壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說(shuō)明書(shū),咨詢(xún)Q 197216396 或 11970985 疲勞振動(dòng)自動(dòng)下料機(jī)設(shè)計(jì)
摘 要
下料往往是鍛壓行業(yè)的第一個(gè)工序，也是獲得諸如普通的銷(xiāo)標(biāo)準(zhǔn)件、內(nèi)燃機(jī)活塞銷(xiāo)、鏈條連接銷(xiāo)、軸承內(nèi)外圈及滾子等零件的關(guān)鍵工序。目前，下料方法主要有：鋸床下料、各種剪切下料、車(chē)床切削下料、彎曲疲勞斷料等各種方法?？墒?，通常的下料方法都有其自身的局限性，例如：能耗大、斷面質(zhì)量差、原料浪費(fèi)嚴(yán)重、工具損耗大、生產(chǎn)效率低等等。這些缺點(diǎn)和當(dāng)前提倡的“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略“嚴(yán)重違背，而且不能滿(mǎn)足冷擠壓、溫?zé)釘D壓、精密鍛造、精密碾壓和電熱敦粗等少無(wú)切削新工藝的要求。本課題提出了一種棒材的高速精密疲勞下料的新方法。它應(yīng)用了“削強(qiáng)增脆“的最新精密下料方法，借鑒了”高速剪切下料“機(jī)理。采用感應(yīng)加熱的方式先將棒料加熱到一定程度，然后再冷卻，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力快速預(yù)置裂紋，依靠液壓缸加緊棒料作為定刀片保持棒料不轉(zhuǎn)，動(dòng)刀片在變頻器的控制下高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了棒料的快速?gòu)澢谙铝?。本下料方法可以?shí)現(xiàn)載荷沿棒料上下彎曲，時(shí)期疲勞斷裂，所以不存在各種剪切法的”馬蹄形”斷面，可以得到很好的斷面質(zhì)量，而且?guī)缀跏遣焕速M(fèi)材料，因此說(shuō)它是一種高效率的近凈綠色的制造工藝，值得研究和推廣。
關(guān)鍵詞：低應(yīng)力，疲勞，振動(dòng)。
Abstract
The materials’ cutting is often the first process in the forging industry, but also the key process such as access to the standard parts, the internal combustion engine piston pin, the chain link pin, both inside and outside circle and roller bearings and other parts. At present, cutting methods are: saw cutting, shearing under all kinds of materials, cutting lathe cutting, bending fatigue off materials, and other methods. However, the usual cutting method has its own limitations, such as: energy, cross-section of poor quality, serious waste of raw materials, tools loss, low production efficiency and so on. These shortcomings seriously breaches with the promotion of "sustainable development strategy of", but also can not meet the cold extrusion, hot extrusion, precision forging, precision and electric RCC Dun less crude and other new technology without cutting the request. This issue presents a bar of high-speed precision fatigue under the new method of materials. It applied the "cut-by brittle," the latest precision cutting methods, from a "high-speed shearing of the news" mechanism. By the way first induction heating bar is heated to a certain extent, and then cooling, resulting in rapid thermal stress cracks preferences, relying on the hydraulic cylinder to intensify the bar as a blade. The bar does not move and the blade is in the inverter control. The high-speed rotation realizes the bar bending fatigue of rapid cutting. This method can be expected under the load along the curved bar from top to bottom, during the fatigue fracture, so there is no cut of all the "horseshoe" section, the section can be very good quality, but almost is not a waste of materials, so that it is a High efficiency of the net near the green manufacturing process, it is worth research and extension.
Key words:low stress, fatigue, vibration.
目 錄
第一章 緒論 1
1.1概述 1
1.2 剪切毛坯的精度的評(píng)價(jià) 1
1.3精密下料方法的研究現(xiàn)狀 2
1.3.1高速剪切 2
1.3.2徑向加緊剪切 3
1.3.3軸向加壓剪切 3
1.3.4彎曲疲勞斷裂法 4
第二章 變頻振動(dòng)下料方式的基本原理 9
第三章 低應(yīng)力疲勞下料機(jī)的設(shè)計(jì) 13
3.1引言 13
3.2棒料的受力分析 13
3.3刀具的設(shè)計(jì) 14
3.4夾緊V形塊的設(shè)計(jì) 15
3.5振動(dòng)體支架的設(shè)計(jì) 16
3.6低應(yīng)力疲勞下料機(jī)的工作原理 18
3.7變頻振動(dòng)下料系統(tǒng)的總體構(gòu)成 19
3.7.1 機(jī)械部分的總體構(gòu)成 19
3.7.2液壓部分的總體構(gòu)成 20
第四章 主要工作部件的校核計(jì)算 23
4.1求工作激振力 23
4.1.1激振力的公式 23
4.1.2質(zhì)心的概念及其坐標(biāo)公式 24
4.2電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 28
4.3鍵的選擇和強(qiáng)度校核 29
4.3.1鍵的尺寸選擇 29
4.3.2平鍵聯(lián)接的失效和強(qiáng)度校核 29
4.4受拉螺栓連接強(qiáng)度校核 30
4.4.1松螺栓連接 30
4.4.2緊螺栓連接 30
4.5關(guān)于活塞桿的校核 31
4.6滾動(dòng)軸承的靜強(qiáng)度計(jì)算 31
4.6.1滾動(dòng)軸承的特點(diǎn) 31
4.6.2滾動(dòng)軸承的材料 32
第五章 結(jié)論與展望 35
5.1結(jié)論 35
5.2展望 36
致謝信 37
參考文獻(xiàn) 38
33
第一章 緒論
1.1概述
生產(chǎn)實(shí)踐中常用到的下料方法大致可以分為以下三個(gè)類(lèi)型：剪切下料、鋸床下料、車(chē)床切削下料。其中剪切的下料方法由于其生產(chǎn)效率高，材料損耗小，模具簡(jiǎn)單，得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于其受力特點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生“馬蹄形”斷面。鋸床下料雖然可以獲得較高精度的坯料，可是鋸縫處材料的損耗比較大。另外，每年的鋸條損耗也是很客觀的投資。車(chē)床切削下料可以獲得很高精度的的坯料，可是同時(shí)帶來(lái)的是更多的材料浪費(fèi)。同時(shí)，由于表面的刀具切痕的存在，也會(huì)對(duì)以后的成型工藝帶來(lái)隱患。為此，長(zhǎng)期來(lái)精密下料的研究重點(diǎn)還是傳統(tǒng)剪切工藝的改進(jìn)上。這些精密剪切工藝按其剪切的機(jī)理可以分為：高速剪切、軸向加壓剪切，徑向加緊剪切、塑性疲勞剪切、漸進(jìn)剪切、加熱剪切等等。
1.2 剪切毛坯的精度的評(píng)價(jià)
剪切的坯料斷面會(huì)出現(xiàn)塌角、凹坑、傾斜、壓扁、撕裂和毛刺等許多缺陷。這些缺陷與棒料的材料、剪切下料的方法、下料設(shè)備、剪刀片的形狀、精度和光潔度等各種因素有關(guān)。同時(shí)，不同的精密下料成形工藝對(duì)毛坯的精度也有不同的要求，所以對(duì)毛坯精度進(jìn)行評(píng)價(jià)很有必要。
為了衡量剪切毛坯的的精度，根據(jù)圖1.1，一般可以采用以下參數(shù)表示[1]：體積偏差η0=ΔV / V；V和ΔV分別是毛坯的體積和體積偏差量；塌角f0=f / D；壓塌k0=k / D；斷面不平度b0=b / D；斷面橢圓度S0=（D-d）/ D；斷面傾角Φ0。
圖1.1衡量剪切毛坯精度的技術(shù)參數(shù)
1.3精密下料方法的研究現(xiàn)狀
目前技術(shù)比較成熟的精密下料方法主要有：
1．3.1高速剪切
普通的棒料剪切機(jī)和曲柄壓力機(jī)的剪切速度一般只有0.3m/s左右，隨著剪切速度的提高，毛坯質(zhì)量可以得到顯著改善，因此產(chǎn)生了高速剪切。高速剪切的剪切速度在1.0~4.5m/s范圍內(nèi)。
由于材料的抗裂紋擴(kuò)展的阻力和加載速率有關(guān)，而中低強(qiáng)度鋼有較大的速率敏感性，隨著加載速度的提高，他們的斷裂韌度下降，接近于脆性斷裂[2]。因此材料的劇烈變形區(qū)變窄，剪切變形更集中在上、下刀刃連線(xiàn)附近的薄層內(nèi)，隨后的裂紋擴(kuò)展或撕裂也局限在該薄層的范圍內(nèi)，直到材料完全分離。所以高速剪切可以得到遠(yuǎn)比低速剪切時(shí)更垂直平整的斷面，毛坯端部的幾何畸變（即塌角）也大為減少。
可是，對(duì)于像鈦、銅及其合金、鋁等軟質(zhì)材料，由于它們的裂紋敏感性較小，高速剪切法就不能體現(xiàn)它的良好剪切效果。第二，高速剪切對(duì)毛坯的長(zhǎng)徑比L/D也有要求：當(dāng)L/D>1時(shí)，剪切質(zhì)量基本上不受影響，但當(dāng)L/D<1時(shí)，斷面橢圓度（D-d）/ D、斷面傾角Φ0和斷面不平度b / D急劇增大，當(dāng)L/D<0.5時(shí)，則毛坯發(fā)生嚴(yán)重的整體畸變，甚至可能碎裂成片。第三，高速剪切的另一個(gè)突出缺點(diǎn)是噪音比較嚴(yán)重。
1.3.2 徑向加緊剪切
徑向加緊剪切原理如圖1.2所示。
圖1.2 徑向夾緊剪切示意圖
1—擋板；2—?jiǎng)蛹袅Γ?—夾緊力；4—棒料；5—靜剪力
它是在棒料剪切過(guò)程中沿剪切區(qū)兩側(cè)施加徑向夾緊力，以限制棒料的彎曲和材料沿軸向的流動(dòng)，從而減少端部的拉壓變形，提高剪切毛坯的精度。這種方法不僅適用于冷剪切、熱軋圓鋼、方鋼，還可以進(jìn)行熱剪，適用范圍較廣，斷面傾斜角度小于等于20 。德國(guó)Puttinghus、意大利FICEP公司、我國(guó)沈陽(yáng)求實(shí)精密剪切廠的產(chǎn)品Q(chēng)-45A系列精密棒料剪切機(jī)以及軸承廠的傅立壯研制的棒料徑向夾緊模[3]就是采用這種原理。
1.3.3 軸向加壓剪切
為獲得端部無(wú)塌角、斷面光亮的精密毛坯引入了軸向加壓精密剪切方法。它是在下料過(guò)程中，對(duì)棒料始終施加一個(gè)軸向壓力，從而提高了靜水壓力，增大了材料的塑性，抑制裂紋產(chǎn)生，使剪切過(guò)程中只有塑性變形。另外，也可以阻止材料沿軸向的流動(dòng)。它的原理如圖1.3所示。
圖1.3軸向加壓剪切示意圖
1—?jiǎng)蛹袅Γ?—棒料；3—軸向壓力；4—靜剪力
這種下料方法對(duì)毛坯的長(zhǎng)徑比L/D也有要求（>0.5），比較適合有色金屬的剪切，它要求動(dòng)、靜剪切的間隙保持為零，再加上巨大的軸向壓力導(dǎo)致了材料內(nèi)部的壓應(yīng)力很大，因此剪刃磨損嚴(yán)重。西安交通大學(xué)鍛壓教研室曾對(duì)銅、鋁等有色金屬進(jìn)行過(guò)軸向加壓精密剪切研究，獲得了平整光滑的剪切面[4]。
1.3.4 彎曲疲勞斷裂法
彎曲疲勞斷裂法是在金屬棒料的圓周上加工一個(gè)尖銳的V型槽，然后在下料端施加徑向力，使棒料承受旋轉(zhuǎn)彎曲，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)后，金屬就在環(huán)形槽處斷裂。其工作原理如圖1.4所示。
圖1.4（a）用車(chē)刀加工V型槽
圖1.4（b）用鋒利滾輪軋制出V型槽
這種下料方法充分利用了缺口效應(yīng)和彎曲疲勞效應(yīng)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)材料在低應(yīng)力水平下的脆斷，獲得無(wú)幾何畸變和斷口垂直平整的毛坯。對(duì)于高強(qiáng)度低塑性材料，如高碳鋼、工具鋼、軸承鋼和高速鋼等的下料具有一定的優(yōu)越性。其典型斷口特征如圖1.5所示。
圖1.5疲勞斷裂斷口特征
A：裂紋萌生區(qū),B：穩(wěn)定斷口區(qū),C：快速破裂區(qū)
它包括三個(gè)區(qū)域：A區(qū)為甴切口尖端出發(fā)的裂紋萌生區(qū)，它的寬度很小，通常僅為0.1~0.2mm；B區(qū)為穩(wěn)定疲勞斷裂區(qū)，相應(yīng)的斷口平整光潔；C區(qū)為快速破斷區(qū)，在一般的情況下，該區(qū)斷口粗糙、平整度也較差，但隨材質(zhì)的不同而有明顯的區(qū)別，對(duì)于高強(qiáng)度硬質(zhì)材料，該區(qū)斷口質(zhì)量也相當(dāng)平整光潔。
在彎曲疲勞斷料時(shí)，需要在棒料上人為的預(yù)制V型缺口，它的主要參數(shù)如圖1.6所示，包括缺口角2α，缺口深度h和缺口尖端曲率半徑r。一般考慮的各種因素后取2α=600。
圖1.6 V型缺口參數(shù)
目前在這方面研究的設(shè)備既有專(zhuān)用的設(shè)備，也有在改裝的普通車(chē)床上配以專(zhuān)用的輔具進(jìn)行[1]。以下將對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行陳述和討論。圖1.7是一種可以進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)的彎曲疲勞斷裂裝置。在該裝置中，待切棒料1在軋輥3、5中一邊旋轉(zhuǎn)，一邊軸向前進(jìn)。借助主動(dòng)輥3上高度漸增的螺旋凸棱，在棒料上刻出等距的環(huán)形槽。隨后棒料經(jīng)受旋轉(zhuǎn)彎曲，經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，即在棒端分離出毛坯4。由于同時(shí)有若干個(gè)待切毛坯經(jīng)受旋轉(zhuǎn)彎曲，因此，軋輥每旋轉(zhuǎn)一周，即可獲得一個(gè)毛坯。
圖1.7 連續(xù)式彎曲疲勞斷料裝置示意圖
1—棒料，2—螺旋凸棱，3、5—軋輥，4—毛坯
現(xiàn)在，對(duì)以上三種彎曲疲勞下料方法進(jìn)行討論。首先，以上三種方法的一個(gè)共同點(diǎn)，也就是它們的最大缺點(diǎn)是讓棒料在旋轉(zhuǎn)。對(duì)于短的棒料，這種缺點(diǎn)就不是很明顯，可是隨著棒料長(zhǎng)度的增加，高速旋轉(zhuǎn)的棒料尾部大部分在車(chē)床的外面很難控制，由于不同心就會(huì)被甩轉(zhuǎn)起來(lái)，這樣是十分危險(xiǎn)的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一種是讓棒料的轉(zhuǎn)速降低，這樣的生產(chǎn)率也隨之降低了；還有一種是讓棒料不轉(zhuǎn)，刀具旋轉(zhuǎn)，這也是我們研究的課題。第二，他們的V型槽產(chǎn)生的辦法導(dǎo)致了切口尖端的半徑r不可能做的很小，這樣初始理想裂紋的產(chǎn)生比較困難，而且需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，不利于低應(yīng)力脆斷。因此要想一種方法可以產(chǎn)生更小的切口尖端半徑r。為此，我們?cè)陂_(kāi)V型槽時(shí)，先用寬車(chē)刀開(kāi)出具有（60~900）的V型槽，然后再利用尖車(chē)刀將V型槽底部刮尖[5]。第三，它們把車(chē)V型槽和彎曲疲勞斷料兩個(gè)工步放在一起，后者受前者的牽制很大，不利于整體生產(chǎn)率的提高。為此，我們把兩個(gè)工步分開(kāi)，應(yīng)該分別設(shè)計(jì)開(kāi)槽機(jī)和低應(yīng)力疲勞斷料機(jī)。
總之，上述各種精密下料方法都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，有些都已經(jīng)投入了實(shí)際的生產(chǎn)。可是距離高精度、低能耗、地浪費(fèi)、高效率、簡(jiǎn)單操作的總體目標(biāo)還比較遠(yuǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)的低應(yīng)力疲勞下料機(jī)也是希望在這方面有所進(jìn)展。
第二章 變頻振動(dòng)下料方式的基本原理
在進(jìn)行實(shí)際的構(gòu)件傳統(tǒng)斷裂行為研究時(shí)，往往是追求如何防止和控制工程結(jié)構(gòu)的斷裂及破壞，研究裂紋體在不同環(huán)境下的裂紋形成機(jī)理、裂紋尖端應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)、裂紋啟裂、止裂的判據(jù)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等，從而確定哪些斷裂韌性指標(biāo)，為預(yù)防、控制、預(yù)測(cè)裂紋行為提供依據(jù)。然而，事物都是有其兩面性的。裂紋固然會(huì)帶來(lái)災(zāi)難，在一定條件下裂紋也可以變成可利用的下料方式，同時(shí)在利用裂紋時(shí)，應(yīng)人為地實(shí)施控制，已達(dá)到化害為利的目的。
變頻振動(dòng)下料系統(tǒng)正是從人們傳統(tǒng)的避免裂紋產(chǎn)生的反方向出發(fā)，在棒料上先設(shè)計(jì)出有利于裂紋萌生的環(huán)境 —V型槽，利用裂紋擴(kuò)展總是在局部發(fā)生的特點(diǎn)，降低下料所需的力與能量，并考慮在什么樣的條件下，裂紋會(huì)以我們期望的方向和速度擴(kuò)展，直至棒料斷裂，完成下料。
利用裂紋的第一部是產(chǎn)生裂紋。文獻(xiàn)中指出裂紋是在晶界、孿晶界、夾雜、微觀結(jié)構(gòu)或成分不均勻區(qū)，以及微觀或宏觀的應(yīng)力集中部位形核。由于工業(yè)中對(duì)宏觀應(yīng)力集中的理論已經(jīng)相當(dāng)成熟而且對(duì)他的控制也相對(duì)容易，因此本系統(tǒng)采用車(chē)削加工V型槽的辦法來(lái)產(chǎn)生集中區(qū)域，為裂紋的產(chǎn)生提供有利條件。根據(jù)應(yīng)力集中部位的疲勞理論，要產(chǎn)生裂紋還需要有較大的局部應(yīng)變。因此，還需要找到能在小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大變形的方法。
控制裂紋的生長(zhǎng)，是科學(xué)利用裂紋的關(guān)鍵。裂紋的生長(zhǎng)包括生長(zhǎng)的方向、速度以及終止條件。裂紋具體生長(zhǎng)狀況受到工件所處的周?chē)h(huán)境、所受載荷的情況、材料的性能等等因素的影響，因此控制裂紋生長(zhǎng)的大環(huán)境是控制裂紋的根本。相比以上種種因素，載荷是相對(duì)便于控制和測(cè)量的，所以本文中采用控制載荷的方法來(lái)控制裂紋。而對(duì)于本文所述的振動(dòng)下料系統(tǒng)，載荷應(yīng)包括激振力 和動(dòng)模具刃口的位移振幅，通過(guò)合理控制激振頻率即可以實(shí)現(xiàn)激振力和動(dòng)模具刃口的位移振幅按設(shè)計(jì)的規(guī)律進(jìn)行變化。
整個(gè)變頻下料系統(tǒng)正是按照上述的思路來(lái)設(shè)計(jì)的。振動(dòng)下料系統(tǒng)的工作流程如圖2-1所示，它是由開(kāi)槽裝置、預(yù)置理想裂紋裝置（熱應(yīng)力裝置、校直機(jī)）振動(dòng)下料機(jī)組成，這些裝置各自獨(dú)立但又共同完成下料任務(wù)。從圖2-1中可以看出，變頻振動(dòng)下料的方式可以分為三條可以選擇的工藝路線(xiàn)：
第一條：熱應(yīng)力式變頻下料法。利用開(kāi)槽機(jī)，在棒料表面的規(guī)定位置上加工出等間距的V型槽，將棒料放入中頻加熱爐中加熱到一定溫度，然后送入冷卻裝置中進(jìn)行分段快速冷卻以在V形槽底部產(chǎn)生熱裂紋，最后在振動(dòng)下料機(jī)變頻振動(dòng)下料；
第二條：校直式變頻下料機(jī)。利用開(kāi)槽機(jī)，在棒料表面的規(guī)定位置加工出等間距的V型槽，將棒料送入棒料機(jī)械式校直機(jī)中進(jìn)行校直以在棒料V型槽底部產(chǎn)生初始裂紋，在振動(dòng)下料機(jī)中變頻振動(dòng)下料；
第三條:直接式變頻下料法。利用開(kāi)槽機(jī)，在棒料表面的規(guī)定位置加工出等間距的V型槽，直接將棒料送入振動(dòng)下料機(jī)進(jìn)行變頻振動(dòng)下料。
圖2-1 變頻振動(dòng)下料的不同方式
三條振動(dòng)下料工藝路線(xiàn)中，第一步都是要在棒料表面規(guī)定的位置上加工出V型槽。開(kāi)槽的兩個(gè)目的，其一是便于在受力不大的情況下在槽底部的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，便于裂紋的產(chǎn)生；另外，環(huán)形槽有利于裂紋在徑向產(chǎn)生并擴(kuò)展。這里選擇的V型槽不僅加工方便而且應(yīng)力集中明顯。加工V型槽的主要任務(wù)要由新型開(kāi)槽機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備能全自動(dòng)的在規(guī)定位置上加工不同幾何尺寸的V型槽，關(guān)于開(kāi)槽機(jī)的具體結(jié)構(gòu)可以參閱文獻(xiàn)[30]。
疲勞斷裂中，產(chǎn)生裂紋的時(shí)間往往可占構(gòu)件使用壽命的80%左右。同樣，在本文所述的疲勞下料機(jī)在本文所述的疲勞下料過(guò)程中，形成理想的裂紋時(shí)間占去了整個(gè)下料過(guò)程的很大比重.此外，如果沒(méi)有進(jìn)行良好的載荷控制，這樣產(chǎn)生的裂紋方向性不好，裂紋擴(kuò)展后和棒料軸線(xiàn)不垂直，振動(dòng)在V型槽底部形成的典型裂紋。為了提高下料效率，并保證裂紋的方向性，本課題又設(shè)計(jì)了1和2兩條工藝路線(xiàn)，就是把預(yù)置裂紋作為獨(dú)立的一步進(jìn)行。工藝路線(xiàn)1中采用了熱應(yīng)力預(yù)置初始裂紋的方法，工藝路線(xiàn)2中采用了校直過(guò)程的循環(huán)應(yīng)變產(chǎn)生初始裂紋的方法。
振動(dòng)下料是下料工藝的最后一步，其受載原理如圖2-2所示。棒料上已有的微小裂紋將在振動(dòng)下料機(jī)產(chǎn)生的變化載荷作用下快速而又相對(duì)均勻的擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展的足夠深時(shí)，連接區(qū)域已經(jīng)很小，棒料因不能承受載荷而瞬間斷裂，下料過(guò)程結(jié)束。棒料在最后脆斷時(shí)的斷面質(zhì)量一般都不高，為提高整體斷面的質(zhì)量，應(yīng)使施加于棒料的激振力隨著裂紋的擴(kuò)展而減??；為了維持裂紋擴(kuò)展并最終可靠的斷裂，激振力作用點(diǎn)的位移振幅，即動(dòng)模具刃口的位移振幅應(yīng)該越來(lái)越大。為此振動(dòng)下料系統(tǒng)采用了變頻器控制振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)頻率即可以達(dá)到控制激振力和動(dòng)模具刃口的位移振幅的大小，從而實(shí)現(xiàn)變載荷下料。
圖2-2 振動(dòng)下料階段棒料受載荷簡(jiǎn)圖
第三章 低應(yīng)力疲勞下料機(jī)的設(shè)計(jì)
3.1引言
在本課題中設(shè)計(jì)了送進(jìn)裝置、夾緊裝置、冷卻裝置[6]、疲勞振動(dòng)下料機(jī)構(gòu)[7]，本次設(shè)計(jì)著重于低應(yīng)力疲勞下料機(jī)的設(shè)計(jì)。
3.2棒料的受力分析
如圖2.2所示，棒料在下料的過(guò)程中四個(gè)典型位置的受力情況，可見(jiàn)棒料受到的是一個(gè)對(duì)稱(chēng)循環(huán)的等幅載荷。根據(jù)文獻(xiàn)[8]這樣的恒幅載荷下的疲勞斷裂區(qū)（即圖1.5的B區(qū)）要比變幅載荷下的大，這樣得到的毛坯斷口質(zhì)量自然就更趨于平整光潔。
圖2.2下料過(guò)程中對(duì)棒料的受力分析
如圖2.3所示，棒料在下料的過(guò)程中兩個(gè)典型位置的受力情況，可見(jiàn)棒料受到的是一個(gè)對(duì)稱(chēng)循環(huán)的等幅載荷。但是效果明顯不如圖2.2的四周受力均勻，斷面效果也不如圖2.2所示，但是圖2.2中兩個(gè)方向的力同樣可以達(dá)到疲勞振斷的效果，且機(jī)構(gòu)明顯比圖2.2簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好。圓周扭斷不但難于實(shí)現(xiàn)，且在控制的時(shí)候，圓周扭斷不好控制，所以選擇方案上下震動(dòng)疲勞斷裂。
圖2.3
想到振動(dòng)，首先想到的是彈簧振動(dòng)，如圖2.4所示。選用彈簧，可以達(dá)到疲勞振斷的要求，而且彈簧可以把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為彈性勢(shì)能，從一定意義上達(dá)到了節(jié)約能源的要求。
圖2.4
3.3刀具的設(shè)計(jì)
圖2.5
1—?jiǎng)訅涵h(huán)；2—?jiǎng)幽＞撸?—外套筒；4—內(nèi)套筒；5—螺母；6—套筒
將上述圖2.5中刀具進(jìn)行對(duì)比，左邊的動(dòng)刀是將動(dòng)模具裝在左邊軸承中，然后上下兩個(gè)套筒頂緊，再裝另外一個(gè)軸承，然后用螺母擰緊，這樣整個(gè)刀具部分連為一體，而且動(dòng)刀組在壓環(huán)作用下，不僅可以壓緊軸承，而且將整個(gè)刀組固定在振動(dòng)體上，連接緊密。右邊的動(dòng)刀雖然也將軸承壓緊，而且也把整個(gè)刀組固定在振動(dòng)體上，但是振動(dòng)時(shí)由于力的作用，且棒料和動(dòng)模具間的碰撞也會(huì)導(dǎo)致螺母的松弛，這樣軸承的軸向定位將不穩(wěn)定。綜合選用第一個(gè)圖的刀具部分。
3.4夾緊V形塊的設(shè)計(jì)
圖2.6
設(shè)計(jì)如圖2.6所示。因?yàn)橐泳o的是棒料，所以選用了長(zhǎng)V形塊，該V形塊是一對(duì)，可以上、下將棒料夾緊，且圖2.6是棒料上面的加緊零件，該零件和液壓缸體的上端蓋連接，中間的孔裝螺栓，可以調(diào)節(jié)V形塊的位置。V形塊的精度要求已經(jīng)比較高，但是由于要與棒料壓緊，接觸面的精度還是應(yīng)該引起特別注意。
3.5振動(dòng)體支架的設(shè)計(jì)
圖2.7
如圖2.7所示，圖中腔體中的孔用來(lái)安裝動(dòng)刀組。該振動(dòng)體上部用于安裝電機(jī)，電機(jī)軸上連接一個(gè)偏心塊，這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心塊產(chǎn)生離心力，可以使整個(gè)機(jī)構(gòu)振動(dòng)。這樣以來(lái)，振動(dòng)體放在彈簧上便可以持續(xù)震動(dòng)。該零件對(duì)腔內(nèi)表面的精度要求較高，因?yàn)橐惭b動(dòng)刀組，加工時(shí)應(yīng)該引起注意。且上表面要安裝電機(jī)，表面精度也要保證。底部孔的尺寸要保證，因?yàn)榕c彈簧座是過(guò)盈配合。
圖2.8
該振動(dòng)體與彈簧之間連接零件用如圖2.8所示。該零件上部圓柱插入振動(dòng)體底部的孔中，是過(guò)盈配合，下面與彈簧連接。整體組裝圖如圖2.9所示。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)偏心塊，從而能引起整個(gè)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)。
圖2.9
以上是振動(dòng)部分的機(jī)械圖，該部分要放在底座上。底座的設(shè)計(jì)如圖2.10所示。
圖2.10
彈簧與底板之間的連接同樣是用圖2.8所示的零件。底板的設(shè)計(jì)之所以加如此多的筋板和豎板，是為了限位。在裝配的時(shí)候，圖中底板的上方的橫板下方要安裝一個(gè)橡膠板，這樣可以緩沖振動(dòng)體與底座上方橫板的碰撞，起到限位和緩沖的作用。
另外，應(yīng)該說(shuō)明的是，本機(jī)構(gòu)為試驗(yàn)機(jī)，所以其底座是由多塊板焊接而成，這樣經(jīng)濟(jì)劃算，此外還有振動(dòng)體、電機(jī)兩側(cè)的支撐架、擺動(dòng)塊防護(hù)罩、以及安裝夾具的支架、冷卻箱體等很多零件都是用板、套筒等基本的簡(jiǎn)單件焊接而成，這樣大大降低了成本。而且只做一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)作為測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之用，沒(méi)有必要生產(chǎn)零件時(shí)進(jìn)行鑄造、沖壓等，單間小批量，用焊接即可。雖然制造機(jī)器的周期較長(zhǎng)，但是綜合性?xún)r(jià)比后，焊接應(yīng)該是首選，鑄造、沖壓等加工方法需要制造模具，這在現(xiàn)實(shí)生活中是不現(xiàn)實(shí)的，成本很高，不適宜小規(guī)模生產(chǎn)。本試驗(yàn)機(jī)是用來(lái)測(cè)定疲勞震蕩斷料的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，測(cè)定疲勞斷料的一些數(shù)據(jù)，以及對(duì)斷面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。
3.6低應(yīng)力疲勞下料機(jī)的工作原理
圖3.1是低應(yīng)力疲勞下料機(jī)的工作原理圖。可以看出本下料機(jī)采用的是彎曲疲勞下料的方式。棒料經(jīng)開(kāi)槽機(jī)開(kāi)了等距離的V型槽后，在通過(guò)感應(yīng)加熱裝置加熱到一定的溫度，然后在冷卻裝置3中快速冷卻，即采用熱應(yīng)力方法在V型口處產(chǎn)生了初始裂紋，加緊缸5加緊棒料，接著送進(jìn)缸2將加緊缸送到合適位置，此時(shí)棒料已經(jīng)進(jìn)入高速振蕩的應(yīng)力下料機(jī)構(gòu)6中，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)后，毛坯就從棒料中分離出來(lái)，然后沿著6的中間孔出來(lái)。
圖3.1下料機(jī)工作原理示意圖
1-底座；2-送進(jìn)缸；3-冷卻裝置；4-棒料；5-夾緊缸；6-振動(dòng)體；7-電機(jī)
3.7變頻振動(dòng)下料系統(tǒng)的總體構(gòu)成
新型變頻振動(dòng)下料系統(tǒng)由機(jī)械部分、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。下面對(duì)機(jī)械部分和液壓系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述，控制系統(tǒng)將不在本文中介紹。
3.7.1 機(jī)械部分的總體構(gòu)成
振動(dòng)下料系統(tǒng)的機(jī)械部分簡(jiǎn)圖如圖3-1所示，它由振動(dòng)子系統(tǒng)、送進(jìn)夾緊裝置、冷卻裝置三大部分構(gòu)成。
第一部分：振動(dòng)子系統(tǒng)振動(dòng)子系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、兩個(gè)扇形偏心塊、振動(dòng)體、動(dòng)模具以及彈簧基座五大部分構(gòu)成。將旋轉(zhuǎn)的偏心塊產(chǎn)生的離心力轉(zhuǎn)化為2-3所示的被懸臂夾持的棒料一端施加變頻激振力，從而誘發(fā)裂紋萌生及擴(kuò)展。激振力的大小、頻率以及動(dòng)模具刃口的位移振幅可以通過(guò)變頻器控制激振電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。
第二部分:送進(jìn)夾緊裝置主要包括一個(gè)送進(jìn)裝置、一個(gè)自制的夾緊裝置、送進(jìn)裝置和夾緊裝置的限位及導(dǎo)向裝置。在振動(dòng)下料過(guò)程中，需要保證棒料一端固定，另一端受激振力作用。而送進(jìn)夾緊裝置的作用就是為棒料提供了一個(gè)固定約束，其中，夾緊裝置限制了棒料在下料的過(guò)程的徑向竄動(dòng)、扭轉(zhuǎn)以及軸向的扭轉(zhuǎn)；而送進(jìn)裝置則限制了棒料在下料過(guò)程中的軸向竄動(dòng)，并根據(jù)需要調(diào)整棒料的力臂大小，從而改變力矩的大小。
第三部分：冷卻裝置用作對(duì)已整體加熱到規(guī)定溫度的棒料進(jìn)行分段快速冷卻，從而利用熱脹冷縮原理產(chǎn)生應(yīng)力集中，就能在棒料的V型槽底部實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力預(yù)置理想裂紋的目的。振動(dòng)下料機(jī)各部分的具體結(jié)構(gòu)組成及其工作原理可以參考文獻(xiàn)。
3.7.2液壓部分的總體構(gòu)成
由于振動(dòng)下料過(guò)程中所需的夾緊力和送進(jìn)力都比較大，同時(shí)為了便于控制，本課題采用液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上述工作過(guò)程的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了如圖2-5所示的液壓系統(tǒng)。
由于振動(dòng)過(guò)程中需要對(duì)棒料施加很大的壓力，同時(shí)為提高該系統(tǒng)的廣泛適應(yīng)性將系統(tǒng)的額定壓力設(shè)計(jì)為31.5MPa。送進(jìn)缸選用了山西液壓元件廠制造的車(chē)輛用液壓缸DG-J50C-E1Y1（油壓為16MPa，行程100mm）。為此在液壓系統(tǒng)的送進(jìn)缸支路中設(shè)計(jì)了單向減壓閥JDF-B10H4-s，通過(guò)該減壓閥可將進(jìn)入到送進(jìn)缸的最大油壓從31.5MPa降到16MPa，保證了送進(jìn)缸的安全工作。
圖2-3 液壓系統(tǒng)原理圖
為使夾緊過(guò)程牢靠，且不受系統(tǒng)油壓波動(dòng)的影響，在液壓系統(tǒng)的夾緊缸支路中設(shè)置了一個(gè)型號(hào)為A1Y-Hb10B的內(nèi)泄式液控單向閥，其正向開(kāi)啟壓力為0.4MPa，當(dāng)反向開(kāi)啟出口無(wú)背壓時(shí)，最小控制壓力為1.6MPa。從圖2-5可看出，在送進(jìn)缸送進(jìn)過(guò)程中雖然系統(tǒng)油壓降低，但是由于液控單向閥A1Y-Hb10B的存在，加緊缸的內(nèi)的油不會(huì)倒流，因此其缸內(nèi)的油壓不會(huì)降低，夾緊力基本不變；而當(dāng)加緊缸放松棒料時(shí)，由于夾緊缸左腔油壓升高，液控單向閥的控制口內(nèi)的油壓升高，在達(dá)到其反向啟動(dòng)控制油壓1.6MPa時(shí)，會(huì)使液控單向閥A1Y-Hb10B反向打開(kāi)，從而可順利的使夾緊缸油腔的油通過(guò)他然后再由二位四通電磁閥24BI1-H10B-T流入油箱。
從圖中2-5可以看出，通過(guò)對(duì)兩個(gè)換向閥線(xiàn)圈的通、斷電控制、斷電控制，就可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)下料過(guò)程所需要的動(dòng)作。表2-1列出了系統(tǒng)中各液壓元件在一個(gè)完整的全自動(dòng)下料循環(huán)中的工作順序和信號(hào)來(lái)源情況。
表4-1 液壓元件動(dòng)作順序
動(dòng)作名稱(chēng)
信號(hào)來(lái)源
初始化
線(xiàn)圈JC2通電，JC3不得電，送進(jìn)缸后退，夾緊缸松開(kāi)
夾緊缸夾緊
線(xiàn)圈JC3得電，夾緊缸夾緊棒料
送進(jìn)缸前進(jìn)
夾緊缸已夾緊，且壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，JC2失電，JC1得電
夾緊缸松開(kāi)
線(xiàn)圈JC3失電，夾緊缸松開(kāi)
送進(jìn)缸后退
JC1失電，JC2得電
第四章 主要工作部件的校核計(jì)算
4.1求工作激振力
4.1.1激振力的公式
棒料材料的不同、V型槽參數(shù)的不同，都可能導(dǎo)致其強(qiáng)度差別很大，因此為了達(dá)到穩(wěn)定的下料結(jié)果，相同頻率參數(shù)下所需要的激振力也是不一樣的。單個(gè)偏心塊所能提供的最大激振力F如式（4-1）所示：
F=m(2πf)2ρ (4-1)
式中，m —— 偏心塊的質(zhì)量，Kg；
ρ—— 偏心塊質(zhì)心位置與轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離，m；
f —— 激振頻率，Hz。
從式中可以看出，改變激振力F有三個(gè)途徑：一是改變m，二是改變?chǔ)?，三是改變f。對(duì)于原來(lái)的振動(dòng)系統(tǒng)，由于偏心塊是整體的，不能方便的對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整（即改變m或者ρ）。因此要想改變激振力F，只能通過(guò)提高或者降低激振頻率f來(lái)達(dá)到。例如在文獻(xiàn)[3]中，為了達(dá)到類(lèi)似的下料結(jié)果，45#鋼的棒料采用16-18Hz進(jìn)行下料，LY8的棒料則采用12-14Hz進(jìn)行下料?？墒怯捎谡駝?dòng)下料機(jī)的固有頻率在11Hz左右，12-14Hz的頻率靠近共振頻率，這樣的振動(dòng)十分不穩(wěn)定，難以控制，因此導(dǎo)致了下料結(jié)果十分不穩(wěn)定，具體表現(xiàn)在兩方面：一是斷面質(zhì)量參差不齊，二是下料所需要的時(shí)間長(zhǎng)短相差很大（從16s到239s）。
偏心量的大小決定了應(yīng)力水平的高低，如圖1.5所示，對(duì)給定的材料而言，B區(qū)和C區(qū)在整個(gè)斷口所占的比例，隨旋轉(zhuǎn)彎曲時(shí)應(yīng)力水平的不同而不同。應(yīng)力水平越高，C區(qū)所占的比例越大，這意味著斷口的總體質(zhì)量變差。反之，斷口的質(zhì)量可以提高，但是付出的代價(jià)是斷料時(shí)間的延長(zhǎng)，生產(chǎn)率降低。為了同時(shí)提高斷口的總體質(zhì)量和生產(chǎn)率，我們采用了較小的偏心量和較高的應(yīng)力循環(huán)頻率，即轉(zhuǎn)速。為了讓振動(dòng)下料機(jī)具有良好的可控性，也為了探索不同材料的最佳振動(dòng)方式，本文對(duì)振動(dòng)下料機(jī)的偏心塊進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)成一個(gè)母體偏心塊外加幾片調(diào)節(jié)片。
要計(jì)算激振力，則先求得m，經(jīng)計(jì)算得出m=1.657kg。要求最大激振力，可以選擇最大激振頻率，即fmax=50Hz。下面求偏心塊質(zhì)心位置與轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離ρ。
4.1.2質(zhì)心的概念及其坐標(biāo)公式
如圖4-1所示，設(shè)質(zhì)點(diǎn)系由n個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成，第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)Mi的質(zhì)量為mi，相對(duì)于固定點(diǎn)O的矢徑為ri，整個(gè)質(zhì)點(diǎn)系的質(zhì)量為 ，則質(zhì)點(diǎn)系的質(zhì)量中心（簡(jiǎn)稱(chēng)質(zhì)心）C的矢徑為
(4-2)
圖4-1
質(zhì)心反映了質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)量分布的一種特征，它是質(zhì)點(diǎn)系中一個(gè)特定的點(diǎn)。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)系中各質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心的位置也隨之改變。而剛體是由無(wú)限多個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成的不變質(zhì)點(diǎn)系，其內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位置是固定的，因此剛體的質(zhì)心是剛體內(nèi)某一確定點(diǎn)。
質(zhì)心的概念及其運(yùn)動(dòng)在動(dòng)力學(xué)中具有重要地位。式(4-2)的矢量式一般用于理論推導(dǎo)，而在實(shí)際計(jì)算質(zhì)心位置時(shí)，常用直角坐標(biāo)形式。如圖4-1所示，取直角坐標(biāo)系Oxyz，第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)Mi的坐標(biāo)為xi、yi、zi，質(zhì)心的坐標(biāo)為xC、yC、zC。由式(4-2)分別向x、y、z軸投影，得
(4-3)
式(4-3)為質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心的坐標(biāo)計(jì)算公式。對(duì)于質(zhì)量均勻分布的剛體，單位體積的質(zhì)量（密度）ρ=常量。以ΔVi表示微小部分Mi的體積，以V=∑ΔVi表示整個(gè)物體的體積，將 代入可得式(4-3)?？梢?jiàn)，均質(zhì)剛體的質(zhì)心和形心的位置是重合的。
應(yīng)當(dāng)注意，質(zhì)心和重心是兩個(gè)不同的概念。重心是地球?qū)ξ矬w作用的平行引力的合力（物體重力）的作用點(diǎn)，它只在重力場(chǎng)中才有意義，一旦物體離開(kāi)重力場(chǎng)，重心就沒(méi)有任何意義；而質(zhì)心是反映質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)量分布情況的一個(gè)幾何點(diǎn)，它與作用力無(wú)關(guān)，無(wú)論質(zhì)點(diǎn)系是否在重力場(chǎng)中，質(zhì)心總是存在的。
4.1.3確定物體重心位置的方法
前面所述的重心和形心坐標(biāo)公式，是確定重心或形心位置的基本公式。在實(shí)際問(wèn)題中，可視具體情況靈活應(yīng)用。對(duì)于均質(zhì)物體，如在幾何形體上具有對(duì)稱(chēng)面、對(duì)稱(chēng)軸或?qū)ΨQ(chēng)中心，則該物體的重心或形心必在此對(duì)稱(chēng)面、對(duì)稱(chēng)軸或?qū)ΨQ(chēng)中心上。下面介紹幾種工程中常用的確定重心位置的方法。
(1) 組合法
工程中有些形體雖然比較復(fù)雜，但往往是由一些簡(jiǎn)單形體組成的，這些簡(jiǎn)單形體的重心通常是已知的或易求的，這樣整個(gè)組合形體的重心就可直接求得。
(2) 負(fù)面積法
如果在規(guī)則形體上切去一部分，例如鉆一個(gè)孔等，則在求這類(lèi)形體的重心時(shí)，可以認(rèn)為原形體是完整的，只是把切去的部分視為負(fù)值（負(fù)體積或負(fù)面積）。
(3) 實(shí)驗(yàn)法（平衡法）
如物體的形狀不是由基本形體組成，過(guò)于復(fù)雜或質(zhì)量分布不均勻，其重心常用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)確定。
1) 懸掛法 對(duì)于形狀復(fù)雜的薄平板，確定重心位置時(shí)，可將板懸掛于任一點(diǎn)A，如圖4-2a所示。根據(jù)二力平衡原理，板的重力與繩的張力必在同一直線(xiàn)上，故物體的重心一定在鉛垂的掛繩延長(zhǎng)線(xiàn)AB上。重復(fù)使用上法，將板掛于D點(diǎn)，可得DE線(xiàn)。顯然，平板的重心即為AB與DE兩線(xiàn)的交點(diǎn)C，如圖4-2b所示。
圖4-2
2) 稱(chēng)重法 對(duì)于形狀復(fù)雜的零件、體積龐大的物體以及由許多構(gòu)件組成的機(jī)械，常用此法確定其重心的位置。例如，連桿本身具有兩個(gè)相互垂直的縱向?qū)ΨQ(chēng)面，其重心必在這兩個(gè)平面的交線(xiàn)，即連桿的中心線(xiàn)AB上，如圖4-3所示。其重心在x軸上的位置可用下法確定：先稱(chēng)出連桿的重量W，然后將其一端支于固定支點(diǎn)A，另一端支于磅秤上。使AB處于水平位置，讀出磅秤上讀數(shù)FNB，并量出支點(diǎn)間的水平距離l，則列平衡方程為
（4-4）
圖4-3
一些簡(jiǎn)單幾何形狀的均質(zhì)物體的重心（形心），都可由積分公式求得。表4-1列出了幾種常用物體的重心（形心），可供查用。工程中常用的型鋼（如工字鋼、角鋼、槽鋼等）的截面的形心，可從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。
表4-1 一些形心坐標(biāo)值
名稱(chēng)
圖形
形心坐標(biāo)
線(xiàn)長(zhǎng)、面積、體積
三角形
在三中線(xiàn)交點(diǎn)
面積
梯形
在上、下底邊中線(xiàn)連線(xiàn)上
面積
圓弧
弧長(zhǎng)
扇形
面積
弓形
面積
拋物線(xiàn)面
面積
拋物線(xiàn)面
面積
半球形體
面積
通過(guò)上述介紹，以及表格中的例子，可以把擺動(dòng)塊簡(jiǎn)化為扇形計(jì)算則，如表中的計(jì)算公式：
ρ=Xc-0.6=0.018
F=m(2πf)2ρ=1.657x（2x50xπ）2x0.018=2.94KN
4.2電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
本文選用的是YZ系列的電機(jī)YZ100M1-6，額定輸出功率6.3KW，有如下公式所示：
(4-5)
式中，F(xiàn) —— 激振力；
V —— 質(zhì)心處線(xiàn)速度。
解得
偏心塊要求的功率小于電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率，可以達(dá)到要求。
4.3鍵的選擇和強(qiáng)度校核
4.3.1鍵的尺寸選擇
鍵聯(lián)接：用于軸和軸上旋轉(zhuǎn)零件之間的周向固定并傳遞扭矩或沿軸向的滑動(dòng)導(dǎo)向。平鍵的截面尺寸：b×h×L（b×h根據(jù)軸徑d由標(biāo)準(zhǔn)中查得），L參考輪轂的長(zhǎng)，一般應(yīng)略短于輪轂長(zhǎng)，并符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的尺寸系列。
4.3.2平鍵聯(lián)接的失效和強(qiáng)度校核
主要失效形式：靜聯(lián)接（普通平鍵、半圓鍵）：壓潰
動(dòng)聯(lián)接（導(dǎo)鍵、滑鍵）：過(guò)度磨損
校核計(jì)算:
靜連接
(4-6)
動(dòng)連接
(4-7)
式中，T——傳遞的轉(zhuǎn)矩（），單位N m；
K——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處為鍵的高度，單位mm；
L——鍵的工作長(zhǎng)度，單位mm，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L，這里L(fēng)為鍵的工稱(chēng)長(zhǎng)度，單位為mm，b為鍵的寬度，單位mm；
D——軸的直徑，單位mm；
[σp]——鍵、軸、輪轂三者之間中最弱的許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa；
[σp]——鍵、軸、輪轂三者之間中最弱的許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa。
將l=80mm，b=12mm，h=8mm，代入公式
其中
65.25Nm，
9MPa，
因?yàn)閇σp]=100MPa—120MPa，σp<[σp],則鍵合格。
4.4受拉螺栓連接強(qiáng)度校核
夾緊缸夾緊棒料，夾緊V形塊與棒料完全接觸，根據(jù)力的作用與飯作用原理，夾緊缸受到一個(gè)垂直水平面向上的力，而夾緊缸的上面有支架的蓋板壓住夾緊缸，所以需要校核蓋板上四個(gè)螺栓的強(qiáng)度。
4.4.1松螺栓連接
定義：裝配時(shí)螺栓不用擰緊，在承受外載荷之前螺栓不受力。
若螺栓連接受軸向外載荷F作用時(shí)，螺栓受拉，此時(shí)，螺栓的強(qiáng)度條件和設(shè)計(jì)公式與材料力學(xué)受拉件相同，即
， (4-8)
4.4.2緊螺栓連接
定義：螺栓連接在裝配時(shí)已經(jīng)擰緊，所以，在外載荷作用之前，螺栓已受到預(yù)緊力F的拉伸和擰緊力矩T的扭轉(zhuǎn)，即作用在螺栓上的應(yīng)力有F引起的拉應(yīng)力和T引起的剪應(yīng)力，螺栓在承受外載荷之前已處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。
螺栓僅受預(yù)緊力F的連接，按照材料力學(xué)的第四強(qiáng)度理論，將作用在螺栓上的拉應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ合成，且?guī)毽?0.5σ，則
(4-9)
(4-10)
因?yàn)樯w板為了壓緊加緊液壓缸的上端，受到一定的預(yù)緊力，與工作壓力相比較，預(yù)緊力很小，可以忽略不計(jì)，四個(gè)螺栓平均受力，即
，
因?yàn)檫x用的螺栓材料是25鋼，查的[σ]=450MPa。
解得
5mm
因?yàn)檫x用的是直徑為12mm的螺栓，強(qiáng)度滿(mǎn)足。
4.5關(guān)于活塞桿的校核
關(guān)于活塞桿的強(qiáng)度校核，活塞桿的受到液壓缸腔體內(nèi)液體的壓力和夾緊V形塊的上下壓縮，活塞桿是實(shí)體，且截面積明顯大于螺栓的直徑，只要活塞桿的直徑大于20mm即可，而且可以采用比25好鋼強(qiáng)度更大的材料。
根據(jù)文獻(xiàn)[10]的如下公式所示：
(4-11)
(4-12)
因?yàn)橐簤焊椎谋诤褚阎?，上式?）用于徑向壁厚的強(qiáng)度，徑向受力大，且壁厚小，所以只需要校核徑向強(qiáng)度。
該強(qiáng)度明顯可以滿(mǎn)足Q235制成的缸體的強(qiáng)度。
4.6滾動(dòng)軸承的靜強(qiáng)度計(jì)算
對(duì)于靜止、緩慢擺動(dòng)或轉(zhuǎn)速極低（）的滾動(dòng)軸承，其失效形式是滾動(dòng)體與內(nèi)外圈接觸處產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形，對(duì)此應(yīng)根據(jù)靜強(qiáng)度計(jì)算確定軸承尺寸。對(duì)于載荷變動(dòng)較大，尤其是受較大沖擊載荷的旋轉(zhuǎn)軸承，在按動(dòng)載荷作壽命計(jì)算后，應(yīng)再驗(yàn)算靜強(qiáng)度。
4.6.1滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)
與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承主要有下列優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)靈活、摩擦阻力小、效率高、軸向結(jié)構(gòu)緊湊、潤(rùn)滑簡(jiǎn)便及易于互換等，所以應(yīng)用廣泛。它的缺點(diǎn)是：抗沖擊能力差，高速時(shí)有噪聲，工作壽命不及液體摩擦的滑動(dòng)軸承。
4.6.2滾動(dòng)軸承的材料
滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體均采用強(qiáng)度高、耐磨性好的含鉻軸承鋼制造，如GCr9，GCr15和GCr15SiMn等（G表示專(zhuān)用的滾動(dòng)軸承鋼），經(jīng)淬火后表面硬度可達(dá)60～65HRC。保持架多用低碳鋼沖壓制成，也可采用銅合金、鋁材或塑料等制造。
(1) 基本額定靜載荷。
滾動(dòng)軸承靜強(qiáng)度的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)是基本額定靜載荷，它表示滾動(dòng)軸承抵抗塑性變形的最大承載能力，是軸承靜強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)?；绢~定靜載荷，用C0表示。對(duì)于徑向接觸軸承，C0是徑向載荷；對(duì)于向心角接觸軸承，C0是載荷的徑向分量；對(duì)于軸向接觸軸承，C0是中心軸向載荷。
(2) 當(dāng)量靜載荷P0
與當(dāng)量動(dòng)載荷的概念相似，靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)用當(dāng)量靜載荷P0。軸承在這個(gè)載荷作用下，受載最大的滾動(dòng)體與滾道接觸處的塑性變形量總和與實(shí)際載荷作用下塑性變形量總和相等。
當(dāng)徑向接觸軸承受純徑向載荷時(shí)
(4-13)
當(dāng)軸向接觸軸承受純軸向載荷時(shí)
(4-14)
當(dāng)軸承既受徑向載荷又承受軸向載荷時(shí)
(4-15)
式中，X0——靜徑向系數(shù)；
Y0——靜軸向系數(shù)；
Fr——徑向載荷；
Fa——軸向載荷。
滾動(dòng)軸承的載荷與基本額定壽命的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖4-4，曲線(xiàn)方程為
常數(shù) (4-16)
即
（4-17）
若用工作小時(shí)數(shù)表示軸承的基本額定壽命，則
（4-18）
圖4-4 軸承的P-L0關(guān)系曲線(xiàn)
式中,L10——基本額定壽命；
P ——當(dāng)量動(dòng)載荷；
ε ——壽命指數(shù)，球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3；
n ——軸承的轉(zhuǎn)速。
如4-5圖所示，動(dòng)模具由一對(duì)深溝球軸承支承。已知：軸受徑向力F=2.94KN，軸向力為零。軸承工作溫度一般，若此軸的軸頸等于70mm，試選擇這一對(duì)軸承的型號(hào)。
圖4-5
試選用深溝球軸承6214，接下來(lái)是受力分析，因?yàn)檩S承裝在動(dòng)模具上，加工時(shí)軸承基本不旋轉(zhuǎn)，只是承受徑向力，軸向力為零，所以經(jīng)過(guò)受力分析，左邊軸承受力F左=8.4KN，右邊軸承F右=1.6KN。因?yàn)樵撦S承的額定動(dòng)載荷Cr=60.8KN，額定靜載荷Cor=45KN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸承的額定載荷，可以選用。
第五章 結(jié)論與展望
5.1結(jié)論
(1) 毛坯精度、下料效率、能源消耗和節(jié)約材料等角度對(duì)現(xiàn)有的精密下料技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論。重點(diǎn)分析了彎曲疲勞斷料的機(jī)理，指出現(xiàn)有的基于棒料旋轉(zhuǎn)，刀具不轉(zhuǎn)的彎曲疲勞下料設(shè)備的缺點(diǎn)，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。
(2) 設(shè)計(jì)了一種基于“削強(qiáng)增脆“下料原理的疲勞應(yīng)力下料機(jī)構(gòu)。根據(jù)各部分的各種方案對(duì)比分析，提出幾種最終實(shí)驗(yàn)方案。對(duì)重要的傳動(dòng)部件和工作部件進(jìn)行力學(xué)校核。這種新型下料機(jī)工作時(shí)保持棒料不轉(zhuǎn)，動(dòng)刀片在變頻器的控制下高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了棒料的快速?gòu)澢谙铝?。?jīng)過(guò)棒料的受力分析，可知在本下料方法中棒料受到的是一個(gè)對(duì)稱(chēng)循環(huán)的等幅載荷，所以不存在各種剪切法的”馬蹄形”斷面，可以得到很好的斷面質(zhì)量，而且?guī)缀跏遣焕速M(fèi)材料，因此說(shuō)它是一種高效率的近凈綠色的制造工藝，值得研究和推廣。
(3) 設(shè)計(jì)本套設(shè)備是為了解決當(dāng)前如冷擠壓等少無(wú)切工藝的毛坯下料問(wèn)題，包括兩方面的內(nèi)容：一是提高生產(chǎn)率和材料的利用率；二是提高毛坯的幾何尺寸精度和重量精度。
(4) 設(shè)計(jì)中考慮到和已經(jīng)設(shè)計(jì)好的送進(jìn)、夾緊、加熱、冷卻等機(jī)構(gòu)的配合使用，所以在最終的方案里的刀具的中心高度是一定的。
(5) 由于本套設(shè)備是實(shí)驗(yàn)設(shè)備，考慮到成本和實(shí)際使用效率，所有的軸承我們都采用普通的深溝球軸承，潤(rùn)滑形式為脂潤(rùn)滑。再投入工業(yè)生產(chǎn)前，需要設(shè)計(jì)合適這種高速運(yùn)轉(zhuǎn)的高速軸承，另外在結(jié)構(gòu)上也應(yīng)該設(shè)計(jì)一種為了能采用更適合于高速旋轉(zhuǎn)的潤(rùn)滑形式（如油潤(rùn)滑）的附加結(jié)構(gòu)。
(6) 由于模具存在偏心，所以將棒料送入模具變?yōu)橐环N比較困難的事情，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)送進(jìn)、夾緊機(jī)構(gòu)不是很完美，需要進(jìn)一步改進(jìn)。
5.2展望
(1) 在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，對(duì)振動(dòng)下料機(jī)和本文設(shè)計(jì)的下料機(jī)進(jìn)行實(shí)際的棒料振動(dòng)下料試驗(yàn)，對(duì)下料質(zhì)量進(jìn)行分析和對(duì)比。
(2) 設(shè)計(jì)一種更合適于本文設(shè)計(jì)的疲勞下料機(jī)的送料和夾緊機(jī)構(gòu)。
(3) 由于本文設(shè)計(jì)的疲勞下料機(jī)具有高轉(zhuǎn)速的特征，并且振動(dòng)特性明顯，所以對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的支撐架、振動(dòng)體等部件要進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。
致謝信
經(jīng)過(guò)半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有指導(dǎo)教師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的幫助，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的，正所謂獨(dú)木難支。
在這里首先要感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師化春鍵老師，化老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從外出實(shí)習(xí)到查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是化老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤。除了敬佩化老師的專(zhuān)業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。
其次要感謝和我一起作畢業(yè)設(shè)計(jì)的同組同學(xué)，雖然我們來(lái)自不同的班級(jí)，以前也并不熟悉，但是他們并沒(méi)有對(duì)我心存芥蒂，而是真誠(chéng)的對(duì)待我。尤其在我面對(duì)困難一籌莫展的時(shí)候，使他們總是會(huì)伸出援手。盡管我們的課題并不相同，但是他們還是很耐心的聽(tīng)我的問(wèn)題，無(wú)私的幫助我，這讓我非常感動(dòng)。
然后還要感謝大學(xué)四年來(lái)所有的老師，正是他們的諄諄教誨，我才獲得了很多寶貴的機(jī)械專(zhuān)業(yè)知識(shí)，同時(shí)也學(xué)到了很多做人的道理。我還要感謝所有幫助過(guò)我的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)，我才能一次又一次坦然面對(duì)生活和學(xué)習(xí)的難題。
最后感謝我的母?！洗髮W(xué)和機(jī)械工程學(xué)院四年來(lái)對(duì)我的耐心培養(yǎng)。謝謝！
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