小型剪板机传动系统结构设计

本科生毕业论文（设计）题目：小型剪板机传动系统结构设计简易剪板机传动系统结构设计摘要：剪板机设计要求其剪切厚度为3mm，剪切宽度1000mm，滑块的行程为80mm，每分钟剪切次数为30次。剪板机对胚料进行成型加工的锻压机械，设计中动力由电动机提供，经过一级带传动和一级齿轮传动减速来完成整个传动的，其中设计中剪板机传动系统的旋转运动是通过曲柄滑块机构转变为滑块的往复直线运动，实现对板料的剪切。曲柄滑块机构的结构简单、容易加工、使用及维护方便、比较实用等优点，广泛应用在机械设备中。首先对剪板机的工作原理、背景和发展趋势等做了简要介绍；接着分析了简易剪板机的传动方式；然后根据给定参数要求对传动方式和结构进行选型设计；接着对主要零部件进行了相应的校核。最后，提出了简易剪板机设计过程中存在的不足，以便于今后设计的改进。关键词：剪板机；曲柄滑块；锻压机械StructureDesignofSimpleShearingMachineDAbstract:Shearingmachinedesignrequirementstheshearthicknessto3mm,shearingwidth1000mm,slideblockschedulefor80mmperminute,andthenumberofshearforthirtytimes.PoweredbythemotorthroughabeltdriveandaslowdownGear.Shearingmachinetoembryomaterialsformingprocessofforgingmachinery,designisdrivenbymotorprovide,afterlevel1beltdriveandlevelofgearreductiontocompletetheentiredrive,thedesignoftheshearingmachinedrivesystemoftherotarymotionisthroughthecrankslidermechanismintoslideblockreciprocatinglinearmotion,realizetheshearsheet.Slider-crankmechanismissimpleinstructure,easytomachining,useandmaintenanceconvenient,morepracticaladvantages,widelyusedinthemechanicalequipment.First,Idoabriefintroductiontotheshearingmachineworkprinciple,thebackgroundandthetrendofdevelopment.Thenanalysisthesimpleshearingmachinetransmissionmode.Transmissionandstructureaccordingtothegivenparameterrequirementsforselectionanddesign.Thendesignedmachineonthemaincomponentsarecorrespondingchecked.Thethesimpleshearingmachinedrivestructuredesignrepresentsofthegeneralprocessofdesign,selectionofdesignworkonthefutureofsomereferencevalue.Keywords:cuttingmachine;crankandslideblock;metalformingmachinery目录TOC\o"1-4"\h\z\u第1章绪论 11.1剪板机简介 11.2剪板机的背景及趋势 11.3剪板机工作原理 2第2章总体方案的确定 42.1凸轮机构方案 42.2曲柄滑块机构方案 52.3本次设计采用的方案 6第3章电动机、离合器和制动器的选择 83.1电动机的选择 83.1.1电动机类型和结构形式的选择 83.1.2电动机功率的选择 83.1.3计算传动装置的参数 93.2离合器的选用与计算 103.2.1离合器的结构 103.2.2离合器操纵机构 113.3制动器的选择 11第4章计算 134.1带传动的设计及其计算 134.1.1确定计算功率 134.1.2选择V带的带型 134.1.3确定小带轮的基准直径并验算带速 134.1.4确定V带的中心距和带轮的基准长度 144.1.5验算小带轮上的包角 154.1.6确定带的根数 154.1.7计算单根V带的初拉力值的最小值 154.1.8计算压轴力 164.1.9带轮的结构设计 164.2齿轮设计 184.2.1齿轮类型、材料、精度等级及齿数的选择 184.2.2齿面接触强度计算 184.2.3按齿根弯曲强度设计 204.2.4尺寸计算 224.2.5齿轮结构设计 224.3轴承设计 234.3.1材料选择 234.3.2轴径选择 234.3.3轴的强度校核 23第5章曲柄连杆机构设计 265.1材料的选择 265.2曲柄连杆结构运动规律 265.3连杆的设计 28第6章机身设计和紧固件选择 296.1机身结构 296.2机床的强度 306.3紧固件的选用 306.3.1紧固件的选用原则 306.3.2螺栓的选用 30第7章结论 31参考文献 32致谢 33附录图纸列表 34第1章绪论1.1剪板机简介随着社会的发展和技术的进步，很多的工业部门、企业都在使用金属板材，都需要对板材进行切断加工，所以剪板机在现代工业发展中起到了很大的作用。为了更好的完成剪板功能，探索一种既节能又经济的剪板机，我选择了简易剪板机传动结构的设计。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，国外已经向着自动化、多功能化、智能化、节能化等方面发展。剪板机属于直线剪切类型机器，能剪裁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、锅炉、压力容器等各个行业中都有广泛应用。根据结构类型可以分，剪板机可分为闸式剪板机和摆式剪板机两类；按传动方式分，可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[1]。1.2剪板机的背景及趋势1842年，英国工程师史密斯创制第一台蒸汽锤，开始了蒸汽动力锻压机械的时代[2]。1795年，英国的布拉默发明水压机，但直到19世纪中叶，因为大锻件的需要才应用于锻造随着电动机的发明，十九世纪末出现了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[3,4]，于是出现了每分种行程2000次的剪板机，为普通剪板机的5—10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。1.3剪板机工作原理剪切机主要根据工艺需要对板材进行剪切下料，板料主要有黑色和有色金属的板料、棒料等。对板料进行剪切时，要符合剪切工艺(保证被剪切的板料表面的直线性和平行度)的要求，并尽量减少板材扭曲变形对产品的影响。合理选择压料力、刀刃口的间隙、剪切角和刀片间隙等参数以及提高精度的方法，这样就可提高的质量。剪板机的剪切是借助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的机械设备[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。剪板机的剪切过程由两个阶段组成：压入变形和剪切滑移。剪板机的刀架上装有上刀片，而下刀片则是固定在机床的床面上。进行剪切过程中，上刀架通过曲柄滑块结构下移，刀片会对钢板一个压力而变形，力随之增大。当刀刃切入一定深度，力增加到一定值时，即钢板抗剪能力与剪切力相等时，就进入剪切滑移阶段。当剪切力大于抗剪能力时，板料就会被剪切，这就是剪切滑移阶段。在剪切滑移阶段，剪切应力增大，使板料被剪切，当板料被剪切完后，就完成了剪切。机床的床面上安装有托球，以便于板料的移动，还有便于送进板料。后挡料架主要是对板料进行定位，再由调位销进行对其位置进行调节，其类型主要有有手动和机动两种类型。手动挡料架被装在剪扳机的后面，由手轮带动齿轮转动，再由齿条做直线运动来带动挡料板进行前后移动，为了使剪板机的板料能够自由下落，当滑块向下剪料时，压块与杠杆共同作用使后挡料板摆动一个角度，使被剪板料脱离，完成一次剪切。锻压剪板机是带有自动送料装置，可完成板料高效率、精密加工的机械剪板机，具有自动、高速、精密三个基本要素[6-8]。随着中国加入WTO以来，我们回过头来瞻望中国的制造业，就拿剪板机的来说，从剪板机床的发展及它对机械制造行业的作用来看，会越来越成为的中流砥柱，通用型高性能剪板机，广泛适用于航空领域、汽车行业、农业机械、电机、电器、仪器仪表、医疗器械、装潢行业、五金行业等行业。为了满足大量生产的需要，冲压设备已有单工位低速剪板机发展到多工位高速剪板机。一般中小型冷冲件，既可在多工位剪板机上生产，也可以再高速剪板机上采用多工位级进模加工，使冷冲压生产达到高度自动化[9,10]。为了跟上快速发展的机械工业，必然少不了加工工具，剪板机作为加工工具，会顺应工业社会潮流的发展，所以机械装置应向自动化、多功能化、智能化、节能化等方面发展。本次设计的目的是，在前人设计的经验的基础上，集合自己的想法，把剪板机做得更好。我设计的简易剪板机是机械传动的剪板机一种，能够对各种尺寸金属板材进行剪裁各种尺寸。该设备应用广泛，具有结构简单，维修方便，经济实用的优点。在这次毕业设计中我们学到了很多东西，让我受益匪浅，为我以后的工作打下了很好的基础。能培养我们独立解决工程实际问题的能力，通过这次设计是对所学基本理论和专业知识的一次综合运用，也使我们的设计、计算、设计能力、绘图能力和科研能力(包括实际动手能力、查阅文献能力、撰写论文能力)都得到了全面的训练。第2章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。当采用由几种传动形式组成的多级传动时，要充分考虑各种传动形式的特点,合理的分配其传动顺序。在选择时，应注意以下几种传动件的特性：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。2.1凸轮机构方案为凸轮机构是第一种方案，如图2-1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。凸轮机构工作原理图见图2-1。图2-1凸轮机构工作原理图2.2曲柄滑块机构方案曲柄滑块机构是第二种方案。通过图2-2可以看出其工作原理：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2-2曲柄滑块机构原理图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[11]。2.3本次设计采用的方案综合考虑，本次设计的简易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2-3所示。剪板机的技术参数剪板机的工作能力主要通过其技术参数反映出来，剪切工件的尺寸范围、有关生产率等指标也能通过参数反映出来。此次设计的的技术参数如下：板料厚度——3mm可剪板宽——1000mm滑块行程——80mm剪板次数——30次/min剪板机可剪板料的厚度在一定程度上受到剪板机构件强度的限制，最终主要由剪切力来决定。刀刃口的间隙、刃口的锋利程度、被剪材料的强度以及剪切断面的宽度等等因素都能影响到剪板机的剪切力，其中最主要的还是被剪切板料的强度。忽略一些次要因素，剪切力可通过公式(2-1)获得：(2-1)式中：——被剪板料强度极限——被剪板料厚度——剪切角——系数剪切强度一般取500MPa，如果已知剪切力和其他因素确定，就可以通过关系式计算出剪板机剪板料的最大厚度。我查资料查得现在国内外剪板机一般的最大剪切厚度都在32mm以下，厚度过大会损坏剪板机的设备。可剪板宽：剪板机完成一次剪切过程，剪切板料的最大尺寸称为可剪板宽。可剪板宽可根据板料的宽度和对生产的要求来确定，即剪刃长度大于可剪板宽的剪切方式称为横切方式。对于条料宽度小于剪板机的凹口的剪切方式称为纵切方式，它能进行多次的剪切，且剪切的尺寸不受限制。随着工业的不断发展，剪板机的可见切宽度在不断地上升，目前国外最大剪切板宽在10000mm已经比较普遍了。当板料剪切长度为2000mm以下时，剪板机剪切条料宽度最小公差如表2-1所示。表2-1剪切调料宽度最小公差厚度t/mm剪切板料宽度2525-5050-100100-200宽度最小公差0.50.30.30.40.50.5-10.40.40.50.61-20.50.50.60.72-30.60.60.70.73-4—0.80.81.04-5——1.01.35-6——1.31.2行程次数:一般要求剪板机应该具有较高的行程次数，因为行程次数直接关系到生产效率。第3章电动机、离合器和制动器的选择3.1电动机的选择3.1.1电动机类型和结构形式的选择电动机一般分为交流电动机和直流电动机两种。在工厂和企业中生产的机械设备大多采用的是三相交流电源，所以本次设计采用三相交流电动机。三相异步电动机是交流电动机中常用的一种，由于三相异步交流电动机的性能较好，在机械生产中应用最广泛。Y系列三相异步电动机具有效率高，耗能少，性能好，有较高的最大转矩和最小转矩，其运转时产生的噪音也很低、振动也较小、体积小、机身轻、运行平稳可靠、安装形式灵活多样、维修方便等特点。根据工作环境和要求，选用Y系列三相异步电动机[12]。3.1.2电动机功率的选择在对电动机选择时，要考虑电动机容量的合理性，容量的选择非常重要，因为它影响到电动机的正常工作，合理的容量可减小经济投入。如果电机容量过大，电机效率不高，这样就导致电机容量不能充分利用，造成容量浪费，造成不必要的经济损失；但是选用的电机容量过小的话，也会使电机超负荷工作，使电机过热过度，这样会降低电机寿命，造成不必要的经济损失。在选电机时，在考虑容量外，还应考虑电机的其他条件，比如转速等。在确定电动机的功率时，我们也要考虑以下问题对电动机的影响：1．电动机的过载条件。剪板机在剪切工件时，受到力的作用，会使电动机得扭矩上升，如果扭转上升到，当扭矩超过它的最大容许扭矩时，电动机就可能会损坏而停下，这就是过载条件对电动机的限制。2．电动机的发热条件。剪板机在剪切工件时，受到力的作用，电流会上升，也会增加电动机的负载，这就增加了电动机的发热，使其温度上升；当完成剪切工作后，负载会减小，相应的转发热会减少(热能的耗损也减小)。电动机运行一段时间后，其温度会达到一稳定状态。如果电动机的温度长时间超出其正常工作的范围，电动机就会过热而损坏，这就是发热条件对电动机的限制。该剪板机的剪切厚度为3mm，根据诺沙里公式[13]，(3-1)式中：——剪切力大小——被剪板料的极限强度，取——被剪板料的可延伸率，——板料厚度——上刀刃的倾斜角度——被剪板料的弯曲力系数，——前刃侧向的间隙相对值，——压具影响系数，由式(3-1)和式中各参数，可得解得：根据资料和实习时工厂里的Q-11型剪板机，选取功率为3kw的电动机。查《机械设计课程设计设计手册》第三版表12-1Y系列三相异步电动机的技术数据，选取Y132S-6型电动机,其技术参数如下:功率为3kw，同步转速1000r/min，级数为6，满载时转速为960r/min。3.1.3计算传动装置的参数在对传动比进行分配时，要应考虑以下原则：1．为了延长装置的使用寿命和承载能力，选择的各级传动的传动比应保证在一定合理范围内。2．结构设计要匀称合理，同时要满足各级传动件传动的协调性，。3．设计的传动装置的外形轮廓尺寸要紧凑。4．设计的传动零件之间要保证不会干涉现象和碰撞。总传动比(3-2)把，代入式(3-2)的，得。(3-3)式中：——带传动比——圆柱齿轮传动比为保证带传动中外廓尺寸的合理，初步取，则。1．计算各轴转速轴转速的计算公式：2．计算各轴的功率查资料[14]得各部件传动效率：带传动效率：0.94-0.96取圆柱齿轮传动效率：0.94-0.96取轴承(每对)传动效率：0.97-0.99取所以总传动效率为：(3-5)把，，代入式(3-5)，得(3-6)把，，代入式(3-6)，得3．计算轴的转矩(3-7)式中：——电动机转矩；——电动机功率；——满载转速[15]。3.2离合器的选用与计算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。3.2.1离合器的结构转键式离合器的一般结构如图所示：图3-1离合器结构简图3.2.2离合器操纵机构转键离合器工作部分的构成关系如图3-1所示，中套2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6和外套5分别用平键与曲轴4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1、中套2和两个滑动轴承等；从动部分包括曲轴8、内套6和外套5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如图3-1所示。踩下踏板后，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。3.3制动器的选择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3-2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。1—凸轮2—制动轮3—滚轮4—杠杆5—制动弹簧6—制动带图3-2凸轮带式制动器第4章计算4.1带传动的设计及其计算作为挠性传动的一种，带传动的基本组成零件为带轮(主动带轮和从动带轮)和传动带。工作时是通过皮带和带轮之间的摩擦来完成动力的传递。在带传动中由于不同的截面形状所传递的力不同，因此可分为平带传动、V带传动、圆带传动、多楔带传动等。带传动中有中间挠性件，所以其具有以下优点：1．在传动中存在冲击载荷，带传动能减弱冲击；2．运行比较平稳，且运转时没有噪声；3．啮合传动的制造和安装是非常严格，而带传动则没那么严格；4．带轮如果在传动时承受过大的载荷，就会发生打滑现象，这样能防止其他零部件的损坏；5．带传动可以满足工作场合中需要较大的中心距的要求，即通过增加带长来调节适应。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等条件下，V带传动的工作能力比其他带传动要好。此外还具有传动比较大，传动平稳，成本低等优点，故在近代机械中应用广泛。由于本次设计中要求转速高，为保证稳定传动皮带不打滑，故选用V带传动。4.1.1确定计算功率由于带轮运转时有较大的载荷变动，还有每天的工作时间应小于10小时，查《机械设计》第八版表8-7，取，计算功率公式：(4-1)其中，式中：——带传动的额定功率(kw)——工作情况系数4.1.2选择V带的带型根据和主动带轮(小带轮)转速，查《机械设计》第八版图8-10选用A型V带。4.1.3确定小带轮的基准直径并验算带速1．初选小带轮的基准直径在一定功率条件下，选择的带轮直径要合适，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。由《机械设计》第八版表8-6和表8-8，取小带轮的基准直径2．验算带的速度带速的计算公式：(4-2)把和代入式(4-2)，的因为，在合理范围内，所以带速合适。3．计算大带轮的基准直径根据《机械设计》第八版式(8-15a),计算大带轮的基准直径(4-3)把和代入式(4-3)，得。1．计算单根V带的额定功率为了使传动平稳，各根V带受力大小要合适，为了减小带的受力增加根数，但根数也少于10根。否则应选择其他带型的带传动。由和，查《机械设计》第八版表8-4a，得。根据，和V型带，查《机械设计》第八版表8-4b，得。查《机械设计》第八版表8-5，得，表8-2得，单根V带的额定功率(4-10)把，，，代入式(4-10)，得2．计算V带的根数(4-11)把，代入式(4-11)，得取V带的根数 4.1.7计算单根V带的初拉力值的最小值单根V带的初拉力的计算公式：(4-12)式中：——V带单位长度的质量。由《机械设计》第八版表8-3得，所以由于新带在使用一段是时间后容易松弛，所以对没有安装自动张紧装置的带传动，在安装新带后，为了保证其能正常工作，预紧力要设置为上述预紧力的1.5倍；对于V带运转后的初拉力也有规定，一般为上述预紧力的1.3倍。4.1.8计算压轴力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。(4-13)式中：为小带轮的包角；——带的根数；——单根V带预紧力。4.1.9带轮的结构设计我们一般都知道V带轮中轮缘、轮辐组成，其实还有轮毂。实心式带轮、腹板式带轮、孔板式带轮、椭圆轮辐式带轮为V带轮中典型的，它是根据轮辐结构来分的。V带轮基准直径不同，考虑传动效率和成本等条件，应选择不同的结构。当带轮基准直径为(其中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。1．小带轮的结构设计带轮形状一般都比较复杂，而且造价成本较高，因此选用’HT’灰铸铁，因为它铸造比较容易，又能达到形状要求，有可以减少加工成本；价格相对较低些；灰铸铁的主要结构成分是铁与碳，碳含量高，相应的干润滑性能也要好，因此不容易与其他零件粘接；并且具有良好的摩擦性能，能减少其打滑。(1)材料：HT200。(2)确定带轮的形式。查《机械设计课程设计设计手册》第3版知电动机的轴直径，电动机的轴伸出长度，又知小带轮的基准直径，。(4-14)根据小带轮直径，选用腹板式带轮。它的直径为。轮槽的尺寸见表4-1。表4-1V带轮轮槽截面尺寸项目符号结果槽型——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轮槽角——38(4)确定小带轮的外形尺寸。带轮的宽度：带轮的外径长度：轮缘的长度：，取轮毂的长度：又，取。如图4-1为一般V带轮槽的结构简图。图4-1轮槽结构简图2．大带轮的结构设计(1)材料：HT200。(2)确定带轮的形式。初定大带轮的轴的直径，由于大带轮的基准直径，所以大带轮采用轮辐式结构。(3)大带轮轮槽的尺寸与小带轮相同。(4)轮缘及轮毂的尺寸。带轮的宽度：带轮的外径长度：轮缘的长度：，取轮毂的长度：又，取。(4-15)式中：——传递的功率，为——带轮的转速，为——轮辐数，取4则，，，，。4.2齿轮设计4.2.1齿轮类型、材料、精度等级及齿数的选择根据传动方案和其他因素选择的齿轮为直齿圆柱齿轮。由于要满足强度等要求，要对齿轮表面要调质处理，故选用8级精度(GB10095-88)，小齿轮选用45Cr(调质),取小齿轮硬度为280HBS。大齿轮选用45钢(调质)，查质料取大齿轮硬度240HBS，两者材料硬度差为40HBS。这里初步选取小齿轮的齿数，则可计算出大齿轮的齿数。4.2.2齿面接触强度计算按以下公式进行计算(4-16)1．首先确定公式内变量的值(1)选择载荷系数。(2)计算小齿轮转矩。(4-17)已知，，代入式(4-17)，。(3)由《机械设计》第八版表10-7选取齿宽系数。(4)由《机械设计》第八版表10-6得材料的弹性影响系数。(5)由《机械设计》第八版图10-21得小齿轮的接触疲劳强度极限为，大齿轮的接触疲劳强度极限为。(6)计算应力循环次数。(4-18)(7)接触疲劳寿命系数可从《机械设计》第八版图10-19查得，。(8)计算齿面接触疲劳的许用应力。要求失效的概率为1%，按可靠度要求，取安全系数，(4-19)2．初步计算(1)把中值小的代入式(4-20)可得小齿轮的分度圆直径。(4-20)所以(2)计算圆周速度。把，代入式(4-2)，得(3)计算齿宽。(4-21)(4)齿宽与齿高之比。模数(4-22)把，代入式(4-22)，得齿高(5)载荷系数。根据，8级精度，由《机械设计》第八版图10-8查得动载系数为。直齿轮，。由《机械设计》第八版表10-2得使用系数。由《机械设计》第八版表10-4用插值法查得8级精度、小齿轮相对支持非对称布置时，取。由，查《机械设计》第八版图10-13得；故载荷系数(4-23)把，，，代入式(4-23)，得(6)根据《机械设计》第八版式(10-10a)校正分度圆的直径。(4-24)把，,代入式(4-24)，得(7)模数。把，代入式(4-22)，得4.2.3按齿根弯曲强度设计齿根弯曲强度设计公式：(4-25)1．确定公式内的计算参数。(1)由《机械设计》第八版图10-20c可以查得小齿轮和大齿轮的弯曲疲劳强度极限分别为和。(2)弯曲疲劳寿命系数可根据《机械设计》第八版图10-18查得，。(3)计算大小齿轮的弯曲疲劳许用应力。取安全系数，计算公式如下：(4-26)把，，，代入式(4-26)，得(4)载荷系数。把，，，代入式(4-23)，得(5)查取齿形系数。由《机械设计》第八版图10-5查取齿形系数；。(6)查取齿轮应力的校正系数。根据《机械设计》第八版图10-5查校正；。(7)计算和比较大齿轮和小齿轮的。大齿轮的数值大。2．计算把，，和代入式(4-25)可算出齿轮的模数。根据计算所得的模数2.81，取近似圆整值，由此可以算出小齿轮齿数。则可算出大齿轮的齿数。这样设计的齿轮满足强度要求和结构紧凑的要求，使用寿命也较长。4.2.4尺寸计算分度圆直径，。中心距，齿轮宽度。取，。4.2.5齿轮结构设计根据上面的计算得出齿轮尺寸值，见表4-2：表4-2圆柱齿轮几何尺寸名称代号公式小齿轮大齿轮模数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齿距基圆齿距齿厚标准中心距4.3轴承设计4.3.1材料选择选用45钢调质，硬度为217~255HBS，查参考文献[16]得，，取。4.3.2轴径选择轴直径的计算公式(4-27)把，，代入式(4-27)，得初取取。4.3.3轴的强度校核1．计算小齿轮所受的力(4-28)(4-29)(4-30)把，代入式(4-28)，得把，代入式(4-29)，得把，代入式(4-30)，得式中：——主轴的扭矩；——压力角；——小齿轮分度圆直径。2．受力分析图4-2主轴载荷分析图已知：，求得：，求得：，按第四理论强度校核[17]。(4-31)把，代入式(4-31)，得因为51.7MPa<60MPa，所以符合强度要求。其中，，，，，根据物体的平衡条件[18]，解方程组得，，，，，，图4-3从动轴载荷分析图，代入式(4-31)，得因为48.7MPa<60MPa，所以符合强度要求。第5章曲柄连杆机构设计曲柄连杆机构能将剪板机的传动系统的旋转运动转变为上刀架的直线往复运动，通过刀架上的刀片对板料进行剪切(实现剪切工艺)。同时，该机构还具有力的放大作用(即工作载荷大于传动系统输入的作用力)，满足剪板机瞬时峰值力的要求[19]。5.1材料的选择常见的曲柄连杆主要有曲轴和偏心轮形式等。曲柄连杆结构是剪板机的一个重要零件，本次设计的曲柄连杆机构受力情况复杂，制造条件要求较高。曲柄连杆的材料应选用刚度较大的钢，选择40Cr调质。考虑到偏心轮的使用寿命，用滚子辗压对圆角处进行强化。5.2曲柄连杆结构运动规律曲柄连杆结构由连杆、曲柄和滑块组成，如图5-1所示。图中旋转中心为O，A为连杆与曲柄的交点，B为连杆与滑块的交点，OA为曲柄的半径，AB是连杆的长度。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：(5-1)又知由以上两式整理可得：(5-2)又由于一般取值为：，由二项式定理得又有倍角关系知，将上式代入式(5-2)得，(5-3)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：(5-4)式中：——滑块的速度；——曲柄连杆的角速度；——连杆AB的长度。图5-1曲柄连杆机构运动关系计算简图由计算可知，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。曲柄连杆机构中当AB长度很短或承受力很大时，就用偏心轮代替曲柄，偏心轮的强度和刚度比曲柄大多了而且结构也要简单很多。因此，偏心轮机构广泛应用于传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机等机械中[20]。四杆机构可以一定演化变成偏心轮机构。在曲柄摇杆机构中，曲柄上的销轴与连杆上的轴孔共同组成了转动副B，在运动时销轴要承受较大的载荷作用，如果曲柄AB较短时，为保证曲柄连杆机构正常工作，则要相应增大销轴的直径，这样的话连杆的轴孔也要随之相应增加。如果要承受较大的力，曲柄的销轴直径要加大，当直径大于曲柄AB的长度时，连杆的轴孔就会出现环状，相当于曲柄AB变成了一个圆盘(也就是偏心轮)，该圆盘还是绕A点转动。曲柄连杆在结构形状上虽然发生了很大的改变，但是杆件(杆AB、杆BC、杆CD、杆AD)的长度都没有发生改变，所以本质上没有改变各构件间发生相对运动关系。偏心距的长度为点B到点A的距离，即等于曲柄的长度。这种偏心轮机构适用于曲柄短、受力大的场合。图5-2曲柄摇杆机构5.3连杆的设计参考资料和经验数据确定连杆的主要尺寸，初定连杆的材料为HT200，结构简图如图5-3所示。图5-3连杆结构简图第6章机身设计和紧固件选择6.1机身结构剪板机所有的零部件都需要安装在机身上，在工作时全部的工件变形力要全部作用在机身上，因此机身是剪板机的非常基本部件之一。因此，机身的设计一定要合理，合理的设计既能减轻机体的质量，减少制造成本，又能提高其系统刚度，还能减少制造机械所发费的时间，都具有很大的影响。剪板机的机身有开式机身，还有闭式机身这两大种。开式机身敞开式的，这样的设计操作方便，但刚度则会差些，主要用在中小型剪板机设计中；闭式机身的，刚度较好，但机身是封闭的，这样操作性就不如不如开式的方便，适用于中大型机剪板机，还有一些对精度要求有特殊要求的小型机械。开式剪板机机的机身背后是有开口区分，可分为双柱机身的剪板机和单柱机身的剪板机；机身是可以倾斜的，倾斜的是可倾机身和不可倾的不可倾机身；工作台是可以设计为移动或固定的，按此可分为固定台和活动台。机身形式不同，则它的用途也会有差别，采用双柱可倾机身能便于卸料，容易实现冲压工作的机械化和自动化。活动台机身可以改变剪板机的闭合高度，而且变动范围较大，故其适用范围较其他要大。本机机身的材料选为HT200。剪板机结构简图。图6-1剪板机结构简图6.2机床的强度机床的刚度会影响工件精度和使用寿命等，因此应按刚度设计。在进行机床床身刚度校核前，要先确定机床机身的主要结构尺寸，然后再计算和校核。因此，为了方便于设计，需要先对强度进行设计，然后进行刚度的校验。为了考虑机床机身的刚度，在对机床的强度设计时，一般取较低的许用压力。6.3紧固件的选用标准紧固件在选用时，按使用场合和其使用功能等进行选择确定，一般有十二种类型。6.3.1紧固件的选用原则1．在同一种机械设计中，为了加快加工的装配的效率，所以紧固件的品种选用能越少越好；2．在选用时，要优先选用紧固件品种，这样可以降低成本；3．在根据剪板机的型式、机械性能和精度等方面考虑确定选用哪种时，要满足紧固件预期的使用要求。6.3.2螺栓的选用我们知道螺栓的种类很多，一般分为六角头型螺栓和方头螺栓。六角头螺栓在机械制造中普遍使用，按制造精度和产品质量来区分产品等级的，一般常见的有A、B、C等级，在装配精度要求高以及受冲击、变动载荷和一些重要的地方，以A和B级类型的应用最多。六角头螺栓头部支承面积大小不同对承受载荷有影响，还有安装位置尺寸对六角头螺栓也有影响，可分为六角头螺栓与大六角头螺栓两种；在需要锁紧时，可在头部或螺杆开孔。方头螺栓能承受较大的力，因为方头尺寸较大，这样受力表面就大，也便于用扳手或者其他零件转动。常用螺栓有GB8、GB5780～5790等。剪板机选用的是铰制孔用螺栓，使用螺栓时，将其密镶入铰制孔内，这样减小工件错位对其的影响，螺母垫圈使用配套的。图6-2螺栓结构简图第7章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(偏心轮)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、离合器及制动器的选择、标准件的选择等方面展开设计和论述的，还绘制了剪板机的CAD二维图。在设计过程中，我感到去工厂实习看到剪板机的实物和如何实现传动的，还有各部件间的相关性，深刻感到实践的重要性。1．根据剪板机所剪板的厚度计算剪切力，在类比实习厂的剪板机，选择合理电动机的功率。2．根据电动机的功率对各机构的尺寸进行初选。以齿轮为依据，选取齿数、模数、齿面接触强度计算、齿根弯曲强度设计、结构设计、材料选择等。3．在对离合器和制动器的类型进行