简易冲床的设计及其有限元分析.doc

毕 业 论 文论文题目 简易冲床的设计及其有限元分析系 别 电子信息工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师（签名） 完成时间 年 月摘要在新的经济增长过程中，我国机床行业迅速发展，冲压生产自动化是一种提高生产效率、保证生产安全的根本途径。冲床是最主要的锻压设备。它的工作原理是：通过曲柄滑块机构将电机的旋转运动转换为滑块的直线往复运动。在设计过程中，首先查阅了有关冲床的资料，了解冲床的工作原理及发展现状，然后根据冲床的设计方案要求，对冲床机械部分进行设计并进行校核计算，并用CAD绘图软件绘制冲床总装图和主要零部件图，最后，利用ProEngineer软件ProMechanica中的ProMechanica模块，对冲床主要零部件进行有限元分析计算并对结果进行研究处理。关键词：冲床 带传动 有限元分析目录第一章 绪论11.1 课题背景11.2 锻压机械的概念及发展前景11.3 压力机的概念与分类21.4 压力机的工作原理6第二章 压力机的主要技术性能及结构的确定82.1 曲柄压力机主要技术性能的确定82.2 曲柄滑块尺寸确定及运动分析8第三章 压力机运作系统的设计113.1 电机的选择113.2 飞轮的转动惯量与尺寸计算123.3 V带传动设计与计算13第四章 基于ProMECHANICA的简易冲床有限元静力学分析194.1 简易冲床有限元分析的目的194.2 基于ProMECHANICA的冲头有限元分析194.3 查看并总结分析结果264.4 对连杆和偏心轴进行有限元分析294.5 本章小结33第五章 压力机的安装、润滑、使用、及维修345.1 压力机的安装345.2 压力机的润滑345.3 压力机的使用345.4 压力机的维修37第六章 总结38参考文献39致谢40第一章 绪论1.1 课题背景现在，机械、电子、轻工、国防等工业部门的产品零件已越来越多的转为以模具为基本工具进形成形，因为塑性成形时，移动材料单位体积的速度比切削加工快，生产效率高。塑性成形不仅能改善材料内部的结构和缺陷，还能充分的利用材料纤维组织的方向性，大大提高零件的力学性能。一般的冲压件、塑性件、压铸件一般经成形即为成品，无需再进形切削加工或只需少量的切削加工。故零件重量轻，材料利用率高，适合大批量生产。成形有两个概念；一是成形，即毛坯在外界压力下，借助于模具通过材料的塑性变形来获得具有所需形状和尺寸的产品。二是成型，是指液态或半液态的原材料在外界压力下，通过流动填充模型的型腔来获得与模具型腔相一致的形状、尺寸的产品。成形设备是为各类成形工艺服务的，它是借助于模具生产各类成型毛胚或成形制件的设备。成形设备的工作能力，完善程度及其使用潜力的发挥对于提高产品质量和劳动生产率，降低产品成本，改善劳动条件，实现新工艺等都具有重要作用。 1.2 锻压机械的概念及发展前景锻造是用锤击或压制的方法对坯料施以压力，使之产生塑性变形的金属加工方法。冲压是用凹模和凸模将薄板成形为具有立体造型和符合质量要求的制件的金属塑性加工方法。两者和称为锻压，锻压机械是通过曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转换为滑块的直线往复运动，对金属坯料进行成形加工的压力机。锻压生产常用设备大致分为加热设备、锻压成形设备和锻压生产辅助设备，本次毕设研究锻压生产设备。现代锻压机械已不是制造毛坯的设备而是成品加工机械。其结构精密，轻巧，其最高行程速度已达到300次/分钟，加工精度有的已达到微米级。其操作多采用自动化装置，其控制系统多采用数字控制，现代锻压机械已拥有自己专用的多轴、高速、高分辨率和多功能的数控系统。能和电子计算机、和工业机器人自动换模系统及自动仓库等结合，构成各种系列的柔性加工单元（FMC）和柔性制造系统（FMS），并向电子计算机集成制造系统（CIMS）的方向迈进。因此，现代锻压机械从其主要方面看，已是一种精密的自动的，机电一体的并能柔性连线的金属成形机床。据不完全统计，目前国外生产数控冲床的厂家已有30多家，这还不包括一些著名厂家在其他国家的子公司或分厂。自数控转塔冲床问世近30年来，伴随着数控技术、液压气动技术、运动元件及计算机等相关技术的发展，数控冲床发展非常迅速。技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。随着我国数控冲床市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外数控冲床生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。在持续严峻的经济环境中，无切削成形是企业与对手拉开距离和竞争中胜出的有力手段，而且环保是21世纪的主题，作为环保的加工方法将是主要的发展方向。无切削成形中高精度、高附加值形状的成形是不可或缺的，为了实现这些要求就必须了解从材料到成品的全过程综合技术。冲床就其中一个重要的技术要素。1.3 压力机的概念与分类1.3.1 压力机的概念冲压生产主要是针对板材的。通过模具，能做出落料、冲孔、成型、拉伸、修整、精冲、整形、铆接及挤压件等等，广泛应用于各个领域。如我们用的开关插座、杯子、碗柜、碟子、电脑机箱，甚至导弹飞机有非常多的配件都可以用冲床通过模具生产出来。冲床也可用于在型材上冲孔,可以冲方形、长方形及圆形的孔。冲床是大型铝合金门窗生产厂所使用的设备,而小型加工点是用其他设备代替,其精度和效率远不及冲床。对于压力机用最简练的语言归类就是：图1 压力机工作原理简图1.使用上、下模具。2.依靠对工具施加的关联运动，使置于上、下模具间的材料受力，从而完成所要做的功。3.做功时产生的反作用力，由机械本身承受。机械压力机是指通过曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转换为滑块的直线往复运动，对金属坯料进行成型加工的压力机，机械压力机是冲压加工的主要生产设备，它适用于大批量生产零件、配件。是一种高效率、低成本的零件生产工艺设备。机械压力机按床身结构可分为开式、闭式和主柱式，其中闭式结构的床身结构刚性好。按滑块机构和运动方式来分为单动和多动压力机，目前使用的多为单动压力机，而多动压力机主要用于汽车车身等大部件的深压加工。其中多动压力机其外滑块用于落料和压边，内滑块用于拉伸。根据压力机的连杆与滑块的连接形式，可分为单点、双点或多点压力机。按传动机构的位置，传动机构一般装在压力机的上梁部分，而且称其为上部传动机构，但也有为了减少压力机距离地面的高度，而将其传动机构设于压力机底座下部的，这种压力机被称为下部传动压力机。下部传动压力机速度快、重心低、稳定性好但维修和安装比较困难。在冲压加工中，压力机完成的工序中，可分为分离工序和变形工序两类，因此，应根据加工工序的性质和充分的发挥设备特性的原则，合理的选择压力机的结构、形式。 1.3.2 压力机的分类开式压力机（冲床）压力机根据产生压力的机制而分类。使用液体传动压力的被称为“液压压力机”，使用机械传动压力的被称为“机械压力机”。液压压力机，形程较长，压力可调节，加工速度稳定，不会产生超负荷。但是机械压力机比液压压力机效率高，维修简单，所以现在的材料加工大多采用机械压力机。因本次毕业设计的特点，也只研究机械压力机。机械压力机一般按机身结构型式和应用特点来区分。图2 开式压力机按机身结构型式分有开式和闭式两类。1.开式压力机：也称冲床，应用最为广泛。开式压力机多为立式（图2开式压力机（冲床)）。机身呈C形，前、左、右三面敞开,结构简单、操作方便、机身可倾斜某一角度,以便冲好的工件滑下落入料斗,易于实现自动化。但开式机身刚性较差，影响制件精度和模具寿命，仅适用于404000千牛的中小型压力机。2.闭式压力机：机身呈框架形（图3 闭式压力机），机身前后敞开，刚性好，精度高，工作台面的尺寸较大，适用于压制大型零件，公称工作力多为160060000千牛。冷挤压、热模锻和双动拉伸等重型压力机都是用闭式机身。图3 闭式压力机按应用特点分，有双动拉伸压力机、多工位自动压力机、回转头压力机、热模锻压力机和冷挤压机。1.双动拉伸压力机:它有内、外两个滑块,用于杯形件的拉伸成形。拉伸前外滑块首先压紧板料外缘，然后内滑块带动凸模拉伸杯体，以防板坯外缘起皱。拉伸完成后内滑块先回程，外滑块后松开。内外滑块公称工作力之比为（1.71）:1。2.多工位自动压力机：在一台压力机上设有多个工位，装置多道成形模具，坯料依次自动向下一工位移动。在压力机的一次行程中，各工位同时进行各道成形工序，制成一个工件。3.回转头压力机：在滑块与工作台之间设有可装置数十组模具的回转头，可按需要选用模具。坯料放在模具上而不再移动。每次行程完毕，回转头转动一个位置，完成一道工序。这种压力机定位精度高，便于调整产品，一机多用，多用于冲制仪器底板和面板等。回转头压力机可配上数控系统，根据编好的指令选用模具和板材成形部位，自动完成复杂的冲压工作。4.热模锻压力机：用于模锻件生产。机身刚度大，导向面长,承受偏载能力强。过去多用曲柄连杆机构,为提高刚性多已改用双滑块式和楔式。双滑块式结构较简单，重量轻；楔式结构支承面积大，但传动效率低。模锻时滑块在下止点附近容易卡死（俗称闷车），所以设有脱出装置。机械中有上下顶出装置，能实现多模膛锻造,锻件精度较高，适于大批量生产。最大规格为160兆牛。5.冷挤压机：用于冷、温态挤压金属零件，如枪弹壳、牙膏管等。冷挤压机一般是立式的，特点是刚度好，导向精度高，工作压力大，工作台面小，工作行程长。1.4 压力机的工作原理本次为简易冲床设计，基本工作原理是通过曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转换为滑块的直线往复运动，对坯料进行成形加工的锻压机械。特点是机械压力机动作平稳,工作可靠,广泛用于冲压、挤压、模锻和粉末冶金等工艺。机械压力机在数量上约占各类锻压机械总数的一半以上。机械压力机的规格用公称工作力（千牛）表示，它是以滑块运动到距行程的下止点约1015毫米处（或从下止点算起曲柄转角 约为1530时）为计算基点设计的最大工作力(图1曲柄滑块机构运动简图，通过传动系统把电动机的运动和能量传给工作机构，从而使坯料获得相应的变形，制成工件。本次毕业设计采用一级V带传动，具体工作原理为：电动机通过皮带将运动传给大皮带轮，从而把运动传给偏心轴，连杆的上端套在偏心轴上，下端与滑块铰链连接，因此，将轴的旋转运动变成滑块的往复运动。上模装在滑块上下模装在工作台上。当材料放在上下模之间时，即能进行冲裁或其他变形工艺，制成工件。由于加工的特点，滑块需要时而运动，时而停止，因此装有离合器和制动器，压力机在整个工作周期内进行工艺操作的时间很短，即有负荷的工作时间很短，大部分时间为无负荷的空程。为使电动机的负荷均匀，有效的利用能量，因此要装有飞轮，大皮带轮即为飞轮作用。图4 压力机工作原理简图1.5 压力机的主要技术参数曲柄压力机的技术参数反映了压力机的工艺能力，加工零件的尺寸范围以及有关生产率的指标，分析如下：1.公称压力Pg:是指滑块离下死点的前一特定距离或曲柄转到离下死点前某一特定角度时，滑块所许可承受的最大作用力。2.滑块行程：滑块行程指滑块从上死点到下死点的距离。3.滑块行程次数n：指滑块每分钟从上死点到下死点，然后回到上死点所往复的次数。4.最大装模高度H；指滑块在下死点时，滑块下表面到工作台极上表面的距离。当装模高度调节装置将滑块调节到最上位置时，装模高度达到最大值。5.装模高度调节量H：装模高度能调节的距离即为装模高度调整量。6.喉深：喉深指滑块的中心线至机身的距离。7.工作台及滑块底面尺寸。机械压力机的载荷是冲击性的，即在一个工作周期内锻压工作的时间很短。短时的最大功率比平均功率大十几倍以上，因此在传动系统中设置有飞轮。第二章 压力机的主要技术性能及结构的确定2.1 曲柄压力机主要技术性能的确定单位J40公称压力Pg40发生公称压力滑块离F死点距离mm3滑块行程Smm40滑块行程次数n次/min200冲裁板厚mm2板料宽度mm300喉深（滑块中心到立柱尺寸）mm1150工作台极左右尺寸Lmm1400工作台极前后尺寸Bmm1300表2-1 曲柄压力机主要数据2.2 曲柄滑块尺寸确定及运动分析曲柄R=S/2=20mm设传入角=70 连杆尺寸为L,则取L=220mm画出机构运动分析图（图5）。图5 机构运动分析图曲柄转角从下死点算起，与曲柄旋转方向相反为正，滑块位移S从下死点算起向上方向为正，滑块速度V及滑块加速度，其方向向下为正，则有： 曲柄转角可表示如下：式中：S滑块位移（m）V-滑块速度（m/s）滑块加速度（m/s）曲柄角速度（rad/s）L连杆系数，又R曲柄半径（m）L连杆长度（m） 则得出如图6滑块的行程,速度和加速度曲线图图6 滑块的行程,速度和加速度曲线图第三章 压力机运作系统的设计3.1 电机的选择根据已知的工作要求和条件:公称压力Pg=40kn，发生公称压力时滑块离F死点距离Sp=3mm，滑块行程h=40mm。行程次数n=200次/分，冲裁板厚=2mm，板料宽度=300mm，载荷有冲击，小批量生产，两班8年，断续周期性工作，Fc=40%.则电动机功率为：A= 其中：P电动机平均功率（千瓦） k一般为1.2-1.6 t 工作周期时间（秒） A 工作循环所需的总能量（焦） 工件变形功（属有效能量） 拉延垫工作功，即进行拉延工艺时压边所需的功（属有效能量）n 冲床滑块行程次数 冲床行程利用系数(1) 由于行程次数n=200次/分，为中等，K取1.6(2) 工件变形功，因很小，故忽略不计(3) 由于采用自动送料，固冲床行程利用系数Cn=1 (4) 实际工作周期(3) 采用自动送料，传动为二级，=0.4则 选用Y80M-4 型全封闭笼型三相异步电动机。 =0.55KW =1440r/min 则总减速比=1440/200=7.2采用V带传动=7.23.2 飞轮的转动惯量与尺寸计算3.2.1 转动惯量的计算在冲压工件时，主要靠飞轮释放能量，若忽略电动机在此时所输出的能量，即得 则A0=A1+A2+A3+A4=71800J 由所选电机型可得 =0.027 查表得=0.02 则使 k=1.2 查表得 3.2.2 尺寸确定选用铸钢材料，飞轮即是大皮带抡，飞轮外径，见图7一般由速比分配决定。即 其中是电机上小带轮的直径。图7 飞轮零件图以上所得转动惯量实际不仅包括飞轮本身的惯量，还包括其他传动零件的转动惯量。在压力机中，飞轮转动惯量与飞轮本身的转动惯量有以下关系： 飞轮转动惯量是由轮缘、轮辐和轮毂阶组成，其中轮缘部分是最重要的。即轮缘部分的转动惯量：3.3 V带传动设计与计算3.3.1 V带的型号的确定V带型号根据设计功率Pd 和小带轮转速n1确定，查教材图5-7可选取A型带。3.3.2带轮的基准直径的确定查教材表5.7 普通V带带轮最小基准直径，知A型带=75mm,选取小带轮基准直径：=75mm；因此，大带轮基准直径：查表选取大带轮基准直径=560mm。其传动比误差 故可用。3.3.3验算带的速度由带的速度公式： 式中电动机转速；小带轮基准直径。即符合要求。3.3.4确定中心距a和V带基准长度根据初步确定中心距考虑到结构，选取中心距=800mm。初算带的基准长度：式中带的标准基准长度； 带的初算基准长度； 初选中心距。带入数据计算得查教材表5.2普通带基准长度及长度系数，确定带的基准长度=2700mm。计算实际中心距，由故，实际中心距为851.4mm。3.3.5计算小轮包角小带轮包角： =1443.3.6确定V带根数Z根据确定带的根数。式中 包角修正系数，考虑包角对传动能力的影响，由教材表5.4查取；带长修正系数，考虑带长不为特定带长时对使用寿命的影响，由教材表5.5查取；V带基本额定功率。由教材表5.2查取单根V带所能传递的功率为=1.37kW；由式 计算功率增量。其中Kb弯曲影响系数；传动比系数；小带轮转速，r/min。查表得查表得 =1.0202； 故得查教材表5.4得=0.98；查教材表5.5得=0.99。所以所以，选取V带根数z=2。3.3.7初拉力F0的确定单根普通V带初拉力计算公式：式中 Pd 设计功率； vV带速度； z带的根数； 包角修正系数； m普通V带每米长度质量。查教材表5.1得 m=0.1kg/m。所以3.3.8计算作用在轴上的压力FQ 压力 等于松边和紧边拉力的向量和，如果不考虑带两边的拉力差，可以近似的按带两边所受初拉力的合力来计算： 式中 初拉力； 带的根数； 小轮包角。所以 3.3.9小带轮结构设计（1）带轮材料选择带轮的材料主要采用铸铁，转速较高时采用铸钢；小功率时可用铸铝或塑料。常用材料的牌号为HTl50或HT200。本设计中转速要求不高，故材料选用铸铁，牌号为 HT200。（2）带轮结构形式本方案中带轮为中小尺寸（dd125mm），选用腹板轮。（3）带轮结构尺寸(部分)确定带轮的其它部分尺寸由经验公式计算。查教材得各数据：表3-1 小带轮部分结构尺寸轮槽剖面尺寸尺寸大小（mm）he12hamin2.75e150.3f10-1+2bd116B=（z-1）e+2f=（2-1）15+210=353830s12dd125dk=（1.8-2）d=68.4mm-76mm，取dk=70mm。第四章 基于ProMECHANICA的简易冲床有限元静力学分析4.1 简易冲床有限元分析的目的对于此次设计的简易冲床来说，冲头、连杆和偏心轴是主要组成部分，在工作过程中受力较为复杂。鉴于此，利用ProEngineer软件中的ProMechanica有限元分析模块，分别以连杆、偏心轴、和冲头为分析对象进行有限元分析，分析其在最大工况下的受力与变形情况。根据分析结果，指出各部分的薄弱处并提出相应改进措施。4.2 基于ProMECHANICA的冲头有限元分析1. 进入ProMechanica有限元分析界面。(1) 单击桌面上的开始程序命令，选中应用程序“ProEngineer”，打开ProEngineer软件。也可以直接在桌面上双击“ProEngineer”图标，打开ProEngineer软件。(2) 单击ProEngineer菜单栏上的文件打开命令，系统弹出“文件打开”对话框。选中要打开的模型文件，单击对话框中的打开命令，将要进行有限元分析的模型文件打开。(3) 单击菜单栏上的应用程序Mechanica(M)命令，系统弹出“Unit Info(模型单位系统)”对话框，声明了当前模型的长度单位、重量单位、力和时间单位等。单击Continue按钮继续，系统弹出“模型类型”对话框，单击确定按钮，系统进入ProMechanica模式。冲头有限元分析界面如图4-1所示：图4-1 冲头有限元分析界面2简化分析模型。为了加快分析的速度以及提高有限元网格划分的精度，对不影响分析结果的部分进行简化。模型经过简化后进入ProMechanica中进行分析，不仅能保证计算结果的准确性，还可以大大提高计算的效率。3冲头的约束定义。冲头与连杆下端铰接，连杆将偏心轴的旋转运动转为冲头的直线往复运动。在进行有限元静力分析过程中，将冲头受力最大时定格，将动力分析转为静力分析。因此定义约束时选择连杆下端与冲头铰接面，将其六自由度全部定义为零。模型约束定义的步骤：依次单击菜单栏中的插入位移约束命令，系统弹出“constraint”对话框。选取要将其六自由度设置为零的面，默认对话框中的设置，单击OK按钮，即可完成对模型的约束定义。模型约束定义如图4-2所示：4-2模型约束定义4冲头的载荷定义。在冲床工作过程中，若对冲头进行有限元分析，研究其应力及变形情况，应在冲床工作中的某一特殊情况进行计算。由于需要研究冲头的最大变形问题，因此在计算时把连杆的受力状况固定在工况最恶劣的情况下，即是在公称压力作用时。把动力学问题转化为静力学问题来分析。冲头是冲床的重要组件，实际工作中受力比较复杂。不仅受到冲压件对其自身的反冲力，还会受到冲头座给的支持力，为了比较准确和快速地得出结果，有必要对模型的受力情况进行简化，把动力学问题转化为静力学问题来分析。施加于冲头上的载荷F=40000N。冲头模型载荷定义的步骤：单击菜单栏中的插入力力矩负荷(L)命令，系统弹出“ForceMoment Load”对话框。根据模型分析的实际需要，对对话框中的参数进行设置，如施加力的名称、施加的位置、参考坐标系、力的大小和方向等。设置好参数后，选取要施加载荷的面，单击OK按钮，将力施加到指定的位置。模型载荷定义如图4-3所示：4-3 模型载荷定义5. 冲头的材料定义。 在使用ProMechanica进行分析之前，必须先定义模型的材料特性。在ProMechanica中，经常用到的材料特性主要有以下几项：1. 密度。2. 杨氏模量。3. 泊松比。4. 热膨胀系数。为了保证冲头在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度，采用DH钢作为冲头的材料。DH钢材作为高强度的结构用钢，显示了及其良好的使用性能。其主要力学性能见表4-1：表4-1 冲头材料DH钢的力学性能屈服极限(MPa)弹性模量(GPa)密度(Kgm3)泊松比23521079000.25定义模型材料的步骤：(1) 单击菜单栏中的属性材料命令，系统弹出“材料”对话框，在材料库中选中材料往模型中添加，如图4-4所示。再单击对话框中的编辑属性命令，系统弹出“材料定义”对话框，在此对话框中，可进行材料物理属性及力学性能的设置，如图4-5所示。设置完成后，单击确定按钮返回“材料”对话框，单击确定按钮关闭“材料”对话框。4-4 材料定义4-5 材料属性定义(2) 单击属性材料分配命令，系统弹出“Materials Assignment”对话框，如图4-6所示。默认对话框中的设置，单击OK按钮，即可将模型定义为指定的材料。图4-6 模型材料分配6. 网格划分。ProMechanica提供了自动网格划分器AutoGEM。在有限元分析的过程中，由AutoGEM对模型进行自动网格划分。网格模型的建立是有限元计算分析问题的先决条件，其分析结果的可靠与否主要取决于所计算的数学模型是否与实际结构相吻合。在利用AutoGEM进行网格划分之前，需要对模型进行适当简化，处理那些不影响分析结果而对网格划分影响较大的细节(如倒角、圆角等特征)。从而使ProMechanica能够顺利进行自动网格划分，提高划分的质量，使计算结果更准确。AutoGEM网格划分的一般步骤为：1执行自动几何菜单中的创建命令，系统弹出AutoGEM对话框。2选择需要划分网格的几何参数，包括实体体积、曲面和基准线等。3设置相关参数。4进行网格划分，保存网格文件。需要注意的是，AutoGEM网格划分步骤不必单独进行，在运行有限元分析计算之前系统将按照默认模式进行网格划分，设计人员可以进行划分设置，一般情况下系统根据模型自动划分的精度已经足够高，不需要改动。冲头模型的网格划分：单击菜单栏中的自动几何创建命令，系统弹出“AutoGEM”对话框。单击对话框中的Create按钮，系统进行自动网格划分。网格划分完成后，系统弹出对话框提示是否保存，单击对话框中的是(Y)按钮，保存网格划分结果。冲头有限元网格模型如图4-7所示：图4-7 冲头有限元网格7. 运行有限元分析。单击分析Mechanica 分析研究(E)命令，系统弹出“Analyses and Design Studies”对话框。单击对话框中的FileNew static命令，系统弹出“static Analysis Definition”对话框。默认对话框中的设置，单击OK按钮，创建一个静态学分析文件，并返回“Analyses and Design Studies”对话框，如图4-8所示。然后依次单击RunStart命令，系统弹出“Question”对话框，单击是(Y)按钮，系统弹出“”对话框，再单击是(Y)按钮，系统运行有限元分析计算。图4-8 “Analyses and Design Studies”对话框4.3 查看并总结分析结果1. 查看冲头的应力分布图。单击“Analyses and Design Studies”对话框中的“”图标，系统弹出“Result Windows Definition”对话框，如图4-9所示。直接单击对话框中的OK and Show按钮，系统将显示冲头模型的应力分布图，如图4-10所示：图4-9 “Result Windows Definition”对话框图4-10 模型应力分布图2. 查看冲头的变形图。在“Result Windows Definition”对话框的Quantity下拉列表中选中“Displacement”，再单击对话框中的Display Options按钮，勾选Animate和Auto Start两项，将Frames选项中的时间设置为24，其他设置保持默认状态，如图4-11所示。再单击OK and Show按钮，系统将显示冲头模型的变形动画图，如图4-12所示：图 4-114-12 冲头变形图3. 获取冲头应力及变形分析数据。单击“Analyses and Design Studies”对话框中的InfoStatus命令，系统会以记事本的形式弹出有限元分析结果。由于本分析主要是研究车斗的应力及变形问题，因此只查看与应力及变形相关的分析数据，如图4-13所示：对数据进行分析：由应力及变形分析数据可知，冲头在X方向有0.000997mm的变形，在Y方向上的变形是0.00075mm的变形，Z方向有0.03mm的变形。相对来说冲头在Z方向的变形较大，但总体来说变形还是在误差允许的范围内。结合冲头的应力图与变形图及分析数据可以看出冲头所受的最大应力值为12.5 Mpa，小于材料的屈服极限235Mpa。应力主要分布在冲头与连杆铰接附近。图4-13 应力及变形分析数据4.4 对连杆和偏心轴进行有限元分析4.4.1 对连杆进行有限元分析由于连杆螺纹孔直径过小，故在其有限元分析时隐藏了该特征。由连杆的分析数据可知连杆与冲头铰接部分周围应力及变形较大，但是都不超过材料的属性范围以及冲床公差范围。在X方向有0.004mm的变形，在Y方向有0.04mm的形变，Z方向变形最大，有0.04mm，连杆所受的最大应力为52.63 Mpa。连杆材料属性如表4-2：表4-2 连杆材料HT200力学性能屈服极限(MPa)弹性模量(GPa)密度(Kgm3)泊松比20014872000.31连杆应力图连杆变形图连杆应力及变形分析数据4.4.2 对偏心轴进行有限元分析利用分析冲头同样的方法分析偏心轴，得出下列图片。对这些数据简单分析知偏心轴直径为40部分变形最为严重，但还是满足要求。偏心轴应力分布图偏心轴变形图偏心轴应力及变形分析数据4.5 本章小结本章主要是利用ProEngineer软件中的ProMechanica模块，对冲床主要部件进行有限元分析计算，分析其在最恶劣工况下的应力及变形情况。并对分析结果进行研究处理。第五章 压力机的安装、润滑、使用、及维修5.1 压力机的安装安装工作的整个过程是将一台或数台机器进行装配、装置到基础上，调整和运转等工作，并使机器在厂房中和机器相互之间有正确的位置。机械设备的安装时冶金工厂基本建设的一个重要环节，它关系到能否正常投产和投产后能否迅速到达设计的要求和产量、品种和质量；关系到基建周期的长短；关系到基建成本的消耗。并且它将影响机械设备的使用年限和大修周期。因此多快好省地搞好机械设备的安装，对整个冶金工厂基本建设来讲是具有重要的意义。压力机由于工作繁重、设备复杂和生产连续，所以必须使生产的工艺过程和辅助工序连续化。这样对安装工作就提出了更高的要求。下面着重讲解下连杆的安装；步骤如下：(1)先将轴套加热（在油中）然后将轴套套在连杆上，冷却后即结合在一起。(2)采用煤气加热法加连杆，然后将轴套安装在连杆上冷却后即结合在一起。5.2 压力机的润滑本压力机的使用环境相当恶劣, 长期处于高冲击的状态 , 其传动装置在强烈的冲击、重载工况下运行，所以采用了储油脂式润滑方式。需要经常定期维护，做好润滑。5.3 压力机的使用防止冲压事故是一个复杂、综合性的工作，应从多方面、多层次给予重视。压力机本质安全和采用安全装置是压力作业安全的基础和前提，使用与管理是安全的保证，包括制定严格的安全操作规程、创造良好的环境和舒适的工作条件，采用辅助安全措施等。否则压力机及其安全装置再好，但得不到正确的使用和维护，甚至遭到人为损坏或拆除，事故仍可能发生。5.3.1 手用工具冲压事故率最高的时段发生在送、取料阶段，而我国目前相当数量的冲压机械还仍然靠手工送、取料。解决这个问题的一个廉价简便的方法就是利用手用工具。手用工具的作用是以工具代手，避免操作者手伸进模口区的危险。手用工具是指在压力机主机以外，为用户安全操作额外提供的手用操作工具。手用工具种类很多，常用的有手用钳、钩、镊、夹、各式吸盘（电磁、真空、永磁）及工艺专用工具等，是安全操作的辅助手段。手用工具的设计和选用要注意以下几点：1符合安全人机工程学要求手用工具的手柄形状要适于操作者的手把持，并能阻止在用力时，手向前握或前移都不能达到不安全位置，避免因使用工具不当而受到伤害。2结构简单、方便使用手用工具的工作部位应与所夹持坯料的形状相符，以利夹持可靠、迅速取送、准确入模。3不得对模具造成损伤手用工具应尽量采用软质材料制作，以防在意外情况下，工具未及时退出模口，而在模具又闭合时，造成压力机过载。4符合手持电动工具的安全要求手持电动工具应采用安全电压，并保证绝缘。需要强调指出，在正常操作时，坚持使用手用工具对降低冲压事故确实能起到一定作用，但手用工具本身并不具备安全装置的基本功能，因而不是安全装置。它只能代替人手伸进危险区，不能防止操作者的手意外伸进危险区。采用手用工具还必须同时使用安全装置。5.3.2 良好的工作环境和操作位置冲压作业单调、重复，容易引起操作者疲劳；噪声和振动使操作意识下降，这也是导致事故的重要原因之一。如果操作者的姿势不正确，会加速疲劳，增加危险性，所以操作位置和姿势，以及周围环境诸因素都应给予充分注意。1操作位置和姿势应符合安全人机学的要求尽量为操作者提供舒适安全的作业条件，以便更有效地发挥人的作用，提高生产率。国外的一些做法可供我国借鉴，如日本搞了冲压作业的标准操作尺寸。不仅在压力机的尺寸设计上考虑了人体参数，而且还设置了肘托板、高度可调的椅子和脚踏板，增加操作的舒适性。2提供良好的生理和心理工作环境工作环境的温度、通风、照明、噪声和振动等均应符合劳动卫生要求。如果达木到要求，应采用措施加以改造。3配备劳动保护用品准操作尺寸在环境治理改造前或改造期间，应配备必要的劳动保护用品，例如耳塞（耳罩）、操作手套等，以加强对人员的保护。5.3.3 压力机安全操作注意事项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启动。第三，操作必须使用工具，严禁用手直接伸进模口取物，手用工具不得放在模具上。第四，在模口区调整工件位置或揭取卡在模内的工件时，脚必须离开脚踏板。第五，多人操作同一台压力机应有统一指挥，信号清晰，待对方作出明确应答，并确认离开危险区再动作。第六，突然停电或操作完毕应关闭电源，并将操纵器恢复到离合器空挡，制动器处在制动状态。第七，对压力机进行检修、调整以及在安装、调整、拆卸模具时，应在机床断开能源（如电、气、液）、机床停止运转的情况下进行，并在滑块下加放垫块可靠支护。机床启动开关处挂牌通告警示。5.3.4 压力机的安全管理压力机的安全管理包括如下内容：第一，企业的安全技术部门和设备主管部门必须参加压力机（包括剪切机）安装、大修后试运转的验收工作，以及在用设备的安全定期检验工作，验收合格后方可使用。第二，对每台设备建立完整的设备档案。档案应包括：制造厂名称、安装单位及检修、改造中所提供的质量证明文件和技术资料，使用中发生设备、人身事故等情况。第三，建立交接班制度、岗位责任制度、维护保养制度、定期检验与检修制度、事故登记与报告制度等，并严格执行。第四，操作者必须年满18周岁并经过企业部门的专门培训，熟悉设备性能和维护保养知识，经安全考试合格后方可凭证上岗操作。第五，对于陈旧失效、发现异常、缺乏安全防护装置的压力机，经技术改造仍达不到安全标准要求的，由主管部门及安全技术部门认真鉴定后，禁止使用。确认无改造价值的应报废，严禁转卖。压力机的安全在技术上已经得到较深入的研究，只要坚持使用安全压力机，并实施对压力机从设计到使用各个环节的安全监管，对使用者的安全培训，冲压事故会得到有效控制。但值得注意的是，近些年经济搞活开放，大量的中、小企业参与生产制造中、小吨位压力机，又得不到有效的监督，致使不合格和缺乏安全装置的压力机流入市场，其中多数流向以缺乏必要培训；的农民职工为生产主力的中、小乡镇企业。使本已经得到控制的冲压事故又出现建国以来的新一轮高峰，压力作业安全还有一段路要走。压力作业关键是使用安全压力机，所以必须从压力机的设计、制造源头控制，特别是制造环节。5.4 压力机的维修压力机的正确使用，应以维修为基础，通过采用技术措施，特别是加强润滑及其管理，以增强机械设备工作的可靠性和延长其使用期限。而对机械设备实行科学的检修的作用是消除机械的故障，使其恢复正常的运行，另外能及时消除机械设备运行中出现的微小缺陷，防止其扩大而造成严重的故障。设备维护的好，非计划检修则可以避免，设备的完好率、运转率就会高，机械设备的潜能就得到充分的发挥。根据压力机的特点及现场使用情况来看，我们可以对其采用定期维修方式。定期对轴套表面进行磨损检查，更换润滑油，当出现较大磨损时，更换轴套即可，同时对其他零部件进行检查维修。第六章 总结本设计主要是针对简易冲床的设计与计算。在简易冲床设计中我绘制有压力机总装配图，还有连杆、立柱以及部分主要零件图。冲床能提高生产效率，保证产品质量，改善工人劳动强度，确保人身安全。本机总体结构简单，紧凑，传动平稳，性能可靠，使用安全，操作方便，便于加工，装拆，调整，维护，制造经济。要是再加上自动送料以及安全保护等方面的内容，将使设计更为全面，使得应用前景更为广阔。最后本文还对冲床主要部件进行有限元分析，给冲床的实用性提供了理论依据。参考文献1 于惠力，向敬忠，张春宜.机械设计.第1版.科学出版社,2007.82 张建民等.机电一体化系统设计.第2版.高等教育出版社,2001.83张耀宸.机械加工工艺设计实用手册.第1版.航天工业出版社,1993.124 徐嘉元.机械加工工艺基础.第1版.机械工业出版社,1990.65 张峰、古乐主编.机械设计课程设计手册.北京高等教育出版社,20106 蒲良贵.机械零件.高等教育出版社.1982年12月第四版7 吴宗译.机械设计实用手册 第二版.北京：化学工业出版社,20088 翁海珊.机械原理与机械设计课程实践教学选题汇编.北京: 高等教育出版社,20089 王连明，宋宝玉.机械设计课程设计.第4版.哈尔滨工出版社,2010.110 机械设计手册编委会.机械设计手册单行本.机械工业出版社,2007.211 ProEngineer Wildfire 3.0 结构、热、运动分析基础与典型范例. 北京:电子工业出版社,2008.312 谢世坤,黄菊花.参数化网格划分方法研究及其系统实现.北京:机械工业出版社,2007.313-31613 Frank Yeaple.Fluid Power design Handbook.Marcel ekker.Inc.1990,54-5814 Peter Rohner.Industraulic Control.Prentice-Hall.Inc.1986,30-36袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节