《机械设计基础1》-第17章

17.1冲床结构组成一、冲床的分类(一)按滑块驱动力分类按滑块驱动力,冲床可分为机械式与液压式两种。一般钣金冲压加工,多数使用机械式冲床。液压式冲床依其使用液体不同,有油压式冲床与水压式冲床,目前使用油压式冲床占多数,水压式冲床则多用于大型机械。(二)按滑块运动方式分类按滑块运动方式,冲床可分为单动、复动、三动等冲床,目前使用最多为1个滑块的单动冲床,复动及三动冲床主要使用在汽车车体及大型加工件的引伸加工。下一页返回17.1冲床结构组成(三)按滑块驱动机构分类1.曲轴式冲床大部分的机械冲床都为曲轴式冲床,此类冲床使用曲轴机构,可正确决定行程之下端位置及滑块运动曲线,适用于冲切、弯曲、拉伸、热间锻造、温间锻造、冷间锻造及其他所有冲床加工。2.无曲轴式冲床无曲轴式冲床又称偏心齿轮式冲床,偏心齿轮式冲床构造在轴刚性、润滑、外观、保养等方面优于曲轴式冲床构造,缺点是价格较高。行程较长时,偏心齿轮式冲床较为有利,而冲切专用机的行程较短时,选用曲轴冲床较佳。上一页下一页返回17.1冲床结构组成3.肘节式冲床在滑块驱动上使用肘节机构的冲床,这种冲床具有在下死点四周的滑块速度会变得非常缓慢的滑块运动特性(和曲轴冲床比较),可正确决定行程的下死点位置,这种冲床适合于压印加工及精整等压缩加工,现在冷间锻造使用的最多。4.摩擦式冲床在轨道驱动上使用摩擦传动与螺旋机构的冲床,这种冲床最适宜锻造、压溃作业,也可使用于弯曲、成形、拉伸等的加工,具有多用性之功能。但因无法决定行程的下端位置、加工精度不佳、生产速度慢、控制操作错误时会产生过负荷、使用上需要熟练的技术等缺点,现已逐步淘汰。上一页下一页返回17.1冲床结构组成5.螺旋式冲床在滑块驱动机构上使用螺旋机构的冲床称为螺旋式冲床或螺丝冲床。6.连杆式冲床在滑块驱动机构上使用各种连杆机构的冲床称为连杆式冲床。使用连杆机构的目的是在引伸加工时,一边将拉伸速度保持在限制之内,一边缩短加工的周期,利用减少引伸加工的速度变化,加快从上死点至加工开始点的接近行程与从下死点至上死点的复归行程的速度,使其比曲轴冲床具有更短的周期。这种冲床被用于圆筒状容器的深引伸,床台面较窄,最近被用于汽车主体面板的加工。上一页下一页返回17.1冲床结构组成7.凸轮式冲床在滑块驱动机构上使用凸轮机构的冲床。这种冲床的特征是制作适当的凸轮外形,以便轻易地得到所要的滑块运动曲线。但因凸轮机构的性质很难传动较大力量,所以这种冲床冲力很小。二、冲床的结构和工作原理以典型的曲轴式冲床为例,介绍机床的结构组成及工作原理。(一)冲床结构图17-1给出了曲轴式冲床的实物图,主要由以下几部分组成。上一页下一页返回17.1冲床结构组成(1)工作机构由曲轴、连杆、滑块等零件组成的曲柄滑块机构。为了适应不同闭合高度的模具安装,在曲柄滑块机构中,有调节冲床装模高度的装置;在滑块部件上有供上模顶料用的顶件装置。(2)传动系统传动系统包括齿轮传动、皮带传动等机构。(3)操作系统操作系统由离合器、制动器组成。上一页下一页返回17.1冲床结构组成(4)能源系统能源系统由电机、飞轮组成。(5)支承部件支承部件有机架、底脚座等。(二)冲床工作原理冲床实现圆周运动到直线运动的转换,由电机带动飞轮,经离合器带动齿轮、曲轴、连杆等运转,完成滑块的直线运动。曲轴式冲床的工作原理示意如图17-2所示,电动机通过三角皮带把运动传给大皮带轮,再经过小齿轮、大齿轮传给离合器(离合器控制曲轴与齿轮运动的开与合),离合器把运动传给曲轴。上一页下一页返回17.1冲床结构组成连杆上端装在曲轴上,下端与滑块连接,把曲轴的旋转运动变为滑块的直线往复运动。冲床对材料施加压力,使其塑性变形,得到所要求的外形与精度,因此必须配合一组模具(分上模与下模),将材料置于其间,由机器施加压力,使其变形。模具的上模装在滑块上,下模装在工作台上,当材料放在上、下模之间时,即能进行冲裁及其他冲压成形工艺。由于生产工艺的需要,滑块有时运动,有时停止,所以除离合器外,在曲轴末端还装有制动器,压力机在整个工作周期内进行工艺操作的时间很短,也就是说,有负荷的工作时间很短,大部分时间为无负荷的空闲时间。为了使电动机的负荷均匀,有效地利用能量,装有飞轮,大皮带轮起飞轮作用。上一页返回17.2冲床设计一、设计要求自动送料冲床可用于薄壁零件的压制成形。在冲制薄壁零件时,上模(冲头)以较大的速度接近坯料,然后以匀速进行拉延成形工作,接着上模继续下行将成品推出型腔,最后快速返回。上模退出下模后,送料机构从侧面将坯料送至待加工位置,完成一工作循环。(一)技术要求(1)动力源为电动机,按平均功率选用电动机,空载载荷F1=50N,生产率为每分钟70件。(2)上模做上下往复直线运动,要求快速下沉、匀速工作进给和快速返回。上模行程长度必须大于工作段长度的两倍以上,运动规律要满足图17-3的所示曲线。下一页返回17.2冲床设计

(3)行程速比系数K≥1.5,许用压力角[α]=50°。(4)送料距离H=150mm。(二)设计数据(1)上模工作段的长度约为L=40mm(2)对应曲柄转角φ=60°~100°(3)冲压载荷F=4300N二、设计过程(一)工艺动作分解分析工作原理可知,自动送料冲床要求完成的工艺动作有以下4步。上一页下一页返回17.2冲床设计

(1)送料,这一动作由送料机构完成,要求冲头在下沉到坯料上面高度之前把坯料送到拉延位置。(2)压紧,该动作要求在坯料到达拉延位置后,冲头开始拉延前把坯料压紧。(3)拉延成形,该动作发生在压紧坯料以后。(4)成品推出下模并退模,该动作主要由退料机构完成,在冲头把成品推出下模后、正准备返回时,退料机构把成品抱住,阻止其跟随冲头一起返回。上一页下一页返回17.2冲床设计

(二)拟定动作循环图该冲床的执行机构有4个,要拟定该冲床运动循环图主要是确定冲头、送料、压紧、退料4个执行件的先后顺序,以利于各执行机构的设计、装配和调试。自动送料冲床的冲压机构为主机构,以它的主动件的0°为横坐标的起点,纵坐标为个执行机构的位移起始位置。拟定的运动循环见图17-4。上一页下一页返回17.2冲床设计

(三)各执行机构的方案设计1.冲头机构的设计(1)机构的选型要实现图17-3所示的曲线,可应用的机构主要有以下几种:多杆机构、凸轮机构、非圆齿轮-连杆机构、组合机构。凸轮机构能实现复杂的运动,但不适用于有较大冲击载荷的场合,所以不选用。非圆齿轮传动,虽有结构紧凑、传动可靠、能精确地实现复杂的不等速传动比关系的特点,但由于设计和制造较困难,在此也不选用。最后选择多杆机构和组合机构展开设计。上一页下一页返回17.2冲床设计

分析冲头运动规律可知:设计的关键是满足工作行程的快速下沉、匀速拉延、再匀速下沉的运动特点。将该运动规律看成是两运动规律的合成。即在工作行程中:机构1将匀速转动转换成先快速、再低速匀速、再快速转动,主从动件运动规律如图17-5所示;机构2则需在工作行程中将主动件的匀速转动转换成滑块的匀速转动,且应具有急回特性,主从动件的运动规律如图17-6所示。(2)机构综合上述特性的两种机构(机构1和机构2),其机构简图如图17-7、图17-8所示。上一页下一页返回17.2冲床设计

机构1为齿轮-五杆机构,其中,1为主动件,4为从动件。机构2为摆动导杆与正切机构串联的组合机构,其中,1为主动件,6为从动件。(3)机构的尺寸计算机构1、机构2的运动分析如下。上一页下一页返回17.2冲床设计

以定圆中心O1、动圆中心A0和B0点3点共线时的位置为机构的初始位置,并以该直线为x轴,其转动方向为从O1到动圆中心,如图17-9所示。上一页下一页返回17.2冲床设计

用MATLAB分析,不同的K′值对应的φ4·(见图17-10)。由图17-10可以看出,K′值越小,匀速段越短,匀速速率越大。对机构1的尺寸很大程度上就是要选取合适的K′值。除此外,还需考虑与机构2配合后,对急回特性的影响,即需找到机构2的极位夹角。上一页下一页返回17.2冲床设计

由图17-10可知,杆4转速的变化周期为180°,即杆1旋转1周时,杆4会交替出现慢匀速旋转、高速旋转的情况2次。图17-11中,杆4转过的阴影部分为慢速匀速转动,对应于杆1转过的白色部分。图17-12中阴影部分为工作行程,杆1对应机构1中的杆4。如果取图17-11中的工作行程对应图17-12的阴影部分,则机构2的杆1在工作行程中先高速、再低速匀速、最后再高速旋转。由于机构2在工作行程的近似匀速特性,滑块有快速下沉、匀速慢速拉延、再快速下沉的运动特点。上一页下一页返回17.2冲床设计

及上一页下一页返回17.2冲床设计

由表17-1可看出,0.5≤K′≤0.7都可满足上述要求。最后需满足的条件是:组合的机构具有的匀速行程长度是否在50mm左右。该长度主要取决于图17-12中杆4在x轴处的阴影部分的转角的大小,该转角α必须大于由·得表17-2组合机构参数。由表17-2可知,K′=0.5可满足要求。综上所述,满足要求的参数为:K′=0.5,θ′=91.4°根据该参数的机构简图如图17-13所示。上一页下一页返回17.2冲床设计

2.送料机构的设计由运动循环图(图17-14)可以看出,送料机构的送料时间较短,不适合用单一的曲柄滑块机构。也不适合用单一的凸轮机构,因为送料距离较大。这里考虑用凸轮机构与摇杆滑块机构的组合机构。(1)凸轮尺寸摆杆的摆角设为60°,摆杆长设为41mm,滚子直径16mm。对摆杆的转角规律无特别要求,只要满足摆杆推程凸轮转角为44°即可。为了运动的平滑性并考虑到制造的难易,该凸轮的推程和回程,选择余弦加速度运动(简谐运动)规律。上一页下一页返回17.2冲床设计

S-δ曲线如图17-15所示,图中,δ为凸轮转角,S为行程。该凸轮推程的坐标方程为上一页下一页返回17.2冲床设计

同理,该凸轮回程的坐标方程为上一页下一页返回17.2冲床设计

(2)压紧机构的设计压紧装置只做上下运动,且运动距离较短,所受载荷不大,故采用凸轮机构实现。导杆的行程定为5mm。(3)退料机构的设计本方案采用抱紧式退料,在冲头下行到最低点时,用机构将拉延成形的产品外表面抱死,则冲头(上模)返回时便能从成型金属内腔内脱离。待抱死机构解除抱死后,成品因重力作用下落,与下模分离。3.传动系统的设计方案传动系统如图17-16所示。上一页下一页返回17.2冲床设计

(1)初选原动机由于交流异步电动机结构简单、成本低、工作稳定可靠、容易维护,且交流电源易于获得。故此处选择Y系列三相异步电动机作为原动机,额定转速nH=1400r/min。(2)计算总传动比根据选定的驱动电机转速和冲床的生产能力,可知机械传动系统的总传动比为上一页下一页返回17.2冲床设计

(3)拟定传动系统方案机械传动系统第1级采用带传动,其传动比为2.5;第2级采用直齿圆柱齿轮系传动,其传动比为8。(a)带传动计算带传动的传动比为2.5,确定带轮节圆直径d1和d2,取d1=150mm,则上一页下一页返回17.2冲床设计

即:367.5mm≤a0≤1050mm,这里取a0=685mm。(b)齿轮传动计算齿轮参数上一页返回17.3冲床机构运动与动力学分析自动送料冲床运动系统总图如图17-17所示。冲头机构运动和动力学分析如图17-18~17-22所示。下一页返回17.3冲床机构运动与动力学分析(1)运动分析(2)动力学分析上一页返回图17-1曲轴式冲床结构组成返回图17-2曲轴式冲床工作原理示意返回图17-3上模运动规律曲线返回图17-4拟定的自动送料冲床运动循环图返回图17-5机构1主从动件运动规律返回图17-6机构2主从动件运动规律返回图17-7机构1运动简图返回图17-8机构2运动简图返回图17-9机构1的运动分析返回图17-10机