锁梁自动成型切削机构之欧阳术创编.docx
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锁梁自动成型切削机构之欧阳术创编
时间：
2021.02.02
创作：
欧阳术
摘要
本课题研究的是锁梁自动成型机床切削机构的设计和实现。
本课题的主要目的是使材料经过加工后成为锁梁。
优势为能够连续自动生产，加工质量要达到规定的技术要求，并且机械系统运动方案简单，可靠。
为实现设计要求，将该机构的功能分为三部分。
第一部分：
送料功能；第二部分：
夹紧功能；第三部分：
切削功能。
每个功能要选择采用相应的执行机构。
对于金属的送料功能，可采用的执行机构有，曲柄滑块机构，齿轮齿条机构，六杆机构等。
最终确定为偏置曲柄滑块机构。
对于金属的夹紧功能，可采用的执行机构有，凸轮和连杆机构，棘轮连杆机构，最终确定为凸轮连杆机构。
对于金属的切削功能，可采用的执行机构有，槽轮和连杆机构，凸轮连杆机构。
最终确定为凸轮连杆机构。
根据选定的执行机构，确定最终方案。
根据确定的最终方案，画出CAD总图，并且确定运动循环图。
然后对各个执行机构进行尺寸计算。
尺寸计算采用作图法，对于凸轮要确定其推程和回程的运动规律。
对于减速传动机构要选择恰当的原件得到正确的传动比。
对送料执行机构进行三维建模，确定机构的最终尺寸。
通过以上的步骤，便完成了锁梁自动成型机床切削机构的设计到实现。
关键词
切削机构机械设计绘图建模
第1章锁梁自动成型机床切削机构的工艺要求
1.1锁梁参数
图1.1
图1.1所示为挂锁的一个零件，称为“锁梁”。
锁梁自动成型机床切削机构的功能是将材料切削加工成图1.1所示的“锁梁”。
设计要求和参数为：
连续自动生产；
生产能力为28件/min；
加工质量要达到规定的技术要求；
机械系统运动方案应力求简单，可靠；
1.2机构说明和加工示意图
图1.2
切削加工原理如图1.2所示：
送料夹持器1将工件7送到切削加工工位。
弹簧夹头的锥套6移动，使夹紧爪5将工件7夹紧，送料夹持器1即返回。
圆锥凸轮2移动，使与切槽刀杆和切断刀杆相联的摆杆3摆动，开始进刀，由于刀盘4的旋转运动，使工件被切出圆槽，圆头和最后切断。
圆锥凸轮2返回，摆动刀杆退刀，弹簧夹头松开工件，待送料夹持器1第二次进刀时，将已切削成型的工件推出工位。
第2章锁梁自动成型机床切削机构的设计内容
2.1题目数据
生产率：
28
电机转速：
1100
工件长度：
150
工件D1:
6
工件D2：
4
齿轮模数：
3
2.2锁梁切削机构功能分解
为了实现将工件切削加工成图1-1的形状，可将总功能分解为如下分功能：
（1）送料功能；
（2）材料夹紧功能；
（3）材料切削功能。
其功能逻辑图如1-3所示
图2.1
第3章执行机构的比较和选择
3.1送料机构的选择
工件送料功能需要采用往复移动机构来实现，且应为循环运动而非间歇运动，下面选用几个常见的可以往复移动的机构来实现。
3.1.1偏置曲柄滑块机构
图3.1
功能：
用于将旋转运动转换成有急进慢回特性的循环往复移动。
工作原理:
如图该机构共有4个构件，当曲柄2转动时，带动从动件3往复摆动，从而使4作循环往复运动，这样就实现了送料功能。
自由度：
4个构件，3个可动构件，4个低副，自由度等于1
3.1.2齿轮齿条机构
图3.2
功能：
将旋转运动转换为等速的往复移动
工作原理：
不完全齿轮1顺时针旋转，不完全齿轮1上的齿a与不完全齿轮3啮合，齿轮3又与齿条2相啮合，并带动齿条2向左移动，当齿轮1的轮齿a与齿轮3脱开时，齿轮1上的轮齿b与齿条2进入啮合，从而带动齿条向左移动，改变齿轮的齿数可调节齿条2在两端的停歇时间。
机构自由度：
3个可动件，个主动件，1个自由度
最优方案：
齿轮齿条虽然能够实现快进慢退，循环往复的功能，但其制造装配成本高，且占据空间大，不够合理，偏置曲柄滑块机构结构简单，即可实现循环运动，往复运动，有较合适的压力角和送料行程，实现送料功能，故采用偏置曲柄滑块机构。
3.2切削材料时夹紧机构的选择
通过凸轮实现夹紧管左右移动使弹簧夹头夹紧工件。
用弹簧夹头进行夹紧，弹簧夹头的材料是焠火过的钢套，起夹爪有弹性，夹爪外部成锥体，在弹簧夹头的外面有一具有内锥的夹紧管，当夹紧管左右移动时，利用夹紧管与弹簧夹头的锥面实现夹紧与松开，夹紧管的左右移动由凸轮机构实现。
下面选用几个备选方案来实现
3.2.1凸轮连杆机构
图3.3
功能：
实现夹紧功能
工作原理:
当凸轮7转动时，通过直动推杆5推动摆杆2带动夹持器1做间歇往复运动。
从而实现夹紧功能
自由度：
凸轮机构和连杆机构自由度6个可动构件6个低副2个局部自由度3个高副1个自由度
3.1.2棘轮连杆机构
图3.4
功能：
实现夹紧功能
工作原理：
当棘轮转动时，带动棘爪4运动，从而使摆杆3左右移动，得到了间歇运动，实现夹紧功能
自由度；F=3*4-2*5-1=1
最优方案：
合理的设计凸轮轮廓可以让夹紧机构的加紧时间与切削时间吻合，选用凸轮+连杆机构较为合适，并较为可靠，结构也较为简单，有平稳的运动特性。
而棘轮机构运动精度差，工作时有较大的冲击和噪音，且制造复杂，故不选用。
3.3切削时的进给机构的选择
通过刀具的绕工件旋转和刀具的横向切削进给运动实现飞刀切削。
由于采用飞刀切槽，刀具不仅要绕工件旋转，同时还要作横向切削进给运动。
为了使结构简单，当横向进给运动行程不大时，可以用弧线运动代替，弧线进给运动是间歇往复回转运动如图，回转刀架上安装有能绕回转刀架作相对转动的切槽刀杆和切断刀杆，刀杆一端与锥套组成高副联接。
锥套与回转刀架为键联接，可相对回转刀架作轴向移动。
加工时，锥套与回转刀架一起旋转，同时由凸轮机构试其作相对刀架的轴向移动，此时锥套与刀杆组成的高副使刀杆摆动，从而实现切槽和切断功能。
3.3.1凸轮和连杆机构
图3.5
功能：
将旋转运动转换为刀架的间歇往复移动，从而实现刀架的进给功能。
工作原理:
凸轮7的旋转运动，带动推杆5的水平移动，通过滚子4推动竖直杆2摆动，从而使得刀架间歇往复移动，实现刀架的进给功能。
自由度：
6个可动构件、6个低副、2个局部自由度、3个高副、1个自由度。
推杆5上的两个滚子有效地减小了系统摩擦，改善了机构的传递性能，使得机构的传递效率大大的提高，弹簧6的使用使得竖直杆2与凸轮形成力封闭，保证了竖直杆2的往复间歇摆动。
使本机构具有良好的动力性能。
3.3.2槽轮和连杆机构
图3.6
功能：
将旋转运动转换为刀架的间歇往复移动，从而实现刀架的进给功能。
工作原理：
拨盘4为主动件，通过圆销带动槽轮3，槽轮3带动竖直杆2摆动，从而使得刀架间歇往复移动，实现刀架的进给功能。
自由度：
F=3*4-3*5-1=1
最优方案：
推杆5上的两个滚子有效地减小了系统摩擦，改善了机构的传递性能，使得机构的传递效率大大的提高，弹簧6的使用使得竖直杆2与凸轮形成力封闭，保证了竖直杆2的往复间歇摆动。
使本机构具有良好的动力性能。
图2-6
凸轮和连杆机构的传递性能好，磨损较小，且竖直杆与凸轮通过弹簧形成力封闭，可保证刀架的间歇往复运动。
故采用凸轮连杆机构。
槽轮机构转动时存在柔性冲击，且制造复杂，故不采用
3.4机构最终方案的确定
图3.7
3.5运动循环图
根据工艺动作顺序和协调要求，需在送料动作结束后进行加紧，在加紧过程中进行进给切削运动。
故对运动进行如下分配：
执行阶段
运动阶段
运动时间（s）
分配转角（°）
送料阶段
送料
回程
0.714s
1.429s
120°
240°
夹紧阶段
初始
上升
夹紧
回程
0.566s
0.238s
0.982s
0.357s
95°
40
165°
60°
进给阶段
初始
上升
远休
回程
0.982s
0.804s
0.060s
0.300s
165°
135°
10°
50°
表3.1
表3.1
如图所示：
送料：
进程0°-120°回程120°-360°
夹紧：
近休360°-95°推程95°-135°
远休135°-300°回程300°-360°
进给：
近休330°-135°推程135°-270°
远休270°-280°回程280°-330°
图3.8
第4章机构尺寸的计算和确定
4.1送料机构的尺寸计算
图4.1
作图步骤：
1：
先画一条水平线，再自己定出AC2的大小和方向
2：
由循环图送料部分可得，K=2，从而可得极位夹角为60°，即角C1AC2等于60
3：
作AC1交水平线于C1
4:
由图解法，AC1=AB+BC,AC2=BC-AB,BC等于/2,AB等于/2
5:
设C1C2等于送料行程150，U=150/46,AB=U*16,BC=U*38,AD=U*21。
AB=52.17，BC=123.91,AD=68.48。
4.2切削材料时夹紧机构的尺寸计算
图4.2
如图所示，这里的推杆5与凸轮中心相对，偏心距为0，支点3位于加紧套与推杆5竖直距离的中点处，以保证推杆5的移动距离与夹紧套的移动距离相等。
而推杆5和摆杆2的长度根据实际装配要求确定，只要满足其推程确定就可以了，所以这里只要确定凸轮。
图4.3
图4.4
在夹紧凸轮中，弹簧夹头的锥面的锥角对夹紧管的左右移动位移有直接影响，从而要想确定夹紧凸轮的推程要先确定弹簧夹头的锥度。
假设取锥度a=45°，弹簧夹头的竖直距离h最好大于或等于加工材料的直接D1，所以取h=12mm，故凸轮的推程为夹紧管移动的位移，s=（h-D1）/2=3mm.为了适应更大的加工范围和更好的夹紧动作取凸轮的推程为6比较合理。
凸轮采用推程回程采用正弦加速度运动规律，推程S为6，远休角165，近休角95，推程角40，回程角60，基圆半径12。
利用推程运动公式，得：
角度=10S=0.55
角度=15S=1.57
角度=20S=3
角度=30S=5.45
角度=40S=6
利用回程运动公式，得
角度=10S=29.15
角度=20S=24.15
角度=30S=15
角度=40S=5.85
角度=50S=0.85
角度=60S=0
4.3切削时的进给机构的尺寸计算
图4.5
如图所示，进给机构采用的是凸轮连杆机构。
这里的推杆5与凸轮中心相对，偏心距为0，支点3位于锥套与推杆5竖直距离的中点处，以保证锥套进给距离与推杆5移动的距离相当。
而推杆5和摆杆2的长度根据实际装配要求确定，只要满足其推程确定就可以了，所以这里只要确定凸轮尺寸。
2
对进给锥套，给定锥度θ=45°。
图4.6
因为材料原始直径D1=6mm，则材料的切削用量至少为3mm，所以取进给凸轮的推程设为6比较合理。
凸轮采用正弦加速度运动规律，远休角10°、近休角165°、推程角135°、回程角50°，取凸轮的基圆半径10mm，推程S为6mm
利用推程运动公式，得：
角度=20S=0.12
角度=40S=0.86
角度=60S=2.34
角度=80S=4.08
角度=100S=5.40
角度=120S=5.95
角度=134S=6
利用回程运动公式，得：
角度=10S=5.71
角度=20S=4.16
角度=30S=1.84
角度=40S=0.29
角度=50S=0
4.4传动减速机构的尺寸计算
特点
寿命
应用
齿轮传动
承载能力和速度范围大；传动比恒定，采用卫星传动可获得很大传动比，外廓尺寸小，工作可靠，效率高。
制造和安装精度要求高，精度低时，运转有噪音；无过载保护作用
取决于齿轮材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合与抗磨损能力
金属切削机床、汽车、起重运输机械、冶金矿山机械以及仪器等
蜗杆传动
结构紧凑，单级传动能得到很大的传动比；传动平稳，无噪音；可制成自锁机构；传动比大、滑动速度低时效率低；中、高速传动需用昂贵的减磨材料；制造精度要求高，刀具费用贵。
制造精确，润滑良好，寿命较长；低速传动，磨损显著
金属切削机床（特别是分度机构）、起重机、冶金矿山机械、焊接转胎等
带传动
轴间距范围大，工作平稳，噪音小，能缓和冲击，吸收振动；摩擦型带传动有过载保护作用；结构简单，成本低，安装要求不高；外廓尺寸较大；摩擦型带有滑动，不能用于分度链；由于带的摩擦起电，不宜用于易燃易爆的地方；轴和轴承上的作用力很大，带的寿命较短
带轮直径大，带的寿命长。
普通V带3500-5000h
金属切削机床、锻压机床、输送机、通风机、农业机械和纺织机械
链传动
轴间距范围大；传动比恒定；链条组成件间形成油膜能吸振，对恶劣环境有一定的适应能力，工作可靠；作用在轴上的荷载小；运转的瞬时速度不均匀，高速时不如带传动平稳；链条工作时，特别是因磨损产生伸长以后，容易引起共振，因而需增设张紧和减振装置
与制造质量有关
5000-15000h
农业机械、石油机械、矿山机械、运输机械和起重机械等
表4.1续
机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。
传动机构最常见的有齿轮传动、带传动、蜗杆传动等，他们的特点如上表。
由于生产率为28件/分，而电动机的转速为1100r/min，
i总=1100/28
故采用两级齿轮减速
一级减速：
i1=n3/n4=z3/z4=25/4
二级减速;i2=n5/n6=z5/z6=44/7
I总=i1*i2
齿轮模数3
D3=75
D4=12
D5=132
D6=21
图4.7
功能元
功能元分解
1
2
3
减速1
带传动
齿轮传动
涡轮传动
减速2
带传动
齿轮传动
涡轮传动
送料机构
偏置曲柄滑块机构
齿轮齿条机构
夹持机构
棘轮连杆机构
凸轮+连杆机构
切断机构
槽轮连杆机构
凸轮+连杆机构
表4.2
4.5机构最终尺寸的确定
图4.8
其中，由送料机构知AB=52.17mm,BC=123.91mm,H=68.48mm,则摆杆3的支点与加紧套的竖直距离为1/4H=17.12mm，摆杆1的支点与锥套轴线竖直距离为1/4H=17.12mm。
送料部分连杆机构运动分析：
此部分利用proe进行运动学分析，见附录
从图像来看，送料部分的位移约为150mm，与设计参数一样，送料行程部分符合条件。
由生产率为28件/分，可知加工一个工件为2.143秒，从图像来看周期约为2.1秒，符合预计的生产率。
参考文献
1.《机械原理教案》主编：
余述凡
2.《机械原理》第七版主编：
孙桓陈作模葛文杰
3.《机械原理课程设计手册》第二版重庆大学出版社
4.《机械制造技术基础》第三版重庆大学出版社
5.《机械工程材料及其成型技术基础》主编：
申荣华华中科技大学出社
6.《平面连杆机构的计算设计》高等教育出版社主编：
梁崇高
7.《机械创新设计》主编：
吕仲文机械工业出版社
8.《机械原理课程设计》主编：
裘建新高等教育出版社
致谢
本次机械设计，让我受益匪浅。
说到课程设计，在我的印象中，感觉对自己而言是比较轻松的，但实际的操作把我从空想的天国拉了回来。
课程设计这是一门综合的学习，它不仅需要理论的知识要过关，还要结合动手实践与发散思维的多重检验，更多的还有对我们掌握三维制图能力的检测。
所以在整个设计过程中和老师预想的差不多，时间过得很快，很多同学根本跟不上老师的进度，这其中的原因大多是很多同学对课程设计的不了解性，还有对三维建模的能力还很薄弱。
尽管问题很多很多，但我们并没有过放弃的念头，而是每天到图书馆去查阅相关的书籍，遇到疑难就向老师或者同学询问，经过百般的磨练终于顺利完成任务。
在学习中，我还真正体会到了一个团队的重要性，我想，无论是现在还是未来我们都是活在一个小的或者大的团队里，而一件伟大的工艺品的产生不仅仅是靠一个人的努力就能实现，更多还应该具有团队的合作，所以怎样把一个团队的意见和想法发挥到最大，我想这也是这次课程设计的一大重点。
千里之行始于足下，期间的学习有很多的疑难和幸酸，但更多的是收获，因为作为一名将要肩负建设祖国未来的机械工程师来说，机械的设计和模型的建立是一项最起码最基本的技能。
我们可能不能成为最好的机械工程师，但我们可以成为最有责任心最努力的，这也是成功的。
在此期间，我不断的思考与学习，还深刻意识到做机械和做好机械的差距，这就像一件工艺品，只有细心雕琢的人才懂得它原本的价值。
在当今这技术先进的时代里，我们要想让自己活得主动，那手里就必须有筹码，而学习就是我们目前唯一的筹码，所以进取才是我们唯一的可行之路。
起初还在抱怨老师为什么这么严格，到现在终于知道了，一个课程设计可能设计的不仅仅是一个机构，或许是我们的人生，感谢老师。
就像毛主席说的，我们要做一个能吃苦而丝毫不叫苦的人，那么我们就能真正的成功了。
附录一用PRO/E对送料机构进行分析
附录1.1送料机构的三维建模
附录1.2送料机构的线性位移
附录二机构总体尺寸的CAD总图
时间：
2021.02.02
创作：
欧阳术
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