推杆镦粗机床上料机构设计.docx
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推杆镦粗机床上料机构设计
1前言
1.1选题背景与意义
1.1.1选题背景
在今天的工业生产中，推杆的应用日益普遍，在模具生产等行业已成为一种通用的标准件。
随着科学与技术的发展，不论是在生产精度还是在生产效率方面都对推杆的加工生产提出了更高的要求。
传统的推杆加工方法不但加工效率低下，而且能源消耗大，自动化水平低。
国外在这一领域已经实现了自动化，凭借更高的精度和更低的价格迅速占领了市场。
反观国内，推杆的生产水平普遍低下，在激烈的市场竞争中处于很不利的境地，对推杆生产加工方式进行技术改革已迫在眉睫。
对于推杆生产，锻造的方式更符合节能高效的现代生产理念，不但加工工序少、效率高，而且通过锻造得到的推杆具有更好的力学特性。
传统锻造生产往往采取人工送料的方式，如果用手工送料,则存在两大问题：
一是无法连续自动冲压,生产效率很低二是操作工要用手送料到模腔,危险性很大,时有砸伤手臂等事故发生【1】。
在锻造生产中,采用中频感应加热的厂家越来越多，近年来,为了提高生产率、提高锻件质量、减少操作人员,人们对锻造生产线的水平提出了较高的要求。
开发感应加热炉自动化上、下料,这不但可以满足用户对感应加热自动化的要求,而且也可以提高了我国自行组建锻造生产线的水平。
因此我选择了“推杆镦粗机床上料机构设计”这一课题。
1.1.2选题意义
选择推杆镦粗机床上料机构设计这个题目，是因为这个题目可以运用到大学期间所学的多门专业知识，如机械原理、机械设计、流体传动与控制技术、计算机辅助绘图和机械制图等。
加深对所学知识的了解和并熟练运用，对我们将所学知识融会贯通有很大的帮助。
此外，在锻造生产中,采用中频感应加热的厂家越来越多，近年来,为了提高生产率、提高锻件质量、减少操作人员,人们对锻造生产线的水平提出了较高的要求。
开发感应加热炉自动化上、下料,不但可满足用户对感应加热自动化的要求,而且也提高了我国自行组建锻造生产线的水平。
因此选择这个课题不但可以提高我熟练应用所学的能力也具有现实生产意义。
1.2推杆加工简介
推杆作为模具生产等行业中的一种通用标准件，其应用与需求日益扩大。
对于推杆的生产，目前普遍应用中频感应加热锻造技术，即对其一头进行加热然后镦粗成型。
示意图如图1.2所示：
图1.2推杆简图
1.3设计内容
1.3.1设计任务研究
推杆作为模具标准件，其应用日益广泛。
随着科学技术的发展及客户对产品要求的提高，我国传统的推杆生产方式已不能满足日益增长的需求。
国外很多企业跟随形势，对推杆生产加工进行了很多富有成效的技术改革。
这使得我国在市场竞争中处于很被动的局势。
为改变这一局面，关键在于使推杆的生产实现了一人多机的高效率、高品质、低成本、低劳动强度的自动化生产方式，提高生产效率、降低成本。
1.3.2设计任务要求
毕业设计的题目是：
推杆镦粗机床上料机构设计。
推杆镦粗机床上料机构是用于模具标准件推杆制造过程中“加热锻头”的专用设备。
此设计用于该机床的自动化上料，在工件“加热锻头”的过程中，要求与载体进退等协同动作，完成双侧自动上
料机构的机械设计。
设计参数：
整个动作周期：
22秒，
上料动作：
1秒
工件坯料尺寸：
直径φ5.0-φ16,长度50-300
上料气缸压力：
5kg/cm2,
机床外形参考尺寸：
5.0×1.5×1.5
1.3.3预期研究结果
本次设计要求结构合理、性能可靠、成本低、生产效率高。
并且在工件“加热锻头”的过程中，要与自动加热、顶料、定位、卸件等同步动作，完成其双侧自动上料机构的机械设计。
2功能设计
2.1功能要求
本机构中的工件坯料为直径为φ5.0-φ16,长度为50-300的圆柱杆件，设计的上料机构必须实现直径长度不同的坯料单个顺序供给，并要满足结构合理，经济性高，实用性，生产效率高等要求。
2.2方案设计
首先，查阅各方面与本题目相关文献，包括专利、书籍、企业资料、期刊、论文和设备技术参数。
通过对这些资料的阅读整理，我对各类机床的自动上料系统的选材、组成机构、实现方式、工作过程都有一个初步的了解。
并对推杆的用途、市场需求、生产制造技术条件、研究水平和未来发展趋势有了初步认识。
之后，对设计条件、环境、实用性、经济性、精度要求以及设计内容、设计要求等方面进行了充分的考虑后，提出了一套方案。
示意图如图2.2所示：
图2.2
利用工件坯料的物理特性可将工件布置在一个斜平面上，可实现工件的有序排列，并可根据机构工作空间和工件数量将该斜面更改为“S”形，以便更有效的利用空间。
依靠挡板A、B的交替升降完成棒料的单个有序供给。
其工作过程如下：
当棒料
顺着斜轨滚下时，挡板A上行挡住滚落的棒料，然后挡板B升起，此时挡板A、B之间只有一根棒料，当挡板A落下时，A、B之间的棒料就落下，实现了棒料的单个有序供给。
其工作分解图如下：
图a
如图所示，当工件坯料顺着斜面滚下时，被挡板A拦截，此时挡板B受驱动升起，挡住后面的坯料。
图b
当挡板B升起以后，此时后面的坯料被挡板B所阻断，A、B挡板间只剩下一根坯料。
图c
挡板A降下，此时挡板A、B间的坯料顺着斜面滚下，后面的坯料则被挡板B拦
截无法滚落。
图d
当坯料滚落后，挡板A升起，此时已完成一根棒料的供给，挡板B再次落下，后面的坯料滚落。
图e
挡板B降下以后，后面的坯料落下，完成一个周期，实现了坯料杆件的单个有序供给。
2.2.1机构性能分析
该机构可以有效完成坯料单个有序供给的课题要求，动作简单，且易于实现。
（1）但题目要求直径φ5.0-φ16,长度50-300不同直径及长度的坯料上料，所以A、B之间的距离必须可调节。
（2）应选择适当的动力系统完成挡板的往复运动，并且应具有造价低廉、稳定、污染少等原则。
（3）此外挡板的形状设计成栅栏状更符合要求经济性和节能理念。
2.2.2动力系统的分析与选择
该机构的主要动作为往复直线运动，可实现直线往复运动的机构有曲柄滑块机构，曲柄摇杆机构，凸轮机构，液压系统，气压系统等。
其中比较适用于该机构的有凸轮机构，气压系统，液压系统。
2.2.2.1三种机构优缺点分析
1、凸轮机构：
凸轮机构可以有效实现该机构中所要求的直线往复运动，其特点如下：
（1）凸轮机构是由凸轮，从动件及机架三个基本构件所组成的高副机构。
（2）凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常为主动件，作往复直线运动或等速回转运动。
（3）与凸轮轮廓接触，并且传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动的构件，称为从动件。
（4）凸轮机构在应用中基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。
因为从动件的运动规律由凸轮轮廓曲线所决定，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律设计凸轮的轮廓曲线就可以了。
但凸轮机构曲面设计复杂，加工困难，成本偏高。
[2]
2、气动系统：
优点
（1）因空气黏性很小，所以其损失也很小，高效、节能，适于远距离输送；
（2）以空气作为其工作的介质，来源广泛，且用后可直接排入大气而不造成环境污染；
（3）反应快、动作迅速、不易堵塞、维护简单；
（4）成本低、具有过载保护能力；
（5）工作环境适应性好，安全可靠。
缺点
（1）有较大的工作噪声；
（2）不易获得较大的转矩或推力；
（3）工作稳定性稍差；
（4）功率较小。
[3]
液压
优点
（1）可实现无级调速；
（2）体积小、重量轻、结构紧凑；
（3）容易实现过载保护；
（4）比较容易实现自动化；
（5）功率大；
（6）传递运动平稳、润滑好、寿命长。
缺点
（1）有泄漏，且效率低；
（2）油温变化时会对传动性能产生影响；
（3）对制造精度的要求高；
（4）有故障时不易查找；
（5）制造成本较高。
2.2.2.2三种系统对比与选择
对三种系统进行分析并结合设计所给出的条件：
上料动作1秒/个，上料压力5kg/mm2，因此可以看出对于动力系统的要求必须反应快、动作迅速，此外功率应尽量小，以降低成本。
所以选用气动系统明显优于其他两种机构，不仅符合反应快、动作迅速、功率小等要求，但能满足上料压力要求，高效、节能。
而且，气动系统以空气为工作介质，来源方便，且用后可直接排入大气而不会造成环境污染，相比液压系统更加经济且环保，并且维护简单，操作方便。
所以该系统的动力系统初步设定为气压动力系统。
2.3传动系统的选择
在各种机构型式中，连杆机构的特点表现为具有多种多样的结构和多种多样的特性。
仅就平面连杆机构而言，即使其连杆件数被限制在很少的情况下，大量的各种可能的结构型式在今天仍难以估计。
它们的特性在每一方面是多种多样的，以致只能将其视为最一般形式的机械系统。
在近代，随着工业越来越高度自动化，在大量的自动化生产线上，许许多多的连杆机构得到了应用。
工业生产自动化程度越来越高，连杆机构以及它与其它类型的机构组成的组合机构将得到更加广泛的应用，特别是形状丰富多样的连杆曲线将应用在更多的场合中。
连杆机构特点如下：
a.连杆机构中构件间以低副相连，低副两元素为面接触，在承受同样载荷的条件下压强较低，因而可用来传递较大的动力。
又由于低副元素的几何形状比较简单，故容易加工。
b.构件运动形式具有多样性。
连杆机构中既有绕定轴转动的曲柄、绕定轴往复摆动的摇杆，又有作平等，利用连杆机构可以获得各种形式的运动，这在工程实际中具有重要价值。
c.在主动件运动规律不变的情况下，只要改变连杆机构各构件的相对尺寸，就
可以使从动件实现不同的运动规律和运动要求。
d.连杆曲线具有多样性。
连杆机构中的连杆，可以看作是在所有方向上无限扩展的一个平面，该平面称为连杆平面。
在机构的运动过程中，固接在连杆平面上的各点，将描绘出各种不同形状的曲线，这些曲线称为连杆曲线。
e.在连杆机构的运动过程中，一些构件（如连杆）的质心在作变速运动，由此产生的惯性力不好平衡，因而会增加机构的动载荷，使机构产生强迫振动。
所以连杆机构一般不适于用在高速场合。
f.连杆机构中运动的传递要经过中间构件，而各构件的尺寸不可能做得绝对准确，再加上运动副间的间隙，故运动传递的累积误差比较大。
【2】
设计连杆机构，其中最主要的问题就在于根据给定的设计要求选定机构的型式，确定各个构件尺寸，除此之外还需要满足一些结动力条件、构条件和运动连续条件等要求。
根据机构的性能要求和用途的差异，对连杆机构设计的要求是不同的，但这些要求可以总结为以下三方面的问题：
（1）应满足预定的连杆位置要求。
即要求连杆要需据一有序的预定位置。
因此
这类设计问题要求所涉及的机构可以引导连杆按照要求的方位通过预定位置，因而这类问题又被称为刚体的引导问题。
（2）满足预定的运动规律要求。
比如，要求两个连架杆的转角能满足预定的相对位移关系；或者要求在原动件运动规律一定情况下，从动件能够准确或者近似地满足预定的运动规律要求。
又称为函数的生成问题。
（3）应满足预定的轨迹要求。
即在机构运动过程中，连杆上某个或某些点的轨迹应符合预定轨迹的要求，简称为轨迹的生成问题。
传动系统需要将气缸的往复运动准确平稳的传递到挡板上，在对很多机构进行分析对比后，决定选择连杆机构作为传动系统，最后确定为四杆机构。
最终机构示意图如下：
图2.3a
从镦粗机工作效率的考虑，将该机构布置为左右对称的两个，可实现棒料的双侧下料，工作效率大大提高。
示意图如下：
图2.3b
1、工件坯料2、上料槽3、气缸
3辅助机构设计
3.1上料机构调整机构设计
该机构主要采用丝杠的性能来实现的对挡板间距的调整。
该机构如下图所示，由于要实现尺寸为φ5-φ16的坯料的调整，所以该机构的移动距离应不小于11mm。
此外，挡板的间距不经常调整，所以该机构可用手工操作，即使用扳手拧动在外的螺杆头即可实现对挡板距离的调整。
丝杠的螺纹也选择比较常见的梯形螺纹。
图3.1上料调整机构
3.2上料槽设计
在本次设计的机构中，上料槽作用为承接沿斜面滚下的工件坯料，需要使工件坯料轴线与总机中顶料杆的进给方向一致，且在自由度方面要求消除坯料杆件沿其中心线方向的位移和转动两个自由度以外的其他自由度。
所以上料槽属于装配夹具，结合工件坯料自身特点及工作要求，可选择V形块作为上料槽的雏形，并选用较常用的两斜面夹角为
的V形块。
为防止工件滑落后因惯性而产生不稳定因素造成工件表面划伤或跳出V型槽，并且满足于φ5.0-不同直径的坯料的定位，对传统的V型槽做出了以下改进。
（1）为使工件能够平稳滑下，不造成工件表面损伤，可将此处的棱角用R5圆角过渡。
（2）为使直径为φ16的杆料顺利落入V行槽中，将V行槽上端的开口宽度定为
22mm。
（3）将V形块不上料的高度设计略高一点，以避免由于某种突发状况造成工件坯料跳过V字槽滚出上料槽的情况，在此选择高出10mm。
（4）考虑到总机的布置和与其他机构的配合，以及有足够空间进行双侧上料，初步选定的尺寸如下：
图3.4上料槽a
因长期工作会对上料槽表面造成影响，所以可将整个上料槽分为接触面和底座两部分，通过更换接触面不但可解决变形问题，还可以装载更大尺寸的棒料。
其外形可见下图：
图3.5上料槽b
3.3机架的设计
机架的设计，要满足于机器特定的工作要求，如保证机架上所安装的零部件能顺利运转，机架的外形对内部结构不阻碍机构的运动和工作等。
其主要性能要求为刚度，因为刚度决定机器装配质量和加工精度等。
最后，应要求有好的散热性、高的稳定性、美观大方等[11]。
其外形及部分尺寸可结合总机尺寸5m5.0×1.5m×1.5m及相关部件来确定。
图3.3
4机构的相关计算
4.1气缸的设计计算与选择
4.1.1气压系统简介
近年来，气动技术有了很大发展，它结合了电子技术、机械、液压、电气技术的众多优点，广泛的运用到生产生活的各个领域。
优点
（1）因空气黏性很小，所以其损失也很小，高效、节能，适于远距离输送；
（2）以空气作为其工作的介质，来源广泛，且用后可直接排入大气而不造成环境污染；
（3）反应快、动作迅速、不易堵塞、维护简单；
（4）成本低、具有过载保护能力；
（5）工作环境适应性好，安全可靠。
缺点
（1）有较大的工作噪声；
（2）不易获得较大的转矩或推力；
（3）工作稳定性稍差；
（4）功率较小。
由此可见，在此选择气压系统作为机构的动力是非常适合的，既满足经济性，也能很好的完成要求任务。
气缸作为气动系统中的执行元件，其类型多种多样，结构、形状均有差异。
根据不同标准可以有不同的分类，所以可有以下分类：
（1）按压缩空气作用在活塞端面上的方向，可以分为双作用气缸和单作用气缸两种；
（2）按安装方式可分分为耳座式、法兰式、轴销式和凸缘式；
（3）按结构不同可分为叶片式、柱塞式、活塞式、薄膜式气缸和气液阻尼缸等几种；
（4）按功能分可分为普通型和特殊型气缸。
4.1.2气缸设计计算与选择
4.1.2.1气缸设计过程
（1）根据设计机构结构要求和运动要求选择气缸的安装方式及类型；
（2）根据缸的类型和工作要求来确定气缸各部结构、技术要求等；
（3）根据气缸工作压力及直径，计算并选择缸筒壁厚，计算活塞杆直径；
（4）根据设计速度要求及机构载荷来计算气缸直径，计算缸径一般要圆整为标准缸径；
（5）在计算出气缸直径后就可以选取适当的气缸产品。
4.1.2.2气缸设计计算
首先，根据工作机构运动要求选择气缸的类型，由于该气缸要带求做往复运动，所以要选择双作用。
然后，确定气缸的安装方式。
气缸要与四杆机构的一端相连，因四杆机构中与气缸相连的杆有摆动动作，所以与它连接的气缸也会有相应的摆动，所以此处要选择双耳轴销MP2式气缸，设计一气缸安装架将气缸倒立悬挂起来以方便其摆动。
下面进行有关计算：
（1）根据工作速度要求机和构载荷，计算气缸直径并圆整为标准缸径。
双作用普通气缸只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等。
假设气缸为横放，有活塞杆的一端左向。
缸内径为D，活塞的直径为d（单位均为m）；活塞向左行进时活塞杆产生推力设为F1，活塞右行时活塞杆所产生拉力设为F2，有公式：
（3.9）
（3.10）
其中，P——气缸的工作压力，单位为Pa；
Fz——气缸工作的总阻力，单位为N。
气缸所收阻力因素可以以载荷率η的形式计入公式，在计入载荷率后，公式为：
（3.11）
（3.12）
计入载荷率后就能保证气缸工作时的动态特性。
若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取η=0.7—0.85。
若气缸动态参数要求较高，且工作频率高，其载荷率一般取η=0.3—0.5，速度高时取小值，速度低时取大值；由公式（3.11）、（3.12）可求得气缸直径D：
当推力做功时，
（3.13）
当推力做功时，
（3.14）
公式（3-6）中的活塞杆直径d可根据气缸拉力预先估定，一般估算d=（0.2—0.3）D，必要时也可取d=（0.16—0.4）D。
将d/D=0.16～0.4代入（3.14），可得：
（3.15）
系数在缸径较小时取大值、缸径较大时取小值。
由已知气缸压力为5kg力/cm2，所以的气缸的工作压力：
推力F1则可由挡料杆的重力推算出，可得不计其他机构可能产生的阻力和摩擦力的推力F1’：
（3.16）
其中，
为挡料杆材料的密度，V为一根挡料杆的体积，g为重力加速度取9.8m/s2。
所以有：
在F1’的基础上再加上一些摩擦力及其他零件的重力，取F1=180N。
由机构结构可以看出F1>F2，所以进行估算F1=F2=180N。
由于该机构动态参数要求一般，且基本为匀速运动，所以载荷率取η=0.7—0.85，可以取再将P和F2’代入公式（3-15）得：
由以上结果可知气缸直径不小于30mm即可，但是考虑到可能存在考虑遗漏的阻力所以可取标准值40mm以保证工作要求。
（2）活塞杆的设计计算
1、活塞杆可按强度条件计算，当活塞杆的长度L较小时（L≤10d），可以只按强度条件计算活塞杆直径d，公式为：
（3.17）
其中，
，
——材料的抗拉强度，单位Pa；
S——安全系数，取S≥1.4；
F1——气缸推力。
由推力F1=180N,查表得
=500Mpa计算得：
考虑做功等因素后，考虑到不影响行程，取标准直径d=6mm,L=60mm。
（3）缸筒壁厚的设计计算
缸筒直接承受压力，需要有一定的厚度。
由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比
δ/D
1/10，通常可按薄壁筒计算，公式为：
（3.18）
其中，δ——壁厚，单位为m；
Pt——气缸试验压力，一般取Pt=1.5P，单位Pa；
——缸筒材料的许用应力，=/S，单位MPa；
——材料抗拉强度，单位Pa；
S——安全系数，一般取S=6～8。
缸体材料选为45钢，
=100MPa，
则
由此计算结果可知，设计对缸筒厚度要求非常低，所以，可选用博型气缸。
4.1.3气缸的选择
综合以上数据，们可选用市场上较常用的，品质好的标准气缸。
下面重点介绍市面上常用的两个公司的及其气缸特点：
（1）德国FISTO公司
德国FISTO公司是目前世界上最早、最大的气动系统及气动元件生产商。
其产品的质量和销量均占世界第一，是世界上该行业的龙头。
其气缸轴心都是由不锈钢制成，使用寿命很长，外形奇特外表光滑，质量好，但价格较为昂贵，多用于精密和重型设备中。
（2）日本SMC公司
日本SMC公司是世界级的气动元件制造、研发、销售商，属亚洲第一。
SMC产品以其可靠性高、品种齐全、经济耐用、能满足众多领域不同用户的需求而广受好评。
SMC气缸轻便、结构简单、容易维护，压力等级低，性价比高。
SMC以轻型化、小型化为主要战略路线，故其产品多用于轻小型设备中，价格便宜，但其质量不如德国FISTO公司。
由于所设计机构属轻型设备，且之前算出的数据也显示要选取的气缸为小型气缸，再综合经济性，可选取性价比较高的SMC公司产品：
CQ2系列薄型气缸，结合相关数据，选取了型号为CDQ2D4050DCM的气缸[8]。
其中该气缸带磁性开关，以方便控制信号的传输，方便操作。
4.1.4气缸行程调节装置
由于在机构中选用的设计CDQ2D4050DCM型气缸的行程为50mm，在绝大数情况下都大于所需要的进给量，所以需要对其实际进给量进行控制。
于是采用了以下装置来对气缸的行程进行控制。
1-气缸行程调节螺杆；2-螺母；3-气缸行程调节座
图4.3气缸行程调节装置
在上图所示装置中三个零件通过螺纹想连接，平面a为与气缸摇臂连接件的撞击平面，利用气缸过载时自我保护能力，可通过螺杆的高度达到控制气缸行程的目的。
而螺母和气缸行程调节座组成了摩擦放松的对顶螺母结构，增加其工作精度和稳定性。
4.2平面四杆机构的尺寸选择计算
设计连杆机构，其中最主要的问题就在于根据给定的设计要求选定机构的型式，确定各个构件尺寸，除此之外还需要满足一些结动力条件、构条件和运动连续条件等要求。
根据机构的性能要求和用途的差异，对连杆机构设计的要求是不同的，但这些要求可以总结为以下三方面的问题：
（1）应满足预定的连杆位置要求。
即要求连杆要需据一有序的预定位置。
因此
这类设计问题要求所涉及的机构可以引导连杆按照要求的方位通过预定位置，因而这类问题又被称为刚体的引导问题。
（2）满足预定的运动规律要求。
比如，要求两个连架杆的转角能满足预定的相对位移关系；或者要求在原动件运动规律一定情况下，从动件能够准确或者近似地满足预定的运动规律要求。
又称为函数的生成问题。
（3）应满足预定的轨迹要求。
即在机构运动过程中，连杆上某个或某些点的轨迹应符合预定轨迹的要求，简称为轨迹的生成问题。
由于该机构需完成的运动是上升时应挡住工件坯料，下降时能使工件坯料顺利滑下，所以在垂直地面方向的位移要求有不小于一个坯料直径，而水平方向可在垂直方向位移内应小于坯料半径的范围内移动。
下面进行四杆机构的设计：
图3.1四杆机构简图
如上图，因该机构需要安装在底座或者上料调整机构上，为了方便安装可选择AD杆作为机架并且垂直于地面，AB和CD杆作为连架杆。
CB杆即从动件挡料杆，要垂直于地面进行升降完成挡料和放料工作，所以可确定其标线所占据的位置，即一组垂直于地面的线段所以此次的设计属于满足预定连杆位置要求，即刚体引导问题。
此类问题可以用作图法解决，先定AD长为200mm。
下面作图分析：
图3.3四杆机构尺寸分析图
上图中圆弧为挡料杆的运动轨迹，x为水平方向位移，y为垂直方向位移且y=18，
为夹角。
由图易得
（3.1）
所以，
（3.2）
又有，
（3.3）
所以，
（3.4）
因为，
，
所以，
（3.5）
考虑到存在一些偏差和制造成本的问题，最后选用
。
所以，最后确定四杆机构尺寸为
。
4.3挡料杆的外形尺寸初步设计
已知工件坯料的长度50-300mm，当最短杆做为供应料时必须保证其滑下时有至少两根杆挡住它，以防止杆冲空隙中滚出。
所以设相邻两个挡料杆之间的间距为D，挡料杆的宽度为d，则有
（3.6）
为节约成本和方便制造可定
。
代入公
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