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薄壁零件冲床的运动方案设计
1.薄壁零件冲床的功能和设计要求
1.1工作原理及工艺动作过程
在冲制薄壁零件时, 上模( 冲头) 以较大的速度接近坯料, 然后以匀速进行拉延成形工作, 接着上模继续下行将成品推出型腔, 最后快速返回。上模退出下模后, 送料机构从侧面将坯料送至待加工位置, 完成一个工作循环。
1.2原始数据及设计要求
技术要求:
( 1) 动力源为电动机, 按平均功率选用电动机, 空载F1=50N, 生产率为每分钟70件。
( 2) 上模做上下往复直线运动, 要求快速下沉、 匀速工作进给和快速返回。上模行程长度必须大于工作段长度的两倍以上, 运动规律要满足图1-1的所示函数。
( 3) 行程速比系数K≥1.5,许用压力角[α]=50º。
( 4) 送料距离H=150mm。
设计数据:
( 1) 上模工作段的长度约为L=40mm
( 2) 对应曲柄转角φ=60-100º
( 3) 冲压载荷F=4300N

图1-1
1.3设计任务
( 1) 拟定机构系统总体运动方案。
( 2) 画出系统运动方案简图。
( 3) 完成论证报告。
2.机构的设计
2.1根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图
2.1.1工艺动作分解
分析工作原理可知, 薄壁零件冲床要求完成的工艺动作有以下四个:
( 1) 送料: 这一动作由送料机构完成, 要求在冲头在下沉到胚料上面高度之前把胚料送到拉延位置。
( 2) 压紧: 该动作要求在胚料到达拉延位置后, 冲头开始拉延前把胚料压紧。
( 3) 拉延成型: 该动作发生在压紧胚料以后。
( 4) 成品推出下模并退模: 该动作主要由退料机构完成, 在冲头把成品推出下模后、 正准备返回时, 退料机构把成品抱住, 阻止其跟随冲头一起返回。
2.1.2拟定动作循环图
该冲床的执行机构有四个, 要拟定该冲床的运动循环图主要是确定冲头、 送料、 压紧、 退料四个执行件的先后顺序, 以利于各执行机构的设计、 装配和调试。
薄壁零件冲床的冲压机构为主机构, 以它的主动件的零位角为横坐标的起点, 纵坐标为个执行机构的位移起始位置。拟定的运动循环图如表1-1所示。
表1-1薄壁零件冲床运动循环图

2.2各执行机构的方案设计
2.2.1冲头机构的设计
1) 机构的选型
要实现图1-1所示的这样一个复杂的函数发生机构, 简单的四杆机构已无能为力。在查阅相关资料后, 发现能实现复杂的函数发生器的机构主要有以下几种:
（1） 多杆机构
（2） 凸轮机构
（3） 非圆齿轮-连杆机构
（4） 组合机构
凸轮机构能实现复杂的运动, 但不适用有较大冲击载荷的场合, 因此我们没有选用。非圆齿轮传动, 虽有结构紧凑、 传动可靠、 能精确地实现复杂的不等速传动比关系的特点, 但由于设计和制造较困难, 在此也不选用。最后我们针对多杆机构和组合机构展开设计。
分析冲头运动规律可知: 设计的关键是要满足工作行程的快速下沉、 匀速拉延、 再匀速下沉的运动特点。在这里, 我们能够将该运动规律看成是两运动规律的合成。即在工作行程中: 一机构将匀速转动转换成先快速, 再低速匀速, 再快速转动。主从动件运动规律如下图所示:

图1-2
二机构则需在工作行程中将主动件的匀速转动转换成滑块的匀速转动, 且应具有急回特性。主从动件的运动规律如下图所示:

图1-3
这样将机构一的从动件运动输入到机构二的主动件后, 便可得到滑块在工作行程中, 快速下沉、 匀速慢速拉延、 再快速下沉的运动规律。
2) 机构综合
在查阅资料时, 我们发现了具有上述特性的两种机构, 其机构简图如下:

图1-4机构一

图1-5机构二
机构一为齿轮-五杆机构, 其中1为主动件, 4为从动件。机构二为摆动导杆与正切机构串联的组合机构, 其中1为主动件, 6为从动件。
机构的尺寸计算
方案一的尺寸确定
机构一、 机构二的运动分析

图1-6
以定圆中心O1、 动圆中心A0和B0点三点共线时的位置为机构的初始位置, 并以该直线为x轴, 其方向为从O1到动圆中心。
i1=r5r2=2
K'=l2r2
xB=r2-1-i1cosφ1+K'cos1-i1φ1
yB=r2-1-i1sinφ1+K'sin1-i1φ1
设杆4的转角为φ4
tanφ4=yBxB
φ4=arctan1-K'1+K'tanφ1φ1∈0,2π
用MATLAB分析, 不同的K’值对应的φ4图如下:

图1-7
由图1-7能够看出K’值越小, 匀速段越短, 匀速速率越大。对机构一的尺寸综合, 很大程度上就是要选取合适的K’值。除另外, 还需考虑与机构二配合后, 对急回特性的影响, 即需找到机构二的极位夹角。
由图1-7可知, 杆4转速的变化周期为180°, 及杆一旋转一周时, 杆4会交替出现慢匀速旋转、 高速旋转的情况两次。图1-8中杆4转过的阴影部分为慢速匀速转动, 对应于杆1转过的白色部分。图1-9中阴影部分为工作行程, 杆1对应机构一中的杆4。如果取图1-8中的工作行程对应图1-9的阴影部分, 则机构二的杆1在工作行程中先高速、 再低速匀速、 最后再高速旋转。由于机构二在工作行程的近似匀速特性, 滑块会产生快速下沉、 匀速慢速拉延、 再快速下沉的运动特点。

图1-8机构一转角关系示意图

图1-9机构二示意图
下面讨论如何让组合的机构有急回特性:
按题目要求, 行程速比系数K≥1.5
则: 极位夹角θ=180°K-1K+1
θ≥36°
机构一的杆1转过180°+θ2角度时, 杆4转过的角度对应于机构二中杆1返回行程的起始角度。
又: 许用压力角α=50°
因此: 机构二的极位夹角θ'≤180°-2×40°=100°
因此杆4转过的角度应小于140°, 大于90°( 大于90°一定能够满足) 。即机构一的杆1转过180°+θ2角度时, 杆4( 机构二杆1) 转过的角度β, 且β应满足90°<β≤140°。
由方程: φ4=arctan1-k'1+k'tanφ1
可可计算得:
表1-2
K’值
0.4
0.5
0.6
0.7
杆4转角β( °)
142.8°
135.7°
127.6°
118.5°

由表可看出0.5≤K'≤0.7都可满足上述要求。
最后一个需满足的条件便是: 组合的机构具有的匀速行程长度是否在50mm左右。该长度主要取决于图1-8中杆4在x轴处的阴影部分的转角的大小, 该转角α必须大于180°+θ’5。
由α=-11φ4得:
表1-3
K’值
0.5
0.6
0.7
α( rad)
0.9577
0.7426
0.5364
α(°)
54.9
42.5
30.7
180°+θ'5
52.40
51.04
47.40

由上表可知K'=0.5可满足要求
综上所述, 满足要求的参数为:
K'=0.5
θ‘=91.4°
根据该参数的机构简图如下:

图1-10机构简图
利用Adams仿真所测得的速度和位移图如下:

图1-11
2.2.2送料机构的设计
由运动循环图能够看出送料机构的送料时间较短, 不适合用单一的曲柄滑块机构。也不适合用单一的凸轮机构, 因为送料距离较大。这里考虑用凸轮机构与摇杆滑块机构的组合机构。

图1-12送料机构运动简图
机构尺寸:
( 1) 凸轮尺寸
摆杆的摆角设为60°, 摆杆长设为41mm, 滚子直径16mm。对摆杆的转角规律无特别要求, 只要满足摆杆推程凸轮转角为44°即可。
综合过程:
为了运动的平滑性并考虑到制造的难易, 该凸轮的推程和回程, 我们选择余弦加速度运动( 简谐运动) 规律。其s-δ(t)图大致如下( δ为凸轮转角) :

图1-13
推程: s=h2[1-cos⁡(π44°δ)]
回程: s=h2[1+cos⁡(π44°δ)]
因此可知: 该凸轮推程的坐标方程为:
xy=cosδsinδ-sinδcosδ045+h2[1-cos⁡(π44°δ)]=45+h2[1-cos⁡(π44°δ)]sinδ45+h2[1-cos⁡(π44°δ)]cosδ
同理, 该凸轮推程的坐标方程为:
xy=cosδsinδ-sinδcosδ045+h2[1+cos⁡(π44°δ)]=45+h2[1+cos⁡(π44°δ)]sinδ45+h2[1+cos⁡(π44°δ)]cosδ
2.2.3压紧机构的设计
压紧装置只做上下运动, 且运动距离较短, 所受载荷不大, 故采用凸轮机构实现。
导杆的行程定为5mm。
2.2.4退料机构的设计
本方案采用抱紧式退料, 在冲头下行到最低点时, 用机构将拉延成型的产品外表面抱死, 则冲头( 上模) 返回时便能从成型金属内腔内脱离。待抱死机构解除抱死后, 成品由重力作用下落, 与下模分离。
2.3传动系统的方案设计

2.3.1初选原动机
由于交流异步电动机结构简单、 成本低、 工作稳定可靠、 容易维护, 且交流电源易于获得。故此处选择Y系列三相异步电动机作为原动机, 额定转速nH=1400r/min。
2.3.2计算总传动比
根据选定的驱动电机转速和冲床的生产能力, 可知机械传动系统的总传动比为:
i总=n电机n执行主轴=140070=20
2.3.3拟定传动系统方案
机械传动系统第一级采用带传动, 其速比为2.5; 第二级采用直齿圆柱齿轮系传动, 其速比为8。
( 1) 带传动计算
带传动的传动比为2.5。
确定带轮节圆直径d1和d2: 取d1=150mm, 则
d2=2.5×d1=375mm
确定中心距α0
0.7d1+d2≤α0≤2(d1+d2)
即367.5mm≤α0≤1050mm
这里取α0=685mm
( 2) 齿轮传动计算
齿轮模数选m=5; z1=18; z2=44; z2'=22; z3=72
d1=5×18=90
d2=5×44=220
d2'=5×22=110
d3=5×72=360

图1-20传动系统示意图

3.机构的运动和动力学分析
3.1薄壁零件冲床运动系统总图

3.2运动分析
3.2.2冲头机构运动和动力学分析
( 1) 运动分析

V-t图

S-t图

加速度a图
3.3动力学分析

冲头所受载荷图

主轴铰链支座反力及平衡力矩图
参考文献
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