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)
小型氣動(dòng)沖壓機(jī)設(shè)計(jì)目 錄1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ...............................................................12 沖壓機(jī)設(shè)計(jì)目的及要求 .................................................13 小型沖壓機(jī)的結(jié)構(gòu) .....................................................14 沖壓機(jī)的工作原理 .....................................................25 沖壓機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................................35.1 對(duì)氣缸的使用要求 ..........................................................35.2 氣缸的設(shè)計(jì)與選擇的流程圖 ..................................................35.3 氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 ..............................................................45.4 氣缸內(nèi)徑的確定 ............................................................45.5 活塞桿直徑的確定 ..........................................................45.6 缸筒長(zhǎng)度的確定 ............................................................45.7 氣缸筒的壁厚的確定 ........................................................56 蝸桿蝸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 ...................................................56.1 選擇蝸桿傳動(dòng)類型、精度等級(jí) ......................................................................................56.2 選擇蝸桿蝸輪材料 ........................................................................................................56.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) ......................................................................................66.4 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 .........................................................................................62T6.5 確定載荷系數(shù) K ............................................................................................................66.6 確定彈性影響系數(shù) ..................................................................................................6E6.7 確定接觸系數(shù) ..........................................................................................................6pZ6.8 確定許用接觸應(yīng)力 ...............................................................................................6??H?6.9 計(jì)算中心距 ..................................................................................................................76.10 計(jì)算蝸輪和蝸桿的主要參數(shù)與幾何尺寸 .....................................................................76.11 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 ..............................................................................................76.12 當(dāng)量摩擦角 ............................................................................................................9v?7 齒輪齒條的設(shè)計(jì) .......................................................97.1 選精度等級(jí)、材料及齒數(shù) ....................................................87.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) ........................................................97.3 計(jì)算 .....................................................................108 計(jì)算齒輪軸 ..........................................................11致謝 ..................................................................15參考文獻(xiàn) ..............................................................15前 言目前 ,在國(guó)內(nèi)大多數(shù)中小企業(yè)中 ,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(guò)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?jīng)_床是具有現(xiàn)實(shí)意義的。一些金屬和非金屬微型薄板件沖制主要采用兩種方法：一是在排樣設(shè)計(jì)中采用多排策略，增大模具尺寸以滿足大型壓力機(jī)的需求。并將設(shè)計(jì)和制造好的模具安裝在機(jī)械壓力機(jī)上來(lái)實(shí)施沖壓，其缺點(diǎn)是：設(shè)各投資大、模具設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜，總成本高，且必須采用機(jī)械壓力機(jī)；二是采用小型模具，在小噸位壓力機(jī)上實(shí)施沖壓。雖然模具設(shè)計(jì)、制造比較容易，但仍擺脫不了機(jī)械壓力機(jī)固有的缺陷：笨重、噪音大．操作不方便、安全，浪費(fèi)能源等問(wèn)題．本文結(jié)合微型薄板件的企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種新型微型件氣動(dòng)沖壓一體化機(jī)(直接采用活塞桿和凸模連接的形式)．減輕了床身重量．并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化.采用該一體化結(jié)構(gòu)，沖壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、可靠．操作安全和方便．這為沖壓提供了一種新設(shè)計(jì)方法．因此需要一臺(tái)沖壓直接成型的機(jī)器，我通過(guò)研究和考驗(yàn)試圖設(shè)計(jì)一臺(tái)氣動(dòng)沖壓機(jī)來(lái)沖壓馕，代替人工生產(chǎn)，來(lái)滿足人們的需求，個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)有限，希望你們能夠提出寶貴的意見(jiàn)。11、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著氣動(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(guò)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(wú)噪音，無(wú)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(tái)上或流水線上；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)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)；2 沖壓機(jī)設(shè)計(jì)目的及要求功能設(shè)計(jì)：沖壓機(jī)的基本功能就是設(shè)計(jì)一個(gè)氣缸，并使得有足夠的力可以沖壓食品成型. 氣缸以壓縮空氣作為動(dòng)力源．帶動(dòng)活塞傳動(dòng)到主軸上使主軸形成向下運(yùn)動(dòng)，從而形成沖力．使食品在模具中產(chǎn)生規(guī)定的變形而達(dá)到加工的目的．它與普通沖壓機(jī)不同的是，行程可以任意調(diào)節(jié)，壓力可以調(diào)節(jié)，最大的特點(diǎn)是氣動(dòng)壓力機(jī)壓力?？梢栽趬旱焦ぜ笮纬杀憾瓿晒ぜ某尚危Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：可以小型件氣動(dòng)沖壓機(jī)由機(jī)架、模具、控制箱構(gòu)成．機(jī)架包括氣缸、底座、工作臺(tái)。氣缸通過(guò)其上的法蘭與上固定板用螺釘固定連接．模具包括上模板、圓柱銷、凸模與氣缸活塞桿用螺紋固定連接．并通過(guò)卸料螺釘與模板連接，凹模通過(guò)內(nèi)六角螺釘和圓柱銷與模板定位緊固連接．下模板用螺栓、螺母固定在機(jī)架的工作臺(tái)上．凸模通過(guò)錐面與氣缸活塞桿配合連接：外觀及尺寸：由于尺寸相對(duì)較小，氣動(dòng)元件安裝方便，不受空間限制。使得整體比較美觀，占地面積小。用 Solidwork 軟件對(duì)上述機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析。3 小型沖壓機(jī)的結(jié)構(gòu)小型沖壓機(jī)的三維效果圖如下：圖 3-1 小型沖壓機(jī)的三位效果圖2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(tái)。3氣缸安裝在升降架上，并通過(guò)螺栓夾緊。凸模與氣缸的活塞桿通過(guò)螺紋連接，活塞帶動(dòng)凸模工作。凹模放在底座上，通過(guò)螺栓連接。升降包括升降架、齒條、升降裝置（齒輪軸、蝸輪、蝸桿）升降機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)凸模與凹模之間的高度，以便進(jìn)行工作。控制箱的氣動(dòng)按鈕按下，機(jī)器開(kāi)始工作，打開(kāi)氣源，可調(diào)緩沖氣缸工作，活塞帶動(dòng)凸模快速向下運(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(kāi)關(guān)時(shí)，活塞收回。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(kāi)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 3-2 沖壓機(jī)的結(jié)構(gòu)圖4 沖壓機(jī)的工作原理沖壓過(guò)程可以分為如下幾個(gè)步驟 ,用框圖表示如圖 4-1 所示。圖 4-1 小型沖壓機(jī)沖壓過(guò)程框圖4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(kāi)動(dòng)控制箱開(kāi)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(kāi)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(guò)程框圖 ,設(shè)計(jì)氣壓系統(tǒng)回路如圖1-減壓閥 2-氣罐 3 電磁閥 4-溢流閥 5-氣缸 6-形成開(kāi)關(guān)圖 4-2 氣動(dòng)回路圖5 沖壓機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1 對(duì)氣缸的使用要求（１）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。（２）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。（３）安裝的氣源進(jìn)口處需設(shè)置油霧器，以利工作中潤(rùn)滑。氣缸的合理潤(rùn)滑極為重要，往往因潤(rùn)滑不好而產(chǎn)生爬行，甚至不能正常工作。（４）安裝時(shí)，要注意動(dòng)作方向，活塞桿不允許承受偏心負(fù)載或橫向負(fù)載。（５）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。（６）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。 5.2 氣缸的設(shè)計(jì)與選擇的流程圖圖 5-1 氣缸設(shè)計(jì)選擇流程圖5氣缸按供氣方向分，可分為單作用缸和雙作用缸。單作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。5.3 氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算由設(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 ：%10F??氣 缸 的 理 論 負(fù) 載氣 缸 的 實(shí) 際 負(fù) 載?由《液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)》表表 5-1 氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率 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/=2713.85N5.4 氣缸內(nèi)徑的確定表 5-2 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 mm表 5-3 氣缸缸徑尺寸系列8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100（110） 125 （140） 160 （180） 200 （220） 250 320 400 500 6305.5 活塞桿直徑的確定表 5-4 活塞桿直徑系列 （mm）4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 2832 36 40 45 50 56 63 7 80 90 100 110 125140 60 180 200 220 250 280 320 360 400由 d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=30 mm5.6 缸筒長(zhǎng)度的確定缸筒長(zhǎng)度 S=L+B+30L 為活塞行程；B 為活塞厚度活塞厚度 B=(0.6 1.0)D= 0.7X100=70mm阻性負(fù)載(靜負(fù)載) 慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度 v〈100mm/s 100﹣500mm/s >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(zhǎng)度 A:一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度 A，在 D80mm 時(shí), 可取 A=d。所以 A=30mm最小導(dǎo)向長(zhǎng)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(zhǎng)度為：H 代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 H= =50 mm2活塞桿的長(zhǎng)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(cè)》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(duì)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(jí)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(hào)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(wú)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(shū)冊(cè)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(wú)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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