机械课程设计干粉压片机说明书.doc

机械原理课程设计
题目：干粉压片机
学 院 :机电工程学院
专业年级 :10级机械工程及自动化
学号 :
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指导教师 ：

目 录

第一章 设计题目——干粉压片机···············1
第一节 工作原理及工艺动作过程··············1
一 其工艺动作的分解·························1
二 设计原始数据及设计要求···················1
第三节 功能元求解··························2
第四节 形态学矩阵···························2
第二章 执行机构的设计与计算·················2
第一节 主要执行构件的设计方案···············2
一 上冲头运动································2
二 送料机构··································4
三 下冲头运动································4
第二节 机械运动方案的选择和评定·············5
一 构件方案组合设计··························5
二 方案评定··································7
三 干粉压片机运动循环图······················7
第三节 执行机构的尺寸计算···················8
一 上冲头机构设计····························8
二 下冲头凸轮的设计··························9
（一） 凸轮基圆的确定····························9
（二） 滚子半径的确定····························9
（三） 从动件的运动规律·························10
（四） 从动件位移线图及凸轮轮廓线···············10
（五） 下冲头凸轮轮廓的确定·····················10
三 料筛凸轮轮廓的确定······················11
第四节 运动简图及运动线图·················12
一 运动简图································12
二 运动线图································13
（一） 用解析法对上冲头进行分析················13
（二） C语言编程··························13
第三章 传动系统的设计与计算················17
第一节 带式输送机传动系统方案·············18
第二节 电动机的选择························18
一 计算功率································18
二 确定传动装置的效率······················18
三 选择电动机·····························19
四 分配传动比·····························20
五 计算各轴的运动参数和动力参数···········20
（一）各轴转速 ································20
（二） 各轴功率································21
（三） 各轴转矩································21
（四） 列出各轴的运动参数和动力参数··················21
第三节 传动零件的设计计算···········21
一 带传动的设计················21
（一） 确定计算功率Pca··············21
（二） 选择V带的带型·············22
（三） 确定带轮的基准直径并验算带速v······························································22
（四） 确定v带的中心距a和基准长度·······························································22
（五） 验算小带轮上的包角········22
（六） 计算带的根数················23
（七） 计算单根V带的初拉力的最小值（）min·······················································23
第四节 传动件的设计计算·················23
一 选定齿轮材料、热处理及精度······23
（一） 齿轮材料及处理方式··············23
（二） 齿轮精度························24
二 初步设计齿轮传动的主要尺寸······24
三 校核齿面接触疲劳强度·············26
第五节 低速级齿轮设计····················27
一 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数·27
二 按齿面接触强度设计 ··················28
（一） 确定公式内的各计算数值············28
（二） 计算······························28
第六节 轴的结构设计和计算··················31
一 选定轴的材料和估算轴的直径，确定轴的许用应力···················································31
二 按扭矩估算轴的最小直径并确定轴的最小直径·····················································31
三 轴的结构设计························32
（一） 高速轴的结构设计·····················32
（二） 中间轴的结构设计·····················33
四 按弯曲和扭转复合强度对轴进行强度设计计算·······················································36
第四章 设计心得····························40
第五章 参考资料····························41

第一章 设计题目——干粉压片机
第一节 工作原理及工艺动作过程
干粉压片机的功用是将不加粘结剂的干粉料（如陶瓷干粉、药粉）定量送入压形置压制成 φ30 ×5 圆型片坯， 经压制成形后脱离该位置。机器的整个工作过程（送料、压 形脱离）均自动完成。该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂（片）等。
一 其工艺动作的分解如图1—1

图1—1
（一） 料筛在模具型腔上方往复振动，将干粉料筛入直径为 30mm 、深度为 21m m的筒形型腔，然后向左退出 45 mm 。
（二） 下冲头下沉 4mm ，以防上冲头进入型腔时把粉料扑出。
（三） 上冲头进入型腔 4mm 。
（四） 上、下冲头同时加压，各移动 8mm ，将产生压力15000N，要求保压一定时间，保压时约占整个循环时间的 1/10 。
（五） 上冲头退回，下冲头随后以稍慢速度向上运动，顶出压好的片坯。
（六） 为避免干涉，待上冲头向上移动 100mm 后，料筛向右运动推走片坯，接着料筛往复振动，继续下一个运动循环。
二 设计原始数据及设计要求
（一）精压成形制品生产率为每分钟 20件；
（二）行程速比系数 K=1.2
（三）被压工件的外形是直径为 30 mm ，厚度为 5mm 的圆形片坯
第二节 工作原理及工艺动作过程分析
顾名思义，干粉压片机就是把干粉压制成具有一定形状厚度的片坯，一般采用黑箱法进行分析，分析见下：
由题目要求，该干粉压片机要求完成的工艺动作有一下五个：
（1）、送料：为间歇直线运动
（2）、筛料：筛子往复运动
（3）、加压：下冲头先下移，上冲头再下移，然后一起加压，并保时成型
（4）、推出：下冲头上升推出成型的片坯
（5）、送成品：通过凸轮推动筛子来将成型的片坯挤到滑道
以上五个动作，加压时用上冲头和下冲头两个机构来完成的。因此干粉压片机运动方案设计重点考虑料筛机构、上下冲头加压机构的选型和设计问题。
第三节 功能元求解
根据功能的要求，进行求解，各功能元分别可以用不同的机构来实现其运动及传动要求
（1）上冲头运动A可以由移动推杆圆柱凸轮机构、曲柄导杆滑块机构、偏置曲柄
滑块机构、曲柄摇杆机构来实现 ;
（2）送料机构B可以由涡轮蜗杆机构、移动凸轮机构、偏置曲柄滑块机构来实现;
（3）下冲头运动C可以由双导杆间歇运动机构、移动凸轮机构、曲线槽导杆机构来实现。
第四节 形态学矩阵
根据上下冲头和料筛这三个执行构件动作要求和结构特点，可以选择表1——2常用的机构，即为执行机构的形态学矩阵。
表1—1执行机构的形态学矩阵
上冲头
移动推杆圆柱凸轮机构
曲柄导杆滑块机构
偏置曲柄滑块机构
曲柄摇杆机构
蜗轮蜗杆运动机构
送料机构
涡轮蜗杆机构
移动凸轮机构
偏置曲柄滑块机构
下冲头
双导杆间歇运动机构
移动凸轮机构
曲线槽导杆机构
对心直动滚子推杆盘形凸轮机构
曲柄导杆滑块机构
第二章 执行机构的设计与计算
第一节 主要执行构件的设计方案
一 上冲头的运动A：要实现往复直线移动，还有考虑急回特性。因此有以下方案可供选择：
方案1
说明：杆1带动杆2运动，杆2使滑块往复运动，同时带动杆3运动，从而达到所要求的上冲头的运动。此方案可以满足保压要求，但是上冲头机构制作工艺复杂，磨损较大，且需要加润滑油，工作过程中污损比较严重。

图1—2

方案2说明：凸轮旋转带动滚子运动，使杆1与杆2运动，使上冲头上下往复运动，完全能达到保压要求。但上冲头行程要求有90~100mm，凸轮机构尺寸将会变得很大很笨重。

图1—3

方案3：
说明：此方案使用曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接而成，结构简单、轻盈，能满足保压要求，并能够轻松达到上冲头的行程要求。
a,b图方案所示机构采用转动凸轮推动从动件,当与从动件行程末端相应的凸轮廓线采用同心圆弧廓线时,从动件在行程末端停歇。c图采用曲柄滑块机构，结构简单，尺寸较小， 图1-4
但滑块在行程末端只作瞬间停歇，运动规律不理想。d图形曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构串联可得到较好的运动规律。e图为蜗轮蜗杆运动机构，结构简单、承载能力大，有缓和冲击且能满足较理想的运动规律。故d、e两方案为上冲头的机构比较好。
二 送料机构B 主要作用是将坯料送至加工位置，对承载能力要求低（如图1-5图1-6）。
图1-5为凸轮—连杆的机构，且获得较大的行程；图1-6为偏置的曲柄滑块机构 ，传动精度高、且制造容易；图1-6不能满足往复振动和实现间歇运动。图1-5所示机构方案可达到运动要求，能满足往复振动和实现间歇运动。

图1—5 图1-6
三 下冲头的运动C：需要较高的承受能力、且需要实现间歇运动，可靠性好。则有以下方案（图1-7,图1-8,图1-9）可供选择：

图1—7 图1—8 图1—9
图1-7所示为两个盘形凸轮推动同一个从动件方式，可实现预定的运动规律。图1-8所示为对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，结构简单、且能实现间歇运动，满足运动规律。图1-9所示为曲柄导杆滑块机构，可满足较高的承受能力、具有较好的增力效果且能实现间歇运动。故以上三种方案可为下冲头运动的机构。双导杆运动机构，虽然也可作为下冲头的运动实现间歇运动，但构件数目较多、结构相对较上述较复杂，不可采用为宜。

第二节 机械运动方案的选择和评定
一 构件方案组合设计
综上所述，机构系统可能运动的方案有N=3×2×3=18种。经过认真思考和讨论干粉压片机机构系统的运动方案现可初步确定为以下三个方案。
方案（一）：

图1—10
方案（二）

图1—11
方案（三）
图1—12

二 方案评定
通过我们组的讨论、分析和比较认为方案（一）为最优方案。
三 干粉压片机运动循环图
从上述工艺过程可以看出，由主动件到执行有三支机构系统顺序动作；画出运动传递框图如下： 位移
上冲头
下冲头
料筛

图1-13从整个机器的角度上看，它是一种时序式组合机构系统，所以要拟定运动循环图，应以主动件的转角为横坐标（0—360），以机构执行构件的位移为纵坐标画出位移曲线。运动循环图上的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置，而不是其精确的运动规律。
料筛从推出片坯的位置经加料位置加料后退回最左边（起始位置）停歇。下冲头即下沉3mm。下冲头下沉完毕，上冲头可下移到型腔入口处，待上冲头到达台面下3mm处时，下冲头开始上升；对粉料两面加压，这时上、下冲头各移动8mm，然后两冲头停歇保压，保压时间约0.3s相当于主动件转36度左右。以后，上冲头先开始退出，下冲头稍后并稍慢地向上移动到台面平齐，顶出成形片坯。下冲头停歇待卸片坯时；料筛已推进到形腔上方推卸片坯。然后，下冲头下移21mm的同时，料筛振动使筛中粉料筛入形腔而进入下一个循环。
h
第三节 执行机构的尺寸计算
一 上冲头机构设计
设定摇杆长度：选取 代入公式：
得
∴选取
∴
确定摇杆摆角根据右图，可知行程的计算公式为

图1-14
算的摆角为32°与测量出的图中摆角大小相等
∵题设要求摆角小于60°
∴满足要求。
通过图解法求出曲柄摇杆机构中曲柄与连杆的长度如图所示，AB为曲柄， BC为连杆，DC为摇杆：
DC0是摇杆在摆角最大时的位置；
DC12是摇杆与铅垂方向夹角为2°的位置；
DC3是摇杆铅垂时的位置；
由题意: ∵ ，
∴ 测量出，为保压角
检验曲柄存在条件
，, ,
满足杆长之和定理，即AD+AB<CD+BC,确保了曲柄的存在。
综上所述 上冲头机构的尺寸设计如下：
曲柄 97㎜，曲柄连杆171㎜，摇杆390㎜，滑块连杆L=585 ㎜
二 下冲头凸轮的设计
（一） 凸轮基圆的确定
在实际设计中规定了凸轮机构压力角的许用值，对于直动从动件通常取。此处取凸轮机构最大压力角为。由于机械系统要求下冲头的承载能力较大，且欲系统结构紧凑，因而凸轮机构在运动的某一个位置出现的最大压力角的前提下，基圆半径尽可能小。由于下冲头为对心直动滚子推杆盘形凸轮机构。

结合下冲头的循环图由以上二式知可取。
则由于凸轮廓线,则取凸轮机构的最小曲率半径为。
（二） 滚子半径的确定
由于滚子半径必须小于理认轮廓线外凸部分的最小曲率半径，因此取，
（三） 从动件的运动规律
为避免产生振动和冲击，且要求传动较平稳，则取从动件在推程转折处以圆弧过渡，行程为；回程以相同规律返回。
（四） 从动件位移线图及凸轮轮廓线如下

图1—15
（五） 下冲头凸轮轮廓的确定
凸轮机构的最大的优点是：只要适当地设计出凸轮的轮廓线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑。选取适当的比例尺，取为半径作圆；选取凸轮的基圆半径,偏心距，凸轮以等角速度沿逆时针方向回转，推杆的运动规律如图1-15所示。先作相应于推程的一段凸轮廓线。为此，根据反转法原理，将凸轮机构按进行反转，此时凸轮静止不动，而推杆绕凸轮顺时针转动。按顺时针方向先量出推程运动角，再按一定的分度值（凸轮精度要求高时，分度值取小些，反之可以取小些）将此运动角分成若干等份并依据推杆的运动规律算出各分点时推杆的位移值S。根据以上位移曲线结合反转法得出凸轮的轮廓曲线如下：

图1—16
三 料筛凸轮轮廓的确定
其中S为料筛的位移，设为凸轮的转角，而的关系如下图：

图1—17
继而可根据下冲头凸轮机构的设计方法，做出料筛凸轮的轮廓曲线如下图：
图1—18
第四节 运动简图及运动线图
一 运动简图

图1—19
二 运动线图
（一） 用解析法对上冲头进行分析
由课本P42-P43所述，（1）
（2）
（3）
（4）
（二） C语言编程
#include<stdio.h>
#include<math.h>
#define PI 3.1415926
void main()
{
int i;
double m,a,b,c,n,d,h,l,r,s,t,w,v,z;
FILE *fp;
fp=fopen("myf1.out","w");
printf("角度 位移 速度 加速度 \n");
fprintf(fp,"角度 位移 速度 加速度 \n");
for(i=0;i<360;i=i+5)

{
m=i*PI/180.0;
a=462-97*cos(m);
b=-97*sin(m);
c=(a*a+b*b+390*390-171*171)/(2*390);
if(a=c)
d=2*atan(-a/b);
else
d=2*atan((b+sqrt(a*a+b*b-c*c))/(a-c));
n=d-PI*148/180;
l=atan((b+390*sin(n)/(a+390*cos(n))));
r=2.0/3*PI;
s=-r*97*sin(m-n)/171/sin(l-n);
t=r*97*sin(m-l)/390/sin(n-l);
w=(171*s*s+97*r*r*cos(m-l)-390*t*t*cos(n-l))/390/sin(n-l);
h=581+390-390*cos(n)-sqrt(585*585-390*sin(n)*390*sin(n));
v=390*sin(n)*t+(390*sin(n)*cos(n)*t)/sqrt(585*585-390*390*sin(n)*sin(n));
z=390*cos(n)*t*t+390*sin(n)*w+(sqrt(585*585-390*390*sin(n)*sin(n))*(390*cos(n)*cos(n)*t*t-390*sin(n)*sin(n)*t*t+390*sin(n)*cos(n)*w)-390*sin(n)*cos(n)*t*(390*sin(n)*t-v))/(585*585-390*390*sin(n)*sin(n));
printf("%4d %15f %15f %15f \n",i,h,v,z);
fprintf(fp,"%4d %15f %15f %15f \n",i,h,v,z);

}
fclose(fp);
}
③角度 位移 速度 加速度
0 92.983333 -128.082352 198.492177
5 76.583440 106.569505 164.213338
10 61.774424 96.604693 120.262099
15 48.763270 84.331927 86.674392
20 37.638582 72.212974 63.032311
25 28.378933 60.885644 46.930582
30 20.872376 50.623645 35.964834
35 14.942452 41.554673 28.154775
40 10.375815 33.718883 22.034592
45 6.947471 27.092153 16.627760
50 4.441103 21.599431 11.372329
55 2.663432 17.125091 6.027681
60 1.452761 13.522380 0.580940
65 0.682578 10.622547 -4.836060
70 0.261421 8.243607 -10.013558
75 0.130197 6.198547 -14.712734
80 0.258021 4.302710 -18.697817
85 0.637366 2.380167 -21.754254
90 1.279111 0.268960 -23.696519
95 2.207832 -2.174798 -24.369069
100 3.457561 -5.073930 -23.643511
105 5.068094 -8.528185 -21.414344
110 7.081876 -12.613074 -17.594907
115 9.541426 -17.379400 -12.114582
120 12.487263 -22.853296 -4.917848
125 15.956267 -29.036641 4.034509
130 19.980403 -35.907648 14.761719
135 24.585766 -43.421473 27.256378
140 29.791878 -51.510560 41.473619
145 35.611196 -60.084297 57.313219
150 42.048788 -69.027055 74.587577
155 49.102143 -78.192312 92.956981
160 56.761092 -87.386083 111.776782
165 65.007809 -96.315172 129.657897
170 73.816885 -104.380053 142.787921
175 83.155447 -115.273479 170.201115
180 92.983327 -130.340377 200.779199
185 103.253268 -140.149885 219.900443
190 113.911149 -147.425083 230.071027
195 124.896251 -152.075161 263.302506
200 136.141530 -156.294614 302.792764
205 147.573925 -159.372028 344.663551
210 159.114668 -160.930723 386.938154
215 170.679618 -160.690224 428.022008
220 182.179597 -158.410933 466.315943
225 193.520727 -153.879839 500.081714
230 204.604767 -146.909637 527.393536
235 215.329427 -137.344106 546.138778
240 225.588670 -125.067543 554.065481
245 235.272983 -110.017489 548.886849
250 244.269621 -92.200245 528.457251
255 252.462838 -71.708419 491.032289
260 259.734121 -48.739147 435.614856
265 265.962482 -23.610820 362.367076
270 271.024873 3.224814 273.033325
275 274.796851 31.179098 171.276869
280 277.153642 59.535629 62.795606
285 277.971848 87.475575 -44.925377
290 277.132050 114.120509 -143.318924
295 274.522660 138.590809 -223.877293
300 270.045365 160.073595 -279.546414
305 263.622471 177.890767 -306.043189
310 255.206312 191.556103 -302.717486
315 244.790602 200.811824 -272.680272
320 232.423104 205.639185 -222.144025
325 218.218357 206.243561 -159.174501
330 202.368439 203.020297 -92.219417
335 185.149081 196.512490 -28.796142
340 166.918239 187.377537 25.392938
345 148.104690 176.398091 66.810463
350 129.185646 164.684275 93.881479
355 110.654626 155.391555 105.714486
④

图1—20
第三章 传动系统的设计与计算
第一节 带式输送机传动系统方案（如下图所示）
图1—21
第二节 电动机的选择
一 计算功率
单个周期的时间：
冲压阶段的压力变化近似地与距离成线性关系。压制阶段单组冲头一个周期内所做的功为：

单组冲头的平均功率：
考虑到运动副摩擦和料筛运动所需的功率，实际所需功率约为平均功率的两倍。
∴
减速器输入功率：
∴干粉压片机所需总功率
二 确定传动装置的效率η
查表得：皮带传动效率
一对轴承的效率
一对圆柱斜齿轮传动的效率
弹性柱销联轴器的效率
∴故总的传动装置的效率为
三 选择电动机
电动机所需功率 取V带传动的传动比，二级圆柱齿轮减速器传动