3679 小型氣動沖壓機設計,小型,氣動,沖壓機,設計
200 年 月 第 期- 94 -一種適用于馕餅加工的小型氣動沖壓機原理研究（姜自樂、李宜峰）（塔里木大學機械電氣化工程學院， 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。設計開發(fā)了小型沖壓機。該機采用氣缸活塞桿直接有凸模相連機構。該機一次完成沖壓成型作業(yè)。該沖壓機主要氣增壓機構。一種新型的利用氣動技術、適合用于小型零件加工的沖壓機工作原理?？刂七^程簡單 ,操作容易 ,可以根據(jù)實際需要選取壓強。關鍵詞：沖壓機; 氣動技術; 氣缸。中圖分類號： 文獻標識碼：A 文章編號：0 引言隨著氣動和液壓技術的發(fā)展,以及氣動技術中的氣源比較容易獲取、環(huán)境干凈、氣動元件安裝方便、靈活等特點。而大部分沖壓設備以傳統(tǒng)的機械式?jīng)_床為主。機械式?jīng)_床一般具有外形尺寸較大、工作環(huán)境噪聲高、沖壓力不可隨時調(diào)整以及能源的利用率低等缺點。同時 ,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 ,但事實上 ,設備運行時單位重量的輸出力低。另外在加工小尺寸的液壓和氣動元件時 ,能源浪費嚴重 ,而且由于沖擊過程的不穩(wěn)定性 ,經(jīng)常造成嚴重的人身事故。因此研究和設計一種新型的沖壓機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式。氣壓傳動是以壓縮空氣為介質(zhì)，以壓縮空氣為動力，無噪音，無污染，環(huán)保。也不需要承擔介質(zhì)方面成本。所以我設計的以空氣為介質(zhì)進行傳動——氣動沖壓機，它的設計輕巧，不占用空間，可任意放在工作臺上或流水線上；結構簡單，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 設計原理及機構1.1 設計原理由于氣動和液壓技術的發(fā)展,以及氣動技術中的氣源比較容易獲取、環(huán)境干凈、氣動元件安裝方便、靈活等特點 ,因此本文探討的沖壓機采用氣動沖壓。將所沖的毛坯放在凹模板上．開動控制箱開關旋鈕．電磁閥 3得電，使氣缸 5 接通氣源 1，氣缸活塞桿帶動凸模下行，節(jié)流閥 4 調(diào)節(jié)沖壓速度，凸模進入凹模沖壓．凸模上的擋板碰到行程開關后換向電磁閥 3 得電，使得氣缸收回，沖壓完成。根據(jù)上述沖壓過程框圖 ,設計氣壓系統(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-形成開關其優(yōu)點是很明顯，設計輕巧，不占用空間，可任意放在工作臺上或流水線上；結構簡單，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 總體設計小型氣動沖壓機結構示意，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 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 小型氣動沖壓機結構示意圖小型氣動沖壓機由機架、升降、模具、控制箱構成．機架包括可調(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，控制箱的氣動按鈕按下，機器開始工作，打開氣源，可調(diào)緩沖氣缸工作，活塞帶動凸?？焖傧蛳逻\動到壓縮物體時，活塞減慢速度，將物體慢慢的壓縮成型，當碰到形成開關時，活塞收回沖壓過程可以分為如下幾個步驟 ,用框圖表示如圖4 所示。圖 4 氣缸設計選擇流程圖圖 3 沖壓過程流程圖2 沖壓機機構設計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，應在１．５倍工作壓力下進行試驗，不應漏氣。負載在行程中有變化時，應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，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。氣缸的設計與選擇的流程圖如下圖 4 氣缸設計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輸入壓縮空氣，活塞的正反向運動均靠氣體壓力完成。由于單作用氣缸僅向單向運動，有外力使活塞反向運動，而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅(qū)動下可以像兩個方向運動但兩個方向的輸出力不同，所以該方案采用雙作用單活塞缸。由設計任務可以知道，根據(jù)考查，正常青年人的臂力大約 50-70kg，而正常生產(chǎn)時兩手同時進行，在加工時可能由于其他原因影響，綜合考慮氣缸要驅(qū)動的負載大小 180Kg，考慮到氣缸未加載時實際所能輸出的力，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，常用到負載率 β：運動速度 v=3m/min=50mm/s，取 β=0.60，所以實際液壓缸的負載大小為：F=F0/β=2713.85N氣缸內(nèi)徑的確定表 1 氣缸缸徑的計算則：D= =83.15mm2PF?F—氣缸的輸出拉力 N；P —氣缸的工作壓力 Pa按照 GB/T2348-1993 標準進行圓整，取 D=100 mm6 蝸桿蝸輪的設計計算選擇蝸桿傳動類型、精度等級由于傳動的功率不大，速度也不高，故選用阿基米德圓柱蝸桿傳動，精度為：8C-GB10089-88。選擇蝸桿蝸輪材料考慮到蝸桿傳動功率不大，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。按齒面接觸疲勞強度進行設計根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距：23)(HpeZKTa??確定作用在蝸輪上的轉矩 估取效率 η=0.8 ,由于蝸桿不經(jīng)常，靠人力轉動，根據(jù)機械傳動書冊得： ,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) .由于轉速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(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、大沖擊每小時啟動次數(shù)50啟動載荷 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) 先假設蝸桿分度圓直徑 和傳動中心距 的比值 ,從教材機械設計圖 11-5 中可查得 =2.9.確定許用接觸應力 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,蝸輪的基本許用應力 =268 應力循環(huán)次數(shù) LnjN??260( 為蝸輪轉速 )mi52rn2,( 為工作壽命)4138.1L??nj 為蝸輪每轉一周每個輪齒嚙合的次數(shù) j=174105..560??N項目 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計算中心距==64.85mm32???????HpeZKTa取中心距 a=80mm，因 i=14.5， m=2mm， =35.5mm。這時 /a= 接觸疲勞系數(shù)為 ’1d4.085.?m?Z=2.8，因為 Zρ’
500mm/sβ= 0.8 ≤0.65 ≤0.5 ≤0.3項目 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導向套滑動面長度 A:一般導向套滑動面長度 A，在 D80mm 時, 可取 A=d。所以 A=30mm最小導向長度 H：根據(jù)經(jīng)驗，當氣缸的最大行程為 L，缸筒直徑為 D，最小導向長度為：H 代入數(shù)據(jù) 即最小導向長度 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《液壓氣動技術手冊》可查氣缸筒的壁厚 可根據(jù)薄避筒計算公式進行計算： 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） ；—缸筒材料的許用應力（MPa） ；?實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的 7 倍；重型氣缸約取計算值的 20 倍，再圓整到標準管材尺碼。參考《液壓與氣壓傳動》缸筒壁厚強度計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； 缸筒材料的抗拉強度(Pa)P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa） 。當工作壓力 p≤16 MPa 時，P=1.5p；當工作壓力p＞16 MPa 時，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 蝸桿蝸輪的設計計算6.1 選擇蝸桿傳動類型、精度等級由于傳動的功率不大，速度也不高，故選用阿基米德圓柱蝸桿傳動，精度為：8C-GB10089-88。6.2 選擇蝸桿蝸輪材料考慮到蝸桿傳動功率不大，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 按齒面接觸疲勞強度進行設計根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距：232)(HpeZKTa??6.4 確定作用在蝸輪上的轉矩按 ,估取效率 η=0.8 ,由于蝸桿不經(jīng)常，靠人力轉動，根據(jù)機械傳動書冊得：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) .由于轉速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(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、大沖擊每小時啟動次數(shù) 50啟動載荷 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先假設蝸桿分度圓直徑 和傳動中心距 的比值 ,從教材機械設計圖 11-5 中可1da35.1d查得 =2.9.p6.8 確定許用接觸應力 ??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,可從教材機械設計表 11-7 中查蝸輪的基本許用應力 =268??`H?aMP應力循環(huán)次數(shù) LnjN.602?( 為蝸輪轉速)mi52rn2,( 為工作壽命)4138.1L??nj 為蝸輪每轉一周每個輪齒嚙合的次數(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 / a=d1d, 取接觸疲勞系數(shù)為 ’=2.8，因為 Zρ’
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