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1、第五章第五章 课程设计示例课程设计示例第一节第一节 冲床冲压机构、送料机构及传动系统的设计冲床冲压机构、送料机构及传动系统的设计一、一、 设计题目设计题目设计冲制薄壁零件冲床的冲压机构、送料机构及其传动系统。冲床的工艺动作如图51a）所示，上模先以比较大的速度接近坯料，然后以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，最后快速返回。上模退出下模以后，送料机构从侧面将坯料送至待加工位置，完成一个工作循环。（a） （b） （c）图 51 冲床工艺动作与上模运动、受力情况要求设计能使上模按上述运动要求加工零件的冲压机构和从侧面将坯料推送至下模上方的送料机构，以及冲床的传动系统，并绘制减速器
2、装配图。二、二、 原始数据与设计要求原始数据与设计要求1动力源是电动机，下模固定，上模作上下往复直线运动，其大致运动规律如图 b）所示，具有快速下沉、等速工作进给和快速返回的特性；2机构应具有较好的传力性能，特别是工作段的压力角应尽可能小；传动角大于或等于许用传动角=40o；3上模到达工作段之前，送料机构已将坯料送至待加工位置（下模上方）；4生产率约每分钟 70 件；5上模的工作段长度 l=30100mm，对应曲柄转角0=（1/31/2）；上模总行程长度必须大于工作段长度的两倍以上；6上模在一个运动循环内的受力如图 c）所示，在工作段所受的阻力 F05000N，在其他阶段所受的阻力 F150N
3、；7行程速比系数 K1.5；8送料距离 H=60250mm；9机器运转不均匀系数不超过 0.05。若对机构进行运动和动力分析，为方便起见，其所需参数值建议如下选取：1）设连杆机构中各构件均为等截面均质杆，其质心在杆长的中点，而曲柄的质心则与回转轴线重合；2）设各构件的质量按每米 40kg 计算，绕质心的转动惯量按每米 2kgm2计算；3）转动滑块的质量和转动惯量忽略不计，移动滑块的质量设为 36kg；6）传动装置的等效转动惯量（以曲柄为等效构件）设为 30kgm2；7) 机器运转不均匀系数不超过 0.05。三、 传动系统方案设计传动系统方案设计冲床传动系统如图 52 所示。电动机转速经带传动、
4、齿轮传动降低后驱动机器主轴运转。原动机为三相交流异步电动机，其同步转速选为 1500r/min，可选用如下型号：电机型号 额定功率（kw） 额定转速（r/min）Y100L24 3.0 1420Y112M4 4.0 1440Y132S4 5.5 1440由生产率可知主轴转速约为 70r/min，若电动机暂选为 Y112M4，则传动系统总传动比约为。取带传动的传动比 ib=2，则齿轮减速器的传动比 ig=10.285，故可选用两级齿轮减速器。图 52 冲床传动系统四、四、 执行机构运动方案设计及讨论执行机构运动方案设计及讨论该冲压机械包含两个执行机构，即冲压机构和送料机构。冲压机构的主动件是曲柄
5、，从动件（执行构件）为滑块（上模），行程中有等速运动段（称工作段），并具有急回特性；机构还应有较好的动力特性。要满足这些要求，用单一的基本机构如偏置曲柄滑块机构是难以实现的。因此，需要将几个基本机构恰当地组合在一起来满足上述要求。送料机构要求作间歇送进，比较简单。实现上述要求的机构组合方案可以有许多种。下面介绍几个较为合理的方案。1齿轮连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构如图 53 所示，冲压机构采用了有两个自由度的双曲柄七杆机构，用齿轮副将其封闭为一个自由度。恰当地选择点 C 的轨迹和确定构件尺寸，可保证机构具有急回运动和工作段近于匀速的特性，并使压力角尽可能小。送料机构是由凸轮机构和连杆机构串联
6、组成的，按机构运动循环图可确定凸轮推程运动角和从动件的运动规律，使其能在预定时间将工件推送至待加工位置。设计时，若使lOGlOH ，可减小凸轮尺寸。图 53 冲床机构方案之一 图 54 冲床机构方案之二2导杆摇杆滑块冲压机构和凸轮送料机构如图 54 所示，冲压机构是在导杆机构的基础上，串联一个摇杆滑块机构组合而成的。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达到工作段近于匀速的要求。适当选择导路位置，可使工作段压力角较小。送料机构的凸轮轴通过齿轮机构与曲柄轴相连。按机构运动循环图可确定凸轮推程运动角和从动件的运动规律，则机构可在预定时间将工件送至待加工位置。3六连杆冲压机构和凸轮
7、连杆送料机构如图 55 所示，冲压机构是由铰链四杆机构和摇杆滑块机构串联组合而成的。四杆机构可按行程速比系数用图解法设计，然后选择连杆长 lEF及导路位置，按工作段近于匀速的要求确定铰链点 E 的位置。若尺寸选择适当，可使执行构件在工作段中运动时机构的传动角满足要求，压力角较小。凸轮送料机构的凸轮轴通过齿轮机构与曲柄轴相连，若按机构运动循环图确定凸轮转角及其从动件的运动规律，则机构可在预定时间将工件送至待加工位置。设计时，使lIHlIR，则可减小凸轮尺寸。图 55 冲床机构方案之三 图 56 冲床机构方案之四4凸轮连杆冲压机构和齿轮连杆送料机构如图 56 所示，冲压机构是由凸轮连杆机构组合，依
8、据滑块 D 的运动要求，确定固定凸轮的轮廓曲线。送料机构是由曲柄摇杆扇形齿轮与齿条机构串联而成，若按机构运动循环图确定曲柄摇杆机构的尺寸，则机构可在预定时间将工件送至待加工位置。选择方案时，应着重考虑下述几个方面：1）所选方案是否能满足要求的性能指标；2）结构是否简单、紧凑；3）制造是否方便，成本可否降低。经过分析论证，方案 1 是四个方案中最为合理的方案，下面就对其进行设计。五、五、 冲压机构设计冲压机构设计由方案 1 图 53 可知，冲压机构是由七杆机构和齿轮机构组合而成。由组合机构的设计可知，为了使曲柄 AB 回转一周，C 点完成一个循环，两齿轮齿数比 Z1/Z2应等于 1。这样，冲压机
9、构设计就分解为七杆机构和齿轮机构的设计。1七杆机构的设计设计七杆机构可用解析法。首先根据对执行构件（滑块 F）提出的运动特性和动力特性要求选定与滑块相连的连杆长度 CF，并选定能实现上述要求的点 C 的轨迹，然后按导向两杆组法设计五连杆机构 ABCDE 的尺寸。设计此七杆机构也可用实验法，现说明如下。如图 57 所示，要求 AB、DE 均为曲柄，两者转速相同，转向相反，而且曲柄在角度的范围内 转动时，从动件滑块在 l=60mm 范围内等速移动，且其行程 H=150mm。图 57 七杆机构的设计1）任作一直线，作为滑块导路，在其上取长为 l 的线段，并将其等分，得分点F1、F2、Fn（取 n=5
10、）。2）选取 lCF为半径，以 Fi各点为圆心作弧得 K1、K2、K5。3）选取 lDE为半径，在适当位置上作圆，在圆上取圆心角为的弧长，将其与 l 对应等分，得分点 D1、D2、D5。4）选取 lDC为半径，以 Di为圆心作弧，与 K1、K2、K5对应交于C1、C2、C5。5）取 lBC为半径，以 Ci为圆心作弧，得 L1、L2、L5。6）在透明白纸上作适量同心圆弧。由圆心引 5 条射线等分（射线间夹角为）。7）将作好图的透明纸覆在 Li曲线族上移动，找出对应交点 B1、B2、B5，便得曲柄长 lAB及铰链中心 A 的位置。8）检查是否存在曲柄及两曲柄转向是否相反。同样，可以先选定 lAB长
11、度，确定 lDE和铰链中心 E 的位置。也可以先选定 lAB、lDE和 A、E 点位置，其方法与上述相同。用上述方法设计得机构尺寸如下：lAB=lDE=100mm， lAE=200mm， lBC= lDC=283mm， lCF=430mm，A 点与导路的垂直距离为 162mm，E 点与导路的垂直距离为 223mm。2齿轮机构设计此齿轮机构的中心距 a=200mm，模数 m=5mm，采用标准直齿圆柱齿轮传动，Z1=Z2=40，ha*=1.0。六、六、 七杆机构的运动和动力分析七杆机构的运动和动力分析用图解法对此机构进行运动和动力分析。将曲柄 AB 的运动一周 360o分为 12 等份，得分点 B
12、1、B2、B12，针对曲柄每一位置，求得 C 点的位置，从而得 C 点的轨迹，然后逐个位置分析滑块 F 的速度和加速度，并画出速度线图，以分析是否满足设计要求。图 58 是冲压机构执行构件速度与 C 点轨迹的对应关系图，显然，滑块在 F4F8这段近似等速，而这个速度值约为工作行程最大速度的 40%。该机构的行程速比系数为故此机构满足运动要求。图 58 七杆机构的运动和动力分析在进行机构动力分析时，先依据在工作段所受的阻力 F05000N，并认为在工作段内为常数，然后求得加于曲柄 AB 的平衡力矩 Mb，并与曲柄角速度相乘，获得工作段的功率；计入各传动的效率，求得所需电动机的功率为 5.3KW，
13、故所确定的电动机型号 Y132S4（额定功率为 5.5KW）满足要求。（动力分析具体过程及结果略）。七、七、 机构运动循环图机构运动循环图依据冲压机构分析结果以及对送料机构的要求，可绘制机构运动循环图（如图 59 所示）。当主动件 AB 由初始位置（冲头位于上极限点）转过角（=90o）时,冲头快速接近坯料；又当曲柄由转到（=210o）时，冲头近似等速向下冲压坯料；当曲柄由转到（=240o）时，冲头继续向下运动，将工件推出型腔；当曲柄由转到（=285o）时，冲头恰好退出下模，最后回到初始位置，完成一个循环。送料机构的送料动作，只能在冲头退出下模到冲头又一次接触工件的范围内进行。故送料凸轮在曲柄
14、AB 由 300o转到390o完成升程，而曲柄 AB 由 390o转到 480o完成回程。图 59 机构运动循环图七、送料机构设计七、送料机构设计送料机构是由摆动从动件盘形凸轮机构与摇杆滑块机构串联而成，设计时，应先确定摇杆滑块机构的尺寸，然后再设计凸轮机构。1四杆机构设计依据滑块的行程要求以及冲压机构的尺寸限制，选取此机构尺寸如下：LRH=100mm，LOH=240mm，O 点到滑块 RK 导路的垂直距离=300mm，送料距离取为250mm 时，摇杆摆角应为 45.24o。2凸轮机构设计为了缩小凸轮尺寸，摆杆的行程应小 AB，故取，最大摆角为 22.62o。因凸轮速度不高，故升程和回程皆选等
15、速运动规律。因凸轮与齿轮 2 固联，故其等速转动。用作图法设计凸轮轮廓，取基圆半径 r0=50mm，滚子半径 rT=15mm。八、调速飞轮设计八、调速飞轮设计等效驱动力矩 Md、等效阻力矩 Mr和等效转动惯量皆为曲柄转角的函数，画出三者的变化曲线，然后用图解法求出飞轮转动惯量 JF。九、带传动设计九、带传动设计采用普通 V 带传动。已知：动力机为 Y132S-4 异步电动机，电动机额定功率P=5.5KW ，满载转速 n1=1440rpm ,传动比 i=2, 两班制工作。 （1）计算设计功率 Pd 由6中的表 6-6 查得工作情况系数 KA =1.4（2）选择带型 由6中的图 6-10 初步选用 A 型带 （3）选取带轮基准直径 由6中的表 6-7 选取小带轮基准直径 由6中的表 6-8 取直径系列值取大带轮基准直径： （4）验算带速 V 在(525m/s) 范围内，带速合适。 （5）确定中心 a 和带的基准长度 在 范围内初选中心距 初
