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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
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