3679 小型氣動(dòng)沖壓機(jī)設(shè)計(jì),小型,氣動(dòng),沖壓機(jī),設(shè)計(jì)
200 年 月 第 期- 94 -一種適用于馕餅加工的小型氣動(dòng)沖壓機(jī)原理研究（姜自樂、李宜峰）（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）摘 要：針對馕餅的文化發(fā)展，馕餅被大多數(shù)人的喜愛，這樣需求量增大，使得生產(chǎn)加工成困難。設(shè)計(jì)開發(fā)了小型沖壓機(jī)。該機(jī)采用氣缸活塞桿直接有凸模相連機(jī)構(gòu)。該機(jī)一次完成沖壓成型作業(yè)。該沖壓機(jī)主要?dú)庠鰤簷C(jī)構(gòu)。一種新型的利用氣動(dòng)技術(shù)、適合用于小型零件加工的沖壓機(jī)工作原理?？刂七^程簡單 ,操作容易 ,可以根據(jù)實(shí)際需要選取壓強(qiáng)。關(guān)鍵詞：沖壓機(jī); 氣動(dòng)技術(shù); 氣缸。中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0 引言隨著氣動(dòng)和液壓技術(shù)的發(fā)展,以及氣動(dòng)技術(shù)中的氣源比較容易獲取、環(huán)境干凈、氣動(dòng)元件安裝方便、靈活等特點(diǎn)。而大部分沖壓設(shè)備以傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_床為主。機(jī)械式?jīng)_床一般具有外形尺寸較大、工作環(huán)境噪聲高、沖壓力不可隨時(shí)調(diào)整以及能源的利用率低等缺點(diǎn)。同時(shí) ,為了提高沖床的能量利用率以及增大沖床的工作沖擊慣性 ,一般都配備有巨大的飛輪 ,但事實(shí)上 ,設(shè)備運(yùn)行時(shí)單位重量的輸出力低。另外在加工小尺寸的液壓和氣動(dòng)元件時(shí) ,能源浪費(fèi)嚴(yán)重 ,而且由于沖擊過程的不穩(wěn)定性 ,經(jīng)常造成嚴(yán)重的人身事故。因此研究和設(shè)計(jì)一種新型的沖壓機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式。氣壓傳動(dòng)是以壓縮空氣為介質(zhì)，以壓縮空氣為動(dòng)力，無噪音，無污染，環(huán)保。也不需要承擔(dān)介質(zhì)方面成本。所以我設(shè)計(jì)的以空氣為介質(zhì)進(jìn)行傳動(dòng)——?dú)鈩?dòng)沖壓機(jī)，它的設(shè)計(jì)輕巧，不占用空間，可任意放在工作臺上或流水線上；結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可根據(jù)產(chǎn)品的大小調(diào)整工作高度；改變模具；氣缸行程調(diào)整簡單，配有空氣節(jié)流閥，氣缸上、下行速度均可根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)節(jié)。1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)1.1 設(shè)計(jì)原理由于氣動(dòng)和液壓技術(shù)的發(fā)展,以及氣動(dòng)技術(shù)中的氣源比較容易獲取、環(huán)境干凈、氣動(dòng)元件安裝方便、靈活等特點(diǎn) ,因此本文探討的沖壓機(jī)采用氣動(dòng)沖壓。將所沖的毛坯放在凹模板上．開動(dòng)控制箱開關(guān)旋鈕．電磁閥 3得電，使氣缸 5 接通氣源 1，氣缸活塞桿帶動(dòng)凸模下行，節(jié)流閥 4 調(diào)節(jié)沖壓速度，凸模進(jìn)入凹模沖壓．凸模上的擋板碰到行程開關(guān)后換向電磁閥 3 得電，使得氣缸收回，沖壓完成。根據(jù)上述沖壓過程框圖 ,設(shè)計(jì)氣壓系統(tǒng)回路如圖 1.1-減壓閥 2-氣罐 3 電磁閥 4-溢流閥 5-氣缸6-形成開關(guān)其優(yōu)點(diǎn)是很明顯，設(shè)計(jì)輕巧，不占用空間，可任意放在工作臺上或流水線上；結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可根據(jù)產(chǎn)品的大小調(diào)整工作高度；改變模具；氣缸行程調(diào)整簡單，配有空氣節(jié)流閥，氣缸上、下行速度均可根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)節(jié)。1.2 總體設(shè)計(jì)小型氣動(dòng)沖壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意，如圖 2 所示。200 年 月 第 期- 95 -1-底座 2-手搖桿 3 升降箱 4-銷 5 夾緊螺栓 6-管接頭 7-緩沖氣缸 8-控制箱9-升降架 10 凸模 11-凹模 12 行程開關(guān) 13 齒條 14-蝸桿 15-軸套 16-蝸齒17-鍵 18-軸承 19-齒輪軸 21-擋板圖 2 小型氣動(dòng)沖壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖小型氣動(dòng)沖壓機(jī)由機(jī)架、升降、模具、控制箱構(gòu)成．機(jī)架包括可調(diào)緩沖氣缸、底座、工作臺。氣缸安裝在升降架上，并通過螺栓夾緊。凸模與氣缸的活塞桿通過螺紋連接，活塞帶動(dòng)凸模工作。凹模放在底座上，通過螺栓連接。升降包括升降架、齒條、升降裝置（齒輪軸、蝸輪、蝸桿、·高度，控制箱的氣動(dòng)按鈕按下，機(jī)器開始工作，打開氣源，可調(diào)緩沖氣缸工作，活塞帶動(dòng)凸?？焖傧蛳逻\(yùn)動(dòng)到壓縮物體時(shí)，活塞減慢速度，將物體慢慢的壓縮成型，當(dāng)碰到形成開關(guān)時(shí)，活塞收回沖壓過程可以分為如下幾個(gè)步驟 ,用框圖表示如圖4 所示。圖 4 氣缸設(shè)計(jì)選擇流程圖圖 3 沖壓過程流程圖2 沖壓機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)氣缸正常的工作條件：介質(zhì)、環(huán)境溫度一般為－２０～８０℃，工作壓力一般為０．１～１．０ＭＰａ。安裝前，應(yīng)在１．５倍工作壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，不應(yīng)漏氣。負(fù)載在行程中有變化時(shí)，應(yīng)使用有足夠輸出力的氣缸，并要附加緩沖裝置。不使用滿行程，特別活塞桿伸出時(shí)，不要使活塞與缸蓋相碰擊。否則容易引起活塞和缸蓋等零件損壞。氣缸的設(shè)計(jì)與選擇的流程圖如下圖 4 氣缸設(shè)計(jì)選擇流程圖氣缸按供氣方向分，可分為單作用缸和雙作用缸。單作200 年 月 第 期- 96 -用缸只是往缸的一側(cè)輸入壓縮空氣，靠其它外力使活塞反向回程。雙作用缸則分別向缸的兩側(cè)輸入壓縮空氣，活塞的正反向運(yùn)動(dòng)均靠氣體壓力完成。由于單作用氣缸僅向單向運(yùn)動(dòng)，有外力使活塞反向運(yùn)動(dòng)，而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)下可以像兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)但兩個(gè)方向的輸出力不同，所以該方案采用雙作用單活塞缸。由設(shè)計(jì)任務(wù)可以知道，根據(jù)考查，正常青年人的臂力大約 50-70kg，而正常生產(chǎn)時(shí)兩手同時(shí)進(jìn)行，在加工時(shí)可能由于其他原因影響，綜合考慮氣缸要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載大小 180Kg，考慮到氣缸未加載時(shí)實(shí)際所能輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響，并考慮到凸模的質(zhì)量。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時(shí)，常用到負(fù)載率 β：運(yùn)動(dòng)速度 v=3m/min=50mm/s，取 β=0.60，所以實(shí)際液壓缸的負(fù)載大小為：F=F0/β=2713.85N氣缸內(nèi)徑的確定表 1 氣缸缸徑的計(jì)算則：D= =83.15mm2PF?F—?dú)飧椎妮敵隼?N；P —?dú)飧椎墓ぷ鲏毫?Pa按照 GB/T2348-1993 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，取 D=100 mm6 蝸桿蝸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算選擇蝸桿傳動(dòng)類型、精度等級由于傳動(dòng)的功率不大，速度也不高，故選用阿基米德圓柱蝸桿傳動(dòng)，精度為：8C-GB10089-88。選擇蝸桿蝸輪材料考慮到蝸桿傳動(dòng)功率不大，速度中等，故蝸桿用 45 號鋼表面淬火，硬度為 45～55HRC，蝸輪邊緣采用鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1,金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而齒芯用 45 鋼知道。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距：23)(HpeZKTa??確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 估取效率 η=0.8 ,由于蝸桿不經(jīng)常，靠人力轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)書冊得： ,P=18.65WmTinpPT????2.8497105.9. 26262 η確定載荷系數(shù) K因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù) ；由表 6 使用系數(shù) 選取使用系數(shù) .由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載荷系數(shù) ；表 2 使用系數(shù) 工作類型 Ⅰ Ⅱ Ⅲ載荷性質(zhì) 均勻、無沖擊不均勻、小沖擊不均勻、大沖擊每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)50啟動(dòng)載荷 小 較大 大AK1 1.15 1.2則05.?VA?確定彈性影響系數(shù) 因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配，故 2160aEMPZ確定接觸系數(shù) 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 和傳動(dòng)中心距 的比值 ,從教材機(jī)械設(shè)計(jì)圖 11-5 中可查得 =2.9.確定許用接觸應(yīng)力 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1,金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC,蝸輪的基本許用應(yīng)力 =268 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) LnjN??260( 為蝸輪轉(zhuǎn)速 )mi52rn2,( 為工作壽命)4138.1L??nj 為蝸輪每轉(zhuǎn)一周每個(gè)輪齒嚙合的次數(shù) j=174105..560??N項(xiàng)目 推力 拉力缸徑雙作用氣缸PD24?Pd)(42??200 年 月 第 期- 97 -所以壽命系數(shù)為7.015.87???HNk則 = [ ]`=0.7 =187.6??H268aMP計(jì)算中心距==64.85mm32???????HpeZKTa取中心距 a=80mm，因 i=14.5， m=2mm， =35.5mm。這時(shí) /a= 接觸疲勞系數(shù)為 ’1d4.085.?m?Z=2.8，因?yàn)?Zρ’
500mm/sβ= 0.8 ≤0.65 ≤0.5 ≤0.3項(xiàng)目 推力 拉力缸徑雙作用氣缸PD24? Pd)(42D??6由于氣缸的行程 L=350mm ,所以 S=350+70+30=450mm導(dǎo)向套滑動(dòng)面長度 A:一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面長度 A，在 D80mm 時(shí), 可取 A=d。所以 A=30mm最小導(dǎo)向長度 H：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)氣缸的最大行程為 L，缸筒直徑為 D，最小導(dǎo)向長度為：H 代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長度 H= =50 mm2活塞桿的長度 l=L+B+A+80=450+70+30+50=600 mm5.7 氣缸筒的壁厚的確定由《液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊》可查氣缸筒的壁厚 可根據(jù)薄避筒計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算： 式中 ????2DP??—缸筒壁厚（mm） ；D—缸筒內(nèi)徑（mm） ；P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa） ；—缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa） ；?實(shí)際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計(jì)算值的 7 倍；重型氣缸約取計(jì)算值的 20 倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺碼。參考《液壓與氣壓傳動(dòng)》缸筒壁厚強(qiáng)度計(jì)算及校核缸體的材料選擇 ZG310-570， =600 MPa， = =120 MPab???5b?n 為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa） 。當(dāng)工作壓力 p≤16 MPa 時(shí)，P=1.5p；當(dāng)工作壓力p＞16 MPa 時(shí)，P=1.25p由此可知工作壓力 0.5 MPa 小于 16 MPa，P=1.5p=1.5×0.5=0.75 MPa=0.3mm????2D??P參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取 =4 mm表 5-5 氣缸筒的壁厚6 蝸桿蝸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算6.1 選擇蝸桿傳動(dòng)類型、精度等級由于傳動(dòng)的功率不大，速度也不高，故選用阿基米德圓柱蝸桿傳動(dòng)，精度為：8C-GB10089-88。6.2 選擇蝸桿蝸輪材料考慮到蝸桿傳動(dòng)功率不大，速度中等，故蝸桿用 45 號鋼表面淬火，硬度為 45～55HRC，蝸輪邊緣采用鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1,金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，缸徑材料 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320鋁合金2Al2壁 2.5 2.5～3 3.5～4 4.5～520 鋼無縫鋼管厚 2.5 3 3.5 4.5～5 5.5～67而齒芯用 45 鋼。6.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距：232)(HpeZKTa??6.4 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩按 ,估取效率 η=0.8 ,由于蝸桿不經(jīng)常，靠人力轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)書冊得：1?Z,P=18.65Wmin/901r28497.2????126262 05.905. inpPTη mN?6.5 確定載荷系數(shù) K因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù) ；由表 6-1 使用系數(shù) 選取使用系?KAK數(shù) .由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載荷系數(shù) ；1?A 05.V表 6-1 使用系數(shù) A工作類型 Ⅰ Ⅱ Ⅲ載荷性質(zhì) 均勻、無沖擊 不均勻、小沖擊 不均勻、大沖擊每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù) 50啟動(dòng)載荷 小 較大 大AK1 1.15 1.2則K= 05.?VA?6.6 確定彈性影響系數(shù) E因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配，故 2160aEMPZ?6.7 確定接觸系數(shù) pZ先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 和傳動(dòng)中心距 的比值 ,從教材機(jī)械設(shè)計(jì)圖 11-5 中可1da35.1d查得 =2.9.p6.8 確定許用接觸應(yīng)力 ??H?根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1,金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC,可從教材機(jī)械設(shè)計(jì)表 11-7 中查蝸輪的基本許用應(yīng)力 =268??`H?aMP應(yīng)力循環(huán)次數(shù) LnjN.602?( 為蝸輪轉(zhuǎn)速)mi52rn2,( 為工作壽命)4138.1L??nj 為蝸輪每轉(zhuǎn)一周每個(gè)輪齒嚙合的次數(shù) j=1705..60??所以壽命系數(shù)為.105.87?HNk則 ：8= [ ]`=0.7 =187.6H??kNH268?aMP6.9 計(jì)算中心距= =64.85mm32???????HpeZKTa3 26.1879049.215. ???????取中心距 a=80mm，因 i=14.5，取 m=2mm， =35.5mm。這時(shí) / a=d1d, 取接觸疲勞系數(shù)為 ’=2.8，因?yàn)?Zρ’
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