地大 机械原理课程设计 粉末成形压机2好学长不留名.docx

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地大机械原理课程设计粉末成形压机2好学长不留名

机械原理课程设计

题目：

粉末成型压机

设计者：

专业：

机械设计制造及其自动化

指导教师：

2010年7月20日

第一部分相关背景知识介绍

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一、粉末冶金的用途

粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。

由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。

在现代社会中，粉末冶金具有以下几点用途：

（1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。

在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。

（2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。

（3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。

（4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。

（5）可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。

（6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。

二、粉末冶金材料和制品的今后发展方向

1、有代表性的铁合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展。

2、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金。

3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金。

4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。

5、加工独特的和非一般形态或成分的符合零部件。

综上所述，我们不难看出粉末冶金有这它自己独特的优点，在社会生产生活中发挥着至关重要的作用。

粉末冶金技术在未来发展的道路上仍然具有广阔前景，所以我们在机械原理课程设计中设计一个粉末成型压制的机构还是很有价值和意义的。

第二部分设计原理及设计要求

一、工作原理及工艺动作过程

粉末冶金是将金属等粉末的混合料，通过压制成型和烧结而制成零件或成品材料的一种工艺方法。

在压制长径比h/d<1~1.5的圆柱体压坯时，可采用单向压制，即压制时仅一个方向施压。

压制过程中，阴模固定不动，其它执行件动作如图1所示。

二、设计要求

1、上模冲压制机构应具有以下特性：

快速接近粉料，慢速等速压制，压制到位后停歇片刻（约0.4秒）保压或接近压制行程终点时再放慢速度而起到保压作用。

2、脱模机构应使下模冲顶出距离准确，复位时要求速度快而冲击小。

3、送分机构要严格遵守压制周期的运动规律。

4、进一步要求：

让上冲模和下冲模的行程可调。

三、主要技术参数要求

1、每分钟压制次数为10~40次；

2、压坯最大直径为45mm；

3、上模冲最大行程为110mm；

4、送粉器行程为115mm；

5、脱模最大行程为45mm；

6、压制及脱模能力最大为58KN；

四、课程设计任务要求

1、按各个执行件的工艺动作要求拟定运动循环图；

2、进行执行机构即压制机构、脱模机构、送粉机构的选型；

3、机械运动方案的评价和确定，并进行执行机构运动学尺寸计算和必要的运动分析；

4、按选定的电机和执行机构的运动参数拟定机构传动方案，并进行传动机构运动学尺寸计算；

5、画出机械运动方案简图；

6、编制设计说明书（内容包括上述任务的设计、分析计算及结果、图）；

7、进一步工作：

执行机构的动画演示、凸轮的数控加工等。

第三部分机构运动循环图的确定和各个执行构件的选型

一、各执行构件的工艺动作和运动循环图

1功能分析

根据任务书要求，有下图分析得知该系统的主功能为将粉料压制成型，为完成主功能又可分解为四个功能，即上冲头的压下，下冲头的压上，筛料推片和成新模具，如图所示。

图

图

2上模冲压制机构的工艺动作：

上模冲压制机构的曲柄在0º（在这里特殊规定0º是使上模冲位于最高位置的极位角度）到150°（这个数值由设计的极位夹角决定）要完成上模冲的下降和冲压过程；在150º到360º内要完成上模冲和粉料脱离并使上模冲继续向上升的工艺动作。

3下模冲脱模机构的工艺动作：

在上模冲下降和冲压的过程中下模冲要保持不动，在上模冲脱离的同时下模冲上升，然后保持不动，最后下模冲下降复位，从而完成该凸轮机构的一周旋转工作。

4送粉机构的工艺动作：

上模冲

下降压制

保压

脱离上升

下模冲

不动

上升

不动

下降

送粉机构

送粉

回程

推料

回程

在上模冲和下模冲完成一周的运动的同时，送粉机构要先完成送粉、复位和等待这三个工艺动作，然后再完成推料、复位和等待这三个工艺动作。

结合上模冲压制机构、下模冲脱模机构和送粉机构的各个工艺动作拟定运动循环图如图2所示：

360°

0°

180°

720°

360°

0°

图2

二、各运动构件的选型

（一）各运动构件的功能分析

1、上模冲压制机构：

上模冲要求冲头能够快速接近粉料，并且能有保压过程，然后返回。

由此可以看出这要求我们所选的上模冲压制机构要有急回特性，所以我们可以采用曲柄滑块机构或者凸轮机构。

对于曲柄滑块机构我们要采用偏置曲柄滑块机构才会具有急回特性。

由于当凸轮机构作为上模冲压制机构时，若上模冲冲击力过大会造成凸轮推杆的断裂，所以若要求上模冲冲击力较大时不宜采用凸轮机构。

2、下模冲脱模机构：

下模冲要求顶出距离准确，复位时要求速度快而冲击

小，并且要求下模冲的运动规律很严格，所以我们可以采用凸轮机构。

若采用凸轮机构也还是会有一定的缺点，就是当上模冲的冲头冲压时必定会对下模冲凸轮脱模机构的推杆产生一定的影响，容易造成下模冲凸轮机构推杆的断裂。

3、送粉机构：

本题目要求送粉机构的运动周期严格并且具有行程要求。

根据此项要求我们可以采用对心曲柄滑块机构或者凸轮机构。

若采用对心曲柄滑块机构则无法保证留有送粉机构在送粉回程后和推料推程前的间歇时间。

如果不存在间歇时间就会使送粉和推料的速度大大降低，故采用对心曲柄滑块机构还是有一定的缺点的。

综合上面的分析，我们可以采用偏置曲柄滑块机构。

根据以上对上模冲压制机构、下模冲脱模机构和送粉机构的分析我们可以设计出几种粉末成型压机的机构简图，在运动方案选择和确定上会一一加以描述。

（二）运动方案的选择和确定

关于运动机构的选择，我们找到了一些可以完成运动功能的机构，如下图所示：

牛头刨床的急回机构，优点进程速度平稳，回程时间短。

曲柄滑块机构，可用于下冲模压制机构。

圆柱凸轮机构，可用于水平送料

凸轮推杆机构，可用于下冲模作用。

平面六杆机构

根据所选的机构，我们设计了三种不同的方案如下：

方案一：

方案二

方案三

最终，我们选择上冲模用平面六杆机构，水平送料用曲柄滑块机构，下冲模采用凸轮推杆机构。

即方案一

第四部分所选机构传动机构的分析设计

上冲模机构运动分析

取OD1=r=70mm ; θ=20°；BD=L1；AB=L2;

则:

（ L1- r）sinθ=110;

[（ L1+ r）-（ L1- r） cosθ]2+ [ L2- （ L1- r）sinθ]2=  L22

 L1=232

 L2=230现在以AO为基准进行机构的运动分析

MATLAB编程分析

（1）位置分析

原函数：

functiony=rrrposi55（x）

%

%ScriptusedtoimplementNewton-Raphonmechodfor

%solvingnonlinearpositionofRRRbargroup

%

%Inputparameters

%

%x

（1）=theta-1

%x

（2）=theta-2guessvalue

%x（3）=theta-3guessvalue

%x（4）=k1

%x（5）=k2

%x（6）=k3

%x（7）=r1

%

%Outputparamenters

%

%y

（1）=theta-2

%y

（2）=theta-3

%

theta2=x

（2）;

theta3=x（3）;

%

epsilon=1.0E-6;

%

f=[-x（7）*cos（x

（1））+x（4）*cos（theta2）+x（5）*cos（theta3）-x（6）;

x（7）*sin（x

（1））-x（4）*sin（theta2）+x（5）*sin（theta3）];

%

whilenorm（f）>epsilon

J=[-x（4）*sin（theta2）-x（5）*sin（theta3）;

-x（4）*cos（theta2）x（5）*cos（theta3）];

dth=inv（J）*（-1.0*f）;

theta2=theta2+dth

（1）;

theta3=theta3+dth

（2）;

f=[-x（7）*cos（x

（1））+x（4）*cos（theta2）+x（5）*cos（theta3）-x（6）;

x（7）*sin（x

（1））-x（4）*sin（theta2）+x（5）*sin（theta3）];

norm（f）;

end;

y

（1）=theta2;

y

（2）=theta3;

>>x1=linspace（0,2*pi,180）;

x=zeros（length（x1）,7）;

forn=1:

180

x（n,:

）=[x1（:

n）17.4*pi/18052.6*pi/180231.8230.4379.770];

end;

p=zeros（length（x1）,2）;

fork=1:

180

y=rrrposi55（x（k,:

））;

p（k,:

）=y;

end;

>>p

输出图像θ2，θ3相对于θ1的图像

plot（x1,p（:

1）,'--',x1,p（:

2）,':

'）

摇杆与竖直线之间的夹角矩阵为m=90-p（:

1）'*（180/pi）-37.4;

上冲模的行程方程为L=460.8-2*230.4*cos（m）

分析上冲模的图像可知，在上冲模达到最低点时会有一小段时间的停歇以起到保压作用。

接下来分析速度：

首先根据机构需要，定义w1=pi/3,

Matlab编程：

functiony=rrrvel22（x）

%

%ScriptusedtoimplementNewton-Raphonmechodfor

%solvingnonlinearpositionofRRRbargroup

%

%Inputparameters

%

%x

（1）=theta-1

%x

（2）=theta-2

%x（3）=theta-3

%x（4）=dtheta-1

%x（5）=k1

%x（6）=k2

%x（7）=k3

%x（8）=r1

%

%Outputparamenters

%

%y

（1）=dtheta-2

%y

（2）=dtheta-3

%

A=[-x（5）*cos（x

（2））x（6）*cos（x（3））;

-x（5）*sin（x

（2））-x（6）*sin（x（3））];

B=[-x（8）*cos（x

（1））-x（8）*sin（x

（1））]*x（4）;

B=B';

y=inv（A）*B;

输出程序

>>fori=1:

180

x2（i,:

）=[x11（i,1）,p（i,1）,p（i,2）,pi/3,231.8,230.4,379.7,70];

end;

q=zeros（2,180）;

form=1:

180

y2=rrrvel22（x2（m,:

））;

q（:

m）=y2;

end;

>>q

输出图像

plot（x1,q（1,:

）,'--',x1,q（2,:

）,':

'）;w2,w3,相对于w1的图像：

上冲模的速度函数V=dL/dt

输出图像为：

加速度分析

Matlab编程分析：

functiony=rrra111（x）

%

%inputparameters

%

%x

（1）=th1

%x

（2）=th2

%x（3）=th3

%x（4）=dth1

%x（5）=dth2

%x（6）=dth3

%x（7）=k1

%x（8）=k2

%x（9）=k3

%x（10）=r1

%

%y

（1）=ddth2

%y

（2）=ddth3

%

A=[-x（7）*cos（x

（2））x（8）*cos（x（3））;

-x（7）*sin（x

（2））x（8）*sin（x（3））];

B=[x（7）*x（5）*sin（x

（2））-x（8）*x（6）*sin（x（3））;

-x（7）*x（5）*cos（x

（2））-x（8）*x（6）*cos（x（3））];

C=[x（5）;x（6）];

D=[x（10）*x（4）^2*sin（x

（1））;-x（10）*x（4）^2*cos（x

（1））];

y=inv（A）*D-inv（A）*B*C;

输出程序

fori=1:

180

x3（i,:

）=[x11（i,1）,p（i,1）,p（i,2）,pi/3,q（1,i）,q（2,i）,0.2318,0.2304,0.3797,0.070];

end;

n=zeros（2,180）;

fork=1:

180

y3=rrra111（x3（k,:

））;

n（:

k）=y3;

end;

n

subplot（1,2,1）;

plot（x1,n（1,:

））;

xlabel（'theta1'）;

ylabel（'ddtheta3'）;

title（'杆2的角加速度'）;

>>subplot（1,2,1）;

plot（x1,n（1,:

））;

xlabel（'theta1'）;

ylabel（'ddtheta2'）;

title（'杆1的角加速度'）;

subplot（1,2,2）;

plot（x1,n（1,:

））;

xlabel（'theta1'）;

ylabel（'ddtheta3'）;

title（'杆二的加速度'）;

上冲模的加速度A=dV/dt

输出图像为：

（该图像用数学里面的微积分求出，故在图像最后会有一点图像不正常显示，这属于正常情况，不影响加速度的分析）

统计所输出的数据：

θ1

θ2

θ3

w2

W3

α2

α3

0

0.23238

0.23382

0.16301

-0.16301

-189.12

-190.34

0.035102

0.23818

0.2287

0.1832

-0.14257

28.81

28.928

0.070203

0.24466

0.22426

0.20309

-0.1222

13.366

13.399

0.1053

0.25179

0.2205

0.22249

-0.10208

8.6342

8.647

0.14041

0.25957

0.21741

0.24125

-0.082384

6.3099

6.3174

0.17551

0.26796

0.21497

0.25921

-0.063249

4.9132

4.921

0.21061

0.27693

0.21316

0.27626

-0.044796

3.973

3.9841

0.24571

0.28647

0.21196

0.2923

-0.027116

3.2929

3.3088

0.28081

0.29652

0.21134

0.30728

-0.010274

2.7762

2.798

0.31591

0.30705

0.21126

0.32114

0.005691

2.3699

2.3983

0.35102

0.31803

0.21171

0.33387

0.020763

2.0421

2.0775

0.38612

0.32942

0.21264

0.34548

0.034945

1.7727

1.8153

0.42122

0.34118

0.21404

0.35598

0.048256

1.5479

1.5981

0.45632

0.35328

0.21587

0.36541

0.060728

1.3582

1.4161

0.49142

0.36567

0.2181

0.37378

0.0724

1.1967

1.2624

0.52652

0.37832

0.22072

0.38117

0.083319

1.0581

1.1317

0.56163

0.39121

0.22368

0.3876

0.093535

0.93833

1.0199

0.59673

0.4043

0.22698

0.39313

0.1031

0.8343

0.92384

0.63183

0.41755

0.23059

0.3978

0.11206

0.74345

0.84105

0.66693

0.43096

0.23449

0.40167

0.12048

0.66375

0.76945

0.70203

0.44447

0.23866

0.40478

0.12839

0.59353

0.70734

0.73713

0.45808

0.24309

0.40717

0.13584

0.53141

0.65335

0.77224

0.47176

0.24776

0.40889

0.14289

0.47622

0.60633

0.80734

0.48549

0.25266

0.40996

0.14956

0.42702

0.56531

0.84244

0.49924

0.25778

0.41043

0.15589

0.38298

0.52947

0.87754

0.513

0.26311

0.41032

0.16193

0.34342

0.49813

0.91264

0.52674

0.26863

0.40966

0.16769

0.30776

0.47071

0.94774

0.54045

0.27435

0.40848

0.17322

0.27549

0.44669

0.98284

0.55412

0.28024

0.4068

0.17852

0.24618

0.42566

1.0179

0.56772

0.28631

0.40464

0.18364

0.21948

0.40724

1.053

0.58124

0.29255

0.40201

0.18859

0.19505

0.39111

1.0881

0.59467

0.29896

0.39895

0.19338

0.17262

0.377

1.1233

0.60798

0.30552

0.39545

0.19804

0.15196

0.36467

1.1584

0.62117

0.31223

0.39153

0.20258

0.13286

0.35389

1.1935

0.63422

0.3191

0.3872

0.20702

0.11512

0.34449

1.2286

0.64712

0.32611

0.38248

0.21137

0.098603

0.3363

1.2637

0.65986

0.33326

0.37736

0.21563

0.083154

0.32918

1.2988

0.67242

0.34056

0.37186

0.21982

0.068652

0.32299

1.3339

0.68479

0.348

0.36599

0.22395

0.054983

0.31762

1.369

0.69695

0.35558

0.35975

0.22802

0.04205

0.31295

1.4041

0.7089

0.36329

0.35314

0.23204

0.029761

0.3089

1.4392

0.72062

0.37113

0.34618

0.23601

0.018036

0.30536

1.4743

0.7321

0.37911

0.33886

0.23994

0.0068002

0.30226

1.5094

0.74333

0.38722

0.33118

0.24382

-0.0040152

0.29952

1.5445

0.7543

0.39545

0.32316

0.24767

-0.014474

0.29706

1.5796

0.76499

0.40382

0.31479

0.25149

-0.024636

0.2948

1.6147

0.7754

0.41231

0.30608

0.25526

-0.03456

0.29268

1.6498

0.78551

0.42093

0.29704

0.259

-0.0443

0.29063

1.6849

0.79531

0.42967

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