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小型氣動(dòng)沖壓機(jī)設(shè)計(jì)
目 錄
1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
2沖壓機(jī)設(shè)計(jì)目的及要求 1
3小型沖壓機(jī)的結(jié)構(gòu) 1
4沖壓機(jī)的工作原理 2
5沖壓機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3
5.1對(duì)氣缸的使用要求 3
5.2氣缸的設(shè)計(jì)與選擇的流程圖 3
5.3氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 4
5.4氣缸內(nèi)徑的確定 4
5.5活塞桿直徑的確定 4
5.6缸筒長(zhǎng)度的確定 4
5.7氣缸筒的壁厚的確定 5
6蝸桿蝸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 5
6.1選擇蝸桿傳動(dòng)類(lèi)型、精度等級(jí) 5
6.2選擇蝸桿蝸輪材料 5
6.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 6
6.4確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 6
6.5確定載荷系數(shù)K 6
6.6確定彈性影響系數(shù) 6
6.7確定接觸系數(shù) 6
6.8確定許用接觸應(yīng)力 6
6.9 計(jì)算中心距 7
6.10 計(jì)算蝸輪和蝸桿的主要參數(shù)與幾何尺寸 7
6.11 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 7
6.12當(dāng)量摩擦角 9
7齒輪齒條的設(shè)計(jì) 9
7.1選精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 8
7.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 9
7.3計(jì)算 10
8計(jì)算齒輪軸 11
致謝 15
參考文獻(xiàn) 15
前 言
目前 ,在國(guó)內(nèi)大多數(shù)中小企業(yè)中 ,沖壓設(shè)備以傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_床為主。機(jī)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(shí)調(diào)整以及能源的利用率低等缺點(diǎn)。同時(shí) ,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(shí)上 ,設(shè)備運(yùn)行時(shí)單位重量的輸出力低。另外在加工小尺寸的液壓和氣動(dòng)元件時(shí) ,能源浪費(fèi)嚴(yán)重 ,而且由于沖擊過(guò)程的不穩(wěn)定性 ,經(jīng)常造成嚴(yán)重的人身事故。,因此研究和設(shè)計(jì)一種新型的沖壓機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_床是具有現(xiàn)實(shí)意義的。
一些金屬和非金屬微型薄板件沖制主要采用兩種方法：一是在排樣設(shè)計(jì)中采用多排策略，增大模具尺寸以滿足大型壓力機(jī)的需求。并將設(shè)計(jì)和制造好的模具安裝在機(jī)械壓力機(jī)上來(lái)實(shí)施沖壓，其缺點(diǎn)是：設(shè)各投資大、模具設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜，總成本高，且必須采用機(jī)械壓力機(jī)；二是采用小型模具，在小噸位壓力機(jī)上實(shí)施沖壓。雖然模具設(shè)計(jì)、制造比較容易，但仍擺脫不了機(jī)械壓力機(jī)固有的缺陷：笨重、噪音大．操作不方便、安全，浪費(fèi)能源等問(wèn)題．本文結(jié)合微型薄板件的企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種新型微型件氣動(dòng)沖壓一體化機(jī)(直接采用活塞桿和凸模連接的形式)．減輕了床身重量．并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化.采用該一體化結(jié)構(gòu)，沖壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、可靠．操作安全和方便．這為沖壓提供了一種新設(shè)計(jì)方法．
因此需要一臺(tái)沖壓直接成型的機(jī)器，我通過(guò)研究和考驗(yàn)試圖設(shè)計(jì)一臺(tái)氣動(dòng)沖壓機(jī)來(lái)沖壓馕，代替人工生產(chǎn)，來(lái)滿足人們的需求，個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)有限，希望你們能夠提出寶貴的意見(jiàn)。
1、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著氣動(dòng)和液壓技術(shù)的發(fā)展,以及氣動(dòng)技術(shù)中的氣源比較容易獲取、環(huán)境干凈、氣動(dòng)元件安裝方便、靈活等特點(diǎn)。而大部分沖壓設(shè)備以傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_床為主。機(jī)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(shí)調(diào)整以及能源的利用率低等缺點(diǎn)。同時(shí) ,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(shí)上 ,設(shè)備運(yùn)行時(shí)單位重量的輸出力低。另外在加工小尺寸的液壓和氣動(dòng)元件時(shí) ,能源浪費(fèi)嚴(yán)重 ,而且由于沖擊過(guò)程的不穩(wěn)定性 ,經(jīng)常造成嚴(yán)重的人身事故。因此研究和設(shè)計(jì)一種新型的沖壓機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式。氣壓傳動(dòng)是以壓縮空氣為介質(zhì)，以壓縮空氣為動(dòng)力，無(wú)噪音，無(wú)污染，環(huán)保。也不需要承擔(dān)介質(zhì)方面成本。所以我設(shè)計(jì)的以空氣為介質(zhì)進(jìn)行傳動(dòng)——?dú)鈩?dòng)沖壓機(jī)，它的設(shè)計(jì)輕巧，不占用空間，可任意放在工作臺(tái)上或流水線上；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)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)；
2沖壓機(jī)設(shè)計(jì)目的及要求
功能設(shè)計(jì)：沖壓機(jī)的基本功能就是設(shè)計(jì)一個(gè)氣缸，并使得有足夠的力可以沖壓食品成型. 氣缸以壓縮空氣作為動(dòng)力源．帶動(dòng)活塞傳動(dòng)到主軸上使主軸形成向下運(yùn)動(dòng)，從而形成沖力．使食品在模具中產(chǎn)生規(guī)定的變形而達(dá)到加工的目的．它與普通沖壓機(jī)不同的是，行程可以任意調(diào)節(jié)，壓力可以調(diào)節(jié)，最大的特點(diǎn)是氣動(dòng)壓力機(jī)壓力?？梢栽趬旱焦ぜ笮纬杀憾瓿晒ぜ某尚危?
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：可以小型件氣動(dòng)沖壓機(jī)由機(jī)架、模具、控制箱構(gòu)成．機(jī)架包括氣缸、底座、工作臺(tái)。氣缸通過(guò)其上的法蘭與上固定板用螺釘固定連接．模具包括上模板、圓柱銷(xiāo)、凸模與氣缸活塞桿用螺紋固定連接．并通過(guò)卸料螺釘與模板連接，凹模通過(guò)內(nèi)六角螺釘和圓柱銷(xiāo)與模板定位緊固連接．下模板用螺栓、螺母固定在機(jī)架的工作臺(tái)上．凸模通過(guò)錐面與氣缸活塞桿配合連接：
外觀及尺寸：由于尺寸相對(duì)較小，氣動(dòng)元件安裝方便，不受空間限制。使得整體比較美觀，占地面積小。
用Solidwork軟件對(duì)上述機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析。
3小型沖壓機(jī)的結(jié)構(gòu)
小型沖壓機(jī)的三維效果圖如下：
圖3-1 小型沖壓機(jī)的三位效果圖
小型氣動(dòng)沖壓機(jī)由機(jī)架、升降、模具、控制箱構(gòu)成．機(jī)架包括可調(diào)緩沖氣缸、底座、工作臺(tái)。
氣缸安裝在升降架上，并通過(guò)螺栓夾緊。凸模與氣缸的活塞桿通過(guò)螺紋連接，活塞帶動(dòng)凸模工作。凹模放在底座上，通過(guò)螺栓連接。升降包括升降架、齒條、升降裝置（齒輪軸、蝸輪、蝸桿）升降機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)凸模與凹模之間的高度，以便進(jìn)行工作。控制箱的氣動(dòng)按鈕按下，機(jī)器開(kāi)始工作，打開(kāi)氣源，可調(diào)緩沖氣缸工作，活塞帶動(dòng)凸?？焖傧蛳逻\(yùn)動(dòng)到壓縮物體時(shí)，活塞減慢速度，將物體慢慢的壓縮成型，當(dāng)碰到形成開(kāi)關(guān)時(shí)，活塞收回。
1-底座 2-手搖桿 3升降箱 4-銷(xiāo) 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(kāi)關(guān) 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3-2 沖壓機(jī)的結(jié)構(gòu)圖
4沖壓機(jī)的工作原理
沖壓過(guò)程可以分為如下幾個(gè)步驟 ,用框圖表示如圖4-1所示。
圖4-1 小型沖壓機(jī)沖壓過(guò)程框圖
由于氣動(dòng)和液壓技術(shù)的發(fā)展,以及氣動(dòng)技術(shù)中的氣源比較容易獲取、環(huán)境干凈、氣動(dòng)元件安裝方便、靈活等特點(diǎn) ,因此本文探討的沖壓機(jī)采用氣動(dòng)沖壓。將所沖的毛坯放在凹模板上．開(kāi)動(dòng)控制箱開(kāi)關(guān)旋鈕．電磁閥3得電，使氣缸5接通氣源1，氣缸活塞桿帶動(dòng)凸模下行，節(jié)流閥4調(diào)節(jié)沖壓速度，凸模進(jìn)入凹模沖壓．凸模上的擋板碰到行程開(kāi)關(guān)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(guò)程框圖 ,設(shè)計(jì)氣壓系統(tǒng)回路如圖
1-減壓閥 2-氣罐 3電磁閥 4-溢流閥 5-氣缸 6-形成開(kāi)關(guān)
圖4-2 氣動(dòng)回路圖
5沖壓機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1對(duì)氣缸的使用要求
（１）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。
（２）安裝前，應(yīng)在１.５倍工作壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，不應(yīng)漏氣。
（３）安裝的氣源進(jìn)口處需設(shè)置油霧器，以利工作中潤(rùn)滑。氣缸的合理潤(rùn)滑極為重要，往往因潤(rùn)滑不好而產(chǎn)生爬行，甚至不能正常工作。
（４）安裝時(shí)，要注意動(dòng)作方向，活塞桿不允許承受偏心負(fù)載或橫向負(fù)載。
（５）負(fù)載在行程中有變化時(shí)，應(yīng)使用有足夠輸出力的氣缸，并要附加緩沖裝置。
（６）不使用滿行程，特別活塞桿伸出時(shí)，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。
5.2氣缸的設(shè)計(jì)與選擇的流程圖
圖5-1 氣缸設(shè)計(jì)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。單作用缸只是往缸的一側(cè)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(cè)輸入壓縮空氣，活塞的正反向運(yùn)動(dòng)均靠氣體壓力完成。由于單作用氣缸僅向單向運(yùn)動(dòng)，有外力使活塞反向運(yùn)動(dòng)，而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)下可以像兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)但兩個(gè)方向的輸出力不同，所以該方案采用雙作用單活塞缸。
5.3氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算
由設(shè)計(jì)任務(wù)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(shí)兩手同時(shí)進(jìn)行，在加工時(shí)可能由于其他原因影響，綜合考慮氣缸要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載大小180Kg，考慮到氣缸未加載時(shí)實(shí)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(shí)，常用到負(fù)載率β：
由《液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)》表
表5-1 氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率
阻性負(fù)載(靜負(fù)載)
慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度v
〈100mm/s
100﹣500mm/s
>500mm/s
β=0.8
≤0.65
≤0.5
≤0.3
運(yùn)動(dòng)速度v=3m/min=50mm/s，取β=0.60，所以實(shí)際液壓缸的負(fù)載大小為：F=F0/=2713.85N
5.4氣缸內(nèi)徑的確定
表5-2 氣缸缸徑的計(jì)算
項(xiàng)目
推力
拉力
缸
徑
雙
作
用
氣
缸
則：
D= =83.15mm
F—?dú)飧椎妮敵隼?N；
P —?dú)飧椎墓ぷ鲏毫a
按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，取D=100 mm
表5-3 氣缸缸徑尺寸系列
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
5.5活塞桿直徑的確定
表5-4 活塞桿直徑系列 （mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
7
80
90
100
110
125
140
60
180
200
220
250
280
320
360
400
由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=30 mm
5.6缸筒長(zhǎng)度的確定
缸筒長(zhǎng)度S=L+B+30
L為活塞行程；B為活塞厚度
活塞厚度B=(0.6 1.0)D= 0.7X100=70mm
由于氣缸的行程L=350mm ,所以S=350+70+30=450mm
導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A:
一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A，在D<100mm時(shí)，可取A=(0.6 1.0)D；在D>80mm時(shí), 可取A=d。
所以A=30mm
最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H：
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)氣缸的最大行程為L(zhǎng)，缸筒直徑為D，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為：H
代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H==50 mm
活塞桿的長(zhǎng)度l=L+B+A+80=450+70+30+50=600 mm
5.7氣缸筒的壁厚的確定
由《液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)》可查氣缸筒的壁厚 可根據(jù)薄避筒計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：
式中
—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(yīng)力（MPa）；
實(shí)際缸筒壁厚的取值：對(duì)于一般用途氣缸約取計(jì)算值的7倍；重型氣缸約取計(jì)算值的20倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺碼。
參考《液壓與氣壓傳動(dòng)》缸筒壁厚強(qiáng)度計(jì)算及校核
缸體的材料選擇ZG310-570，=600 MPa， ==120 MPa
n為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)
P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當(dāng)工作壓力p≤16 MPa時(shí)，P=1.5p；當(dāng)工作壓力p＞16 MPa時(shí)，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
參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取 =4 mm
表5-5氣缸筒的壁厚
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
4.5～5
20鋼無(wú)縫鋼管
厚
2.5
3
3.5
4.5～5
5.5～6
6蝸桿蝸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
6.1選擇蝸桿傳動(dòng)類(lèi)型、精度等級(jí)
由于傳動(dòng)的功率不大，速度也不高，故選用阿基米德圓柱蝸桿傳動(dòng)，精度為：8C-GB10089-88。
6.2選擇蝸桿蝸輪材料
考慮到蝸桿傳動(dòng)功率不大，速度中等，故蝸桿用45號(hào)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。
6.3按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距：
6.4確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
按,估取效率η=0.8 ,由于蝸桿不經(jīng)常，靠人力轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)書(shū)冊(cè)得：,P=18.65W
28497.2
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)選取使用系數(shù).由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載荷系數(shù)；
表6-1 使用系數(shù)
工作類(lèi)型
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
載荷性質(zhì)
均勻、無(wú)沖擊
不均勻、小沖擊
不均勻、大沖擊
每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)
<25
25-50
>50
啟動(dòng)載荷
小
較大
大
1
1.15
1.2
則
K=
6.6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
6.7確定接觸系數(shù)
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距的比值,從教材機(jī)械設(shè)計(jì)圖11-5中可查得=2.9.
6.8確定許用接觸應(yīng)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,可從教材機(jī)械設(shè)計(jì)表11-7中查蝸輪的基本許用應(yīng)力=268
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
(為蝸輪轉(zhuǎn)速)
,(為工作壽命)
j為蝸輪每轉(zhuǎn)一周每個(gè)輪齒嚙合的次數(shù)j=1
所以壽命系數(shù)為
則 ：
=[]`=0.7=187.6
6.9 計(jì)算中心距
==64.85mm
取中心距a=80mm，因i=14.5，取m=2mm，=35.5mm。這時(shí)/ a=, 取接觸疲勞系數(shù)為’=2.8，因?yàn)閆ρ’
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