【溫馨提示】壓縮包內含CAD圖有下方大圖片預覽，下拉即可直觀呈現(xiàn)眼前查看、盡收眼底縱觀。打包內容里dwg后綴的文件為CAD圖，可編輯，無水印，高清圖，壓縮包內文檔可直接點開預覽，需要原稿請自助充值下載，所見才能所得，請見壓縮包內的文件及下方預覽，請細心查看有疑問可以咨詢QQ：11970985或197216396
壓縮包內含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 目錄 I 目 錄 摘要 .Ⅳ Abstract.Ⅴ 1 緒論 1 2 圓棒料切斷機結構綜述 2 2.1 金屬棒料切斷機概述 3 2.2 金屬棒料切斷機發(fā)展現(xiàn)狀 5 2.3 體現(xiàn)方法及預期目標 5 2.4 氣壓驅動金屬棒料切斷機設計要求 5 3 金屬棒料切斷機的驅動方案 6 3.1 金屬棒料切斷機的動作過程和構成 6 3.2 金屬棒料切斷機驅動方案 6 3.3 工作原理 6 4 執(zhí)行部分設計要求 9 4.1 切割片選取 9 4.2 電動機的選擇 9 4.3 帶傳動的設計 9 4.3.1 確定計算功率 .10 4.3.2 確定帶的型號 .11 4.3.3 確定帶輪的基準直徑 .11 目錄 4.3.4 驗算帶速 .11 4.3.5 確定中心距和帶的基準長度 .11 4.3.6 驗算帶輪包角 .12 5 推料氣缸的設計 .13 5.1 推料氣缸 .13 5.2 推料氣缸的尺寸設計與校核 .13 5.3 壓料氣缸的選擇 .17 5.4 導軌設計計算與校核 .17 6 切割氣缸設計 .20 6.1 切割機構設計 .20 6.2 切割伸縮氣缸設計 20 6.3 活塞桿的計算 .21 結論 .24 參考文獻 .25 致謝 .26 壓縮包內含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 摘要 III 金屬棒料切斷機機械結構設計 摘 要 本說明書根據近幾年來圓棒料切割機的歷史前景，工作原理，針對國內現(xiàn) 如今的發(fā)展狀況，設計了適應國內形式的切割機械結構，貼合國內的設計理念。 本設計設計了對切斷機切割部分，夾緊部分和縱橫行走的要求，而重點是 設計如何使整個機器由 plc 控制各個氣壓換向閥中的電磁鐵，由氣缸完成切割 夾緊的先后動作，論文中，做好了圓棒料切割機切割構造與設計的方案，對該 裝置的參數(shù)進行了設計計算，各項數(shù)據也進行了嚴格校核，校對其強度，分析 其運動，圓棒料的每個機械構造和尺寸分別得到確認和完善。 關鍵詞：金屬；金屬棒料切斷機；氣缸；plc 電氣控制 壓縮包內含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 摘要 IV 壓縮包內含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 摘要 V 摘要 VI 壓縮包內含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 摘要 VII 摘要 VIII Abstract IX Mechanical structure design of metal bar cutting machine Abstract This manual is based on the historical prospects and working principles of the round bar stock cutting machine for years, and according to the current development situation in China, a cutting machine structure adapted to the domestic form has been designed to fit domestic design concepts. The design of the design of the cutting machine cutting part, clamping part and cross-walking requirements, and the key is to design how to make the entire machine controlled by the plc electropneumatic valve in each pneumatic valve, the cylinder to complete the cutting and clamping the successive actions, In this thesis, we made a plan for the cutting structure and design of the round bar cutting machine, designed and calculated the parameters of the device, and the data were also rigorously checked, proofreading their strength, analyzing their motion, and round bar Each mechanical structure and size is confirmed and perfected separately. Key words： metal；metal bar cutting machine；cylinder；PLC electrical control 第 1 章 緒論 1 1 緒 論 最近幾年來，中國的金屬棒料切斷機相對來說已經取得了很好的成績，但 是和國外相比較的話，可能技術方面還是有不小的差距。本設計通過對圓棒料 切割機的設計，目的在于讓我們更真切深刻的了解甚至熟練的運用圓棒料切割 機運行的原理，從而讓我們對切割機有深入的了解，并且考核我們四年來甚至 是七年來所選的專業(yè)知識。隨著科技的進步，知識人才也在急劇增長，大量的 人才投入設計制造行業(yè)為我們的設計提供了大量的人才基礎，為了能夠研究出 更優(yōu)異的切割設計，加快國內切割機的前景，對金屬圓棒料切割機的設計有著 重要的意義。 在我們的國家，金屬棒料切割機的設計與應用技術雖然是晚于西方各個國 家的，但是近年來我國的科研水品也是在不斷地前進。一部分大型企業(yè)已經把 生產力逐步發(fā)展為半自動甚至是全自動的發(fā)展方向，以此來代替人工勞動力。 本次設計的金屬圓棒料切割機的結構設計。金屬棒料切斷機是依據工況加工的 需要，以及在機械設備所需求的本質上，結合實際生產要求及技術參數(shù)，對金 屬棒料切斷機進行總體結構設計及零部件設計。本設計主要將所學的知識與現(xiàn) 實實際相結合，簡易方便，大大的鞏固以及加深了自己對所學知識的理解，掌 握機械系統(tǒng)設計計算的一般過程和方法，確定正確合理的執(zhí)行機制，使用標準 機械元件，熟練使用機械基本回路構成滿足基本性能要求的 機械系統(tǒng)管理。設 計過程中最重要的是繪圖。這不僅可以清楚地顯示設計的內容，而且還能干體 現(xiàn)知識是否被充分理解掌握。 還是需要大力發(fā)展機械行業(yè)才能夠使得我國的生產力得到提高，我國的綜 合國力也與此行業(yè)的發(fā)展有著重大的關系。在這個日新月異的社會當中，研究 發(fā)展才是進步的墊腳石。 第 2 章 圓棒料切斷機機構綜述 2 2 圓棒料切斷機結構綜述 2.1 金屬棒料切斷機 切斷機是現(xiàn)代化控制領域當中出現(xiàn)的一門比較新穎的技術。 隨著切斷機被 不斷研發(fā)和大量應用到各個領域，切斷機現(xiàn)如今已逐漸成為了現(xiàn)代化機械生產 中不可分割的一部分。 隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，科技的不斷進步，各種金屬棒料切斷機層出不窮， 逐漸占領各個機械、工藝等現(xiàn)代工程領域，并且影響力正在不斷的擴大，尤其 是切割方面。而在這個背景下，金屬棒料的切斷機設備也越來越多，占得比重 也越來越多。金屬棒料切斷加工設備的產生大大提高了棒料的需求量，同時也 對機械生產行業(yè)產生了巨大的作用。 金屬棒料切斷機是機械工程中大量使用的 一種設備，它在機械行業(yè)中起著至關重要的作用。因此，合理合適的設計出高 效便捷的切斷設備已經越來越重要。為了滿足機械工程中的不同的需求，針對 現(xiàn)有成型的機型進行功能改進或者研發(fā)新得功能已成為目前新的趨勢。 金屬棒 料切斷機具有使用方便、操作簡單、速度快等優(yōu)點。金屬棒料切斷機的出現(xiàn)降 低了人工成本，提高了生產效率和產品質量，適合于大批 量生產。因此，設計 一種金屬棒料切斷設備有著非常重要的現(xiàn)實意義 [1]。 我國的發(fā)展歷史與進步幾乎是和西方國家的設備進步是一致的，但是我們 國家是在摸爬滾打屢敗屢戰(zhàn)的經歷中成長起來的，所以我們也要銘記這前人對 工業(yè)化生產的奉獻。也為我國未來的輝煌成績奠定了最為重要的基礎。 MDARS 項目和獲取計劃在美國和世界上受歡迎的金屬棒料切斷系統(tǒng),大大促 進多金屬棒料切斷技術的研究。21 個國際先進機器人技術計劃會議報告,作為 先進的金屬棒料切斷技術, 金屬棒料切斷技術已經被廣泛的應用。截至到 2009 年的數(shù)據報告顯示，在外國歐馬可公司生產的金屬棒料切斷設備已經在全球產 量達到了 100 萬臺。它的發(fā)展以及技術性能的指標已經成為了全球的風向標。 因為西方等諸多國家率先發(fā)展工業(yè)革命，使得他們自己的工業(yè)技術上遙遙 領先于我們國家，所以許多機械方面的應用技術都比較我國先進，雖然現(xiàn)在落 后于西方國家，但是我相信在不久的將來，我們回趕上他們的技術，甚至超越 他們。 第 2 章 圓棒料切斷機結構綜述 3 2.2 金屬棒料切斷機發(fā)展現(xiàn)狀 我國所設計的金屬棒料切割機剛開始時結構是較為簡陋的，切削的效率始 終提不上去，雖然經過專業(yè)設計人才的設計發(fā)展，對生產的產量有所提高，但 是始終受到國內配件和環(huán)境的影響，我國國內的生產量和切斷水品進口國家始 終有一定的差距，為滿足國內的市場要求，開發(fā)出一種新形的切割機是勢在必 行。 從改革開放以來，在國家一系列政策的大力支持下，我國的金屬棒料切斷 機產業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，發(fā)展也非常的迅速，平均每年增長的速度為百 分之十四。在二十世紀末的時候，我國的工業(yè)生產總值為 240 億左右，到二十 世紀初期的時候，我們國家的金屬棒料切斷機的總產值預估為 255-265 億元， 在這不斷發(fā)展的期間，金屬棒料切斷機的總體數(shù)量逐漸穩(wěn)定的提高。 我國發(fā)展金屬棒料切斷機到現(xiàn)在已經歷經了半個世紀左右，從一開始的懵 懵懂懂一竅不通，到現(xiàn)在的大規(guī)模生產運用，歷經的艱辛也只有自己國家的科 學研究人員才能夠明白。目前為止，我國已經能夠生產 48 寸大屏幕彩電、 6.5kg 大容量洗衣機。目前，雖然金屬棒料切斷機的發(fā)展比較迅速，但是還是 滿足不了國內的市場需求，當前的滿足率大概在百分之七十左右，造成這個現(xiàn) 象的主要原因：第一，專業(yè)化程度比較低，金屬棒料切斷機絕大多數(shù)的工作量 都需要機械工廠來完成，再加上管理的不完善，導致了金屬棒料切斷機的制造 周期比較長，與市場不能夠相融合。第二，金屬棒料切斷機的設計以及工藝相 對于發(fā)達國家來說還是比較落后的，例如操控設備的加工數(shù)控化率比較低，也 是會造成機器生產效率不高，制造周期長等?，F(xiàn)在為了解決這一問題，我國科 研人員也在研究上花費了很大的力氣，所以我相信解決這些所遇到的問題都將 會指日可待。為我國的生產發(fā)展奠定一定的基礎 [2]。 我國對于金屬棒料切斷機這一行業(yè)來說，我國當前發(fā)展的還不是很理想， 比較落后于其他的國家，金屬棒料切斷機的生產水平僅僅是其他發(fā)達的國家的 七八十年代的水平，加熱處理的方式也只停留在最為普通的熱處理方式，還不 能夠全面掌握熱真空處理工藝。所以，我國在金屬棒料切斷機這一產業(yè)還需要 第 2 章 圓棒料切斷機機構綜述 4 大力發(fā)展，為了使我國工業(yè)機器得到更快的發(fā)展，不僅僅要對機器生產裝置加 強檢測，還需要對材料的處理加工以及研究非常的重視。 第 2 章 圓棒料切斷機機構綜述 4 在這高速發(fā)展的現(xiàn)代化社會當中，金屬棒料切斷機已經是我們制造所需產 品的重要手段之一。工業(yè)化水平在不斷的提高，工業(yè)產品的更新速度也在不斷 的加快，所以，對于機器的要求就越來越高，因此，大力發(fā)展這一技術產業(yè)也 是我國目前的重中之重。 發(fā)明并且學會使用各種新的工具減少人類的工作量、降低勞動程度是人類 進步的標志。美國在 1947 年率先發(fā)明出了一種用于切斷機研究的金屬棒料切斷 機。1954 年，美國多維爾公司首先提出了工業(yè)金屬棒料切斷機的概念，然后申 請了專利，使之成為 一家獨具特色的公司。而后，美國聯(lián)合公司在 1959 年制 造出了世界上首臺金屬棒料切斷機，這就標志著金屬棒料切斷機的開發(fā)以及使 用的開始 [3]。金屬棒料切斷機是過去 30 年獨立開發(fā)的典型的機電一體化自主工 具。到現(xiàn)在，金屬棒料切斷機技術已經被許多大型公司引入并用于工業(yè)生產。 它主要體現(xiàn)在機械制造、汽車制造和化學工程等領域。金屬棒料切斷機的使用 是機械自動化水平高低的體現(xiàn)。金屬棒料切斷機在工業(yè)領域可以替代人類進行 各種高強度，高風險以及一些可能危害人體安全的工作。 它們在保證工人的人 身安全的同時，又能夠確保高效和有序地進行。因此金屬棒料切斷機的研究以 及設計是非常必要的。 20 世紀七十年代，東莞市晉誠機械設備裝置廠研制出金屬棒料切斷機，從 此開啟了中國金屬棒料切斷機制造工藝的發(fā)展。但是我國自主開發(fā)的金屬棒料 切斷設備由于存在性能差，外觀差，自動效果差，質量差等缺點，只有較為少 數(shù)的廠商會選擇使用我們的設備，很多廠商都是優(yōu)先選擇使用國外進口的技術 性能更加強大的海外產品。也間接影響了我國自主開發(fā)設備的能力和企業(yè)的銷 售業(yè)績。1995 年我國成功研制出新型金屬棒料切斷機之后，拉近了我國和世界 先進國家的自動化之間的距離，并成為了我國金屬棒料切斷機發(fā)展歷史上的一 個暫新的起點 [4]。恰巧當時的中國正處于改革開發(fā)經濟文化飛速發(fā)展的階段， 城市化建設發(fā)展迅速，國內各大國企加大了投入力量，使得一些國企的研發(fā)項 目加快了速度。國內各個中小型企業(yè)也飛速發(fā)展，到 2003 年，我國國內銷售金 屬棒料切斷設備已經達到了年產量 10 萬臺。到了二十一世紀初，中國的工業(yè)化 持續(xù)增長，市場需求旺盛，迫使制造商不得不去面對日益激烈的競爭市場。許 第 2 章 圓棒料切斷機結構綜述 5 多制造廠商逐漸加入了生產線，他們在生產裝置，以及自動化技術方面都加大 了投入。在中國，金屬棒料切斷機制造商的生產規(guī)模已經發(fā)展到幾十種之多， 并且包括了各種自動化裝置?，F(xiàn)在我們市場中 ，金屬棒料切斷機的份額也迅速 增加。 2.3 體現(xiàn)方法及預期目標 所需要的條件：Auto CAD 軟件、各類與切斷設計相關的文獻資料以及一 些重要的設計參數(shù) 切斷設計過程中所遇到的困難： 一開始對切斷機的機構構造不是很清楚，因為所學的知識比較有限，對于 金屬棒料切斷機的特性不是特別的熟悉。還有對于 產品的設計觀念來說，也是 我的一項弱點，我想象到的設計可能無法實現(xiàn)。由于對設計內容的了解不夠， 在計算中經常出現(xiàn)問題。因為對軟件熟悉掌握度不夠，在使用 Auto CAD 對零件 進行繪制并裝配和運動仿真過程中也出現(xiàn)了不少問題 如何解決設計過程中遇到的困難： 在設計過程中遇到困難，首先通過自己獨 立的學習，通過上網觀看 Auto CAD 軟件學習教程視頻，和在知網和圖書館查 閱大量與設計相關的文獻，結合已學的知識，自己擬定設計步驟計劃，對切斷 進行結構設計，對電機選擇，重要部位進行受力計算，選擇傳動副，對零件繪 制并裝配完成總圖。期間如果碰到自己無法解決的問題，則需要去請教老師， 按照老師的要求，完成切斷建模和運動仿真，并寫好論文。 2.4 氣壓驅動金屬棒料切斷機的設計要求 課題過程中主要解決的問題如下： 1.圓棒切斷機的組成，即切斷部分、夾緊部分和縱橫行走部分。 2.如何使整個機器由 PLC 控制各個氣動換向閥中的電磁鐵，由氣缸完成切割 時所需的各個順序動作。 3.切割機如何根據 PLC 控制系統(tǒng)中的信號燈時長，完成切削動作結束后回到 原始位置的動作。 第 3 章 金屬棒料切斷機的驅動方案 6 3 金屬棒料切斷機的驅動方案 3.1 金屬棒料切斷機的動作過程和構成 本金屬棒料切斷機的體系組成如圖 3.1 所示。 圖 3.1 體系組成 金屬棒料切斷機的工作過程如下：棒料機主要由四個機構組成：執(zhí)行機構、 驅動體系、掌控體系和位置檢測裝置。在掌控體系中通過PLC的電氣控制各個組 件的運行，以滿足切割機的切割運作以及刀具的退回，有秩序，有固定的軌道， 固定的速度和標準的運轉時間。同時電氣控制系統(tǒng)可以合理的控制構件的各個 順序動作，如果錯誤的操作或故障是一個叫醒電話。則位置檢測系統(tǒng)就可以破 門而入，合理的分布順序，避免發(fā)生機械故障。 3.2 金屬棒料切斷機的驅動方案設計 目前，大多數(shù)的鋼筋切斷機都采用液壓傳動和氣壓傳動，有一定的缺點： （1）在液壓傳動過程中能量損失往往會導致摩擦損失和泄漏損失：液壓傳 動容易泄露，隨著液壓系統(tǒng)的不斷循環(huán)工作，活塞桿與液壓缸不斷來回擠壓， 液體會有少量流失。 掌控體系 （PLC） 驅動體系 （氣壓傳動） 執(zhí)行機構 位置檢測裝置 推料 壓料 切斷 回位 第 3 章 金屬棒料切斷機的驅動方案 7 (2) 溫度變化會對作業(yè)產生很大的影響。隨著活塞桿在缸體不斷運作，液 體會因為摩擦而產生熱量。 (3)液體受到擠壓和空氣碰撞會產生噪音。 (4) 零件的減少，為了加工需要的高容量，價格相對較高。以及使用效率高 的功能。 鑒于這些缺點，此金屬棒料切斷機將經過氣壓驅動驅使器，氣壓驅動技能 擁有以下優(yōu)點： （1）容易獲得和容易處理。氣壓驅動時的所需壓力較低，而且介質也比較 容易獲得，一般的容器堵塞和介質的補充是不存在的。 （2）小阻力損失和泄漏，氣體傳輸過程中，一個小的壓力損失（通常只有 1／1000 的石油和天然氣供應）和長距離運輸促進外照射不制造液壓傳動壓力 較低、污染嚴重。 （3）靈活的采取行動，反應靈氣體驅動的反應速度很靈敏，而且氣壓自身 受擠壓還有過載保護功能，相對液壓比較安全。 (4)能夠儲存能量。氣壓傳動本身攜帶著存儲囊，所以在發(fā)生斷電情況下也 可以繼續(xù)工作。 (5)勞動環(huán)境的適應能力。根據氣壓的工作環(huán)境，及時在灰塵較多，磁性極 強，震動強的工作環(huán)境，性能都不會受到太大影響。它優(yōu)于溫度的變化，傳輸 和性能的影響。 (6)成本低。由于氣壓傳動本身的介質就是空氣，所以不需要再另尋介質。 大氣壓，傳動中，傳動系統(tǒng)反應靈敏快速，阻力損失小，泄漏小，低成本。所 以，金屬棒料切斷機采用氣壓驅動驅動方式。 3.3 工作原理 按照論文對棒料切斷機的設計要求與查閱的資料相結合，可簡易的畫出機 構類型方案的設計草圖，如圖3.2所示。 第 3 章 金屬棒料切斷機的驅動方案 8 圖3.2 構型方案 該設計由推料氣缸推動材料到可調定位塊，固定棒材的軸向移動，同時 壓料機構被氣壓缸推動，壓住棒料的晃動，如圖3.3所示。 圖3.3 整體設計 可調定位可以隨意的移動，即使不同尺寸的棒料也可以同時切割。 第 4 章 執(zhí)行部分設計要求 9 4 執(zhí)行部分設計要求 為了保證圓棒料的順利剪斷，剪應力應超過棒料的許用應力[τ]，即剪斷 棒料的條件： τ=Q/A≤[τ] 查手冊可知圓棒料的許用剪應力為[τ]=128‐285MPa，取最大值為 285MPa。因為本切斷機切斷的最大棒料直徑為 =35mm.maxd 則切斷機最小切斷力： Q＞[τ]πd2max/4 =285×3.14×352/4 =274063N 取切割機的 Q=280000N. 原始棒料尺寸范圍在角鋼: 100×100×10 圓鋼直徑為: φ50 槽鋼: 120×53 鋼管: φ135×6，其切口深度為 35mm，再用壓斷機進行壓斷處理。 4.1 切割片的選取 設計任務所需電機的最小功率為 P=2.2KW,主軸的轉速在 2800r/mm 的條件 下，輪片的最大線速度為 40m/s。所以最終所選取砂輪片的型號為 A 型，其規(guī) 格 400x3.2x32，磨料為棕剛玉，硬度為 R，粒度為 20。 4.2 電動機的選擇 據砂輪片所需要的要求，需要考慮到電動機的種類、型式、額定電壓、額 定轉速和額定功率、工作方式等因素，再考慮電動機功率的時候應注意到發(fā)熱 情況，允許過載的能力和啟動的平穩(wěn)性，現(xiàn)在選用比較常用 Y 系列三相異步電 動機，選取功率為 3.0KW，滿載時的轉速為 2870r/min。額定電流為 6.39A，頻 率為 50HZ ,功率因數(shù)為 0.87，為效率 82%，額定轉矩 2.32 Nm3，型號為 Y100- 2，電動機選用三角型啟動方法啟動。 4.3 帶傳動的設計 第 4 章 執(zhí)行部分設計要求 10 4.3.1 確定計算功率 查《機械設計基礎》表 9.21 得 Ka=1.2 則功率 Pc=KaP=1.2×3=3.6KW 式中：P—傳遞的額定功率，Kw Ka—工作情況系數(shù)，《機械手冊》 4.3.2 初選帶的型號 V 帶型號是根據計算功率 Pc 和主動輪的轉速 由《機械設計基礎》圖 9.131n 和圖 9.14 選取。初步選為 A 型普通 v 帶。 4.3.3 確定帶輪所需要的的基準直徑 2d1、 帶輪直徑小可使傳動結構緊湊，應取小帶輪直徑 ＞ ，由《機械設計基1mind 礎》查的最小值為 75mm，帶輪過小，彎曲應力越大，所以取 =150mm。1 4.3.5 驗算帶速 帶速的計算公式： V=πdd1×n1/(60×1000) =π×150×2840/960×1000) =22.6m/s V=5~25m/s 所以合適 4.3.5 確定中心距 a 和帶的基準長度 初定中心距 ）（）（ 2d102d1a7.0??? 0.7×（150+300 ）≤ ≤2×（150+300） 315≤ ≤9000 帶的基準長度 ，0dL 021210d 4)()(aadd???? =1200+ （150+300）+ 635?）（ 第 4 章 執(zhí)行部分設計要求 11 =1907mm 近似確定中心距 a，查《機械設計基礎》表 9.4 選取近似基準長度 Ld。 200dLa??? =600+ 197- =1590.15mm 4.3.6 驗算小帶輪包角 ?????3.5718012ad? =180- .9-3 =174.6o ＞120o ?1? 合適 ? 4.4 空氣壓縮機的選擇 空氣壓縮機是氣動系統(tǒng)所需要的動力源，它可以把電動機的機械能轉化為 氣動系統(tǒng)所需要的氣壓能，原理如圖4.1所示，同時壓縮機的種類很多，按工作 原理：容積式、速度式。 按結構，容積式：活塞式、膜片式、螺桿式 速度式：離心式、軸流式 目前，使用較為廣泛的是活塞式，同時它也能滿足較多工作環(huán)境所需的條 件 優(yōu)點：1、壓力適用范圍較廣，不論流量大小均能達到所需壓力； 2、熱效高，耗電少； 3、適應性強，不受壓力高低的影響； 4、可維修性強，對材料要求較低。 缺點：1、轉速不高，結構復雜，易損件多； 2、運轉時有較大震動； 3、排氣不連續(xù)，造成氣流的脈動 選取空壓機V-0.4/10,排氣量0.4m3/min，壓力為1Mpa. 第 4 章 執(zhí)行部分設計要求 12 1-缸體 2-活塞 3-活塞桿 4-曲柄連桿機構 5-吸氣閥 6-排氣閥 圖4.1 單級單作用活塞式壓縮機工作原理圖 第 5 章 推料氣缸設計 13 5 推料氣缸設計 5.1 推料氣缸的設計 1、推料機構所需推力的計算 本設計中氣壓驅動所用的推料缸簡易結構設計如圖 5.1 所示。 其棒料質量，因為質量在 100kg 內較為容易切斷，推料距離設為 b=450mm，摩擦系數(shù)為 0.1 。 圖 5.1 推料簡易機構 （1） 通過重力 100kg 克服了棒料所需加緊的推料機構所用的驅使力。 （2）氣缸只是提供了將棒料推動至定位塊的力，如圖 5.2 所示缸體圖，則其所 需的力為： 10p???mg 所以推動推料機構時所需氣缸的作用力為 1000N。 圖 5.2 氣缸總圖 5.2 推料機構氣缸的尺寸設計與校核 (1) 計算活塞桿上輸出力和缸徑 本設計中所用的是雙作用液壓缸，所使用的都是雙作用氣缸與活塞桿件， 所以活塞桿側的活塞是統(tǒng)一使用的，氣體作用在活塞桿面積中的有效推力為 F1、拉力為 F2。 第 5 章 推料氣缸的設計 14 214pFD???z）（2d 式中 活塞桿中所需要的推力(N)；—1 活塞桿中所需要的拉力(N)；2F 活塞的直徑(m)；D 活塞桿的直徑(m)；d 氣缸工作時所需的壓力(Pa)；p 氣缸工作時所受到的總阻力(N)；ZF 阻力缸 與各種因素有關，如動量分量、背壓阻力和密封摩擦阻力等。包 括在載荷率里： ????pD241 ??dF）（ 由上節(jié)計算得知，F(xiàn) 2=P=20N. 可求得氣缸直徑 D。 當推力作用用功時 ）（ ??p/41F? 2d? 由計算公式，活塞桿能夠拉動了氣缸 D，從而來預測活塞所需的實際計算。 假設我們根據 活塞桿的估算公式 來計算桿的范圍，（特殊情況3.0~2/? 我們所用的公式 ），這里我們將公式 14.06./4.0?Dd 14.0~6./4.0?Dd 代入式中可得 0m36.298.014.251.~52??????pF）（ 第 5 章 推料氣缸設計 15 所求的 D 值，我們一般需要提高 20%后再圓整到標準系列 D=36mm。 圓整到標準值。氣缸內徑系列參考表 5.1 得 D=40mm 按照 d/D=0.2~0.3 可估算得 d=0.25×40mm =10mm 表5.1 氣缸內徑的標準系列 8 10 12 16 20 25 32 40 63 80 90 100 注：無括號的數(shù)值為優(yōu)先選用者 表5.2 活塞桿直徑標準系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 （2）活塞桿的計算 1）活塞行程根據需要來確定，取 DL)5.~0(? 40)5.~(??L = 2 取 L 值為 120mm 當活塞桿的計算長度 時，要進行強度校核計算，若 需進行d1? d10?L 活塞桿的穩(wěn)定計算， 根據《液壓與氣壓傳動》課本中表 4.4 可得，工作壓力 10Mpa，往復速度? 比 =1.33? ?1??Dd = 3.104? 19.9? 根據 5-2 活塞桿直徑標準系列查的桿的標準值 d=20. ?d10?L 所以活塞桿需要進行強度校核? 活塞桿運動中受到推力和阻力。只受到了軸線方向的力，如圖 5.3 所示受 第 5 章 推料氣缸的設計 16 力圖。 圖 5.3 活塞桿件受力圖 活塞桿所受軸向力為 NFPn10? 計算活塞桿截面上正壓力： = = 2=4×1000/0.02π?AN4dp? =628318 aP???? 所以活塞桿是安全的。 (3)缸筒壁厚的計算 一般用無縫鋼管做缸筒，大多數(shù)都屬于薄壁筒件，即 ,在最薄處的薄壁10??D 計算公式為 ????2Dp? 式中 氣缸筒的壁厚（m）；— 氣缸筒內徑（缸徑)(m）； 氣缸作業(yè)壓力（Pa）；p --缸筒材質原料的許用應力(Pa)??? 材質原料抗拉強度（Pa）；S??b—b? 第 5 章 推料氣缸設計 17 安全系數(shù)，通常取 .—S8~6?S 通用普通缸所常用材料的許用應力：鑄鐵HT150或HT200等，許用應力[σ] =300Mpa； Q235鋼管或，許用應力[σ]=60Mpa； 鑄造鋁合金ZL203，許用應力[σ]=30Mpa；45鋼，許 用應力[σ]=120Mpa 本氣缸選用45鋼， 其 。??Mpa120?? 所以 314.02 8.6??? 對于氣缸來說，所計算出來的缸筒薄壁一般比較薄，為了方便加工通常需 要人為的加厚，盡可能選擇標準系列值，如表5.4 所示氣缸筒的壁厚標準值。 選取標準值如表5.4選δ=5mm 表5.4 氣缸筒壁厚(毫米) 材質原料 氣缸直徑 50 80 100 125 160 200 250 320 壁 厚鑄鐵HT150 7 8 10 10 12 14 16 16 鋼Q235A、45、20號無縫管 5 6 7 7 8 8 10 10 鋁合金ZL3 8--12 12--14 14--17 5.3 壓料氣缸的選擇 當棒料被切割時會產生些許的震動，壓料氣缸的作用就是使棒料得到固定， 避免棒料切割時的震動，所以它所需要的力矩不會大于推料機構所需要的驅使 力，所以我們可以選擇與推料機構相似的氣壓缸，也能正常工作。 5.4 導軌設計計算 氣壓驅動的金屬棒料切割機在進行切割運動的時候，為了防止觸碰到旋轉 軸，為了確保正確的指引方向，使活塞桿并不受到影響較大的彎矩，提升剛度 的壓料機構，壓料機構設計中，必須合理使用合適的導軌。而且壓料機構也需 按照合理的形式，根據特定的因素選取合適的壓料位置，同時應該盡量減少機 第 5 章 推料氣缸的設計 18 構所受到的外部壓力，避免不必要的變形，減少設計和布局，減少壓料機構的 質量，慣性矩的旋轉中心。 目前，該裝置采用單桿、雙桿、四桿，在機內設有兩桿、固定和方向增加 的壓力機構。如圖 5.4 所示導軌為 v 型導向滑軌。 圖 5.4 導軌 因為導軌需要支撐電動機的重力，所以只承受向下的壓力，只承受彎矩， 導軌只承受彎矩 求作用在軌軸上的力 如圖 5.5 所示受力情況。 CF? N42.08.21??? 求軸上的載荷 首先，基于機構的軸線計算圖。圖表按照計算軸的彎矩圖。 McF1 F2M 圖 5.5 導軌的載荷分析圖 NF42.08.2121 ??? mL3921? LMC ???357694 第 5 章 推料氣缸設計 19 4.按扭曲應力校核軸的強度 當進行檢查時，軸的最大扭矩的節(jié)強度通常被校驗。最大負扭矩在截面 C 上， 。mNMC??38.1576 對截面 C 進行強度校核，由公式 ??1ca???W 得，45 鋼；調質 Mpa60-? 得， 3 2323m84.20)4(814.)(d????tb? ??1ca p690.157????aM 所以該軸滿足強度要求，故安全。 5.5滑鞍 滑鞍本身對加工有巨大的影響，主要體現(xiàn)在加工精度、抗震性能、切削效 率和使用壽命等方面。 通常我們選用的材質一般是灰口鑄鐵HT250，這種材質具有良好的耐磨性能， 導軌在滑鞍中不斷的往復移動，耐磨性能較久的保持運動精度，一般比較重要 的行位公差都是有相應說明的，可參考設計手冊，而我們的導軌選用的是v型導 向滑軌，所以滑鞍設計如圖5.6所示。 圖5.6 滑鞍 第 6 章 切割氣缸設計計算 20 6 切割氣缸的設計計算 6.1 切割機構設計 切割運動是由氣壓缸推動電動機在支撐板上做往復運動的過程，而我們這 里所用的氣缸是常見的型號，切割時所需要的強度由棒料的材質所影響，為了 防止切割時棒料的轉動，特意設置了壓料機結構，就和人的手掌相似，向下給 他一個力，防止棒料的旋轉，而壓料機構中，需要一個合適的定位，便于切割， 而且應該安裝合適的剛性機構保證機構能正確運行，同時在我們的設計與布局 當中，應該盡量減少一些運動構件的質量，防止支撐板受到較大的作用力，減 少不必要的彎矩產生。 6.2 切割氣缸的設計 1、作用力計算 切割運動所需要的作用力公式： （N）tmFf???? 其中，由于切割運動是由靜止開始的，所以△ V 所設計的氣缸原材料為鑄造鋁合金 ZL203，活塞的材質原料為 45 鋼，根據 相關的設計手冊可查的摩擦系數(shù) 17.0f? 質量的計算、氣缸的標準和氣壓傳動在我國《產品樣本》中有了明確的定 義：質量、尺寸的設計和測量，通過手冊可初步判斷切割時的總質量為 ，0kg3 接觸面積約為 2，所以 (N)m5.0S150.30??fF48505.163123-????tFf? 因為還需考慮到安全相關的原因，所得值應該乘以安全系數(shù) ，則2.1k?NF2.1? 2、氣缸的直徑 根據雙作用氣壓缸的公式： 41??DpF? 第 6 章 切割氣缸設計計算 21 4 22??pdDF）（ ?? 其中： 活塞桿伸出力/N—1F 活塞桿縮入力/N2 活塞直徑/㎜d 氣缸作業(yè)時所要壓力/Pap 代入上邊所求得的數(shù)據得： 當所用推力做了功時 m93.40493.~70)1( )8.015/(. pn2121??????FD 根據《液壓與氣壓傳動》課本中標準值的選取，取 50?D 按照 可估算得 .0~2/Dd m150)3.(?? ? 考慮到強度的因素，而且活塞桿也需要和切割部件做螺紋鏈接，所以取活 塞桿的直徑為 。6d 6.3 活塞桿的計算 1）估算活塞行程 一般活塞行程是根據實際情況而定的，有一個取值的范圍 DL）（ 5~.0? =25~250 mm 2）當活塞桿的計算長度 時，要進行強度校核計算，若 需進行活d10?L d10?L 第 6 章 切割氣缸設計計算 22 塞桿的穩(wěn)定計算， 根據《液壓與氣壓傳動》課本中表 4.4 可得，工作壓力 10Mpa，往復速度? 比 =1.33? ?1??Dd = 3.105? 24.9? 根據 5-2 活塞桿直徑標準系列查的桿的標準值 d=25. ?d10?L 所以活塞桿需要進行強度校核? 因為切割機裝在活塞干的端部，而切割機的運動是根據支撐板的往復運動， 所以活塞桿受到一個氣壓的推力和在切割時的一個反作用力。同時在切割過程 中，桿件還會受到一個和切削相反的力。如圖 6.1 所示受力的分析圖。 第 6 章 切割氣缸設計計算 23 平衡條件： 00y???QAF， )(???RXM，?NFA42? =-42N?Q 4201.)( ?? =10.08KN·m ???? 所以桿的強度合適。 2）一般用無縫鋼管做缸筒，大多數(shù)都屬于薄壁筒件，即 ,在最薄處的薄10??D 壁計算公式為 ????2Dp? 式中 氣缸筒的壁厚（m）；— 氣缸筒內徑（缸徑)(m）； 氣缸作業(yè)壓力（Pa）；p --缸筒材質原料的許用應力(Pa)??? 材質原料抗拉強度（Pa）；S??b—b? 安全系數(shù)，通常取 .S8~6? 通用普通缸所常用材料的許用應力：鑄鐵HT150或HT200等，許用應力[σ] =300Mpa； Q235鋼管或，許用應力[σ]=60Mpa； 鑄造鋁合金ZL203，許用應力[σ]=30Mpa；45鋼，許 用應力[σ]=120Mpa 本氣缸選用45鋼， 其 。??Mpa120?? 75.3102 8.6??? 對于氣缸來說，所計算出來的缸筒薄壁一般比較薄，為了方便加工通常需 要人為的加厚，盡可能選擇標準系列值，如圖表5-4 氣缸筒的壁厚 選取標準值如表5.4選δ=5mm 結論 24 結 論 其實，當我還沒有開始做這個畢業(yè)設計的時候，我依然認為我的大學生活 還有很長時間，但不得不面對現(xiàn)實，當我畢業(yè)設計做好時，也許就是我應該離 開學校的時候了，畢業(yè)前的這些日子里，時間過得就像細細的流沙，看起來一 天時間很漫長，卻無時無刻不在我的指縫間溜走，想挽留，一伸手，卻握得越 緊，溜得越快，畢業(yè)答辯，散伙宴席，舉手話別，各奔東西。 看來漫長的 大學生活也到了末端，然而這對我來說甚至是所有的同學來說， 這也只是我們踏入社會的起點，新的旅途已然在前方向我揮手。大學期間所有 同學對我們的激勵，所有老師長輩對我們的教導也許會讓我們體會很多很多， 艱辛的旅途換來的是收獲滿滿，于論文即將劃上一個完美的句號時，又開始對 這完美猶豫，也許這并不完美，此時五味陳雜。 本次的設計就要在這里畫上一個句號了，六月畢業(yè)季里，是有很多的內心 感觸。我在這四年里所學的知識與理論實際的結合，開始時的懵懂無知，隨著對畢設 慢慢的深入調查研究，逐步掌握了課本中的知識，豐富了我對機械行業(yè)的認知。這次 畢設讓我明白，說起來總是要比做起來容易。 再回首看看我這兩月的設計過程， 開始時的艱辛，再到后來的熟練掌握，我能明顯感覺到自己的進步。其實在這 里我要感謝我的指導老師，每次都是不辭辛勞的檢查我們畢設中的錯誤，在畢 業(yè)的課題設計當中，我會遇到許多許多的困難，在遇到困難后，我想到的第一 個辦法就是找我的指導老師，讓指導老師給我建議，讓我可以解決我所遇到的 問題。 通過本次對切斷機機構的設計，我也很清楚地認識到我自己的不足，只 有理論知識的學習是遠遠不夠的，其實我們本身都是明白的，理論和實際還是 有很大的差別，所影響的因素也太多太多,這次課題的設計是對我本身最好的檢 驗。 參考文獻 25 參考文獻 [1] 劉志輝,肖似蹼,李夢奇.基于 CAD 的棒料自動切斷機的設計[J].2013 [2] 張真,盛國亮,孫曉亮.機械設計制造及其自動化的發(fā)展前景[J].2015。 [3] 晏永紅.數(shù)控機械 PLC 運動控制庫研發(fā)與設計[J].2018 [4] 張寶坤,王淑霞,王艷.機械設計制造及其自動化的發(fā)展方向[J].2011。 [5] 秦大同.謝里陽.現(xiàn)代機械設計手冊.第三卷.化學工業(yè)出版社[M] .2011． [6] 盧秉恒.機器制造技術基礎[M]． 北京： 機器產業(yè)出版社，2008． [7] 曾平,馬驥,基于 CAD 軟件的“機械設計”的研究與實現(xiàn)[J].工程圖學學報, 2004 [8] 孫志禮.機械設計[M] .東北大學出版.2011 [9] 姜繼海.液壓與氣壓傳動，第 2 版.北京：高等教育出版社，2002.1 [10] 濮良貴.機器設計(第 9 版) [M]. 北京：高等教育出版社，2013 [11] 張展主編.機械設計通用冊[M]，第 1 版，.北京：機械工業(yè)出版社， 2008.4 [12] 高志.黃純穎. 機械創(chuàng)新設計[M].北京：高等機械出版社.2010 [13] 趙忠國.機械設計中的材料的選擇和應用[J].科技風,2013。 [14] 李新.自動化技術在機械設計制造中的應用[J].電子技術與軟件工程,2018 [15] 史越.三維 CAD 技術在機械設計中的應用探究[J].2013。 [16] WU Xia； ZHOU Tai- ping. Problems of Technology and Fixture Design in NC Machining [J]. Mechanics College of Jinggangshan University，2010， [17] ZHANG Yu1； ZHANG Xiu-li2； LI Yan- yuan 2 .The Study on Machining Process of Reducer Box- Body [J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology， 2010， [18] SHEN Wei-ping； MAO Xiao-jie； WU Chuan-yu ； NI Yong. Study of shoe lastfixture design method [J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering， 2010 致謝 26 致 謝 在這短短的三個月中，我也許還有許多的不足，但我們在學校的日子已 經不多了，這次的畢業(yè)設計讓我受益匪淺，而且老師認真負責，多次循環(huán)的檢 查讓我們意識得到設計本身中的錯誤，無論是的理論學習的階段，還是我自身 參與設計方面，老師都是負責的，看來漫長的 大學生活也到了末端，然而這對 我來說甚至是所有的同學來說，這也只是我們踏入社會的起點，新的旅途已然 在前方向我揮手。大學期間所有同學對我們的激勵，所有老師長輩對我們的教 導也許會讓我們體會很多很多，艱辛的旅途換來的是收獲滿滿，于論文即將劃 上一個完美的句號時，又開始對這完美猶豫，也許這并不完美，感謝老師的不 辭辛勞，認真負責的教導我，使我成長。