小型卧式模锻机

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1、机械原理课程设计计算说明书设计题目：小型卧式模锻机执行机构与传动系统设计班号：05020701组员：陈苏程刚崔腾翟金保宋萌章耀印张少龙时间：目录一、设计背景与目的二、设计任务三、机械运动方案设计四、机械运动和动力五、相关主要尺寸的设计六、机械总体结构七、课题设计感想八、参考文献九、附录设计背景与目的模锻，即在外力的作用下使金属坯料在模具内产生塑性变形并充 满模膛（模具型腔）以获得所需形状和尺寸的锻件的锻造方法。大多 数金属是在热态下模锻的，所以模锻也称为热模锻。与自由锻相比， 模锻能够锻出形状更为复杂、尺寸比较准确的锻件，生产效率比较高， 可以大量生产形状和尺寸都基本相同的锻件，便于随后的切削

2、加工过 程采用自动机床和自动生产线。模锻后的锻件内部形成带有方向性的 纤维组织，即流线。选定合理的模锻工艺和模具，使流线的分布与零 件的外形一致，可以显著提高锻件的机械性能。但模锻需要专用的模 具，模具必须用优质合金工 具钢制造，模膛形状复杂， 要求精度高，加工量大，生 产周期长，价格昂贵。因此 模锻一般适用于大批量生 产，或用于批量虽不大，但 对锻件的形状和性能有较高 要求的场合。模锻件的精度高 ,加工 余量小奩加工余量的决定需 要考虑模具的制造精度及其 使用中的磨损、金属的冷缩和表面氧化、金属流动和充填状态、锻造 需要的斜度、圆角和锻造偏差以及切削加工所需的余量等。在实际生 产中，锻件加工

3、余量都按标准选用。使用特殊的精密锻造工艺，严格 控制锻件的局部公差,不留切削加工余量,不再切削，是现代模锻技术 的发展方向之一。 1?备卸戈壘蔓期淮压机诃有軽 JlFI . | V 甘岁液压机解動川N800 7 65G 500 45G 卿 3M 315 跚 270 120 200 80150 13 iao1.中国1562美国211?qi3 2ItsJ2424袪U1_1J 2$5英国1236.抵祇11比榊iS1r模锻通常按所用的设备分为锤模锻、热模锻压力机模锻、螺旋压 力机模锻、水压机模锻、平锻机模锻和电热镦等。本组选题为“小型卧式模锻机执行机构与传动系统的设计”，小 型模锻机在早期模锻发展过程

4、中有十分突出的地位，其简单的结构代 表了模锻机的基本结构，因此，进行该种模锻机的设计研究，对于充 分扩展模锻机的使用功能是十分有必要的。本组题目要求如下：为锻造长杆类锻件（见图 1-1，系用棒料局部镦粗而成），今需 设计一台将杆料水平置放后用活动凹模3及固定凹模2将其夹紧后再 用水平置放的冲头1 进行顶锻工作的卧式模锻机。拟用电动机通过传 动装置带动夹紧机构首先使活动凹模3向前移动，与固定凹模2合拢， 以夹紧棒料。然后主滑块带动冲头1 进行顶锻，锻件成形后，待冲头 1 返回离开凹模后（返回距离约占冲头全行程的 1/8-1/3），由夹紧机 构带着活动凹模3 返回，松开杆料回到初始位置。在顶锻过程

5、中需要 两半凹模始终处于夹紧状态，不能松开。要求设计该小型卧式模锻机 执行机构和传动系统，以满足以上顶锻工艺要求。图 1-1 卧式模锻机执行机构二、 设计任务本组选题为机械原理与设计课程设计一书中的第12 题小型卧式模锻机执行机构与传动系统的设计，其总体设计任务如下：1. 根据上述要求进行机构的选型、经运动及动力分析与设计后确定传动方案，绘制机构运动简图。2. 确定电动机的功率与转速。3. 设计传动系统中 V 带传动和齿轮传动。4. 对大带轮轴进行结构设计和强度校核，并选择其轴承，计算轴承寿命。5. 进行传动系统结构设计，绘制其装配图。6. 编写课程设计说明书。另附有小型卧式模锻机执行机构与传

6、动系统的设计一题中的具 体设计数据与要求：1. 电动机同步转速 n=1500r/min 或 1000r/min。2. 冲头顶锻次数为每分钟5075 次。3. 主滑块 1 的全行程 H=200380mm。4. 顶锻工艺开始后冲头的工作行程 H1=(1/22/3)H。5. 夹紧滑块 3 的总行程 h=6080mm。6. 作用在主滑块上的顶锻力 F1=250500kN。7. 作用在夹紧滑块3上的夹紧力F2二F1/3。8. 要求该模锻机的机械效率高，振动小。本题关键部位包括执行部分冲头，和夹紧部分在符合题中所 给要求的情况下能够很好的配合工作，另外，关于机构中各部件的参 数设计也是十分重要的，在选择传

7、动部件时，要注意各部件的协调一 致，并且必须满足各自的技术要求。三、 机械运动方案设计根据题目中的要求，结合所学知识，分析设计题目可知，整个顶锻过程可以主要分为两个主要运动：1. 执行机构卧式模锻冲头的水平方向运动，该运动为最主要 的运动，模锻件的成型来源于此，故该运动必须满足要求，足 够完成冲压过程；2. 夹紧装置的竖直方向运动，该运动为辅助运动，目的在于 保证工件在突然受力的情况下在工作台上不产生运动，保证冲 压的精度。 加工过程中棒料主要受到冲头水平方向的压力和夹紧装置竖直 方向的夹紧力两个力的作用。设计这两个运动占本设计题目的很大一 部分时间。所以，从以上分析来进行系统的各部分机构选型

8、：1. 为了减小振动和冲击，保证加工的稳定性，原动机与传动 机构之间应选V带传动，当机器发生过载时，传动带会发生打滑, 对整个系统起到保护作用。带传动的主要特点是：传动平稳 ,传 动中心距大,噪声小，结构简单，能缓和冲击，过载时挠性带发 生打滑而避免损坏装置;但不能保证准确的传动比。在此处使用 带传动，恰好能发挥带传动的优势，扬长避短。2. 在带传动之后的过程中，为了保证各机构传动的稳定和准 确可靠，选用齿轮进行传动，另外此机构有传递功率大，效率高， 寿命长，结构紧凑等优点。齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳， 传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的 功率、速度 和尺寸范围大。例如传递功率可

9、以从很小至几十万千瓦；速度最高可达300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。此处使用齿轮传动， 相比较其优点，缺点可以忽略，所以，权衡之下，使用齿轮传动。3. 执行机构要完成最重要的一道工序冲压，所以它既要 承受很大的冲压反力，也要保证系统有平稳的运动过程，它的选 择是整个系统中最关键的一部分，故选用模锻中最常用也是最稳 定的曲柄滑块机构，为达到减小整个机器外形尺寸的目的，进一 步选用偏置曲柄滑块机构（如图 3-1）。图 3-1 执行机构4. 夹紧装置最关键的就是要保证足够的夹紧力，而且在冲压 时不能放松，故应选择在冲压中自锁的机构，我组选

10、择了连杆机 构（如图 3-2）。根据题目对转速的要求，我们选定原动机转速为 1500r/min 的交 流电动机；相对应的，原动机与传动机构之间的 V 带选用联组 V 带 及相配合的带轮（如图 4-1），选择其传动比为1/5，其输出经其减速 后转速为300r/min。带传动的主要特点是：传动平稳，传动中心距大， 噪声小，结构简单，能缓和冲击，过载时挠性带发生打滑而避免损坏 装置;但不能保证准确的传动比。在本设计中，电机传动比相对来说 并不处于重要位置，可以使用带传动来进行。冲头顶锻次数为每分钟60次，即曲轴转速为60r/min,冲头和 夹紧装置要求配合十分精确，故选择减速比为 5： 1 的一级圆

11、柱齿轮 减速器（如图 4-2）。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递 动力和运动的机械传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。 齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接、传递运动和动力的装置。 在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递任意两轴 之间的运动和动力。齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，传动比 精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范 围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达 300m/s ；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要 有专门的设备，啮合传动会产生噪声。故该部分选用齿轮传动符 合设计要求。由于转速不高，夹紧部分采用凸轮机构来实现。凸

12、轮机构，即由 凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等， 其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。从动件与 凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。 尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但 尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。为了使从动件与凸轮 始终保持接触，可采用弹簧或施加重力。具有凹槽的凸轮可使从动件 传递确定的运动，为确动凸轮的一种。一般情况下凸轮是主动的，但 也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的 劈锥凸轮。凸轮机构结构紧凑，

13、最适用于要求从动件作间歇运动的场 合。它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠，因此在自动机床、 内燃机、印刷机和纺织机中得到广泛应用。但凸轮机构易磨损，有噪 声，高速凸轮的设计比较复杂，制造要求较高。由此，我们根据设计要求，并计算得出结论，在凸轮廓线设计时 应根据二次多项式运动规律进行设计，另外还要保证夹紧机构在冲压 时处于自锁状态。在选定夹紧机构各杆的长度后，通过分析计算得出 凸轮行程，从而确定凸轮廓线以及夹紧滑块的质量。执行机构方面为了节省空间和材料，设计为偏置曲柄滑块机构，根据冲头行程来确定杆长，并根据顶锻力的大小确定冲头质量。确定系统各部分尺寸后，对主传动曲柄滑块机构（用曲柄和滑块 来

14、实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，也称曲柄连杆机构）进 行动态静力分析，求出各运动副中的支反力及曲柄上的平衡力矩，进 而求的电动机功率。选定大的V带轮作为飞轮，根据及其的运转不均匀系数的要求，计算飞轮的转动惯量及质量。利用 MATLAB 编程对执行机构的中的冲头（即滑块）进行运动分析，其程序如下：r=100;%曲柄长度l=300;%连杆长度e=-200;%偏距el=e/l;rl=r/l;w=2*pi;%曲柄角速度hd=0:pi/18:2*pi;s二r.*(l-cos(hd)-el.*sin(hd)+0.5.*rl.*sin(hd).八2)% 滑块位移 v二r.*w.*(sin(hd)-el

15、.*cos(hd)+0.5.*rl.*sin(2.*hd)% 滑块速度a二r.*w八2.*(cos(hd)+el.*sin(hd)+rl.*cos(2.*hd)% 滑块加速度grid on;subplot(1,3,1); plot(hd,s,r);title(位移)；grid on; subplot(1,3,2); plot(hd,v,k);title(速度)；grid on; subplot(1,3,3); plot(hd,a,b);title(加速度);grid on;运行以上程序，得到冲头的位移、速度、加速度等运动参数(详见下表)和各参数随曲柄角位移变化的线图(如图4-3)：曲柄角位移(

16、0)冲头运动参数位移(m)速度(m/s)加速度(103 m / s2 )00418.8795.26381013.5983557.43794.66742030.7817675.82773.81773050.8975767.60912.7614073.1343827.88411.5615096.5713853.6990.29360120.235844.2693-0.963370143.1612801.0039-2.13180164.4531727.3268-3.14390183.3333628.3185-3.9478100199.1828510.2191-4.514110211.5652379.8

17、487-4.8315120220.235244.0103-4.9112130225.1288108.9408-4.7823140226.3432-20.1334-4.4875150224.1025-139.2906-4.0769160218.7202-246.0325-3.6018170210.5599-339.2252-3.1083180200-418.879-2.6319190187.4068-485.8054-2.1943200173.1175-541.2026-1.8015210157.4359-586.2292-1.445220140.6382-621.6265-1.10423012

18、2.9895-647.4413-0.75240104.765-662.8894-0.352625086.2729-666.37880.114926067.8751-655.69430.669827050-628.31851.315928033.1454-581.85162.040929017.8688-514.47382.81533004.765-425.39033.5952310-5.568-315.19854.3253320-12.5707-186.12424.9445330-15.7692-42.08945.3929340-14.821111.40745.618350-9.5548267

19、.59275.58153600418.8795.2638五、 相关主要尺寸的设计单位：mm1、皮带轮尺寸设计：大轮直径：500，小轮直径：1002、齿轮尺寸设计：大齿轮分度圆直径：250，小齿轮分度圆直径：503、冲头部分尺寸设计： 曲柄长度：100，连杆长度：300，偏心距：2004、夹紧部分尺寸设计： 夹紧头尺寸：200*100，杆1长度：100，杆2长度：120 连 杆长度：150.六、机械总体结构设计总体结构设计是以上各项工作的综合，课本上的参考方案（见图 8-1 ）如下：电动机 1 经 V 带传动 2 3 4 和齿轮传动 5 6 减速 后,带动曲轴7 转动。锻压机构采用曲柄滑块机构。

20、活动凹模15 的开 闭及夹紧动作与主传动机构的运动配合，由固连在曲轴上的主回凸轮 机构 10、11（推杆与滑块 10 固联）及连杆机构 12131415 来 实现。当杆料放入固定凹模16 内以后，活动凹模15 向杆料接近并夹 紧它，然后，带有冲头的主滑块9 就可以完成顶锻工作。图 8-1 课本参考方案通过对课本知识的学习和认识，我们将课本上的参考方案做了部 分改动得到最终方案（见图 8-2），它相对参考方案主要做了如下改进1. 为了提高夹紧机构的工作时的稳定性，使夹紧效果更好，我们将原来的单杆增加到现在的双杆；2. 减短大带轮轴的长度，将大齿轮置于曲轴中部，避免长轴因受冲击而断裂的现象，从而提

21、高机构的稳定性；3. 为减小整个系统的尺寸，可将执行机构由对心的曲柄滑块机构改为偏置曲柄滑块机构；图 8-2 小型卧式模锻机最终方案七、课题感想宋萌：对于此次机械原理的课程设计，我有许多感想，包括对于机械原 理这门课本身的，和对团队配合方面的等等。机械原理是一门十分重要的课程，它让我懂得了搞设计不光是要 站在制造的基础上，还要有创新，但一定要学会继承。现在，全社会 都在强调创新，但我们不能一强调创新，就瞧不起原有的东西。通常 的创新分为两种，一种就是构成事物旧有元素的重新组合，一种是在 旧有元素上加一些新的元素。所以，不管怎样，创新的东西总是含有 一些旧有事物的影子是不可否认的。正像哲学中所讲

22、，新事物都是在 肯定中否定，否定中有肯定中产生的。我们此次的工作便是建立在创 新和参考之间的，参考书中所给的方案，然后再根据自己的想法来进 行创新。我从中收获了很多。另外，此次设计，也使我感受到了团队配合的重要性，我认为无 论是现在还是将来，能够很好的融入团队是十分有必要的。能够学会 同团队中的成员配合，是我学到的另外一个十分重要的东西，我觉着， 这对于我将来的发展有极其重要的作用。有些事，且让每个人自己去 经历、去认识自我，这样得来的才是真正的经验，才是真正属于自我 的东西。而对于一个团队，要做到真正的团结和凝聚，就要从心做起， 从理解和信念做起，而不是只看表面。八、参考文献1 王三民主编，

23、机械原理与设计课程设计M.北京：机械工业出版 社.2005.2 孙恒，陈作模主编.机械原理（第七版）.北京:高等教育出版社,2007.3 任工昌主编,机械原理课程学习指南.西安:西北大学出版社,2002.4成大先.机械设计手册. 第 4 版. 北京：化学工业出版社，20025邹慧君主编 .机械原理教程. 北京：机械工业出版社，2001 6王大康，卢颂峰主编 .机械设计课程设计. 北京：北京工业大学出 版社，20007 齿轮手册编委会 . 齿轮手册 . 第 2 版 . 北京：机械工业出版社，20018徐灏主编.机械设计手册. 第 2 版. 北京：机械工业出版社，2000 9卜炎主编.机械传动装置设计手册. 北京：机械工业出版社，1999 10成大先.机械设计手册. 第 4 版. 北京：化学工业出版社，2002九、附录以下为各组员设计的部分方案，由于准备时间和 知识储备方面的问题，每个方案相比较于指导书所给 的方案都有所欠缺，有的甚至是很严重的错误，最终 我们还是决定使用指导书中的方案来进行设计。