,最大值约为174MPa,此数值远远低于合金钢的屈服应力值,从位移图可以看出最大位移发生在刀片的中心位置,最大位移量为2.9810-4mm,位移量相对上刀片整体结构来说非常小,其影响可以忽略不计。综上所述,上刀片的选择合乎要求。6.4 本章小结本章首先对上刀架进行了设计并选取了压料器的类型,然后利用ANSYS软件的特点,对上刀片进行了有限元分析,从而了解上刀片的应力分布状况及位移状况,最大应力值和最大变形量都发生在上刀片的中点位置,都在设计要求允许的范围之内,满足要求。7.简易机械剪板机的技术经济分析7.1方案选择的合理性分析机器通常由原动机、传动装置和工作机等三部分组成。传动装置位于原动机和工作机之间,用来传递运动和动力,并可以改变转速、转矩的大小或改变运动形式,以适应工作机功能要求。传动装置的设计对整台机器的性能、尺寸和成本都有很大的影响,因此要合理的拟定传动方案。(1) 选择传动机构的类型合理的选择传动形式是拟定传动方案时的重要环节,常用的传动机构的类型、性能和适用范围可参考机械设计教材。表7-1中列出了常用机械传动的单级传动比推荐值。表7-1 常用机械传动的单级传动比推荐值类型推荐值最大值平带传动245V带传动247圆柱齿轮传动3610圆锥齿轮传动直齿23直齿6蜗杆传动104080链传动257选择传动机构类型时应综合考虑各有关要求和工作条件,例如工作机的功能;对尺寸、重量的限制;环境条件;制造能力;工作寿命与经济性要求等。选择类型的基本原则如下:传递大功率时,应充分考虑提高传动装置的效率,以减少能耗、降低运行费用。这时应选用传动效率高的传动机构,如齿轮传动。而对于小功率传动,在满足功能的条件下,可选用结构简单、制造方便的传动形式,以降低初始费用。载荷多变和可能发生过载时,应考虑缓冲吸振及过载保护问题。如选用带传动,采用弹性联轴器或其他过载保护装置。传动比要求比较严格、尺寸要求紧凑的场合,可选用齿轮传动或蜗杆传动。但应该注意,蜗杆传动的传动效率低,故常用于中小功率、间歇工作的场合。(2) 传动的合理布置许多传动装置往往需要不同的传动机构,以多级传动方式组成。合理布置各种传动机构的顺序,对传动装置和整个机器的性能、传动效率和尺寸等有直接影响。传动能力较小的带传动及其他摩擦传动应该布置在高速级,有利于整个传动系统的结构紧凑、匀称。同时,带传动布置在高速级有利于发挥其传动平稳、缓冲吸振、减小噪声等特点。齿轮传动及蜗杆传动应布置在高速级,以减小闭式传动的外廓尺寸,减小成本。凸轮机构的传动是由主轴的转动来带动的,当凸轮在升程时推动刀片进行剪切,回程时,刀片慢慢回到初始位置,准备下一个动作循环。凸轮机构优点是可以根据推杆的运动规律来设计凸轮轮廓曲线和机构尺寸,机构简单。可靠性高;缺点是承载力小,易磨损,稳定性不高。曲柄滑块机构由主轴转动带动曲柄转动,通过连杆将旋转运动转变成刀片的直线往复运动,从而实现剪切。该机构结构简单、加工容易、经济适用、承载能力较大。(3) 方案陈述方案一:工作机构:曲柄连杆传动系统:齿轮传动,二级传动,下传动, 操纵系统:双转键离合器(属于刚性离合器),带式制动器能源系统:电动机,以大齿轮作飞轮支撑部件:开式机身结构方案二:工作机构:曲柄连杆传动系统:皮带传动,单级传动,上传动操纵系统:摩擦离合器,带式制动器能源系统:电动机,以大带轮为飞轮支撑部件:闭式机身方案三:工作机构:曲柄连杆传动系统:皮带传动,单级传动,上传动操纵系统:双转键离合器,带式制动器(凸轮)能源系统:电动机,大带轮为飞轮支撑部件:开式机身(4)方案比较开式机身三面敞开,操作方便;闭式机身的刚度较大,主要适用于大型、中型机。刚性离合器结构简单,易于制造;摩擦离合器与制动器协调工作,易于实现寸动行程,能传递的扭矩大,但是其结构复杂,尺寸大,制造困难,多用于大中型压力机械。下传动的重心低,运行平稳,但是平面尺寸较大,且其造价高,维修不便,故选择上传动。本机械的公称压力为40KN,根据标准,其行程次数在120次/min,故传动系统的传动比不大,应选单级传动。综上所述,拟选方案三合理。此外,电动机采用720r/min。离合器、制动器均置于曲轴之上。7.2技术经济分析经济性原则是机械设计中需要遵循的一个重要原则,本节对简易机械剪板机进行主要结构成本分析。(1) 机身材料为灰铸铁,其体积约为0.05m,密度约为7000kg/m,价格约为7000元/吨,故材料成本约为2400元。(2) 曲轴和连杆的材料为45#钢,体积约为m,密度约为7500kg/m,价格约为3500元/吨,材料成本约为50元。(3) 上刀架的材料为45#钢,体积约为m,成本约为200元。(4) 制动器价格约为300元,双转键离合器价格360元。(5) 电动机及带传动,电动机的价格约为400元,带传动带轮及皮带价格总计约为1600元。(6) 螺母螺栓等其他零件总计500元。综上所述,剪板机生产成本约为5800元,结合市场销售情况,剪板机的定价约为7000元。总结与体会曲柄式剪板机是生产中,尤其在小型板材加工中,广泛应用的一种剪板设备。本设计参照曲柄压力机的设计标准,从传动方案的选择、带传动设计、曲柄连杆机构设计、电动机选择、上刀片的应力分析等方面展开论述并绘制了曲柄剪板机的cad二维图。总结如下:对剪板机的工作原理、发展历程与发展现状进行了详细的论述,并针对国内外的发展状况及存在问题分析出剪板机可能的发展趋势;分析液压驱动式和机械驱动式的优缺点,确定出机械驱动方案,并从曲柄连杆机构和凸轮机构中根据优劣选取曲柄连杆机构作为传动机构之一,同时也选择带传动作为传动方案中的减速部分;针对传动系统进行了详细的设计,其中包括根据诺沙里公式确定出剪切力的大小,以此为依据进行电动机的选型计算,确定出了电动机型号为Y160M1-8;并且针对带传动做了详细的计算;对曲柄连杆机构的曲轴和连杆部分做了详细的设计,包括曲轴的形状尺寸及材料选择,并依据公称压力对曲轴的工作状况做了对应的受力分析;离合器和制动器的选型;上刀架的设计和压料器的选型,并利用ANSYS软件对上刀片进行了有限元分析,分析了上刀片的位移量及应力分布状况。由于本人水平和经验的限制,对所设计的结构尚有很多有待完善之处:(1) 离合器的操纵部分采用手动机械式,没有实现自动化;(2) 并未对机身做详细的设计计算;(3) 上刀架的详细设计及导轨的设计不够完善,在剪板机的加工精度方面没有提出更好的方案。参考文献1 杨联英.机械式剪板机的优化分析J.黑龙江科学,2014(2):76-76.2 何德誉.曲柄压力机修订版M.北京:机械工业出版社.2011(7):25-60.3 徐会彩,李金山.斜刃剪板机剪切力的研究J.锻压装备与制造技术,2009,(4):29-31.4 济南铸锻机械研究所情报组.国外冲型剪板机现状及其发展趋势J.锻压机械,2003,(2):52-67.5 孙高翔,迟永清,方波.液压斜刃剪板机剪切参数及结构研究C.2014年压力加工设备学术研讨会.2014.6 孙恒.机械原理第六版M.北京:高等教育出版社,2001.7 李丽.电动机的选择.电工文摘J,2010(10):26-28.8 刘灏.机械设计手册S.北京:机械工业出版社,2002:22-23.9 濮良贵,陈国定.机械设计.第九版M.北京:高等教育出版社,2013:120-260.10 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册S.北京:高等教育出版社,1992:20-86.11 钱祯业,孟微,李立峰.开式压力机曲轴的优化设计J.金属加工(热加工),2016(5):67-71.12 李景慧,尚翠霞,陈兆霞.压力机连杆外圆弧面精加工J.现代制造工程.2003(3):92-93.13 林石.剪切机设计计算方法(一)(二)J机械工业出版社,200314 庞庆海.剪板机机械设备M.北京:化学工业出版社,2005.15 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学第七版M.北京:高等教育出版社,2009.16 G. N. Sandor, R. E. Kaufman:Kinematics Synthesis of Geared Linkages, J. Mechanisms,1970.17 John T. Winship, P. E. Press Brake Bend Toword CNC. 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Arajo, F.J.G. Silva , R.D.S.G. Campilho, J.A. MatosABSTRACTMetal shearing machines are heavy equipments usually linked to low added-value due to the small amount of technological devices incorporated. However, this situation can be changed through equipment designers creativity. Analysing some specific operations, it can be observed that some tools, when coupled to the equipment, should substantially increase the cutting process productivity and the final product quality. Regarding the thin metal plates shear process, it can be found that in the cutting final stage, the cut material weight is suspended by a small material section still requiring to be cut. This leads to strip tip deformation, causing poor quality of the final product, which cannot stay fully plan. This work was developed around this problem, studying the best solution to develop a new tool able to avoid the lack of plate flatness after cut. A novel equipment was designed, able to be easily connected to the shearing machine, following the blade movement throughout cut operation. The system is fully-automated, being operated by a single cut instruction given by the machine operator. This system allows the manufacturing company to increase the added-value of each machine, oering advanced and desirable solutions to the customers, and contributing as well to the company business sustainability.1. IntroductionAlthough being an old technology, blanking remains nowadays one of the most used cutting processes in metalworking industry 1. This technology was study many year ago but, recent developments brings new challenges such as adapting finite elements model to these technologies in order to predict new materials behaviour, explore the processes capacity having as focus to increase the production rate and implement new devices leading to a quality improvement regarding the new market requests and expectations. Accordingly, several studies have been carried out by dierent authors regarding, namely in the field of the parameters improvement, with Breitling et al. 2 exploring the competitiveness of the process and studying the blanking speed, concluding that blanking force drops with the increase of the blanking speed within the range of 14 m s1, results whose were corroborated by Goijaerts et al. 3 within the range of 0.011000 mm s1. Further studies have been carried out by Neugebauer et al. 4 and Subramonian et al. 5 concluding that dynamic eect is higher when blanking speed increases, using a high speed mechanical press. Mackensen et al. 6 studied the punch inclination angle, concluding that cutting forces are lower when punch inclination angle rises. However, higher punch inclination angles lead to blank curling. As referred by other authors 79, a better geometrical accuracy of the blanked part can be achieved by an optimization of the punch shape and die clearance. However, it remains clear that parameters such as tool wear state, clearance, tool radii and geometry, material geometry, sheet metal thickness, friction, relevant material properties regarding the cutting (ductility and hardness), sheet metal coating, lubrication use, stroke rate and blanking speed are the key-factors aecting the sheared edge aspect 10. Thermal eects have been also intensively studied in order to correlate the temperature with the blanking force 1113 leading to realize that blanking forces fall when material temperature upsurges. These studies include pre-heating processes in order to lead the material temperature to diverse levels and measure the needed blanking force to cut dierent materials. Many other studies have been carried out in the analytical and numerical methods field, trying to get reliable models helping researchers to predict blanking operations eect regarding dierent materials and cutting conditions whose are summarized in 10,1416. However, despite these strong eorts, the blanking cutting process still remains an attractive issue to investigate due to shear band formed narrowness and the lack of an appropriate fracture criterion.The guillotine cutting process is also one of the most blanking processes used in the metalworking industry. To get the final product, raw materials need to pass through many processes, being usually the guillotine cutting one of them. This cutting process can be performed manually or automatically and can be integrated as an initial, inter-mediate or finishing step 17. The guillotine cutting process principle,as shown in Fig. 1, consists of positioning the plate between a fixed and a movable blade, which downwards movement penetrates the plate and, when it exceeds the shear tensile strength, the plate is cut.This cutting principle is transverse to the dierent types of shearing machines, although the handling characteristics of the blade directly influence the final cut quality. Although the surface quality of guillotine cutting cannot compete with machined ones, this is the most economic-al cutting method to obtain straight shapes 19,20.The guillotining process has some typical associated defects, most of them related to frame distortion, blades gap or incorrect cutting angle regulation. Anyway, most of these problems are already fixed or attenuated with some devices already provided by manufacturers as option. It is well known that cut surfaces with higher quality will avoid subsequent finishing operations, as well as that cutting accuracy is dierent for the plate that remains in the table and the cut strip which, not being hold or fixed by hold down jacks, tends to bend or twist during the cutting process, originating defects as shown in Fig. 2.Bow is a cutting typical defect resulting from the progressive action of the movable blade in the cutting process. The cut strip is being separated without support, bending under its own weight 20. The strip bow becomes more pronounced the smaller the cut width and the greater the cut angle. However, reducing the cutting angle can minimize but not completely eliminate the bow 19. Twist is a defect described as the tendency to roll the cut material trendy a spiral shape. High cutting angles are usually associated to torsion defect, which also results from sheet metal internal stresses. This eect is more pro-nounced in narrow strips, being the last resistant strip-section the one that more easily attains permanent deformation 20. Camber is a defect resulting from the strip separation, being caused essentially due to material internal stresses 19,21,22.2. Methodology and resultsThis section is divided into three subsections: firstly, the problem is identified, followed by the initially designed solutions to eliminate it and, finally, the adopted solution to overcome the problem is pre-sented. As previously mentioned, the shearing process has a few typical limitations, but some of them are already solved by shearing machines manufacturers. The problem aects customers that use the guillotine to cut thin plates provided with high length. The second subsection will deal with the main initial ideas thought to eliminate the problem, with some solutions but only one presenting the best cost - benefits relation. Thus, in the third subsection, the adopted solution is described, together with some changes from the initial to the final design.2.1. The problemDuring the thin plate cutting process a very specific problem was detected, which occurs when cutting sheets with smaller thickness than 3 mm and length higher than 700 mm. Because the cutting process is performed with a programmed blade slope, this leads to warpage in the latter cut sheet portion (Fig. 3a), induced by the weight of the sheet already cut, which results in high bending stresses at the small area that is not yet cut, as illustrated in Fig. 3b. This occurrence prevents to include the guillotine directly in a processing line because straightening operations are mandatory before sheets pass to another processing step. This weakness is a major embarrassment and annoy-ance when constantly cutting plates with the aforementioned dimen-sional characteristics, leading to a reduction in productivity. Such defects have been reduced with some accessories available on the market. However, the complete elimination of this kind of defect is just expected by the integration of a dynamic holder during the cutting process.2.2. ApproachFig. 4 shows the 3D model of the conceived platform, able to be assembled on the guillotine structure, which allows giving a real vision about what can be expected and embodies a good way to detect issues to be improved. The platform consists of a frame held by four pneumatic cylinders, in which a guidance system enables the structure to move up and down, as well as to lean, but always without performing horizontal movements that would result in hitting the guillotines main frame.The main goal of this device is to be compatible with the new guillotines in production and with most of the guillotines already on the market, allowing to easily adapt this device to them.2.3. Methodology2.3.1. Dynamic holderThe dynamic holder will support the cut strip during the cutting process and the first design was a simple plate provided with reinforcement in the middle and square pipes on the top, but this structure showed to be very heavy to handle in maintenance operations and cylinders check, requiring the removal of the whole holding system for repairing and checking tasks (Fig. 5a). The modular chassis includes two removable plates around the central one (Fig. 5b), gaining access to the cylinders and decreasing the structures weight, thus facilitating the assembly and maintenance procedures. The removable plates fastening system is constituted by countersunk bolts and nuts. As the space between holder and ground in the holder rest position has restricted access, the nuts were welded to facilitate the cover removal operation.2.3.2. Guiding systemFirstly, it is necessary to explain why this system needs a guide. In Fig. 6 it is pointed out with green arrows the intended freedom degrees, while the red crosses indicate the restricted movements promoted by the guiding system.The first developed design is shown in Fig. 7 and the working principle was based on two sets of two positioning bearings at each side of the holder. Bearing A limits the horizontal movements while bearing B keeps the holding system in the correct vertical path.Hence, at this stage the system needs to be improved because it is really hard to fabricate and the final cost will be higher than desired. The design was rethought and now it will consist of applying a central guide below the holder, using a rod end bearing to keep the holding system in the correct position, giving as well the necessary freedom to the system tilting movement. The rod end bearing allows the inclina-tion during the cutting process and rotation to extract the strip or keep the holding system in the rest position. A weak point of this new system is related to the square shaft and bushing responsible for the vertical movement, which are dicult to manufacture. Thus, the square shaft and bushing were replaced by a linear guide. This change makes this system completely standard and the final result is an easy to manu-facture system in which all the components can be easily replaced Fig. 8.Fig. 1. Guillotine cutting process scheme 18Fig. 2. Typical defects on guillotine cutting process . Drive systemThe driving system is one of the most important parts of this project because it represents the biggest associated cost. Thus, to choose the correct one it is necessary to focus on the required positions:. Upper position. In this position the dynamic holding system is at the same level as the guillotine table, ensuring the horizontal plate position and the correct measurement of the strip to be cut, using the back gauge system. After positioning, the hold down jacks immobilize the plate, and the back gauge automatically retreats 100 mm, preventing the stress generated by the contact between strip and back gauge during the cutting process.Intermediate position. Starting the cut, a command is given for the cylinders to recede from the platform edge at the right position, resulting in the holders tilt. Thousandths of a second later, the same order is given to the cylinders at the opposite side. The cylindersmovement coordination is crucial in order to keep the holding system close to the strip cut point at each moment.. Discharge position. After the strip has been cut, the two inner cylinders are driven to give as much tilt as possible, leading to the strip discharge operation.Rest position. This position corresponds to the final stage of the cycle, being used as well when the sheet thickness exceeds 5 mm, since the pneumatic components are only designed to handle the structure and plates up to 5 mm thickness. It was considered necessary to implement a structure that allows optimizing the unit, making possible the cut for thicknesses higher than 5 mm. Therefore, it was decided to include two longitudinal reinforcements that absorb the impact loads of the strips exceeding 5 mm thickness dropping on the holder. Other established requirements are related to the very confined space to place the pneumatic cylinders and that components price should be as low as possible. After a long and careful market survey, the best options found are presented as follows.Fig. 3. Traditional defect (a) and high stress concentration (red zone) (b) (For interpretation of the references to color in this figure, the reader is referred to the web version of this article).Fig. 4. Isometric view (a) and exploded view (b) of preliminary holder version.2.3.4. Option 1 conventional cylindersThese cylinders present as advantage the high perpendicular resistance to the axis loads, adjustable pneumatic damping and can be easily found in the market. However, to use this solution it is necessary to use a “Multi-Position Kit”. This kit will dock the two cylinders coaxially, allowing four possible positions: a fall-back position and three forward positions, as shown in Fig. 9. The great advantage of these cylinders is their price.2.3.5. Option 2 - servo-pneumatic cylindersThis option satisfies the largest number of requirements initially drawn for this project. These cylinders have the particularity to ensure greater positioning accuracy and enable stopping in several positions along its path, contrary to conventional cylinders, which only allow the retreat and forward positions. These are standard cylinders with a positioning control, Fig. 10, which let a position accuracy of around 0.2 mm 24, thus ensuring the exact positioning of the holder at the desired position. The position versatility that these cylinders can oer, allows an exact following of the holding system during cutting process independently of cutting angle and this is undoubtedly a huge advantage. However, this system has a drawback: their high acquisition cost. Therefore, solutions must be found that could meet the needs, taking into account the system and budgeting constraints.Regarding these two driving system possibilities, it is possible to have at least two dierent manufacturing options. Figs. 11 and 12 presents the general view of the dierent driving systems. Due to the longest length of the servo cylinders, their assembly needs to respect the maximum length available. Thus, their position had to be con-veniently studied to get the cylinders holders into the space available (Fig. 11). The conventional cylinders have a lower length, allowingtheir assembly in parallel to the lateral faces of the machine body (Fig. 12).2.4. ResultsBased on the initial conditions and all work done, the holding system can be moved as follows: Solution 1 - conventional cylinders; Solution 2 - servo-pneumatic cylinders; Solution 3 - mixed version.2.4.1. Option 1 - conventional cylindersThis version consists of using four groups of two pneumatic cylinders assembled with “Multi-Position Kit”. The operation principle is the following: when the system is activated, all cylinders are extended to put the platform in the upper position, allowing achieves the correct plate placement (Fig. 13).Starting the cutting process, the cylinders of the side where the blade starts to cut begin to retract (Fig. 14).In order to accurately monitor the slope of the blade, the cylinders on the other side also retract, but slowly, allowing that the Z position of the holding system is in line with the point where the blade is cutting the sheet metal at each moment. At the end of the cutting process, the platform assumes a horizontal position and each cylinder assembly is retracted (Fig. 15).If it is necessary to continue to cut plates with a smaller thickness than 5 mm, the cylinders that support the front part of the dynamic holding system retract, causing the platform tilting and discharging the cut plate (Fig. 16).Fig. 5. Dynamic holding system evolution: (a) First and (b) final design.Fig. 6. Intended freedom degrees and restricted movements on the system. (For interpretation of the references to color in this figure, the reader is referred to the web version of this article).Fig. 7. First approach of the guiding system.Fig. 8. (a) Second approach of the guiding system and (b) final concept.After a few seconds, all cylinders are actuated again putting the holding system in the upper position. Otherwise, all cylinders recede to put the holding system in the rest position (Fig. 17).The great advantage of this option is that it uses conventionalcylinders that are easily found in the market at reasonable prices. As disadvantages, they present a very limited operation, since they only consent two positions, extended or retracted, not allowing control intermediate positions. In this case, a careful adjustment is also neededFig. 9. (a) Assembly of two cylinders with multi-position kit and (b) possible assembly positions 23.Fig. 10. Servo-pneumatic cylinder DNCI/DDPC provided by FESTO 24.Fig. 11. Pneumatic servo cylinders positioning.Fig. 12. Conventional cylinders positioning.Fig. 13. Conventional cylinder upper position.Fig. 14. Conventional cylinder intermediate position.Fig. 15. Conventional cylinder final cutting stage.in order to match the cylinders movement and the holder position with the descending blade and the cutting point.2.4.2. Option 2 servo-pneumatic cylindersThe operation principle is similar to that described in option 1. However, this option uses four servo-pneumatic cylinders. In the upper position, all cylinders are extended (Fig. 18).Starting the cutting process, the cylinders at the cutting side start to retract, following the angle of the blade (Fig. 19).At the end of the sheet metal cutting process, cylinders put the holding system in a horizontal position, slightly below the blade (Fig. 20).If the operator wishes to continue cutting sheets smaller than 5 mm thickness, the cylinders that support the holding system in the frontretract, leading to the platform tilt, which in turn leads to the sheet discharge by gravity (Fig. 21).If it is necessary to turn o the guillotine or to cut plates higher than 5 mm thickness, all cylinders retract, placing the platform in the rest position (Fig. 22).This system presents many benefits such as stop at intermediate positions or controlling the holder movement speed between stages. Other advantage of this option is the frontal discharge capability, because it is possible to give the order to raise the holder slightly above the “upper” position (Fig. 23).The back gauge automatically pushes the plate to the front side and the operator can receive the cut strip at the guillotine frontal side, avoiding wasting time to collect the plate at the back side.Fig. 16. Conventional cylinder discharge position.Fig. 17. Conventional cylinder rest position.Fig. 18. Servo-pneumatic cylinder upper position.2.4.3. Option 3 mixed versionOption 3 is a combination of the previous ones. This solution was idealized to enable the plate extraction by the machine front, which consists of using two sets of two cylinders with two multi-position kit and two servo-pneumatic cylinders. Thus, the operation is identical to that described in option 2, however, when the operator wishes to remove the plate by the machine front side, the servo-pneumatic cylinders are placed slightly above the “upper position”, causing the holder to be positioned somewhat in ramp (Fig. 24). This ramp position is very important to avoid the collision between the plate and lower blade when this is pushed to the front side. Furthermore, the servo-pneumatic cylinders will allow more accurate movements during the system operation。2.5. Comparing dierent solutionsRegarding the dierent options considered in this work, it is time to summarize the advantages and limitations of each device model allowing choose the best set of characteristics depending on the application and customer requirements. Thus, Table 1 intends to condense the main ideas about all the developments made.3. ConclusionsThis study is proposing a novel technical device for new shearing machines or machines already in service that will increase their productivity. The device consists of a novel holder which can be assembled in the back side of the shearing machines and, providedFig. 19. Servo-pneumatic cylinder intermediate position.Fig. 20. Servo-pneumatic cylinder final cutting stage.Fig. 21. Servo-pneumatic cylinder discharge position.Fig. 22. Servo-pneumatic cylinder rest position.Fig. 23. Servo-pneumatic cylinder frontal discharge position.Fig. 24. Option 3 upper position and frontal discharge position.Table 1Comparative table regarding the different options considered in this work.ConventionalServo-MixedcylinderspneumaticsolutioncylindersOption 1Option 2Option 3AdvantagesLow costPositioningFrontversatilityextractionHigh accuracyEasy installationAccuratefollowing cuttingFront extractionLimitations/Positioning limitationHigh costPositioningdrawbacksSpace available forlimitationcylinders installationwith four cylinders and a PLC (Programmable Logic Controller) properly programmed, allows a controlled movement of that holder which will accompany closely the evolution of the shear blade during the cutting process from one side to the other, avoiding deformations in the last portion of the cut strip when it is thin and wide. The following conclusions can be drawn: This technical device can be easily implemented in any shearing machine, new or already in service, does not needing changes in the general arrangement.This is an innovative system, able to be easily commercializedtogether or separately with the shearing machines. The final price of the system will be competitive, allowing strong savings in finishing operations when cutting thin sheet metal plates. The problem of sheet metal deformation on the last portion of the cut strip was eliminated, giving more profitability to shearing machines with this device. Furthermore, shearing machines produ-cers have a new device to commercialize and the customers have a new solution able to solve a systematic problem when cutting thin sheet metal plates. The best achieved solution is based in four servo-pneumatic cylinders, which allow a complete and coordinated movement of the holding system by adequate electronic control of the same. A low-cost solution can be adopted, using conventional cylinders and needing an accurate positioning control. All the solutions presented through this work are able to be used and a prototype has been built using the low cost solution, proving that it works very well, allowing dierent inclination speeds by program-ming the control unit. The adjustment of the position is made in real-time by the control unit through a feedback position signal. The maintenance of the system was thought in order to keep it simple; This novel device will help ensure the parallel arrangement between the front and the rear face of the cut metal strip which is the main purpose of this work.附录二一种用于薄金属板剪切机的新型动态保持系统摘 要金属剪切机是重型设备,由于采用少量技术设备,通常与低附加值相关。但是,这种情况可以通过设备设计师的创造力来改变。分析一些特定的操作,可以观察到,一些工具在与设备耦合时应大大提高切割工艺生产率和最终产品质量。关于薄金属板的剪切过程,可以发现,在切割最终阶段,切割材料的重量由仍需要切割的小材料部分悬挂。这会导致钢带尖端变形,从而导致最终产品质量不佳,无法保持完全规划。这项工作是围绕这个问题开发的,研究了开发一种能够避免切割后缺乏平板性的新工具的最佳解决方案。设计了一种新颖的设备,能够在整个切割操作后沿着刀片运动方便地连接到剪切机。该系统是全自动的,由机器操作员提供的单一切割指令操作。该系统允许制造公司增加每台机器的附加价值,为客户提供先进和理想的解决方案,并为公司业务的可持续性做出贡献。关键词:剪板机切割工艺聚合工具 钣金切割可持续性设计1.介绍虽然作为一种旧技术,但是落料仍然是当今金属加工行业中最常用的切割工艺之一1。这项技术是在许多年前研究的,但最近的发展带来了新的挑战,例如将有限元模型适用于这些技术,以预测新材料行为,探索过程容量,重点在于提高生产率并实施新设备,关于新的市场要求和期望的质量改进。因此,一些研究已经由不同的作者进行,即在参数改善的领域,Breitling等人2 探索该过程的竞争力并研究消隐速度,结果表明消隐速度随着消隐速度的增加在1-4ms范围内下降,结果证实了Goijaerts等人的结论。3在0.01-1000mm的范围内。Neugebauer等进行了进一步的研究。4和Subramonian等人。5当使用高速机械压力机时,冲裁速度增加时动态效果更高。Mackensen等人6研究了冲头倾斜角度,得出当冲头倾斜角度上升时切削力较低。但是,较高的冲头倾斜角会导致空卷曲。正如其他作者所提到的79,通过冲头形状的优化可以实现冲切部分的更好的几何精度并清除.然而,仍然清楚的是,诸如刀具磨损状态,间隙,刀具半径和几何形状,材料几何形状,金属板厚度,摩擦,与切削相关的材料性质(延展性和硬度),金属片涂层,润滑用途,冲程率而冲裁速度是影响剪切边缘方面的关键因素10。热效应也被深入研究,以便将温度与冲切力相关联1113导致材料温度升高时消隐力下降。这些研究包括预热过程,以引导材料温度达到不同的水平,并测量切割不同材料所需的冲切力。在分析和数值方法领域进行了许多其他研究,试图获得可靠的模型,帮助研究人员预测关于不同材料和切削条件的冲裁操作效果10,1416。然而,尽管有这些强大的优点,但由于剪切带形成的狭窄和缺乏合适的断裂准则,下料切削过程仍然是一个有吸引
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本文标题:单点开式曲柄式机械剪板机设计【全套含CAD图纸和三维PROE图纸说明书】
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