专用精压机的设计

湖南工业大学

课 程 设 计

资 料 袋

机械工程 学院（系、部） 2012 ~ 2013 学年第 2 学期

课程名称 机械原理课程设计 指导教师 职称 学生姓名 专业班级 学号

题 目 专用精压机的设计 成 绩 起止日期 2013 年 6 月 23 日～ 2013 年 6 月 27 日

目 录 清 单

序号 1 2 3 4 5 6

材 料 名 称 课程设计任务书 课程设计说明书 课程设计图纸 资料数量 1 1 若干 备 注 张 专用精压机的设计

机 械 原 理

设计说明书

专用精压机的设计

起止日期： 2013 年 6 月 23 日 至 2013 年 6 月 27 日

学班学成

生姓名 级 号 绩

指导教师(签字)

机械工程学院 2013 年 6 月 23 日

专用精压机的设计

目 录

0.设计任务书……………………………………………… 2 1. 工作原理和工艺动作分解……………………………… 4 2. 根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图…………… 5 3. 执行机构选型…………………………………………… 6 4. 机械运动方案的选择和评定…………………………… 7 5. 机械传动系统的速比和变速机构……………………… 9 6. 精压机的机构运动简图………………………………… 10 7. 精压机机构的尺度设计………………………………… 11 8. 精压机的三维建模图…………………………………… 12 9. 机构的运动学分析……………………………………… 13 10.参考资料………………………………………………… 16 11.设计总结………………………………………………… 16

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专用精压机的设计

湖南工业大学

课程设计任务书

2012 ～2013 学年第 2 学期

机械工程 学院（系、部） 专业 班级

课程名称： 机械原理课程设计 设计题目： 专用精压机的设计 完成期限：自 2013 年 6 月 23 日至 2013 年 6 月 27 日共 1 周

一、工作原理及工艺动作简介 本机用于某薄壁铝合金制件的精压深冲工艺。如下图所示，上模先已逐渐下降的速度接近胚料，然后以匀速进行拖延成型，随后上模继续下行将成品推出模腔，最后快速返回。上模退出固定不动的下模后，送料机构从侧面将新胚料送至加工位置，从而完成一个工作循环。 上模坯料下模 内 容 及 任 务 一、原始数据及设计要求 1) 冲压执行构件上模的具有快速接近工件、等速下行拉延和快速成型返回的运动特性。 2）制成品生产率约每分钟70件； 3）上模移动总行程为280mm，其拉延行程置于总行程的中部，约100mm； 4）行程速比系数K≥1.3； 5）坯料最大输送距离200mm； 6）上模滑块总重量为40kg，最大生产阻力为5000N，且假定在拉延区内生产阻力均衡； 7）设最大摆动构件线质量为40kg/m,绕质心转动惯量为2kg·㎡/m，质心简化到杆长中点，其它构件质量及转动惯量均忽略不计； 8） 传动装置的等效转动惯量（以曲柄为等效构件）设为30kg.㎡，机器运转不均匀系数[δ] =0.5; 9） 驱动电机规格为 2．8kw，1440r／min。 三、设计任务 任务：对设计题目进行工作原理和工艺动作分解；根据工艺动作和协调要求拟定运动循

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环图；进行执行机构选型；构思该机械运动方案；进行的选择和评定，确定机械运动的总体方案；根据任务书中的技术参数，确定该机械传动系统的速比和变速机构，作出机构运动简图；对相关执行机构的具体尺度进行分析与设计。 要求有设计说明书一份（＞15页），相关图纸1～2张。（有条件的要求用三维动画表述）。 起止日期 进 度 安 排 主 要 参 考 资 料

2013.6.23~2013.6.23 2013.6.24~2013.6.24 2013.6.25~2013.6.25 2013.6.26~2013.6.26 2013.6.27~2013.6.27 工作内容 工作原理分析、工艺动作分析、执行机构选型和拟定 运动规律和运动协调设计、绘制运动循环图 机构尺度设计、运动分析 动力分析、绘制机构运动方案简图 整理设计说明书、设计小结 1、朱理主编，机械原理，高等教育出版社 2、戴娟主编，机械原理课程设计，高等教育出版社 指导教师（签字）： 2013 年 6 月23 日

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1.工作原理和工艺动作分解

根据任务书的要求，该机械的应有的工艺过程是，机构应具有一个模具(圆筒形型腔)和两个执行构件(一个上模，一个送料机构)。两个执行构件的运动形式为：

(1)上模完成往复(铅垂上下)直移运动，上模开始运动，在0至0.5秒内为正行程，在0.5至0.8秒为负行程。在正行程内，上模将快速接近工件，等速拉延完成冲模工作，并将成品推出模腔。在负行程内，上模实现快速返回，等待推杆将坯料送至待加工位置。因为主动轮和凸轮转速一致，所以可以实现在每个加工全程中使上模和推杆的运动相配合，完成加工过程。则冲头位移线图的形状大致如图3.1所示。

图3.1 执行构件上模的大致运动规律

（2）要求推杆从侧面将坯料送至待加工位置。如下图所示，在0秒时推杆将

坯料送至了待加工位置，经过0.4秒推杆到了最原端，又经过了0.4秒，推杆完成 了一个工作周期，又到了加工位置。

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2.根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图

拟定运动循环图的目的是确定各机构执行构件动作的先后顺序、相位，以利于设计、装配和调试。

上冲头加压机构的原动件每转一周完成一个运动循环，所以拟定运动循环图时，以该原动件的转角为横坐标(0~360˚)，以各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，而不必准确地表示出运动规律。

根据要求作出精压机的运动循环图如图3.2所示。由机构运动循环图得知：在上模运动到最高位置时，坯料被输送至待加工位置；上模在进行冲模时，推杆处于静止状态。此机构可以实现专用精压机的工作要求。

图3.2 精压机的运动循环图

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3.执行机构选型

方案设计如下： 方案一：

凸轮—连杠冲压机构 ＋ 摆杆—滑块送料机构

冲压机构由凸轮控制其运动方式，无太大的受力，需要的传动结构简单，通过倒置法能够确定凸轮的大致轮廓。

送料机构是由摆杆滑块机构组成的，按机构运动循环图可确定摇杆工作位置和从动件的运动规律，使其能在规定时间内将工件送至待加工位置。

方案二：

凸轮—连杆冲压送料机构

送料和冲压机构都是由凸轮连杆机构组成。连杆机构可通过对杆长的计算设计，当选择好适当的杆长尺寸后，能实现所需的行程速比以及运动要求。通过铰链点与杆长的适当选择，能使机构具有较小的压力角和较为理想的传动角，使其达到运动功能，满足传动要求。

凸轮轮廓线可根据运动的要求用机构倒置法求出，从而使送料、冲压和上顶同时完成，并也能满足急回与匀速这一运动要求，在完成预定运动的同时，使整个加工效率提高。

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方案三：

摆动导杆冲压机构 + 曲柄-滑块送料机构

冲压机构:参考《机械原理》中的机构,并且经过改进，将其凸轮机构高副低代后得到了由摇杆和滑块组成的摆动导杆机构。

导杆机构的尺寸确定可按给定的行程速度变化系数K设计，上模将具有急回的特性，摇杆滑块机构的组合可按照要求使上模在工作段接近于匀速。 送料机构：摇杆滑块送料机构通过齿轮与上部曲柄轴相连。可调节其在整个运动中的初始位置使推杆在预定时间将胚料送至待加工的位置。如取一定的偏距，则其也具有急回的特性。

4.机械运动方案的选择和评定

在三个方案全部提出后，我进行了对比。各个方案都是有不同的基础机构组成而成，且各个机构均能基本完成设计要求的运动。但是在我们查阅资料后，我们决定采用第三种方案——摆动导杆冲压机构+曲柄—滑块送料机构。

虽然凸轮能够可以无困难地设计出其轮廓曲线，使其满足规定的运动规律，但在制造中，难以实现轮廓线的实现，凸轮与从动件的点或线的高副接触是很易磨损的。而设计要求中机构要每分钟生产约70件，机构的运转速度较大。并且其上模滑块的总质量为40kg，最大生产阻力为5000N，故需要其机构较好的传力性能，而凸轮机构不适用于传力过大的场合。因此我们选取摆动导杆冲压机构+曲柄—滑块送料机构。

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最终设计方案图

考虑到配料被冲压成形之后如果还留有切边，则成品就不能从下模的下部离开，而在第3方案的设计基础上，成品只可由一机构垂直将其顶出上模，然后同时由下一个送来的配料将其横向地推出下模工作台面。 这样就在第3方案的基础上增加了一个”上顶“机构，此机构的运动方向基本和上模相同，上模在回程时呈现出急回的特性，而”上顶”机构为了能迅速的将在下模中的成品顶出，其需要急速向上运动的特性。

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5.机械传动系统的速比和变速机构

总传动比计算：

i总＝n电机n主轴144020.6 （5-1）

70第一级采用带传动，取传动比为4.12，第二级采用圆柱齿轮传动，传动比为5 。

机构运动简图如图5-1所示：

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6.精压机的机构运动简图

最终确定的机构简图，运动简图如图6-1所示：

整个机械结构的工作原理：

如上图的机械运动结构简图：曲柄----滑块结构将坯料推到待加工位置。电动机输入的动力通过大齿轮传动给上下两个小齿轮，下面的齿轮上面焊接了一个曲柄通过齿轮的转动，带动曲柄转动，从而完成送料的过程。大齿轮带动上面的齿轮转动，小齿轮上也焊接了一个曲柄，曲柄通过滑块与摇杆相连接，摇杆带动导杆上下运动，在向下完成冲压的过程中，几乎是接近匀速的向下的时候，冲压坯料，成型后，继续向下将成品推出下模，向上回去的时候，具有急回运动特性。

下模滑块则由原本的最低极限位置向上运动，将精压好的成品向上顶出。推板完成一次送料后再次送料，而此时成品已被下模顶出下一个加工工件恰好将成品推至下工作台。同时将新工件送至预定加工位置。

如此就完成了冲压循环。

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7.精压机机构的尺寸设计

1.上模冲压机构的尺寸设计

因要求K>1.3，取K=1.8，由 K=（180+θ）/(180-θ) 得极位夹角θ=52°； 另要求上模的总行程H=280mm 设α为DE与竖直方向夹角，由前图可得：

2*CD*sin(θ/2)+DE*(1-cosα)=280 且因β极小，上式可变为：

2*CD*sin(θ/2)=280 得 CD=320mm 取曲柄AB=250mm，得知 AC=513mm 2.下模顶出机构尺寸设计：

下模采用与上模相称的设计方案，K值与上移距离均与上模相同，即曲柄

MNAB250mm，机架PMAC570mm； 3.传动系统尺寸设计

整个机构的传动系统是由5个齿轮组成的，2个大齿轮F，L的存在是为了帮助3个小齿轮之间的传动，并让3个主要负责机构运动特性的小齿轮的转速和转向都一致。

为了计算的方便和统一，取3个小齿轮的尺寸相同，分度圆直径为300mm；2个大齿轮的尺寸也相同，分度圆直径为600mm。取模数m=10，则得出小齿轮的齿数z=30，大齿轮的齿数z=60。

为了使推杆有急回特性，使其在回程时不与前进得胚料有碰撞,取其正偏距e=150mm。

机构运动循环图如下：

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由机构运动循环图可知：机构在一个运动周期内，当上模运动在它的正行程时，推杆和上顶机构都在回程中；当上模冲压完成之后，推杆开始将胚料输送至待加工位置，上顶机构也同时将成品顶出下模，实现一个工作周期。

8.压片机的三维建模图

根据上述设计，作出三维模型图8-1所示：

8-1 精压机的三维建模图

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9.机构的运动学分析

1.上模冲压机构的运动学分析

图9 上模位移图

上模由图示位置开始运动，在0至0.587″内为向下冲压的正行程；在0.587″至0.870″为向上的回程。在正行程内，上模将快速接近工件，等速拉延完成冲模工作。在回程内，因其所用时间明显比正行程时少，所以上模具有急回的特性，等待推杆将坯料送至待加工位置。因上模和推杆的传动齿轮的转速相同，即其运动周期相同，这样就可使两者的运动相配合，不断的完成加工的过程。

图10 上模速度图

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正行程时，从0到0.152″内，上模速度由慢到快，实现快速接近工件；之后到0.522″为止其速度接近于等速，同时完成其等速冲压过程。在回程内，上模的速度远大于正行程时的速度，实现快速返回，完成一个行程周期。

图10 上模加速度图

在上模加速度曲线中，上模快速回程的过程中，会出现极大的加速度，将引起的惯性力也很大，对与上模相连的机构造成很大的负荷，极易造成机械疲劳，增大危险系数。所以在实际生产中应用改善机构的材料等方法避免危险的发生。

2、推杆运动学分析

图11 推杆位移图

推杆的位移曲线中，如图所示，在0.261″时推杆已将坯料送至了待加工位

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专用精压机的设计 置，此时上模正好已在正行程中并接近了下模，即将开始冲压。再经过约0.4″推杆到了初始位置，开始推送下一个送来的胚料。

图12 推杆速度图

在速度曲线中，由上图可知，推杆在回程中的速度也远大于正行程时的速度，说明推杆机构的偏距e使其也具有了急回的特性。推杆的急回不仅有利于效率的提高，更可防止推杆在回程时与下一个送来的胚料发生碰撞。

图13 推杆加速度图

由于推杆在回程中速度较大，所以其加速度也大，造成机构惯性力加大，需

与上模机构一起采取相应的措施来避免惯性力对机构寿命的影响。

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3、上顶机构运动学分析

图14 上顶机构与上模机构位移图

由上顶机构与上模的位移比较图可知，其运动位移基本与上模相同，这个特性使其在上模冲压完后回程时，上顶机构开始将成品顶出下模，与推杆的运动相配合可使成品在被顶出下模的同时借由下一个胚料的推力将自身推出下模的工作台，正式完成一次产品的生产。

10.参考资料

［1］ 朱理．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2008：15-200 ［2］ 戴娟．机械原理课程设计指导书［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2009：15-250

11.设计总结

为期近一周的课程设计终于结束了！其实说是近一周，但实际设计的时间却不到一周，主要的时间还是用在收集资料以及选择参考项目上，毕竟如果只凭自己思考设计，不要老师的指导帮助以及参考资料，那么这次的课程设计，我想，一个星期的时间根本不可能把它做得尽善尽美！所以好好预习和提前准备相关资料是很有必要的，毕竟你不能妄想着光是坐在那里就能文思泉涌，或是“一口就能吃成个大胖子”！

回顾这几天的课程设计，感觉每天都过的很充实，也能从中学到许多平时在课堂和课后学不到的东西。

首先，由于理论知识的不足，再加上平时也没什么课程设计的经验，一开始的时候总是感觉很迷茫，不知从何下手。在收集了很多资料和相关的课程设计模板后，越发的感觉颓废。在开始研究学长们或是收集到的课程设计时，便认为这次的课程设计任务之艰巨！很多东西比如说在设计方案的选择中，自己根本就想

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专用精压机的设计 不出来那么多的方案，更别提还得把它计算并设计出来了。是的，虽然我们学习了那么多的理论知识，老师也细心负责地把课程设计该怎样设计的步骤以及思路都告诉我们了，然而，我们却往往很难把理论知识同实际的设计结合起来，并将之运用到实际操作中！所以，我想，这次的课程设计不仅仅是一门设计，或是一项老师布置给我们的作业、任务，更是对我们理论知识是否真正掌握的鉴定，也是对我们动手设计能力的一种培养，更何况，通过这次学习，我们还对学过的制图软件Auto CAD和Pro/E有了较全面的复习和掌握.

另外，虽然在设计的过程中，总是出现了这样或是那样的麻烦和困难，但是在解决它们的过程中我获益匪浅，要知道世上没有什么是绝对完美的，也许这次的课程设计中我出现了些疏忽或是遗漏的地方，但是正是它们让我学会了如何动脑思考分析并解决问题。当然，我也从中发现了自己的不很多足之处，比如在知识理解和接受应用方面的不足，理论的不善用和经验的缺乏，我想以后我会进一步努力，加强自己学以致用的能力。

虽然这次课程设计多多少少有些仓促，我的设计也还有很多不足，但这次的课程设计真的让我学到了很多，不管结果怎样，我都依然坚持：努力过就有收获！最后，谢谢老师对我们机械原理的谆谆教导和认真负责的设计指导！

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