毕业设计（论文）-钢球冷镦试验装置三维建模与结构设计

ⅠⅠ题目钢球冷镦试验装置三维建模与结构设计

摘要ⅡⅡ钢球是轴承的重要组成部分，目前无论是汽车，航空还是制造业对于钢球的需求量都是非常巨大。如何在设计和制造中进行技术创新，走向中、高端化，提高钢球生产技术，保证钢球生产的质量成本和环保方面达到世界先进水平都是目前要面对的问题。本文通过检索大量相关文献，从多个传动方案中选择出运用两组带传动，两组凸轮机构，一组曲柄滑块机构来对冷镦机的传动机构进行优化；同时就机床床身的设计展开研究，最后通过三维建模对所设计的机构进行零件的装配。确保所设计的冷镦机能够降低生产成本，缩短产品的生产周期，保证产品生产的精度，为以后设计冷镦机提供参考。关键词：冷镦机；带传动；曲柄滑块机构；凸轮全套图纸加V信153893706或扣3346389411

ABSTRACT绪论1.1本课题研究意义随着中国工业的不断发展，汽车制造，航空航天，煤炭这些行业需要的钢球数量在迅速增加。有关资料显示，每年我国所需的钢球数量达到2000万亿颗以上。[1]可见，中国的钢球市场有很大的发展空间。钢球是轴承的重要组成部分，它的质量往往决定了我们生产轴承性能如何以及这个轴承能够使用多长时间。不锈钢球通常是在酸性环境下工作的，又对它的耐酸精度有一定的要求，目前我国国内还不能做到大量生产，满足不了工业所需数量，因此需要大量从国外进口，很大程度上阻碍了我国制造业和国防的发展。制造钢球的第一步就是冷镦工艺，其加工的好坏对之后的生产加工产生很大的影响。冷镦成形的球坯的尺寸大小，表面粗糙度对钢球生产所需的时间和成本有着至关重要的影响。如何在生产如此庞大数量的钢球的时候保证所需的人力，物力，时间能够做到最合理化的运用是当前钢球生产厂家多面对的问题，同时也是本课题研究的意义所在。本课题设计的轴承钢球生产过程采用在线监控系统，实现冷镦工序中球坯在成形的时候迅速对其质量实行在线监测，光球设备压力不需要手动控制，全程全自动。致力于解决现阶段钢球生产时，成本控制不严格问题，缓解钢球生产设备因缺少在线监测系统所造成一些不必要的问题，提高的钢球生产的精度质量。关于冷镦成形系统质量在线监测系统，大致来说就是在冷镦设备上增加在线监测设备，保证球坯的加工质量，提高生产效率。其中光球设备压力自动控制系统是在现有设备上增加压力控制装置，达到减少人力以及降低人力控制所造成的误差，从而达到提高产品质量提高生产稳定性的目的。无线网络技术覆盖了整个生产过程，可以通过监测设备查看生产环节。1.2我国钢球生产的现状及发展我国的钢球生产开始于建国初期，随着热处理技术不断改进，光球技术和大循环精加工等新技术的应用以及高速高精度自动冷镦机，高精度磨球机等先进设备的研发使用，我国的钢球生产装备和钢球精度得到飞速的发展。在1980年，我国又从发达国家购买了200多台先进的加工设备，引进了6条不同规格的钢球生产加工线还有一些软件技术。从此我国钢球生产朝着世界先进水平迈向一大步。[15]尽管这样，我国的钢球生产技术相比于世界先进水平还是有着不小的差距，导致这种情况的原因有很多点：首先，钢球生产的原料质量瑕疵比较大，脱碳严重，这也是我国钢球加工加工余量大，材料浪费严重的主要原因之一。同等质量的材料，国外的产量比我国高出30%左右。[16]其次，先进的生产技术并未在我国普及，一些中小企业生产技术落后，显得国内钢球生产技术参差不齐，两极化比较严重。第三，我国的钢球生产装备各式各样，没有一个统一的标准，很难形成一个比较完整的加工生产线。[5]针对以上情况，在十二五的时候我国制定了一系列方针来促进钢球生产发展。以后的钢球生产制造将向一下目标发展：首先稳定生产G5、G3级精密钢球；其次少工艺，生产时间减少，效率高，质量好方向发展；第三形成以工序为基础的机群生产向以规格为单位的连线发展；第四专业化、批量化；第五采用小颗粒树脂砂轮代替初研；第六涡流探伤机研制；第七钢球洗机的研制；第八在线测量和数控技术研制。[6]目前，世界先进钢球生产技术主要掌握在瑞士、美国、日本等国手中，他们的冷镦机生产的钢球无论是质量，还是精度都是世界领先水平。美国国民机器公司（NationMachineryCompany）作为目前世界第一大国，美国的科技发展时间要比中国长久不少，美国工业机器相比于中国也要先进不少。这家公司可以说是世界上冷成形设备设计、开发、制造方面的领头者。PumaFX是这家公司最新研发的冷镦设备，拥有着先进的机加工、检测、装配和测试设备。该型号设备主要制造大批量标准紧固件和汽车紧固件，能够提高生产效率减少生产成本。PumaFX机型相比于其他机型，在生产速度上是其他机型的2倍，加工精度是3倍，最重要的是使用寿命是4倍，可以说是目前最好的冷镦机器。[17]图SEQ图\*ARABIC1.1PumaFX冷镦机国内而言，目前处于国内钢球冷镦行业的领头者是齐齐哈尔第二机床，开发的BP型冷镦机，综合性能在国际上只能处于中等水平。对于冷镦机的研究国内一些专家也做出了一系列的方案。比如，刘纲[29]在自动冷镦机结构的优化中针对冷镦机床出现偏振问题提出了一些改进方法：运用压缩空气的方法实现冷镦机的接通与断开，当发生超载是，离合器会自动脱落，保证设计的完好性，降低冷镦机运行发生故障概率，减少冷镦机占用的空间，提高主轴传动系统质量。除此之外，在航天航空使用的钛合金紧固件，因为工作环境恶劣，所需的零件，一般冷镦机无法制造，关于这一问题刘志家[28]在Z12—8A冷镦机的加热改造中提出了解决方法。首先在在冷镦机床的进料管中增加陶瓷管来承受高温，然后在陶瓷管的外面缠绕螺旋铜管，最后将感应加热设备的启停加入主机停送料选择按钮中。通过这几种方法，很好的解决了钛合金紧固件的生产问题。在钢球的冷镦过程中，如何准确的测量出钢球的性能和质量，Ying-junLi,Gui-congWang,Huan-yongCui,Shu-kunCao,Xiang-yuWang[25]在DynamiccharacteristicsandoptimizationresearchonPVDFpiezoelectricfilmforcesensorforsteelballcoldheadingmachine一文中提出采用机理分析、数学建模、数值模拟和试验论证相结合的方法研究了用于冷镦钢球质量监测的pvdf薄膜力传感器的动态特性和优化。其动机和战略目标是突破钢球锻造过程中动态时变冲击载荷测量的基本技术。介绍了压电薄膜力传感器的结构。利用matlab软件，推导并计算了固有频率的理论公式。该有限元分析用于分析动力学模型的力学性能和优化结构。为了研究该方法的有效性，制作了传感器样机。设计了静态和动态标定装置，实现了pvdf压电薄膜力传感器的标定实验。给出了实验值、模拟值和理论值之间的差异。传感器的非线性误差为0.197%。传感器的第一固有频率是5238赫兹。实践证明，pvdf压电薄膜力传感器具有良好的动态性能和较高的测量精度。为实现高性能钢球的生产提供了重要的科学技术依据。[7]以上四张图皆为国内冷镦机图：第二章传动方案的比较本实验装置的传动装置由两组带传动、曲柄滑块传动、两组凸轮机构组合而成。2.1带传动带传动就是两个或者两个以上带轮之间用带作为拉动零件的一种传动方式，带传动工作的原理就是借助零件之间摩擦力或者是啮合来传递运动或者传输动力。根据带的截面的不同可以分成平带轮传动、V带传动还有同步带传动以及多锲带传动。带传动具有以下的优点：(1)其他零件产生的载荷冲击可以通过带传动缓慢减小；(2)带传动相比于其他传动振幅小，而且传动时产生的声音比较小；(3)带传动安装起来比较方便只要连接两个带轮即可，安装精度要求不高而且制动起来也比较简单；(4)当承载的重量超标时会产生打滑现象，避免损坏其他零件；(5)可以根据传动距离长短增加带的长度，最大可以达到15m。当然带传动也会存在一些缺点：(1)因为打滑还有弹性滑动的存在，传动的效率与其他传动相比比较低，传动比也会随之发生变化需要同步带轮来确保；(2)传递同样的圆周力，所承受的压力要比啮合传动大上不少；(3)带使用的时间比较短[18]。由于本实验装置电机与大带轮的传动要求并不高，所以采用带传动可以说比较合理，700KW的传动速率足够满足带传动所需的功率。在电机上安装小带轮，V带把从小带轮传动的动力传动到大带轮进行降速，大带轮安装在曲轴上，大带轮带动着曲轴的转动。还有一组同步带轮传动时由小同步带轮、大同步带轮、同步带、挡板、还有紧定螺钉组成。[6]轮缘、轮毂、腹板是组成带轮的三个部件，一般当带速小于30米每秒时，带轮的材料一般选用HT200，当速度过高时，我们通常采用钢来制作带轮。大带轮通常采取轮辐截面为椭圆形，长轴与回转面重合的结构。如果带轮的表面粗糙度过大，带的使用时间会大大缩短。带轮工作的时候主要受力区是轮缘，每个轮辐所承受的载荷也不一样，所以我们一般认为只有Za/3的轮辐进行传递转矩。悬臂梁的弯曲计算公式为:（2-1）带传动的主要参数有：中心距a；带长L；带轮直径D1，D2；包角α1。关系如下;（2-2）改善带传动工作能力的方法：（1）适当的增加带的摩擦系数选择摩擦系数比较高的材料，其中摩擦系数与带和带轮材料，带传动的速度和滑动率有关。在结构设计方面可以利用楔形增压原理采用V带传动，其当量摩擦系数，比平带轮传动高70%。（2）增大α1包角越大，有效拉力越大从而能够提高传动工作的能力。小的传动比，大的中心距，紧张装置都可以增加哦传动能力；（3）尽量在最佳速度下工作传递功率最大时最佳速度为0.58Vlim；（4）采用高强度带材料可以采用钢丝绳、涤纶等混合纤维作为带的承载层。[11]2.2曲柄滑块机构曲柄滑块机构是指由曲柄和滑块组成一个实现转动和移动的传动结构。其中滑块指的是与机架相连用于移动的部件，通过连杆与曲柄相连。生活中常见的带有曲柄滑块的机构有在活塞式发动机的主机构、压缩机、冲床等中，往复运动可转化为旋转运动，压缩机、冲床以曲柄为活动部件，将全旋转转化为往复运动。偏置式曲柄滑块机构的滑块具有快速返回的特点，用来实现锯片的慢速前进和快速返回的目的。利用滑块的曲柄角度和滑块的滑动轨迹以及滑块作为曲柄的运动特性。曲柄滑块偏置曲柄滑块机构的滑块具有\t"/item/%E6%9B%B2%E6%9F%84%E6%BB%91%E5%9D%97%E6%9C%BA%E6%9E%84/_blank"急回特性，\t"/item/%E6%9B%B2%E6%9F%84%E6%BB%91%E5%9D%97%E6%9C%BA%E6%9E%84/_blank"锯床就是利用这一特性来达到锯条的慢进和空程急回的目的。[19]由曲柄转角和滑块滑动的轨迹以及看做是曲柄滑块的运动特性。述曲柄滑块组构将回转运动变为直线往复运动，对心曲柄滑块机构能够减少设计过程中的任务量，又可以获得更大的冷镦力；所述滑块组与直线导轨连接，使得滑块组更好的进行往复运动。曲柄滑块具有以下几点优点：（1）曲柄滑块机构是通过面与面接触，这样接触面积广，每个接触点所承受的压力相比之下小，承受的压强小，可以大范围的涂抹润滑油，从而减少传动过程中的摩擦，从而增加机构使用的寿命；传递的动力也会有很大增加；（2）加工曲柄滑块的过程比较简单，所花费的人力物力小，能够实现准确传动；

（3）可以在曲柄与滑块之间增加连接杆，传动距离不够时，可以通过增加杆长来增加传动的距离;

（4）可以通过增加多个连接杆来进行不同形式的传动。[20]

当然曲柄滑块机构也存在以下几个缺点:

（1）因为曲柄滑块是通过面接触低副，所以中间存在着空隙，这样不能很好的传动;

（2）连接杆不能完成一些复杂的传动形式。曲柄滑块根据其结构特点可以分为3大类：对心曲柄滑块、偏置曲柄滑块、偏心轮机构。当曲柄长度很小的时候，我们通常把它做成偏心轮，这样做的目的是增加轴颈的尺寸从而能够增加偏心轴的强度和刚度。位于轴颈中间的连杆能够让整个机构看起比较简单。[12]通常偏心轮机构出现在运动比较复杂非线性传动等时候，目的是让传动变得更加稳定，传动平衡性好。在滑块进行往复运动的过程是匀速运动的，可以做急回性运动，能够很好的提高生产质量和生产效率。但是，简单的对心曲柄滑块机构并不能实现匀速运动和急转运动。曲柄滑块动力学特性：曲柄滑块所受的力是经过曲柄传到连杆上，同时滑块也对其产生一个压力，两者之前关系如下：P1cosθ=P2；曲柄颈处，沿着半径方向的力P3和P4的关系是：P3=P4cos(θ+φ)。曲柄滑块机构在做往复运动和转动的时候质心加速度和角加速度会产生呈现周期性变化的振动力和力矩，从而造成噪声污染，加快结构损坏程度，降低运动的精确度。关于这些问题可以从以下几个方面去避免：（1）在构件上附加平衡重，使总质心保持不变，从而使振动力保持平衡。（2）在机构上附加其他机构保持平衡[8]。2.3凸轮机构圆柱凸轮通过深沟球轴承安装在机身上，小同步带轮带动圆柱凸轮，通过套筒和轴肩对深沟球轴承进行定位。圆柱凸轮的转动转化为滚子的往复直线运动，滚子带动推杆进行往复直线运动。伺服电机通过联轴器连接减速器，带动减速器的输出轴转动，平面凸轮安装在减速器输出轴上，减速器输出轴带动平面凸轮转动，弹簧压盘与焊接六角螺母焊接在一起，顶料杆中间有螺纹，通过螺纹连接将焊接件与顶料杆相固定，平面凸轮转动带动顶料杆往外运动，在弹簧的作用下顶料杆回复原位，形成往复直线运动。[21]凸轮机构可以说是实现从动件按照预先设定规律变化最简单的机构，一般来说凸轮机构主要包括凸轮、从动件、机架三个部件。凸轮机构有以下几个优点：只要凸轮的外形适当，就可以让从动件按照想法去运动。凸轮机构机构比较简单、设计起来比较方便、部件之间紧凑。凸轮机构的缺点也很明显：凸轮与从动件之间是通过点或线接触实现传动，这个传动方式对于凸轮来说会造成破坏，当传动力过大，凸轮机构可能会崩坏凸轮是不规则的几何形状，所以凸轮加工相比于其他的比较困难凸轮传动一办来说传动距离比较短，只有短的传动才不会增加凸轮的变形。[13]本装置采用圆柱凸轮来传动，当凹槽里的滚子跟随从动件做圆弧运动时候，滚子会插入凸轮槽中，插入的深度也是不一样的。方法如下：减小从动件的最大摆角；让从动件中间位置与凸轮轴线交错垂直；取从动件摆动轴线与凸轮轴线之间的距离为。本章小结：本章通过对不同传动形式的对比，根据其优缺点，选取了两组带传动，两组凸轮机构，一组曲柄滑块机构构成冷镦机的传动系统。尽可能的做到传动速率快，传动平稳，简单的目的。第三章冷镦工艺研究和冷镦机结构设计3.1设计任务3.1.1工作原理及工艺过程：采用冷镦的方法将钢球镦出，可以很大程度上减少加工时间并且可以大大节约生产所需的材料，避免造成一些不必要的浪费，节约资源。冷镦钢球主要完成以下任务：自动持续送料截取材料并且运送材料预镦和终镦将材料顶送到模具上3.1.2主要的技术参数：产量：250—300粒每分钟材料直径：5-10毫米冷镦次数的决定：在进行冷镦的过程中，由于金属具有硬化的性质，抵抗变形能力也随着增大。超过金属本身承载能力是，零件会呈现出碎裂现象，零件尺寸不同，材料不同，选择允许变形的范围也不同。[22]一般冷镦变形程度常用下式表示:（3-1）式中ε为冷镦变形程度H0为镦粗前毛坯原始高度H1为镦粗后零件高度几种常见的金属材料在冷镦时表面出现裂纹时的最大许用变形程度如下：表SEQ表\*ARABIC1几种常见材料许用变形程度`材料ε1080%3573%40Cr74%30CrMo55%65Mn50%铝>95%铜>95%3.1.3冷镦压力的计算：影响着冷镦压力大小的几个因素为：材料的尺寸，强度，刚度，冷镦加工方式，是否使用润滑油等。想要准确的计算出冷镦力，首先要选择合理吨位的设备，选择合理的模具。控制镦压力大小可以从镦压次数，镦压程度，改变模具形状，降低每次镦压产生的压力。[23]冷镦过程的冷镦力的理论公式计算十分复杂，因此用得不广，工程上通常由下面的较为方便且有相当准确性的经验公式法求得:（3-2）式中P—冷镦力H—冷镦头部高度D—冷镦头部直径F—头部工具接触投影面积[4]图3.1计算冷镦力的系数值冷镦力P=405KN冷镦力的精确计算为后面冷镦机结构设计与选型奠定了基础，它将直接关系到主电机的选型以及其他相关零件的设计。[3]3.1.4结构特点：由两组带传动、曲柄滑块机构，两组凸轮机构组合而成，从而实现钢球的冷镦、送料、顶料等工艺过程。进料:进料调整盘是用来实现自动送料的关键所在，其安装位置是在大皮带轮上。齿轮推动座是由进料拉杆带动的，棘爪带动棘轮之后齿轮还有线轮开始运动。进料调整盘是用来控制进料距离的。如果需要人工进料的话只需要将前坐上的压紧弹簧的螺栓松开，也可将棘爪顶起。剪料:主轴带动滑台做往复运动，同时还带动曲轴偏心轮相连的切料连杆，从而带动切料凸轮水平运动，推动剪切刀具前后运动实现剪料动作。送料:圆柱凸轮组根据运动曲线设计，与平面凸轮相比，曲面设计上有些困难，圆柱凸轮的曲面受角度的限制，为同时满足滑块组到来前将棒料送到冷镦模凹模和推杆在滑块到达前安全退出的条件，要求圆柱凸轮的转速高于曲轴的转速，设计出了圆柱凸轮的曲面。采用恒定传动比i的同步带进行传动，同步带优点是传动距离较远，避免了圆柱凸轮组与曲轴过于紧凑，滚子与推杆的往返运动实现了间歇送料。冷镦:小带轮安装在电机上，通过v带传动到大皮带轮进行减速，大皮带轮安装在曲轴上，大皮带轮驱动曲轴旋转，曲轴通过滑动轴承固定在机身上，大皮带轮和大同步皮带轮通过套筒定位，通过套筒和轴肩对滑动轴承进行定位，曲轴端部安装磁粉制动器，上轴瓦与滑块组通过六角头螺栓进行连接，从而完成冷镦功能。顶料:中轴在实现送料的同时，通过偏心轮来带动顶料连杆机构推动床身上的顶料机构，从而实现将半成品从动模顶出的动作。3.1.5操作方法开机时首先要启动油泵电机，启动后可以使润滑油润滑每一个部件，过载保护可以确保电机能够安全运行。之后启动主电机，等到机器正常运行后圆柱凸轮转动转化为滚子往复直线运动，完成送料。关机时，第一步就是停止凸轮转动，停止进料。3.2冷镦机结构设计3.2.1床身的设计在床身上安装着各种各样的运动零件传动零件，它在整个机器中主要起支撑各种传动零件的作用，例如齿轮、轴承、轴等，保证他们能够正常运动以及确保运动的精度。同时床身还可存储一定数量的润滑油，确保每个零件都能够润滑。设计床身首先要考虑的问题就是床身上每个零件的位置布局，以及如何安装在床身上，主要确定床身的形状还有尺寸大小。除此之外还应该考虑下面几个问题：床身所要承受的压力，以及床身的强度和刚度时候能够达到要求。满足强度大小要根据工作时候所要承受的最大载荷验算静强度，是否超出床身的疲劳极限。床身的刚度分为静刚度和动刚度，所谓的静刚度就是床身在静载荷下抵抗变形的能力，动刚度是考验床身抗振能力的大小。[24]床身热量传递能力以及在工作时产生的热变形问题。机器工作过程中通过与不同零件之间以及切削材料会产生很多热量，这会导致润滑油的粘度发生变化，使其润滑能力大大降低，热量的不断传递使床身温度不断升高产生热变形，床身每个地方发生的热变形程度不同，这会影响加工精度还有床身的使用寿命。结构设计是否存在问题。比如支撑点的选择，筋的布置，以及开孔的位置还有如何连接每个零件等能够大大提高床身的强度和刚度。工艺性好。包括毛坯制作，机加工以及热处理，装配调整，安装固定，吊装运输，维护修理等各个方面的工艺性。结合以上几点，考虑到冷镦机在工作的过程中需要高强度，高刚度以及抗震能力好的材料来承受冲击压力，因此采用综合表现能力较好的QT500-7材料。[25]3.2.2主传动部件设计主传动部件主要构成有曲轴，中轴，传动轴还有其他附件组成。冷镦机在工作时候，给予主轴一个动力使其带动曲柄滑块形成镦压动作，除此之外也带动其他运动机构做运动，由此可见曲轴质量的好坏对冷镦机生产的成功率有着很大的影响。在设计冷镦机主曲轴的时候，应该综合各个方面考虑。如何做到性价比最高，功能性最好。影响这些问题的主要因素有以下几点：强度、刚度、模态、疲劳特性、精度、热变形等。主曲轴的结构主要是中间粗两头细，这样可以适应主轴各个部位所带来载荷的大小，能够满足刚度要求，并且为其他零件安装提供足够位置，方便加工和安装。其他传动轴的结构也大致如此。[27]3.2.3电机选择电机是本文机器的动力来源，电机的如何选择也是整体设计中重要的一个部分。在电机的选择时要考虑以下几个问题：机器在生产过程中产生的载荷大小，对于电机性能要求程度多高。对于无调速要求的机械通常采用普通笼型电动机，应用最为广泛的电机，其他的还有同步电动机如大型风机、压缩机；绕线型电机。如果需要电机才传动时能够调速，就需要多速笼型电机，直流电机或变频调速电机。电动机功率也是选择时要考虑的重要原因。电动机的功率决定这这个机器负载转矩的大小，传动速度变化情况，还有多次启动之后电机温度增长幅度。电机运行功率在额定范围内，升温幅度不会超额。[8]常见电机温度升高限定如下：表2电机绝缘等级温升限制绝缘等级AEBFH温度限制607580105125常用电动机类型YSYEJ、YR、YD、YHYZ、YZR、YTSP、YTSZ、YB、Z4YZ、YZR、YTSP、YTSZ电动机功率选择步骤：首先计算出机器载荷大小选用的电机的额定功率大于机器传动所需总功率校验电机的发热、过负载能力和启动能力常用的电机规定防护等级：Y型电机；YD型电机;YR型电机；YZ型电机；YZR型电机；YEJ型电机户外型、防腐型电机：卧式为IP55、立式为IP54。根据机器所使用的转速，选择性价比比较高的电机尽量选择体积小，质量小的电机。如果速比太大，连接电机的传动部件的体积却在增大，转动件设计成本也会增加。所以选择电机要考虑到传动部件。对于连续工作，启动次数少，制动次数也比较小的机器，这是首先要考虑的问题就是占地面积，设备维护这方面的技术成本从而确定电机的转速如果电机启动次数频繁，制动多，就要根据最少的过渡时间，消耗能量最小等资源方面来考虑电机转速对于工作转速要求比较高的机械，可以选择电机直径与机械相连。本文选择Y行三相异步电机：电机所需的工作功率为5KW,电机转速为720r/min最终采用电机型号为J02-51-4。主要性能为：额定功率：7.5KW,满载转速1500r/min3.2.4轴承设计轴承是冷镦机的重要组成部分，轴承的主要功能就是承载回转运动的零件，以及回转运动的零件通过轴承把动力传递给其他零件，一个机器没有轴承，这个机器就不能实现会转运的。轴承的分类有：转轴、心轴、传动轴。其分类的依据就是轴承承受载荷能力不同。心轴有可细分为转动心轴和定心轴。直轴分为光轴和阶梯轴。光轴的外形比较简单，很容易加工出来，但是安装在光轴上的部件装配起来比较复杂，定位模糊；阶梯轴，虽然外形上比较复杂，但是装配和定位比较简单。制作轴承的材料一般为合金钢和碳钢。两者有各自的优缺点。碳钢优点是价格低，所能承受的载荷低，可以通过热处理加工方法提高强度，刚度，耐磨性，疲劳强度。目前工业上大多都采用45号钢作为零件的主要原材料。合金钢的优点是多种合金构成，化学性质比较好，耐高温，可传动的动力大，耐磨性高。对于那些精度要求比较高，工作环境比较恶劣的传动零件通常采用合金钢。[9]轴的设计主要从轴在机器上安装位置，轴与其他零件连接方式，轴的尺寸大小，数目，承受载荷大小，加工工艺几个方面去思考。首先对轴承进行轴向和周向定位，对轴承进行固定，保证工作时不会发生位移，保证加工精度。轴向定位方法包括轴肩、套筒、轴端扣环、轴承端盖和螺母。圆周定位零件有:键、花键、销、定位螺钉和过盈配合等。轴的表面粗糙度也对轴的性能产生很大影响，轴的疲劳强度随着轴的表面粗糙度增加而降低。降低表面粗糙度的方法有：高频淬火、表面渗碳、氮化热处理。轴承加工完成后要对表面进行去毛刺，倒45°角，留有砂轮越程槽以及退刀槽。[10]考虑到轴承的性价比以及冷镦机工作时所受的载荷分布情况采用结构简单的深沟球轴承；深沟球轴承可承受径向和轴向的载荷，高速运动的装置中，深沟球轴承可以看做推力轴承，摩擦系数小，但极限转速很高。最终选择6314深沟球轴承。轴承寿命计基本额定寿命：h（3-3）查表可知：Fa/Cor=0.037，e=0.236,Fa/Fr>e;X=0.56,Y=1.88;P=fd(XFr+YFa)=8866N,C=105000ε=3,L10=1661h本章小结：本章根据金属成形规律，分析了冷镦工艺的机理，确定了本项目所要设计的冷镦机工位数和所需冷镦力，通过分析冷镦机的工作原理，确定了本机的机械总体结构，重点描述了对冷镦机床身部件、主传动部件等关键部件设计。第四章冷镦机床静强度分析和传动计算4.1静强度分析1）机床床身主要承受两个方向的载荷，机床床身主要承受两个方向的载荷，一个是工作台上的方向向右为p，另一个是轴承支承孔，的方向为f。两者大小相等，方向相反。两者大小相等，方向相反。载荷具体分布如下：工作台上的载荷

工作台上的载荷按均布载荷处理，其大小P为:

P=Fmax/A（4-1）

其中:Fmax作用于工作台的最大压力，由曲柄滑台机构动力学分析可知F=431.8KNA床身的承载面积，A=0.0355m2故P=12.16MPa,方向向右。

2)轴承支撑孔受到的载荷

当冷镦机在受到公称压力的作用下,曲轴受到水平向右的431.8KN的反作用力，通过传递作用而作用在前后两个支撑孔上。其中Ft=431.8*206/(218+206)=209.8KNF2=431.8*218/(218+206)=222KN式中Ft-曲轴前支撑孔对曲轴反作用力F2-曲轴后支撑孔对曲轴反作用力F(a)=Fm*cosα（4-2）Fm1=1/3F1,Fm2=1/3F2,，在A,B,C,D,E处分别沿着径向等分为3个节点，每个曲轴支撑孔有15个受力节点，其中径向3个节点受力相同。[14]4.2传动计算4.2.1带传动尺寸参数计算（1）带轮1：d1=75mm，传动比为2:1，d2=150mm，D1转动90°，D2转动45°，带轮中心距a=591mm(2)带轮2：r1=262mm,传动比1:2.5，d2=107mm,带轮中心距a=1519mm4.2.2凸轮尺寸计算凸轮的基圆直径为80mm，推程为20mm,90°时，刀具是静止不动的，随后凸轮旋转180°，刀具开始向下移动，所需的毛坯长度为48mm,夹紧机构半径为80mm,l螺杆深入夹紧机构长度为28mm,刀具距离夹紧机构中心距为120mm。4.2.3曲柄滑块计算滑块行程速度变化系数K=1.5，滑块的冲程=50mm,偏距=20mm,极位夹角θ=180*（K-1）/(K+1)=36°，曲柄长为21.5mm，连杆长度为46.5mm.小结：床身在收到许用最大成形力作用下的工况下。床身受到的应力及变形在允许范围之内，并且有充足的优化余量。冷镦机三维造型本次设计采用SolidWorks进行三维造型，SolidWorks软件可以说是世界上第一个三维设计软件，软件的功能比较齐全，能够针对不同的二维图纸提高不同的设计方案，可以减少设计过程中存在的一些错误，操作起来比较简单。SolidWorks软件分为零件图，装配图，以及工程图三个界面。其中零件图是设计一个机器中每一个部件使用的，装配图可以把设计好的零件图通过配合装配成一个完整的机器，工程图是用来到处机器的二维图纸的。SolidWorks的设计是通过设计一个草图，然后通过拉伸旋转薄壁抽壳阵列等特征实现实体建模。以下便是通过SolidWorks的零件图和装配图对冷镦机进行三维建模。图5.1冷镦机三维装配图冷镦机由电动机、机身、一组V带轮组、曲柄滑块组、制动器、一组同步带轮组、圆柱凸轮组、平面凸轮组。所述v带轮组由带轮、V带、圆头普通平键、压板和螺钉组成；所述曲柄连杆组由曲轴、滑动轴承、上轴瓦、连杆、调节螺杆、法兰盘、滑块体、导轨、螺栓、螺母组成；所述同步带轮组由带轮、同步带、螺母、压板和螺钉组成；所述圆柱凸轮组由圆柱凸轮、滚子、推杆和深沟球轴承组成；所述动力装置固定在机身后端，由伺服电机驱动，进行输出动力。圆柱凸轮通过深沟球轴承安装在机身上，两端用套筒及轴肩进行定位；所述顶料杆前端比后端细，中间部分攻有螺纹，以便于安装六角头螺母，目的是固定弹簧。本章主要介绍一些主要零件的三维造型。5.1床身图5.2床身床身是装配的底架，主要由拉伸和切除特征绘制。图5.3床身草图首先绘制一个草图，然后把草图进行拉伸700mm,得到基本构架，然后绘制最前面的小凸台体草图，通过拉伸进行造型，之后就是进行6次拉伸切除得到床架，最后进行边的倒角图5.4倒角图5.5床身设计步骤5.2曲轴设计图5.6曲轴设计步骤曲轴的设计中运用了6次拉伸，1次切除，5次倒角绘制。图5.7曲轴草图将草图拉伸30mm,之后分别绘制草图拉伸180mm,30mm60mm，140mm,110mm图5.7第二次拉伸图5.8倒角图5.9拉伸切除5.3连杆设计图5.10连杆设计步骤连杆的设计主要包括拉伸与拉伸切除特征的运用。图5.11基准面创建这个基准面的创建主要是因为第一步的拉伸是一个圆柱曲面，对于接下来的设计来说没法直接在曲面上直接进行草图绘制，这时候就需要借助基准面来帮助我们绘制接下来的草图。图5.12基准面的创建参数连杆的设计中进行了4次拉伸，7次拉伸切除，5次倒角。南通大学毕业设计第六章总结与展望冷镦机的结构出于其需要工作平稳、精度高、生产速率高以及易于实现自动化的工艺特点，其传动部件是通过曲柄滑块机构、凸轮机构、带轮传动进行传动的，某种程度上它的运动性能关系到整个机器的动作实现，也影响到冷镦产品的性能和质量，对其优化显得至关重要。冷镦机床身上安装着各类零件，是保证运动部件精度以及可靠性的关键部件，因此对冷镦机床身进行强度和刚度的校核也是非常重要的，此外，冷镦机床身是本台机器质量和体积最大的部件，我们在设计时候多数采用类比设计法将原有产品结构尺寸照搬过来或者进行简单的按比例放大。这样虽然不会造成刚度或强度的不足，但大多存在结构尺寸富余。因此，怎样在性能与成本控制的矛盾中找到最优设计，也是我们要思考的问题。曲柄滑块机构是把传动机构动力以不同形式传递的重要零件，而其中曲轴又是曲柄滑块机构的核心部件，不仅受周期变化的镦粗压力和惯性力的影响，而且受轴系扭转力的影响。除了对曲轴进行强度和刚度的校核外，还要对曲轴进行疲劳寿命分析来确定曲轴的尺寸形状。还有重要一点就是由于冷镦机生产速率不断提高，设计时候所产生的公差对冷镦机整体性能也会产生重要的影响，如果公差要求过高，虽然性能也会随着提高，但是生产机器的成本也会增加，因此如何满足冷镦机工作性能要求的基础上，使冷镦机关键部位间的公差配合达到最合理也是以后研究的重点方向。参考文献[1]奚蒙,吕宗乐.介绍一种新型钢球冷镦机[J].机械工程师,2001(03):23-24.[2]杨晓慧,刘秀莲,张艳萍.钢球加工工艺的改进[J].轴承,2003(12):22-23.[3]甘建蓉.电动机的选择要素及常见故障分析[J].机电工程技术,2011,40(08):151-153+205.[4]杨煜.国内外冷挤压技术发展综述[J].锻压机械,2001(01):3-5+1.[5]肖志玲.多工位高速冷镦成形机理及其设备结构优化研究[D].机械科学研究总院,2015.[6]钟伟弘,徐燕申,林汉元.基于有限元分析的模具加工中心床身结构优化设计[J].组合机床与自动化加工技术,2009(03):21-24.[7]侯镇冰,诸乃雄,高卫民.高精度机床主轴系统的研究与制造[J].机床,1991(03):26-28.[8]徐立华,吴铮.可视化方法在机械优化设计中的应用[J].南方农机,2019,50(23):46.[9]许莎,吴小勇.基于DOE的锻造企业过程质量分析[J].装备制造技术,2010(09):4-6.

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