1、安 阳 工 学 院机 械 原 理 课 程 设 计课程名称： 机械原理课程设计 设计题目： 螺钉头冷镦设计 院 系： 机械工程系 学生姓名： 学 号： 专业班级： 08 机械设计制造及其自动化（1）班 指导教师： 日 期 ： 2010 年 6 月 9 日安 阳 工 学 院- 1 -目 录 一 工作原理与功能分析二. 机构选用三. 原始数据及设计要求四. 设计方案 五. 机构运动循环图六. 传动机构七 结果与结论八 参考文献.安 阳 工 学 院- 2 -一工作原理与功能分析（1） 自动间歇送料：胚料被自动定时送入模具，执行构件做直线间歇运动。（2） 截料并运料：进料之后切断机构将棒料切断并送至敦料
2、工位执行构件做直线间歇等速运动及间歇急回运动。（3） 预墩及终墩：将胚料墩出螺钉，从摸中推出，执行件做直线急回运动。（4） 顶料：由起模将螺钉从模中推出，执行件做直线间歇运动。二机构选用 利用设计目录并根据技术要求确定执行机构送料 轮槽式间歇机构 直线间歇截料并运料 曲柄滑块机构 直线间歇 急回运动预墩及终墩 四杆杆机构 往复急回顶料 平面六杆机构 往复间歇 急回运动加紧结构 凸轮机构三.原始数据及设计要求（1） 每分钟冷镦螺钉头 120 只；（2）螺钉头的直径 ，长度 ； 24Dm:632Lm:（3） 毛胚料最大长度 ，最小长度 ；81（4） 冷镦行程 56mm。四设计方案1.实现间歇送料方
3、案一 不完全齿轮 用一个完全齿轮和一个不完全齿轮,完全齿轮在电动机的驱动下匀速转动,当不完全齿轮的轮齿与完全齿轮啮合时,不完全齿轮带动履带轮转动,进行送料,转动过的弧长,即为送料长度.当不完全齿轮不进行啮合时,毛坯料不动,可在这段时间内进行剪切和冷镦.优点：安 阳 工 学 院- 3 -不完全齿轮机构的结构简单,制造容易,工作可靠,而且设计时从动轮的运动时间和静止时间的比例可在较大范围内变化.方案二 槽轮机构 槽轮机构与不完全齿轮的原理一样,是通过用主动轮的圆销带动槽轮转动,当圆销离开径向槽时,槽轮又静止不动.直至圆销再次进入另一个径向槽时,又重复上述运动.槽轮机构要控制槽轮的运动时间和静止时间
4、,是根据槽轮上的槽数来定的.在外槽轮机构中,当主动拨盘回转一周时,槽轮的运动时间 td 与主动拨盘一周的总时间之比,为槽轮机构的运动系数,用 k 表示,且 k=td/t=1/2-1/Z,这里的 z 就是槽轮上的槽数. 优点：槽轮机构的结构简单,工作可靠,刚性冲击较小,但与不完全齿轮比较起来,槽轮机构运动时间和静止时间的比例可调范围没有不完全齿轮那么大. 方案三 棘轮机构 原理及优点 :棘轮机构的主动件为摇杆,这里想到要用棘轮机构,也正是因为它用到摇杆,那么会有曲柄连杆去带动它,而后面的剪切和夹紧机构可以共用一个曲柄,使整体机构简单化,而且加工方便.最终方案：方案二 1 槽轮机构 选择理由:这三
5、种方案中,不完全齿轮和槽轮是同样的原理,而且结构简单,制造容易,但不完全齿轮有较大冲击,根据冷镦机的设计要求,每分钟要做 120 个螺钉,那么 1 秒钟要送两次料,齿轮的转速要达到 720deg/s,这是属于比较高速的机构,不完全齿轮就不大适合.我们最终选用槽轮机构,就是因为槽轮机构的机械效率高,并能平稳地间歇地进行转位.而第三方案棘轮机构,同样是因为转速问题,棘轮工作时的冲击也是比较大的,而且运动精度较差.但从整体设计角度来看,选用棘轮机构,能使整体的机构配合紧凑而且简单.如果这里是低速机构的话,那么将选择棘轮机构.机构实现：选择参数:槽轮机构里主动盘和槽轮的中心距离为 L=100mm,圆销
6、直径 d=12mm,槽数 Z=4 .机构图：这里的槽数为 4,那么槽轮机构的运动系数 k=0.25.根据设计要求,主动轮转一周的时间为 0.5 秒,那么槽轮的运动时间为 0.125 秒,在这个时间内完成送料.由于槽轮每次转过的角度都为 90 度,那么根据 L=/d (L 为毛坯料的长度,d 为履带轮的直径)根据需要加工的毛坯料长度,调节履带轮的直径,就可实现送不同长度毛坯料的要求.结构见图纸2. 截料机构剪切机构选用了曲柄滑块机构,主要是机构简单,且同样能达到间歇剪切材料的目的.安 阳 工 学 院- 4 -当停止送料,加工材料在夹紧的状态下,完成冷镦,这时滑块正好移到加工材料的位置,同时完成剪
7、切.然后在曲柄和连杆的带动下,滑块退回.在退回和再次到达加工材料位置这个过程中,机构完成了送料和预镦的过程.这个机构就是利用滑块的往返时间达到控制间歇剪裁的时间. 运动简图及参数选择曲柄长度= 24 mm, 连杆长度 = 90 mm, 滑块行程 = 48 mm,偏距 e= 0 mm 机构设计：在滑块的正上方,是一个固定的刀具.总的配合起来就是一个固定的上刀刃和一个移动的下刀刃完成总的剪切. 选择固定上刀刃的目的第一,是对加工材料起到定位和矫直的作用 材料在履带的传送下是稍微与上刀刃接触的,这样,通过这个固定的上刀刃和基座上的凹槽,就能使加工材料固定在一条直线上,以便与冷镦的准确完成.第二,如果
8、单用一个下面这个刀具对加工材料进行剪裁的话,那么加工材料在垂直平面上将受到一个很大的剪力.加工材料仅仅是一个细杆圆柱,那样剪切完后,材料要变形弯曲,这对后面工序的正常进行要造成很大的影响.比如说,弯曲后顶料顶不上,或者是螺钉杆再通过夹具的时候卡住了过不去.运动参数分析：这是刀具的运动参数分析,从图上我们可以看到当刀具的位移为 0 时(即刀具在加工位置的时候)他的速度为最大,这个时候有利于进行剪切,而且从其加速度曲线来看,机构的柔性冲击并不是很大.安 阳 工 学 院- 5 -3. 夹紧机构夹紧机构是一个很重要的部分,也是这次设计的最关键部分,夹紧机构必须使工件真实夹紧,那样在冷镦过程中,工件才不
9、会因为受到一个很大的冲击,致使工件飞出或者螺钉杆偏置移位.同时,夹紧需要一个时间过程,在夹紧期间要完成冷镦以及剪切. 方案一用曲柄滑块机构,利用死点原理用滑块对工件进行压紧. 曲柄为顺时针转动,我们的设计想法为,当曲柄转到与垂线成一个 a 度角的时候,下面的滑块正好接触到工件,那当曲柄继续转动的时候,滑块就会有继续往下运动的趋势,那么就要压紧工件,当曲柄转到左侧与垂线成 a 度角的时候,这时工件松开.从原理上来讲,是合理的,而且机构简单.但实际操作上来看,压紧时间仅为曲柄转过 2a 的时间,时间过于少.而且当滑块达到最大位移的时候,即(b)图所示位置,滑块已经把工件压下一定的距离,这时会有一个
10、很大的反冲力,有可能连杆在这个反冲力的作用下就要折断掉.在经过分析考虑后,我们舍弃了这种方法.方案二利用一个圆盘进行送料和冷镦在圆盘的径向上均布着小孔,截好的材料送进来正好嵌在孔里面,当圆盘转过一定角度的时候工件又继续送进去,这也能实现间歇送料.在径向孔的内部,有三个爪子,就象车床上夹紧材料的那个部分,通过圆盘自身的转动,带动齿轮转动从而使这三个爪子具有收紧和放松的功能.在爪子收紧时,正好进行冷镦,放松时,卸下工件.优点及缺点优点:把间歇送料和夹紧以及冷敦部分一并考虑 ,缺点:夹紧部分工艺复杂,要在圆盘内添加机构,让爪子动起来,实现收紧,对于我们来说,设计出来具有很大的难度.镦头在垂直方向工作
11、,当冷敦工件时,工件所受到的力都传到圆盘上,加大圆盘的径向尺寸,在理论上是可以承受这样的载荷,但在考虑到机器的长久使用上,这种工作方式会让机器寿命减短,而无法实现生产效益.方案三利用凸轮机构. 需要同时夹紧预墩和终墩位置。由于凸轮的远休止能很好的实现这一要求所以我们用并联的凸轮结构，控制远休止角的大小来控制时间的长短。凸轮的具体设计：安 阳 工 学 院- 6 -根据剪切、冷镦、推料、送料所需要的时间，我们计算出凸轮远休止所需的时间0.11s，为了满足时间设计的要求，我们拟定出凸轮的基圆半径为 20mm，升程为10mm，远休止角为 80，近休止角为 40，由于机构对凸轮运动的特性没有特殊要求，所
12、以我们设计升程为匀速的。安 阳 工 学 院- 7 -4.冷顿机构由动力学,冷镦机构最好具有急回特性.方案一冷镦机构在方案上基本都用了曲柄滑块机构,第一种就是简单的偏心曲柄滑块机构,使机构具有急回运动特性.滑块(相当于镦头)在水平方向上进行移动,完成冷镦.方案二结合前面第二种夹具方案,使镦头在垂直方向上工作.这种方案对机构设计要求比较高,这是将冲压机的工作原理应用到这里来.但在冷镦机中,冷镦的部分即为工件本身,而且冷镦的作用力比较大,如果是垂直方向工作,那螺钉杆在必须夹紧的情况下底端又必须处于离开基座的状态,这样在镦头镦粗螺钉头的时候才不会使螺钉受到一个反向力而变形.如果是设计成前面的那种圆盘式
13、的,又对机器本身损耗很大,所以在这里,我们只选用了水平位移的六杆机构方案实现由于冷镦需要一定的增力，运用如图所示的连杆机构在增力的同时又具有了急回的运动特性。很好的满足了整体机构的设计要求。根据冷镦的行程 56mm，查找资料确定急回系数 K 为 1.5 能很好的满足机构急回要求：K=（180+ ）/（180-）极位夹角 =180（K-1）/(K+1)，算出极位夹角 =36。为了便于计算我们假定杆在水平位置，两个固定铰链点之间为 60mm。所以计算出曲柄的长度为 L=60sin 1818.54mm 。安 阳 工 学 院- 8 -成角度的杆件角度为 90+18=108，该杆的水平长度为 71mm，
14、倾斜部分长度暂取 130mm，若不够还可加长。取墩头与角度杆的铰链点之间的距离为 114mm，所以与墩头联接的杆 L=114-71=43(mm)。墩头是有两个 18mm32mm12mm 的方块用圆柱联接分别是预镦和说明:根据设计的要求,加工毛坯料的长度是需要改变的 ,前面我们是通过改变履带轮的直径来改变送料长度,所以在镦头就应该相应得往后移,所以,从上面的图可以看到,连杆和曲柄是通过一个销子连接在一起的,而销子是嵌在杆的滑动槽上,调节销子的位置也就是改变了曲柄和连杆的长度,在镦头往后调的情况下,保证了镦头的行程.运动仿真参数曲线 5. 最终方案机构设计方案系统简图安 阳 工 学 院- 9 -整
15、个机构从左到右如图一样排列，夹紧之后螺钉左右两端同时进行剪断和冲压预镦，然后推料机构将胚料从预镦位置送到终镦位置，进行终镦。B-B 的同时镦，并排两个凸安 阳 工 学 院- 10 -轮。同时夹紧，前一个螺钉的终镦和后一个螺钉的预镦在同一冲压的过程中实现，节省了时间提高了效率。A-A 两套啮合齿轮，可有 2 种不同的进料尺寸，通过更换齿轮的齿数还可由其他不同的进料长度。五机构运动循环图1. 确定机构的循环时间，选取凸轮。因机构的效率为 120 个/min。则曲柄的周期为0.5s2. 确定运动循环的各区段。确定执行机构各区段的时间及转角。3. 根据以上那个数据设计循环图安 阳 工 学 院- 11
16、-螺钉头冷镦机循环图六.传动机构整个机构用了一个主动轮由电动机带动转动。主动轮转速为 120 rmin。由主动轮通过齿轮传动,把各个机构联系起来.传动机构简单方便.由于是串联传动,到最后的冷镦机构上,机械效率就会减少很多,但这不是主要问题,通过选用合适功率的电动机就可以解决了. 机构设计因为各部分机构是先进行定位再配合上齿轮,因此齿轮的选用放在了设计过程的最后部分.根据设计要求,送料,剪切和夹紧机构这三部分的转速是可以同步的,而因为镦头要实现预镦和终镦,所以镦头的主动轮转速是前面主动轮的两倍.从总机构运动简图上已经定位的机构和尺寸,我们选用了齿数 z=40,模数 m=4 的标准齿轮 ,而作为带
17、动冷镦机构的主动轮运转的齿轮,我们选用了齿数 z=20,模数 m=4 的标准齿轮 ,转数正好是两倍. 七. 结果与结论我们小组设计初期，由于对产品的要求以及各机构的功能了解的不是很深入，走了不少弯路。安 阳 工 学 院- 12 -此次课程设计，使我们认识到制定详细的计划对提高效率的重要性。我们收获最大的是体会到团队协作精神，合理分工并按时完成自己的工作，提高组员之间的默契程度。 八. 参考文献 1 西北工业大学机械原理及机械零件教研室编，孙桓、陈作模主编. 机械原理. 第 6 版.北京：高等教育出版社，2001 年 5 月。 2 裘建新 主编，机械原理课程设计指导书. 北京：高等教育出版社，2005年 4 月。 3 曹岩 赵汝嘉 主编，SolidWorks 2003 精通篇. 北京：机械工业出版社，2004 年 3 月。 4 郭玲文 主编. AutoCAD 2006 中文版基础教程 北京：清华大学出版社，2006 年 1 月
