毕业设计（论文）-垫片冲压专用曲柄压力机输出轴设计与制作.doc

浙江工贸职业技术学院毕业设计（论文） 课题名称：垫片冲压专用曲柄压力机输出轴设计与制作系 部： 汽车与机械工程学院 专 业： 数控技术班 级： 数控1102班姓 名： 学 号： 指导教师： 完成时间 2013年 04 月 20 日 目录1.曲柄压力机结构选择及工作原理11.1曲柄压力机结构选择11.2曲柄压力机主要参数21.3曲柄压力机工作原理32.电动机的选择 52.1电动机功率的确定52.2电动机的选择 73.传动装置的总体设计83.1传动比的分配 83.2传动系统运动参数 84.带与带轮的设计 94.1 V带的计算 94.2带轮的设计115.齿轮的设计 145.1选择齿轮的精度，材料145.2齿面接触疲劳强度计算145.3齿根弯曲疲劳强度验算65.4结构设计66.轴的设计186.1选择轴的材料，确定许用应力186.2初步确定轴的最小直径 186.3轴的校核 186.4设计轴的结构并绘制结构草图197.键的校核227.1键的选用227.2飞轮与工作轴联接键的校核228.使用说明书23 8.1安全操作规程238.2技术参数23设计总结23参考文献2曲柄压力机设计潘教强浙江工贸职业技术学院汽车与机电工程系，班级：机电0603摘要：根据压力机的现状对曲柄压力机的结构与性能上的特点进行了设计，其中包括选择并设计了曲柄压力机的结构、传动装置的总设计、带与带轮的设计等。在最后以典型的曲柄压力机产品，进行曲柄压力机的设计分析。关键词：结构；传动系统；曲柄压力机1.曲柄压力机结构选择及工作原理1.1曲柄压力机结构选择 生活中为适应不同零件的工艺要求，压力机的结构类型较多。通常可根据曲柄压力机的工艺用途及机构特点进行分类。 按工艺用途，曲柄压力机可分为通用压力机和专用压力机两大类。通用压力机适用于多种工艺用途，如冲裁、弯曲、成型等；而专用压力机用途较单一，如拉深压力机、剪板机等。因为设计的压力机用于冲压玩具垫片，所以采用通用压力机。按机身结构形式不同，曲柄压力机可分为开式压力机和闭式压力机。开式压力机的机身工作区域三面敞开，操作空间大，但机身刚度大，压力机在工作负荷下会产生角变形，影响精度。所以这类压力机的吨位小。闭式压力机机身左右两侧是封闭的，只能从前后两个方向接近模具，操作空间较小，不方便。但机身形状组成一个框架，刚度好，压力机精度高。所以，压力机多采用大、中型压力机。因为设计的压力机为小型压力机，故设计采用闭式压力机。按压力机滑块的数目不同，可分为单动压力机、双动压力机和三动压力机，通用曲柄压力机一般是指单动压力机。按照压力机上连接曲柄与滑块的连杆数目不同，可分为单点压力机、双点压力机和四点压力机。曲柄连杆数的设置主要根据滑块面积的大小和吨位而定。点数越多，滑块承受载荷的能力越大，压力机的吨位就越大。根据要求采用单点压力机。1.2曲柄压力机主要参数曲柄压力机的型号：JC23-63（公称压力为630KN的开式双柱可倾式压力机）1标称压力Fg及标称压力行程Sg标称压力Fg是滑块在工作行程内所允许承受的最大负荷，根据设计要求的曲柄压力机JC23-63可得：标称压力Fg为630kN。标称压力行程Sg指压力机发生标称压力时，滑块离开下止点的距离。Sg值的大小决定于传动机构，离合器及飞轮电动机的能力。因曲柄传递的扭矩随着Sg值的增加而增大，所以此值可按工艺用途来决定，我国没有一定的标准。标称压力行程所对应的曲柄转角称为标称压力角ag，对于一般用途的压力机取Ag=20302滑块行程S 滑块行程S是指滑块从上止点到下止点所经过的距离，等于曲柄半径的2倍。它的大小反映出压力机的工作范围。滑块行程并非越大越好，应根据设备规格大小兼顾冲压生产时的送料，取件及模具寿命等因素综合考虑选取。对于曲柄压力机J23-63，滑块行程S为50mm。3滑块行程次数n滑块行程次数决定滑块的速度，而滑块速度又受到被冲压件塑性变形，自动送料精度，传动机构的协调性及模具寿命的影响。故选择行程次数不能单纯追求生产率。对于一般用途的开式压力机，行程次数可按下式计算： 次/min曲柄压力机的滑块行程次数为180次/min。4. 最大装模高度H与装模高度调节量H最大装模高度指滑块在下止点时，滑块底面到工作台垫板上表面的最大距离。与装模高度并行的参数尚有封闭高度。所谓封闭高度是指滑块在下止点时，滑块下表面到工作台上表面的距离，它和装模高度之差等于工作台垫板的厚度T。装模高度和封闭高度均表示压力机所能使用的模具高度。模具的闭合高度应小于压力机的最大装模高度或最大封闭高度。装模高度调节装置所能调节的距离，称为装模高度调节量。装模高度及其调节量越大，对模具的适应性也越大，但装模高度大，压力机也随之增高，且安装高度较小的模具时，需附加垫板，给使用带来不便。同时，模具高度调节量越大，连杆长度越长，刚度会下降。因此，只要满足使用要求，没有必要使装模高度及其调节量过大。5工作台板及滑块底面此寸它是指压力机工作空间的平面尺寸。工作台板的上平面与滑块底面均用“左右前后”的尺寸表示。这些尺寸决定了模具平面轮廓尺寸的大小。6工作台孔尺寸工作台孔尺寸L1B1（左右前后），D1（直径），该尺寸空间是用作向下出料或安装模具顶件装置的。7模顶孔尺寸dl模顶孔是用来安装固定模具上模的，其尺寸用dl(直径孔深)表示。中小型模具的上模一般都是通过模柄固定在压力机滑块上，此时模柄尺寸应与模柄孔尺寸相适应。大型压力机没有模柄孔，而是开设T型槽，用T型槽螺钉禁锢上模。8立柱间距A与喉深C立柱间距是指双柱式压力机两立柱内侧之间的距离。对于开式压力机，其值主要关系到向后侧送料或出件机构的安装。喉深是开式压力机特有的参数，它是指滑块中心线到机身的前后方向距离。吼身直接限制了加工件的尺寸，也与压力机机身刚度有关。1.3曲柄压力机工作原理 尽管曲柄压力机类型众多，但其工作原理和组成是相同的。其工作原理如下：图11为曲柄压力机的工作原理图。电动机1的能量和运动通过带传动传递给中间传动轴4，再由齿轮6和8传动给曲轴9，经连杆10带动滑块11作上下直线移动。因此，曲轴的旋转运动通过连杆变为滑块的往复直线运动。将上模12固定于滑块上，下模14固定于工作台垫板15上，压力机便能对置于上下模间的材料加压加工。由于工艺需要，轴两端分别装有离合器5和制动器3，以实现滑块的间歇运动和连续运动。压力机在整个工作周期内有负荷的工作时间很短，大部分时间为空程运动。为了使电动机负荷均匀和有效地利用能量，在传动轴端装有飞轮，起到储蓄作用。在曲柄压力机机上，带轮2和大齿轮8均起飞轮的作用。 从上述工作原理可以看出，曲柄压力机由下列部分组成：（1）工作机构 一般由曲轴、连杆和机身上的导轨构成的曲柄滑块机构。其作用是将传动系统的旋转运动变换为滑块的直线往复运动，承受和传递工作压力，安装模具的上模。（2）传动系统 一般由齿轮传动、带传动等组成。其作用是传递电动机的运动和能量，并起减速作用。（3）操纵系统 由离合器、制动器及其控制装置组成。它们的主要作用是电动机开动的条件下控制滑块的运动和停止，以保证压力机安全、准确地运转。（4）能源系统 由电动机和飞轮等组成。电动机将电能转化成机械能。飞轮能将电动机空程运转时的能量储存起来，在冲压时再释放出来。（5）支承部件 主要为压力机的机身，它将压力机的所有零部件联结起来，并承受全部工作变形力和各部件的重力，保证总机所要求的精度、强度和刚度。机身上有固定或活动的工作台，用于安装模具的下模。（6）附属装置和辅助系统 这部分包括两类：一类是保证压力机正常运转的，如润滑系统、过载保护装置、滑块平衡系统、电路等；另一类是工艺应用范围的，如推料装置、气垫等。由于曲柄压力机的组成部分较多，且设计时间有限。故设计锁定为曲柄压力机的工作机构、传动系统和能源系统的设计。 图11 曲柄压力机运动原理图1-电动机2-带轮3-制动器4-传动轴5-离合器6，7-齿轮8-曲轴9-连杆10-滑块11-上模12-下模13-垫板14-工作台15-气垫2.电动机的选择21电动机功率的确定2.1.1电动机类型的选择通常采用Y系列三相异步电动机，其结构简单、工作可靠、价格低廉、维护方便，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的机械。2.1.2压力机的电动机工作特点：压力机的负载为一冲击载荷。即在一个工作周期只在较短的时间内承受工作负荷。而在较长的时间内为空运转。若按此短暂的工作时间来选择电动机的功率，则电动机的功率会很大。为了减少电动机功率，在传动系统中设置了飞轮，可以大大减少电动机功率。采用飞轮后，当滑块不动时，电动机带动飞轮旋转，使其储备动能。而在冲压工作的瞬时，主要靠飞轮释放能量。飞轮在压力机中起储存和释放能量的作用，压力机所消耗的动能，归根结底都是由电动机供给。所以电动机的输出功率完全决定于压力机在一次行程中所消耗的全部功和一次行程所需的时间。由上可知，飞轮惯性的大小亦影响了选择电动机的额定功率。飞轮越小，电机转速的波动越大，它的电流变化亦剧烈。为了不使电动机的额定功率应比压力机的平均功率大些。2.1.3电动机功率的确定综上所述，曲柄压力机应按一循环的平均能量来选择电动机，其功率Nm为： 式中：W工作行程所需能量； T工作周期。（1）确定工作周期T 由公式： 式中：n为滑块行程，已知n=50次/分； Cn行程利用系数，查表21得，Cn=0.45。 则： 表21行程利用系数Cn行程次数n（1/min）行程利用系数Cn40700.450.55（2）计算工作行程所需能量W 冲压件的变形功。其公式为 式中：系数，根据冲压模具及设备取0.6； 公称力，为630KN； t板料厚度，根据设计的要求取0.8mm； 则：302.4J 冲压时的压料力、顶件力等弹性力所做的功。根据粗算取890J。 则：W=1193.4J (3)计算平均功率Nm 式中取1.5，故Nm=6.75KW。 所需实际功率为： 式中K查表2得K=0.8。 表22 功率利用系数nCn(次/分)K15500.8 则N=KNm=5.4KW2.2电动机的选择根据平均功率，可选电动机额定功率Ne=5.5Kw。根据实用机械设计手册（下）查出符合工作要求的电动机的型号为Y90L，技术参数如下表23，电动机简图如图21。表23 Y132S型电动机的技术参数型号额定功率（KW）额定负载转动惯性（kg.m）质量（KG）转速（r/min）效率（%）功率因数Y132S5.5146085.50.840.240250 表24 电动机外型尺寸机座号级数ABCDEFG132S22161408938801033HKABACADHDL13212280270210315475 图21 Y132S型电动机结构 3.传动装置的总体设计 3.1传动比的分配选定电动机满载转速n=1460r/min，已知滑块行程为50次/分。则总转动比。根据实践飞轮的转速以400500r/min为宜，故选用飞轮的转速为458r/min，则，由经验初步确定低速副齿轮转动比。根据得，高速副齿轮的传动比。3.2传动系统运动参数（1）各轴的转速轴 曲轴 （2）各轴的输入功率轴 曲轴 （3）各轴的输出功率轴 曲轴 4.带与带轮的设计 作用：通过皮带轮的传动使电动机动力传递到工作轴上。 组成：带传动系统是由V型传动带、主动带轮和从动带轮组成。 4.1 V带的计算（1）选择V带的型号根据电动机的额定功率Ne,并考虑载荷性质及每天运转时间长短等因素的影响。确定功率。已知电动机的转速为1460r/min，则知小带轮转速为1460r/min。查机械设计基础P145选用C型带，基本参数如表41。 表41 C型带的技术参数型号单根V带最大额定功率KW最小带轮基准直径mm长度范围mm节宽mmC型1420018001000019（2）确定带轮基准直径 根据机械设计基础表7-6和图7-8选取小带轮基准直径d1=300mm。则大带轮基准直径为： 根据机械设计基础表7-6选取标准值d2=900mm。则实际传动比，从动轮的实际转速为： （3）带速的计算 （4）确定带的基准长度和实际中心距 由公式：考虑到装配要求初步确定中心距。所需V带基准长度 ，由带长的公式得：，查机械设计基础表7-2选取基准长度。实际中心距，由公式得：（5）小带轮包角，小轮包角合适。（6）确定V带根数 由公式得：根据，查机械设计基础表7-3得，。由机械设计基础表7-2查得带长度修正系数，表7-4查得包角系数。得普通V带根数：根圆整得Z=3根。（7）求初拉力及带轮轴上的压力如果初拉力不足，则摩擦小，V带在工作时容易发生打滑；如果初拉力过大，则V带的寿命会降低，轴与轴承上的受力会增大，因此需要适当的初拉力。由机械设计基础表7-1查得C型普通V带的每米长质量则算得。为设计安装带轮的轴和轴承，必须确定带轮轴上的压力。4.2带轮的设计4.2.1带轮的材料选择因为带轮的转速为V=22.92m/s，V25m/s。转速较低，所以材料选定为灰铸铁HT150。4.2.2带轮的结构设计带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径选择机构型式；根据带的型号确定轮槽尺寸。主动带轮的结构选择：因为根据主动带轮的基准直径是D1=300mm，而与它配合的轴的直径是d=110mm，当带轮的基准直径时，采用实心带轮，轮毂与轮缘连成一体。即S型实心带轮。从动带轮的结构选择：因为根据从动轮的基准直径是D2=900mm，当带轮基准直径D400mm时，多采用椭圆轮辐结构。即E型椭圆轮辐带轮。4.2.3带轮的结构及分析通过查手册可确定带轮的结构参数简表42，其他结构尺寸可以根据相应公式计算得出。表42 带轮的结构参数 单位（mm）带的型号mftsC2162618191023.1带轮宽：（1） 主动轮的结构及相关尺寸如图41所示。 图41 主动带轮的结构 （2）从动带轮的分析曲柄压力机在工作行程时，主要靠飞轮降低转速释放能量，故将从动轮设计成飞轮。飞轮与离合器结合在一起，是一种专用飞轮。此飞轮既起带轮传递动力的作用，又起储蓄能量的作用。有时为了加大转动惯性将此零件设计的较宽。如图41，图中B的宽度是按安装皮带的需要决定的，加大B是为了增大飞轮的转动惯性。轮缘外径是考虑传动比确定的，内径是考虑安装离合器的需要来决定的。飞轮的材料常用铸铁，小型飞轮多用钢板做成。此种压力机飞轮为大型飞轮，材料选用铸铁。4.2.4飞轮的设计 (1)结构尺寸的确定 计算不均匀系数 式中： 修正系数，与K值有关； K电动机实际功率与平均功率之比。即； 电动机额定滑差率，根据表2已知=0.8； 在额定转矩下皮带滑动时当量滑差率：当压力机不带气垫时为0.04；当压力机带有气垫时为0.02。根据设计得查表43得修正系数=0.8； 表43 修正系数值K1.21.31.41.60.850.90.95 代入公式得。计算飞轮的速度计算飞轮转动惯性确定飞轮的基本尺寸式中：D1飞轮的外径，D1=900；B飞轮宽度；飞轮的材料密度，（铸铁）=7.2103kg/m3。 因为飞轮上要安装离合器，根据带的型号，先初步设定飞轮宽为150mm。代入公式得：（2） 校核 飞轮轮缘的线速度校核 式中：D1飞轮的外径，D1=900； n带轮的转速，n=459.11r/min。 则 查表44得飞轮轮缘的许用线速度v=3040m/s。 表44 飞轮轮缘的许用线速度飞轮的材料v(m/s)铸铁3040 飞轮起动时间校核 飞轮起动时间，满足要求。5.齿轮的设计5.1选择齿轮的精度，材料 （1）此齿轮，载荷平稳，转速不高，故选用8级精度。（2）选用小齿轮材料为经过调质处理的45号钢，HBS为240；大齿轮材料为45号钢正火处理，HBS为200。5.2齿面接触疲劳强度计算（1）齿数和齿宽系数选取小齿轮的齿数为，大齿轮的齿数为。查表齿宽系数。（2）选取载荷系数。（3）计算小齿轮的转距（4） 计算许用接触应力。查表得接触疲劳极限。查表得寿命系数。取安全系数S=1。因为两齿轮为软齿面，所以取工作硬化系数。则：（5）材料弹性系数。查表得：。（6）节点区域系数。查表得：。（7）重合度系数。（8）小齿轮分度圆直径。（9）验算圆周速度。（10）确定传动尺寸模数 ，取标准模数。实际分度圆直径 中心距 齿宽 小齿轮，圆整得 则大齿轮齿宽5.3齿根弯曲疲劳强度验算（1）齿形系数 查表得（2）应力修正系数 查表得（3）重合度系数 （4） 许用弯曲应力弯曲疲劳极限 查表得弯曲强度的安全系数 试验齿轮的应力修正系数 弯曲疲劳强度计算的寿命系数 查表得 485.71 428.57（5） 验算 5.4结构设计 圆柱齿轮的结构应根据齿轮强度方面的要求、齿轮与轴或其他零件的连接方式、齿轮在制造时的定位和装卡固定要求，以及齿轮工作情况和安装中的吊用等要求来决定。5.4.1齿轮结构形式的选择（1）计算齿顶圆直径 齿顶高系数。正常齿制时。（2） 计算齿根圆直径顶隙系数。正常齿制是根据计算结果和设计的要求，小齿轮的结构采用实心齿轮，大齿轮的结构采用轮辐式齿轮。5.4.2结构尺寸的确定 图51 齿轮的结构（1）计算轮毂的外径因为材料为铸钢，则公式为：式中，故（2） 计算轮毂长由公式1.5dLB,即135mmL，L=100mm。（3），即，取40（4）（5）（6）（7），即，取40（8）（9）6.轴的设计6.1选择轴的材料，确定许用应力曲柄压力机为一般机械，对体积、材料等无特殊要求。故选调质处理的45号钢，查表得强度极限，许用弯曲应力为。6.2初步确定轴的最小直径按扭转强度来估算轴径，公式：由表61查得，于是得： 表61 常用材料的值和Ao值轴的材料Q235、203545（Mpa）152520352545Ao1491261051121261036.3设计轴的结构并绘制结构草图图61 轴的结构简图6.3.1根据轴向定位的需求确定轴的各段直径和长度(1)段是用于安装制动器，其轴孔为110，故取段的直径d1=110。根据制动器的尺寸取段的长度L1=305。(2)段右端需制出一轴肩，而且需要安装滚动轴承，所以取段的直径d2=120。段的长度L2=215。(3)段右端需制出一轴肩，故取段的直径d3=130，此段需要安装飞轮，已经知道飞轮轮毂宽250，为了套筒端面与飞轮轮毂端面紧贴以保证定位可靠，取段的长度L3=245。(4)段的的右端需要制出一轴环，轴环的宽由公式：。(5)段需要安装摩擦离合器，故取段的直径d4=130，L4=120。(6)段需要制出一轴肩，故取段的直径d5=120，L5=160。6.3.2轴上零件周向定位飞轮和小齿轮与轴的周向定位均采用平键联结。按d3=130，d6=110查手册得平键剖面分别为b1h1=3620键长200;b2h2=3218键长180,同时为了使飞轮与轴配合有良好的对中性，故选轮毂与轴的配合为H7/S6。6.3.3定圆角半径r值按前面所述的原则，定出轴肩处的圆角半径，轴端倒角在轴的两端均为2450。6.4轴的校核按弯扭合成条件校核轴的强度按弯扭合成条件校核轴的强度 (1)做轴的计算简图（图62a）。(2)求轴上所受作用力的大小计算带轮上的压力F 设F1位单根V带的紧边拉力，F2为松边拉力。已在设计带传动时求出的单根V带的初拉力F0=583.96N。在V带两侧的F1、F2的拉力方向相同，而且。因为共选择了3根V带所以带轮所受到的水平方向上的总拉力就为三根带的拉力和：F=6F0=3503.76N。因为紧松边的拉力相差不大而且相对于轴心对称所以可以认为F作用在带轮的轴心上即轴上。轴在水平面内受到的支反力（图62b） 轴在垂直面内受到的支反力（图62c）(3)在水平面内作弯矩图（图7b）分别求出A、B、C、D这4点在水平面内的弯矩： (4)在垂直面内作弯矩图（图62c）分别求出A、B、C、D这4点在垂直面内的弯矩：(5)作出合成弯矩图（图62d）(6)作出扭矩图（图62e）根据公式： 其中Pw 为轴的功率；n 为转速。可以计算出A、B、C、D四点的扭矩：， 图62 轴的载荷分析图(7)作当量弯矩图（图62f）A点： B点左侧： B点右侧：其中-是考虑扭矩和弯矩的作用性质差异的系数，取(8)校核轴的强度通过校核轴上的最大当量弯距的强度（即危险剖面的强度）来校核轴的强度。根据公式： 其中：W轴的抗弯剖面模量，取；轴的许用应力，Mpa。代入数据计算得： 按手册查得对于=600 Mpa的碳钢，承受对称循环变力时的许用应力所以安全。7.键的校核7.1飞轮与工作轴联接键的校核 轴与飞轮的定位联接采用的是键36200GB1096，它的剖面尺寸是。根据公式可以计算出键联接工作面的挤压应力： 式中：T轴的转距，取T = 1836.16 ；d为工作轴段轴的直径，取d=130mm；l键的工作长度，一般；h键的尺寸高度，即20mm；p许用挤压应力，查手册得：。代入数据得：。相比较得到，可见满足要求。7.2键的选用轴上齿轮与轴联接的平键的校核 轴与从动带轮的周向定位联接采用的是键32118GB1096，它的剖面尺寸是：。8.使用说明书8.1技术参数公称力Pg=360KN,滑块行程S=120mm,电动机功率 5.5KW。8.2安全操作规程 根据压力机不同机器种类和加工要求，制定有针对性、切实可行的安全操作规程，并进行必要的岗位培训和安全教育。使用单位和操作者必须严格遵守设计制造单位提供的安全使用说明的规定和操作规程，正确地使用、检修。压力机一般安全操作要求如下： 第一，开动设备前，要检查压力机的操纵部分、离合器和制动器是否处于有效状态，安全防护装置是否完整好用，曲柄滑块机构各部有无异常。发现异常应立即采取必要措施，不得带病运转，严禁拆卸和损坏安全装置。 第二，正式作业前须经空转试车，确认各部分正常后方可工作。开机前应清理工作台上一切不必要的物品，防止开车振落击伤人或撞击开关引起滑块突然