专用精压机构设计方案.docx

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专用精压机构设计方案

一、设计任务书

1、工作原理及工艺动作过程

专用精压机是用于薄壁铝合金制件的精压深冲工艺。

它是将薄壁铝板一次冲压成为深筒形。

它的工艺动作主要：

1）将新坯料送至待加工位置；

2）下模固定、上模冲压拉延成形将成品推出模腔。

2、原始数据及设计要求

1）冲压执行构件具有快速接近工件、等速下行拉延和快速返回的运动特性；

2）精压成形制品生产率约每分钟70件；

3）上模移动总行程为280mm，其拉延行程置于总行程的中部，约100mm；

4）行程速比系数K≥1.3；

5）坯料输送最大距离200mm。

3、设计方案提示

1）送料机构实现间歇送料可采用凸轮机构、槽轮机构等；

2）冲压机构为保证等速拉延、回程快速可采用导杆机构加摇杆滑块的六杆机构，或采用铰链四杆机构加摇杆滑块的六杆机构；

3）工件送料传送标高在100mm左右。

4、设计任务

1）按工艺动作要求拟定运动循环图；

2）进行送料机构、冲压机构的选择；

3）机械运动方案的评价和选择；

4）按选定的电动机和执行机构运动参数拟定机械运动方案；

5）画出机械运动方案简图；

6）对传动机构和执行构件进行运动尺寸计算。

二、工艺分析和动作分解

1、工艺分析

专用精压机是用于薄壁铝合金制件的精压深冲工艺，它是将薄壁铝板一次冲压成为深筒形。

精压机构的工艺动作如下图所示：

工艺动作示意图

2、动作分解

为使执行机构满足预定的功能要求，应该将机械的总功能分解成若干个分功能，每个分功能由一个执行机构去完成。

在本专用精压机构中，整个机构可分为两大执行构件：

送料机构和冲压机构。

他们根据执行机构的功能要求去完成规定的动作。

具体的工艺动作分解如下：

送料机构从侧面将新坯料送至待加工位置；

上模先以较大速度接近坯料；

然后，上模以近似匀速进行拉延成型工作；

此后，上模继续下行将成品推出型腔；

最后，上模快速返回，完成一个冲压工作循环。

三、机构运动循环图

精压机构的运动循环图如下图所示：

运动循环图

详细说明：

1）冲压机构在一个周期的动作分解

主动件由初始位置（此时上模位于上极限点）转过90°位置时，上模快速接近坯料；

主动件由90°位置转到210°位置时，上模近似等速向下冲压坯料；

主动件由210°位置转到240°位置时，上模继续向下运动，将工件推出型腔；

此后至主动件转到360°，上模快速回到初始位置，完成一个运动循环。

2）送料机构在一个周期的动作分解

送料机构的送料动作，只能在上模退出型腔到上模又一次接触坯料的围进行，故送料机构的凸轮在主动件由前一个周期的300°位置转到30°位置时完成推程；

主动件由30°位置转到60°位置时，凸轮远休；

主动件由60°位置转到150°位置时，凸轮完成回程；

此后至主动件转到300°，凸轮近休，送料机构完成一个运动循环。

3）经过以上的分析，可以确定，在一个循环周期，送料机构和冲压机构的工艺动作互不影响，它们可以分别完成各自的任务，从而完成运动循环。

四、机构选型

送料机构的主动件为凸轮或拨盘，从动件为推杆；冲压机构的主动件为曲该方案机构构造简单，外形尺寸小，制造容易、工作可靠；

=2\*GB3②该方案机械效率高，并能较平稳地，间歇地进行转位；

=3\*GB3③该方案机构由于传动时存在柔性冲击，故一般仅用于速度不太高的场合。

方案Ⅱ

1）方案描述：

送料机构采用对心直动滚子推杆盘型凸轮机构，将凸轮的转动变成推杆的往复移动来完成工作。

利用反转法对凸轮轮廓曲线的设计，可以完成凸轮间歇送料的要求。

2）方案简图：

EMBEDAutoCAD.Drawing.17

3）方案简评：

柄，从动件为上模。

原动件分别将动力输入到送料机构和冲压机构，进而使各执行构件完成各自的任务。

下面，分别对送料机构和冲压机构进行机构选型。

1、送料机构选型

方案Ⅰ

1）方案描述：

送料机构采用外槽轮机构，将简单的旋转运动转换为单向间歇传动。

考虑到原动件在竖直平面运动，而槽轮机构在水平面运动，因此需要在拨盘和原动件之间用圆锥齿轮连接。

槽轮与一齿轮相连，通过驱动传送带完成间歇送料。

2）方案简图：

EMBEDAutoCAD.Drawing.17

3）方案简评：

=1\*GB3①=1\*GB3①该方案机构构造简单，成本较低，设计容易，凸轮可根据不同要求进行轮廓设计以实现推杆预期任意运动规律的往复运动；

该方案机构为高副接触，易磨损，承载不宜太大；

由于受压力角和机构紧凑性等因素的限制，故该机构的推程不宜太大。

2、冲压机构选型

方案Ⅰ

1）方案描述：

冲压机构采用对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构，凸轮与一齿轮固连，原动件通过该齿轮将动力传递到凸轮。

利用反转法对凸轮轮廓曲线的设计，可以完成冲压机构工作要求。

2）方案简图：

3）方案简评：

该方案机构构造经济成本较小，设计简单但装配难度较大，凸轮轮廓对尖顶推杆的作用使其运动可根据不同要求进行设计以实现预期的运动规律；

该方案机构中尖顶推杆机构构造最简单，但易磨损，所以只适用于作用力不大和速度较低的场合，如用于仪表等机构中；

该方案机构中由于尖顶推杆机构导致其运动时有冲击，平稳性不高；

方案Ⅱ

1）方案描述：

冲压机构由铰链四杆机构串联摇杆滑块的六杆机构组合而成。

其中铰链四杆机构为曲柄摇杆机构，通过原动件曲柄的回转运动，带动摇杆周期性往复摆动，进而带动从动件滑块作往复移动。

2）方案简图：

3）方案简评：

该方案机构构造复杂，设计困难，可通过连杆的长短进行设计以使得滑块实现预期的往复运动；

该方案机构中连杆机构是低副机构，制造容易，承载能力大，但连杆机构难以准确地实现任意指定的运动规律；

该方案机构中冲击较低平稳性较好，装配较容易，工作效率高；

方案Ⅲ

1）方案描述：

冲压机构采用导杆机构加摇杆滑块的组合机构，通过曲柄的转动带动从动件滑块做往复移动。

导杆机构按给定的行程速比系数设计，它和摇杆滑块机构组合可以达到工作段近于匀速的工作要求。

并且，通过选择适当的导路位置，可以使工作段压力角α较小。

2）方案简图：

3）方案简评：

该方案机构中齿轮传递容易控制，使得滑块运动得到较为精确的控制；

该方案机构构造简单，成本较低，连杆滑块可根据不同要求进行设计以实现滑块预期任意运动规律的往复运动；

该机构采用了简单、紧凑的运动链，减小了因传动所带来的误差；

方案Ⅳ

1）方案描述：

冲压机构采用连杆机构和齿轮齿条机构的组合，原动件的回转运动通过连杆机构转化为齿轮的往复摆动，进而带动齿条完成冲压动作。

2）方案简图：

3）方案简评：

该方案机构中齿条制造困难，传动精度及平稳性不高，不宜用于精确传动及平稳性要求高的场合；

该方案机构中的连杆机构，承载能力大，运动尺寸也较大，但难以准确地实现任意运动规律；

该方案机构经济成本较高，设计较难，装配最难，平稳性较好，工作效率高；

五、机械运动方案的评价和选择

1、四种冲压机构方案的总体评价

评价

项目

目标完成情况

工作

效率

平稳

性

复杂

程度

装配

难度

运动

尺寸

经济成本

方案Ⅰ

一般

较高

有冲击

简单

较难

较小

方案Ⅱ

较好

高

较好

复杂

较易

最大

较小

方案Ⅲ

较好

高

较好

较简单

较易

较大

方案Ⅳ

一般

高

较好

复杂

最难

较大

根据上述评价指标，可以确定冲压机构的方案Ⅲ可行性优于方案Ⅰ、方案Ⅱ和方案Ⅳ。

2、两种送料机构方案的总体评价

评价

项目

目标完成情况

工作

效率

平稳

性

装配

难度

运动

尺寸

复杂

程度

方案经济成本

方案Ⅰ

较好

高

有冲击

较难

很大

复杂

较大

方案Ⅱ

较好

高

较好

较易

较小

简单

较小

根据上述评价指标，可以确定送料机构的方案Ⅱ可行性优于方案Ⅰ

3、最终方案的确定和评价

根据前述对送料机构和冲压机构方案的评价分析，可以确定2×4种不同的精压机构方案。

我们分别选择送料机构的方案Ⅱ和冲压机构的方案Ⅲ的组合作为最优的专用精压机构。

对于所选择的最优方案，我们分析如下：

该方案的机构设计中，通过选择适当的导路位置，可以使工作段压力角α较小。

恰当确定构件的尺寸，可保证机构结构具有急回运动特性和工作段近于匀速的特性。

该机构可以根据实际要求对该机构进行优化设计。

在运动要求不高时，该机构可以采用实验法进行设计；当要求较高时，可采用解析法或者以实验法的结果作为初始值进行优化设计。

该机构采用了简单、紧凑的运动链，使组成传动系统和执行机构所使用的机构和构件数目较少，这不仅降低制造费用、减小体积和重量，而且使机械的传动效率相对提高。

由于减少传动环节，使传动中的积累误差也随之减小，结果将提高机械的传动精度和工作准确性。

该机构由于由齿轮传递动力，所以有较好的动力特性。

六、拟定机械运动方案

1、选择电动机

原动机选用常用的三相交流异步电动机，其同步转速选为1500r/min，其满载转速查表[Y系列三相异步电动机]为1440r/min；

根据要求精压机的生产率约每分钟70件，可知曲柄主轴转速约为70r/min；

计算出该机械运动的循环周期T=60/70≈0.86s；

传动系统总传动比i=1440/70=20.6；

选用的电动机型号为：

电机型号

额定功率（kW）

额定转速（r/min）

Y112M—4

4.0

1440

2、传动设计及计算

1）计算传动比

可以考虑在传动系统中采用带传动，以实现过载保护；同时由于传动系统传动比较大，故采用双级圆柱齿轮传动。

根据推荐的传动比围，带传动比为i=2～4，圆柱齿轮传动比i=3～5，则传动系统总传动比的围：

i总=（2～4）×[（3～5）×2]=18～100；

上述计算所得的总传动比i=20.6在i总的围，可见传动系统采用带传动与双级圆柱齿轮传动是可行的。

下面分配各级传动比：

取带传动的传动比ib=2。

为了使两级的大齿轮有相近的浸油深度，高速级传动比i1和低速级传动i2可按下列方法分配：

i1=i2（1.1~1.5），此处，选择i1=i2*1.2

又由于i1*i2=10.3，

则:

i1=3.52,i2=2.93

2）计算转速

电动机轴：

n0=1440r/min;

带传动输出：

nb=1440/2=720r/min;

第Ⅰ根轴：

n1=720r/min;

第Ⅱ根轴：

n2=720/3.52=204.55r/min;

第Ⅲ根轴：

n3=204.55/2.93=68.32r/min;

计算所得的输出转速满足设计要求的大约70r/min，可以完成预定得工作任务。

3、机械传动方案图

七、机械运动方案简图

八、对传动机构和执行构件进行运动尺寸计算

1、送料机构尺寸设计

1）计算尺寸

因凸轮速度不高，故推程和回程皆选等速运动规律。

题目要求坯料输送最大距离200mm，这里选择推程和回程皆为100mm。

为保持较好的力学性能，推程和回程许用压力角皆取[α]=50°。

由于机械运动的循环周期T=60/70≈0.86s，推程和回程所需时间均为1/4T，凸轮运动角速度为1.17r/min。

因凸轮与齿轮固联，故其等速转动。

考虑到凸轮运动规律较为简单，故可用反转作图法设计凸轮轮廓，取基圆半径r0=150mm，滚子半径rt=15mm。

2）凸轮轮廓设计

确定了凸轮基本尺寸后，利用程序设计的思想对其进行轮廓设计。

C语言源程序如下：

/*根据设计要求，已知凸轮偏距E=0,基圆半径R0=150,滚子半径R0=15,凸轮匀速回转，从动件规律为：

当凸轮回转90度时，从动件等速上升100毫米；凸轮再转30度时,从动件静止不动；凸轮再转90度时，从动件以匀速规律返回初始位置;凸轮继续回转一周中的剩余角度时，从动件静止不动*/

#include

constdoublepai=3.979;

constintFn=5;

main（）

{

doubleR0,Rt,H;/*凸轮基圆半径,滚子半径,从动件的升矩*/

doubleM,E;/*凸轮回转角速度,凸轮偏距*/

doubleF1,F2;/*推程和回程运动角*/

doubleS0,D;/*从动件起始位置时滚子中心高度,凸轮转角*/

doubleD1,D2;/*推程和回程运动角（弧度）*/

doubleS,V,A;/*从动件的位移、速度和加速度*/

doubleX,Y;/*凸轮理论廓线的直角坐标*/

doubleP,Q;/*凸轮实际廓线的直角坐标*/

doubleB1,B2,C;/*中间变量*/

doubleR;/*压力角*/

doubleTmp;

inti;

E=0;R0=150;Rt=15;M=1.17;H=100;F1=90;F2=90;

D1=F1*pai/180;D2=F2*pai/180;

for（i=0;i<=F1+F2;i=i+Fn）

{

D=i*pai/180;

S=H*D/D1;/*计算推程运动规律*/

S0=sqR0（R0*R0-E*E）;

if（i>=F1）

{

Tmp=（i-F1）*pai/180;

S=H-H*Tmp/D2;/*计算回程运动规律*/

}

X=（S0+S）*cos（D）-E*sin（D）;/*理论廓线的极坐标*/

Y=（S0+S）*sin（D）+E*cos（D）;

C=H/D1;/*实际廓线的极坐标*/

R=atan（（C-E）/（S0+S））;/*压力角*/

if（i>=F1）

{

C=H/D2*（cos（2*pai*Tmp/D2）-1）;

R=atan（（C+E）/（S0+S））;

}

B1=（C-E）*cos（D）-（S0+S）*sin（D）;

B2=（C-E）*sin（D）+（S0+S）*cos（D）;

P=X-Rt*B2/sqR0（B1*B1+B2*B2）;

Q=Y+Rt*B1/sqR0（B1*B1+B2*B2）;

printf（"whenD=%8.3f",D*180/pai）;

printf（"degree,theanswersare:

\n"）;

printf（"S=%8.3f\tR=%8.3f\tX=%8.3f\tY=%8.3f\tP=%8.3f\tQ=%8.3f\n",S,R*180/pai,X,Y,P,Q）;

printf（"\n"）;

getch（）;

}

3）输出数据

程序所得数据如下：

转角Φ（度）

压力角α（度）

位移S（毫米）

向径（毫米）

-4.589

150

47.124

16.667

166.667

44.388

33.333

183.333

41.895

200

39.622

66.667

216.667

37.548

83.333

233.333

35.653

100

250

33.917

116.667

266.667

32.325

133.333

283.333

30.862

150

300

29.513

166.667

316.667

28.268

183.333

333.333

27.117

200

350

26.049

216.667

366.667

25.056

233.333

383.333

24.133

250

400

23.271

266.667

416.667

22.465

283.333

433.333

21.784

298.333

448.333

-1.529

300

450

100

-1.529

300

450

105

-1.529

300

450

110

-1.529

300

450

115

-1.529

300

450

120

-24.302

300

450

125

-25.124

283.333

433.333

130

-26

266.667

416.667

135

-26.934

250

400

140

-27.932

233.333

383.333

145

-29.001

216.667

366.667

150

-30.146

200

350

155

-31.376

183.333

333.333

160

-32.7

166.667

316.667

165

-34.126

150

300

170

-35.665

133.333

283.333

175

-37.328

116.667

266.667

180

-39.129

100

250

185

-41.08

83.333

233.333

190

-43.196

66.667

216.667

195

-45.493

200

-47.987

33.333

183.333

205

-50.693

16.667

166.667

210

-53.321

1.667

151.667

215

-4.589

150

220

-4.589

150

225

-4.589

150

230

-4.589

150

235

-4.589

150

240

-4.589

150

245

-4.589

150

250

-4.589

150

255

-4.589

150

260

-4.589

150

265

-4.589

150

270

-4.589

150

275

-4.589

150

280

-4.589

150

285

-4.589

150

290

-4.589

150

295

-4.589

150

300

-4.589

150

305

-4.589

150

310

-4.589

150

315

-4.589

150

320

-4.589

150

325

-4.589

150

330

-4.589

150

335

-4.589

150

340

-4.589

150

345

-4.589

150

350

-4.589

150

355

-4.589

150

4）绘制图形

根据以上数据，绘制凸轮曲线图：

2、冲压机构尺寸设计

1）尺寸设计

由给定的行程速比系数K可以确定导杆机构的几何尺寸。

根据设计要求，行程速比系数K≥1.3，

取K=1.5,

得极位夹角θ=180°（K-1）/（K+1）=36°

设β为DE与竖直方向夹角

题目要求，上模移动总行程为280mm，可以取H=300mm

由图可知：

2*CD*sin（θ/2）+DE（1-cosβ）=280

因β极小，取β=0°

上式即为：

2*CD*sin（θ/2）=280

得CD=453mm

根据公式θ=2*arcsin（AB/AC）

取曲柄AB=180mm，DE=400mm，

得AC=582mm

由于A点至H点距离过长，并且要把齿轮和凸轮连接起来，所以需加一过渡齿轮，一方面满足长距离动力传送，另一方面可以实机构只需要一个动力源。

H点处齿轮为主动件，A点齿轮为从动件，但转速一致，所以尺寸大小一样。

又因为H=300mm，取A点齿轮分度圆直径为240mm，则O点齿轮分度圆直径为360mm，取模数m=5，得小齿轮齿数为48，大齿轮齿数为72。

2）绘制图形

3、带传动设计

1）选择带型号

由原动机及工作情况，查表得，Kn=1.3，则计算功率

Pc=Kn*P=1.3*4.4=5.72kW

再由n1=1440r/min，及Pc值查表得选用B型普通V型带。

2）选带轮直径dp1，dp2

按B型V带带轮最小直径dp1=125mm，

则dp2≈ib*dp1=2*125=250mm。

取ε=0.02，则实际传动比

i’=dp2/dp1（1-ε）=250/125*0.98=1.96

3）验算带速v

v=π*dp1*n1/（60*1000）=3.14*125*1440/（60*1000）=9.42

带速合适。

4）计算中心距和带长Lp

初取a0=dp1+dp2=375mm，则

Lp≈2*a0+π/2*（dp1+dp2）+（dp2-dp1）*（dp2-dp1）/（4*a0）

=2*375+3.14/2*375+（250-125）*（250-125）/（4*375）

=1349.17mm

查表选用基准长度为Lp=1400mm的B型V带，重新计算中心距

a≈a0+（Lp-Lp0）/2=375+（1400-1349.17）/2=400.4mm

4、齿轮减速器设计

由上述所得的齿轮减速器的传动比为ig=10.3，其高速级传动比i1和低速级传动i2已经求出，即i1=3.52，i2=2.93；

下面开始对齿轮减速器进行计算及设计：

1）高速级齿轮

材料选择，小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45号钢（调质），硬度为240HBS。

高速级选小齿轮齿数Z1=18，则大齿轮齿数

Z2=18*i1=18*3.52=64

2）低速级齿轮

材料选择，小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为350HBS，大齿轮材料为45号钢（调质），硬度为300HBS。

低速级选小齿轮齿数Z1=20，，则大齿轮齿数Z2=18*i2=18*2.93=54

3）轴的设计

选取轴的材料为45钢，调质处理。

由于各轴输入功率

第Ⅰ根轴：

P1=4.4kW*0.99=4.36kW

第Ⅱ根轴：

P2=4.36kW*0.99*0.93=4.31kW

第Ⅲ根轴：

P3=4.31*0.99*0.93=3.97kW

根据公式查得A0＝112，则有：

第Ⅰ根轴：

第Ⅱ根轴：

第Ⅲ根轴：

九、总结体会及感想

我们这次课程设计的题目是专用精压机构方案设计与分析。

通过查阅文献资料以及小组讨论，我们最终确定了最优方案，并在很长一段时间里，进行这个方案的系统设计。

这次机械原理课程设计，为我们搭建了良好的实践平台。

我们不仅对以前所学的知识有了一个较为全面的认识，同时，也学会了举一反三，运用已有知识，通过思维断扩展和理论创新解决设计中的问题。

我们相信这些实践将会对我们以后的学习和实际工作中起

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