机械原理课程设计之粉末成形压机.docx
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机械原理课程设计之粉末成形压机
姓名:
周谱20101003904
聂昌益20101003953
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
072105
指导老师:
王玉丹曾小慧
机械原理课程设计
课题一粉末成形压机
一.题目与设计要求……………………………………………………………03
1.1工作原理及工艺动作过程……………………………………………03
1.2设计要求………………………………………………………………05
1.3主要技术参数要求……………………………………………………06
二.方案设计与分析………………………………………………………………06
2.1上模冲压机构……………………………………………………………06
2.2送料机构…………………………………………………………………10
2.3下模冲压机构……………………………………………………………12
2.4运动循环图………………………………………………………………15
2.5整体机构简图……………………………………………………………16
三.执行机构设计…………………………………………………………………173.1上模冲设计………………………………………………………………17
3.2送料机构设计……………………………………………………………24
3.3下冲模机构设计…………………………………………………………30
四.原动机及传动系统初步确定………………………………………………38
五.课程设计小结…………………………………………………………………40
六.参考资料………………………………………………………………………42
七.附录——源程序………………………………………………………………43
设计型课题一粉末成形压机
一.题目与设计要求
1.1工作原理及工艺动作过程
粉末冶金是将金属等粉末的混合物,通过压制成型和烧结而制成零件或成品材料的一种工艺方法。
在压制长径比h/d<=1~1.5的圆柱体压坯时,可采用单向压制,即压制时仅一个方向施力。
压制过程中,阴模固定不动,其他执行件动作如下图所示:
第一步:
送料器上粉后返回,上模冲开始下行压制粉末,下模冲固定不动。
第二步:
上模冲压制到位,下模冲固定不动
第三步:
上模冲上行回位,下模冲上顶压坯脱模。
第四步:
送料器退压坯下料,下模冲固定不动。
第五步:
送料器到位后准备上粉,下模冲下行回位。
然后开始下一循环。
1.2设计要求
1、上模冲压制机构应具有以下的运动特性:
快速接近粉料,慢速等速压制,压制到位后停歇片刻(约0.4秒左右)保压或接近压制行程终点时再放慢速度而起到保压作用。
2、脱模机构应使下重默顶出距离准确,复位时要求速度快而冲击小。
3、送粉机构要求严格遵守压制周期的运动规律。
4、进一步要求:
让上模冲和下模冲的行程可调。
1.3主要技术参数要求
1.每分钟压制次数为10~40次;
2.压坯最大直径为45mm;
3.上模冲最大行程为110mm;
4.送粉器行程为115mm;
5.脱模最大行程为45mm;
6.压制及脱模能力最大为58KN;
二.方案设计与分析
2.1上模冲方案设计与分析
上模冲:
上冲头完成直线往复运动(铅垂上下),下移至终点后有短时间的停歇,起保压作用,保压时间为0.4秒左右。
最大行程为100mm。
上冲头
下移加压
保压
提升
角度范围
0~5π/6
5π/6~7π/6
7π/6~2π
运动位移简图如下:
2.1.1方案一:
曲柄滑块机构
图2.1.1
方案一机构简图如图2.1.1,是一个曲柄滑块机构,上冲模通过连杆与曲柄相连达到冲压的目的。
这方案能实现竖直方向的往复直线运动,中间的槽可以使机构冲压到最下面的时候,停歇0.4S,满足设计要求,但是保压方面只能利用滑块自身重力保压,达不到58KN,其他的要求均能满足。
2.1.2方案二:
不完全齿轮连杆机构
图2.2.2
方案二利用不完全齿轮的停歇和保压作用,连接连杆,停歇时上面的齿轮没有齿的地方与下面的齿轮接触,是下面的齿轮不能转动,则不能带动连杆运动,实现停歇作用,又在从动轮停歇期间,两轮轮缘各有锁止弧起定位作用,以防止从动轮的游动,所以可以实现保压作用。
因此,上述两个方案中我们选择方案二。
2.2送粉器方案设计及分析
送料循环简图如下:
送料筛
送料
停止
送料
送料器在一个周期内的运动的位移简图如下:
A→B→C→D段,送料器送料,其中又包含了下面三小段:
A→B段:
送料筛被推向入料口;
B→C段:
送料筛向入料口落料;
C→D段:
落完料后的送料筛,往回运动。
DE段停止:
主要完成向送料筛加料的工作。
上冲头各阶段
推程送料阶段
落料阶段
回程阶段
停止
角度范围
0~π/4
π/4~π/2
π/2~π
π~2π
2.2.1方案一:
偏置曲柄滑块机构
分析:
该机构结构简单,基本能实现所需功能,并且在送完料后,可利用该机构的急回特性,节省了空回行程的时间,可以提高劳动生产率。
另外便于计算。
但是送料时没有时间停留,送料完成后也不能停歇,不能完全满足要求。
2.2.2方案二:
直动推杆圆柱凸轮机构
分析:
可以利用凸轮远休过程很好地实现停歇卸料阶段,并且可以很好地控制其周期运动规律。
缺点:
结构复杂,计算复杂。
2.2.3方案三弹簧力封闭尖顶推杆凸轮机构
设计时,使凸轮的远休半径与基圆半径之差等于送粉器的行程115mm即可。
方案二维图如上:
分析比较以上两个两个凸轮机构,显然,圆柱凸轮加工起来比较麻烦,而且,轮廓曲线的设计也比较复杂,所以我们优先选择了方案三。
2.3下模冲方案设计及分析
下模冲循环简图如下:
下冲头
在台面下
下沉
加压
保压
上移
至台面
下移
在台面下
由于考虑到下冲头运动较为复杂,我们将其简化如下过程仍可以满足要求
下冲头
在台面上
下移
在台面下
上移
角度变化范围
0~π/4
π/4~π/2
π/2~3π/2
3π/2~2π
下模冲在一个周期内的运动位移简图如下:
A→B段,下冲头在最大行程处停歇片刻,等待送料器将压坯推走,这段我们取为(π/4);
B→C段,下冲头下移(π/4);
C→D段,下冲头停留在最低点,通过分析,我们知道,这段停留的时间比较长,在这里,我们通过计算,取为π;
D→E段,下冲头将压坯向上推(π/2),直至推到台面上为止。
2.3.1方案一:
凸轮机构
优点:
运动过程清晰明朗,停歇阶段容易控制而且能保压,能够很好地完成各个阶段。
2.3.2方案二:
气动机构
优点:
能够较为完美地实现加压、保压过程。
缺点:
往复运动不够稳定,而且设计计算较为复杂。
相比之下,我们选择方案一。
2.4运动循环图
粉末成形压机的执行机构有3个,上冲头、下冲头和送料器。
根据粉末坯料的压制过程,绘制两种种形式的运动循环图。
直角坐标式运动循环图
2.5整体机构简图:
三.执行机构设计
3.1.上模冲机构设计
3.1.1尺寸确定
上冲模我们选用了不完全齿轮连杆机构(如上图,我们的设计要求是上冲模运动范围为0~100mm,因此我们选用杆长L1应该为50mm,L3为100mm,L4为20mm。
我们选择每分钟压制次数为30次,这齿轮的周期为2s,我们选择上模冲最大行程为100mm。
两个齿轮的要求:
1500.2100度停歇,则主动轮转过60度角时,从动轮不动,如此循环,则要求主动轮转过1500时,从动轮转过1800,主动轮转过600时,从动轮不动,主动轮再转过1500,从动轮再转过1800.。
则停歇时间t1=T×1/6=1/3s
i12=w1/w2=1500/1800=5/6
则α2=6/5ɑ1
3.1.2运动分析
根据L1=50,L2=100,曲柄从竖直位置开始,根据位移s,转角a的变化可得到下面方程:
即S1²+100S1cos(6
/5).7500=0
解得S1=.50cos(6
/5)+50
我们用matlab编程,得到上模冲冲头位移.转角变化曲线图(源程序见附件程序1),
如图3.1.2:
图3.1.2
根据上面图像分析,我们可以发现在150度到210度间,存在一个位移不变区间,这样我们就能够使得上模冲在压制时能够有个保压过程,时间约为1/3s,在其他转角区域,上模冲能够快速的回到初始位置或到达粉料进行压制,说明其功能已经实现。
接下来我们对其速度与加速度进行分析。
对上面s进行求导得到速度:
因此可以得到上模冲速度.转角图像(源程序见附录程序2),如图3.1.2:
图3.1.2
经过数据分析得到了速度曲线如上图,发现其速度在0.60mm/s之间,在0~90度之间速度较大,能够实现快熟接近粉料,之后速度不断降低,在90~150度之间速度减小,能够实现慢速压制过程,150.210度速度为零,能够实现保压过程,之后上模冲速度反向增加,快速离开冲模孔达到最远端。
这个动作过程与下冲模以及送料盘的运动过程能够配合,满足了设计的要求。
下面我们对上冲模加速度进行分析。
对上面v进行求导,得到加速度a:
因此可以得到上模冲加速度.转角图像(源程序见附录程序3),如图3.1.3:
图3.1.3
根据上面图像我们可以发现加速度在110mm/s
之内,对于整个机构的冲击力不是很大,机构能够承受这样的加速度,因此加速度是满足我们的设计要求。
由以上的分析可以确定我们的设计满足设计要求,能够完成要求的各项功能,而且用到的构件比较简单,使得整个机构显得简单易行。
能严格满足设计要求。
计算方法二
S1=L1sin
+L2sin
L1cos
=L2cos
上模冲位移公式
S=20.50*cos(6*α/5)+100*sin(acos(sin(6*α/5)/2))(0<α<1500)
S=170(1500<α<2100)
S=20.50*cos(6*x/5.2*pi/5)+100*sin(acos(sin(6*x/5.2*pi/5)/2))(2100<α<3600)
上模冲位移与转角曲线图程序
x=0:
0.001:
5*pi/6;
y=20.50*cos(6*x/5)+100*sin(acos(sin(6*x/5)/2));
plot(x,y);;
holdon
x=5*pi/6:
0.001:
7*pi/6;
y=170;
plot(x,y);
holdon
x=7*pi/6:
0.001:
2*pi;
y=20.50*cos(6*x/5.2*pi/5)+100*sin(acos(sin(6*x/5.2*pi/5)/2));
plot(x,y);
对位移求导程序
>>diff(20.50*cos(6*x/5)+100*sin(acos(sin(6*x/5)/2)))
diff(170)
diff(20.50*cos(6*x/5.2*pi/5)+100*sin(acos(sin(6*x/5.2*pi/5)/2)))
得到速度公式
V=60*sin(6/5*x).60/(4.sin(6/5*x)^2)^(1/2)*sin(6/5*x)*cos(6/5*x)
V=0
V=.60*cos(6/5*x+1/10*pi)+60/(4.cos(6/5*x+1/10*pi)^2)^(1/2)*cos(6/5*x+1/10*pi)*sin(6/5*x+1/10*pi)
速度与转角曲线图程序
x=0:
0.001:
5*pi/6;
y=60*sin(6*x/5).30*sin(12*x/5)/sqrt(4.cos(6*x/5).^2);
plot(x,y);;
holdon
x=5*pi/6:
0.001:
7*pi/6;
y=0;
plot(x,y);
holdon
x=7*pi/6:
0.001:
2*pi;
y=.60*cos(6*x/5+pi/10)+30*sin(12*x/5+pi/5)/sqrt(4.cos(6*x/5).^2);
plot(x,y);
对速度求导,得到加速度公式
y=72*cos(6*x/5).(72*cos(12*x/5)*(4.cos(6*x/5).^2)+18*(sin(12*x/5).^2))/(4.cos(6*x/5).^2).^(3/2);
y=0
y=72*sin(6*x/5+pi/10)+(72*(cos(12*x/5+pi/5))*(4.cos(6*x/5+pi/10).^2).18*sin(12*x/5.4*pi/5).^2)/(4.cos(6*x/5+pi/10).^2).^(3/2);
加速度与转角曲线图程序
forx=0:
0.001:
5*pi/6;
y=72*cos(6*x/5).(72*cos(12*x/5)*(4.cos(6*x/5).^2)+18*(sin(12*x/5).^2))/(4.cos(6*x/5).^2).^(3/2);
plot(x,y);
holdon
end
forx=5*pi/6:
0.001:
7*pi/6;
y=0;
plot(x,y);
holdon
end
forx=7*pi/6:
0.001:
2*pi;
y=72*sin(6*x/5+pi/10)+(72*(cos(12*x/5+pi/5))*(4.cos(6*x/5+pi/10).^2).18*sin(12*x/5.4*pi/5).^2)/(4.cos(6*x/5+pi/10).^2).^(3/2);
plot(x,y);
end
3.2送料机构设计
送料循环简图如下:
送料筛
送料
停止
送料
送料器在一个周期内的运动的位移简图如下:
A→B→C→D段,送料器送料,其中又包含了下面三小段:
A→B段:
送料筛被推向入料口;
B→C段:
送料筛向入料口落料;
C→D段:
落完料后的送料筛,往回运动。
DE段停止:
主要完成向送料筛加料的工作。
上冲头各阶段
推程送料阶段
落料阶段
回程阶段
停止
角度范围
0~π/4
π/4~π/2
π/2~π
π~2π
方案分析:
通过分析,我们知道送料器的运动情况,送料器要完成的是左右间歇运动。
首先,我们想到的就是凸轮机构:
AB段运动规律:
用凸轮的推程运动模拟;
BC段运动规律:
用凸轮的远休阶段实现;
CD段运动规律:
用凸轮的回程运动模拟;
DE段运动规律:
用凸轮的近休阶段完成。
凸轮运动尺寸的确定:
凸轮轮廓极限距离为L1=115mm;
基圆半径r0=115;
送料器长度L2=40mm;
连杆的长度可根据实际需要再计算取值。
为了减小冲击,我们在此选用了正弦加速度运动规律。
推程运动方程为:
S=h[(δ/δ0).sin(2*piδ/δ0)/(2*pi)]=115*(4*x/pi.sin(8*x)/(2*pi));δ∈(0,π/4)
远休阶段:
S=115;δ∈(π/4,π/2)
回程运动方程为:
S=115*(4.4*x/pi+sin(8*x)/(2*pi));δ∈(π/2,π)
近休阶段:
S=0;δ∈(π,2π)
推杆位移与转角曲线图(源程序见附录程序4)
图3.2.1推杆位移与转角曲线图
对位移求导:
推程速度V=460/pi.460*cos(8*x)/pi;
回程速度V=.230/pi.230*cos(4*x)/pi;
得其速度与转角图像(源程序见附录程序5):
图3.2.2推杆速度与转角曲线图
同理对速度求导:
推程加速度:
a=3680*sin(8*x)/pi;
回程加速度:
a=.920*cos(4*x)/pi;
得其加速度与转角图像如下(源程序见附录程序6):
图3.2.3推杆加速度与转角曲线图
凸轮轮廓曲线(源程序见附录程序7):
推程运动方程为:
s=h[(x/X).sin(2*pix/X)/(2*pi)]=115*(4*x/pi.sin(8*x)/(2*pi));δ∈(0,π/4)
远休阶段:
s=115;δ∈(π/4,π/2)
回程运动方程为:
s=115*(4.4*x/pi+sin(8*x)/(2*pi));δ∈(π/2,π)
近休阶段:
s=0;δ∈(π,2π)
参数方程:
a=(r0+s).*cos(x)
b=(r0+s).*sin(x)
图3.2.4凸轮轮廓曲线图
压力角验算:
分别将盘形凸轮圆心角360°等分为360份,每间隔1°取一个点,求出该点对应的压力角,一次连接各点,绘制压力角图线如下图:
由程序运算结果知,最大压力角为
αmax=0.88*180°/π=50.44°。
由于我们在此处选用弹簧力封闭凸轮机构,许用压力角[α]=70°~80°;所以αmax<[α],满足压力角要求。
3.3下冲模机构方案
下模冲循环简图如下:
下冲头
在台面下
下沉
加压
保压
上移
至台面
下移
在台面下
由于考虑到下冲头运动较为复杂,我们将其简化如下过程仍可以满足要求
下冲头
在台面上
下移
在台面下
上移
角度变化范围
0~π/4
π/4~π/2
π/2~3π/2
3π/2~2π
下模冲在一个周期内的运动位移简图如下:
A→B段,下冲头在最大行程处停歇片刻,等待送料器将压坯推走,这段我们取为(π/4);
B→C段,下冲头下移(π/4);
C→D段,下冲头停留在最低点,通过分析,我们知道,这段停留的时间比较长,在这里,我们通过计算,取为π;
D→E段,下冲头将压坯向上推(π/2),直至推到台面上为止。
方案分析:
通过分析,我们知道下模冲的运动情况,下模冲要完成的是上下间歇运动。
首先,我们想到的就是凸轮机构:
AB段运动规律:
用凸轮的远休阶段实现;
BC段运动规律:
用凸轮的回程运动模拟;
CD段运动规律:
用凸轮的近休阶段完成;
DE段运动规律:
用凸轮的推程运动模拟。
由于下模冲做上下间歇运动,且由于考虑到在此处,不能依靠下冲头的重力来使推杆与凸轮保持接触,所以我们选择了几何封闭的凸轮机构。
设计简图如下:
当上冲头压至最低点时,下冲头处于最低点,此时下冲头下部恰好与基座接触,这样就可以承受较大的压制力了。
凸轮运动尺寸的确定
凸轮基圆半径r0=150mm;
由于脱模最大行程为h=45mm,所以取远休半径R2=45+45=90mm;
为便于计算,我们取Rr=10mm。
3.3.1推杆位移与凸轮转过角度的关系曲线图
由于脱模机构复位时要求速度快而冲击小,所以我们选取回程运动为余弦加速度运动规律;且下模冲上顶时,要求距离准确,速度不宜较大,所以选用正弦加速度运动规律。
推杆推程运动方程:
s=45*(2*δ/pi.sin(4*δ)/(2*pi));δ∈(0,π/2)
远休阶段:
s=45;δ∈(π/2,3π/4)
推杆回程运动方程:
s=22.5*(1+cos(4*(δ.3*pi/4));δ∈(3π/4,π)
近休阶段:
s=0;δ∈(π,2π)
推杆位移与凸轮转过角度的关系曲线图(源程序见附件程序8)
图3.3.1推杆位移与凸轮转角的曲线图
3.3.2推杆速度与转角曲线图(源程序见附件程序9)
对位移求一次导数得速度:
推程:
V=90/pi*(1.cos(4*δ));
回程:
V=.90*sin(4*(δ.3*pi/4));
远休及近休阶段:
V=0
图3.3.2推杆速度与转角曲线图
3.3.3推杆加速度与转角曲线图(源程序见附件程序10)
同理可通过对速度求导得出加速度图像:
推程:
a=360/pi*sin(4*δ)
回程:
a=.360*cos(4*(δ.3*pi/4))
图3.3.3推杆加速度与转角曲线图
3.3.4凸轮理论轮廓线(源程序见附件程序11)
根据实际可知,凸轮轮廓线为一个密封的不规则形状,取基圆半径r0=150mm;
推程阶段:
s=45*(2*x/pi.sin(4*x)/2*pi);δ∈(0,π/2)
远休阶段:
s=45;δ∈(π/2,3π/4)
回程阶段:
s=22.5*(1+cos(4*(x.3*pi/4)));δ∈(3π/4,π)
近休阶段:
s=0;δ∈(π,2π)
参数方程:
a=(r0+s).*cos(x)
b=(r0+s).*sin(x)
图3.3..4凸轮理论轮廓线
3.3.5滚子圆心实际轮廓工作曲线(源程序见附件程序12)
由于是滚子推杆,所以还要求出它的实际轮廓工作曲线:
推程阶段:
s=45*(2*x/pi.sin(4*x)/2*pi);δ∈(0,π/2)
远休阶段:
s=45;δ∈(π/2,3π/4)
回程阶段:
s=22.5*(1+cos(4*(x.3*pi/4)));δ∈(3π/4,π)
近休阶段:
s=0;δ∈(π,2π)
参数方程如下:
a=(r0+s).*cos(x);
b=(r0+s).*sin(x);
m=s'*cos(x).(s+h)*sin(x);
n=s'*sin(x)+(s+h)*cos(x);
p=m./(m.*m+n.*n).^0.5;
q=.n./(m.*m+n.*n).^0.5;
y=a.r.*q;
z=b.r.*p;
图3.3.5滚子圆心实际轮廓工作曲线
4.压力角验算
分别将盘形凸轮圆心角360°等分为360份,每间隔1°取一个点,求出该点对应的压力角,一次连接各点,绘制压力角图线如下图:
由程序运算结果知,最大压力角为
αmax=0.9*180°/π=51.59°。
由于我们选用的几何封闭凸轮机构许用压力角[α]=70°~80°;所以αmax<[α],满足压力角要求。
4.原动机及传动系统初步确定
粉末成形压机
参数要求:
每分钟压制次数为10~40次,在这里我们取
n2=30r/min;周期T=2s;角速度W=πrad/s;
又由于压制及脱模能力最大为58KN;
由P=FV可知,当功率一定时,速度越小,力F越大,这样,如果选取转速较低的电机,就可以提供上模冲的较大压制力,因此我们选取的电机转速为:
n1=600r/min;
上模冲传动比:
i17=n1/n7=600/30=20;
下模冲传动比:
i39=n3/n9=600/30=20;
送料机构:
i58=n5/n8=600/30=20;
总设计图如下:
五.课程设计小结
周谱:
这次的机械原理课程设计可谓是历尽艰辛,我们组两个人曾连续好几个夜晚熬夜去做这个课程设计。
首先,对于刚接触matlab这个全英文的软件,对于我来说便是一个不小的挑战,我不得不从最基础的入门教程开始学习,等到基本熟悉它的界面后,我开始看一些程序,并且了解这些程序的含义,到后来自己开始动手编写一些简单的程序,并调试运行。
每
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