机械原理课程设计

中国地质（武汉）大学机械原理课程设计设计题目：粉末成型压机专业：机械设计制造及其自动化设计者：朱航胡昱辉王昱同指导教师：曾小慧目录一、课程设计题目及要求--------------------------------------------------1.1工作原理及工艺动作过程-----------------------------------------1.2设计要求--------------------------------------------------------------1.3主要技术要求--------------------------------------------------------二、运动方案的确定----------------------------------------------------------2.1上模冲压制机构-----------------------------------------------------2.1.1方案一：凸轮压制机构-------------------------------------2.1.2方案二：六杆机构-------------------------------------------2.2下模冲机构-----------------------------------------------------------2.2.1凸轮机构-------------------------------------------------------2.3送粉器机构----------------------------------------------------------2.3.1方案一：曲柄滑块机构------------------------------------2.3.2方案二：弹簧力封闭顶尖凸轮机构---------------------2.4传动系统设计------------------------------------------------------2.5总体设计--------------------------------------------------------------三、运动循环图--------------------------------------------------------------四、具体机构设计-----------------------------------------------------------4.1上模冲机构设计-----------------------------------------------------4.2下模冲机构设计-----------------------------------------------------4.3送粉机构设计---------------------------------------------------------五、课程设计体会感想------------------------------------------------------六、参考文献------------------------------------------------------------------七、附录-------------------------------------------------------------------------一、课程设计题目及要求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料，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，其他执行动作如图1所示。送料器上粉后返回，上冲模开始上冲模压制到位，下行压制粉末，下冲模固定不动下冲模固定不动图（1）图（2）上冲模上行回位，下送粉器推坯下料冲模上顶压坯脱模下冲模固定不动图（3）图（4）送粉器到位后上料准备回位下冲模下行回位，准备循环图（5）1.2设计要求1.上冲模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而几道保压作用。2.脱模机构应使下冲模顶出距离准确，复位时要求速度快而冲击小。3.送粉机构要严格遵守压制周期的运动规律。4.进一步要求：让上冲模和下冲模的行程可调。1.3主要技术要求1每分钟压制次数为10~40次；2.压坯最大直径为45mm;3.上冲模最大行程为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、运动方案的确定2.1上模冲压制机构2.1.1方案一：凸轮压制机构图（6）凸轮机构可以满足运动要求，实现短暂的停歇，但由题目可知，上模冲冲压时，最大压力可以达到58KN,然而凸轮与上模冲之间形成的是高副，在承受到如此大的力的时候，会磨损非常严重，从而会影响到凸轮以后的工作和整体机件的稳定性，所以我们放弃了这个方案。2.1.2方案二：六杆机构图（7）通过查阅资料我们发现，六杆机构可以承受较大压力，但对于短暂停歇不能完全满足，不过通过改变杆长，我们能够在一个较大范围内实现较小位移，从而达到距离变化不大的保压过程，这样就可以实现我们设计的运动规律。经过两种方案的对比分析我们最终选定六杆机构作为我们的上模冲机构2.2下模冲机构2.2.1凸轮机构图（8）下模冲由于要实现上升、下降、停止三种运动，而且为了达到压制效果，时间上还必须与上模冲配合好，运动复杂，所以我们选择使用凸轮机构。由于在冲压过程中，下面需要承受很大的压力，所以我们选用的是一组对心直动滚子凸轮，这样一来下模冲受到的压力就可以传导到基座上，避免机构受力过大，导致机构损坏。2.3送粉器机构2.3.1曲柄滑块机机构图（9）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。2.3.2弹簧力封闭尖顶推杆凸轮机构图（10）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，所以弹簧力封闭尖顶推杆凸轮机构是一个不错的选择。由于既要左右运动，还要有停留时间，运动相对复杂，但受力又不大，最后综合考量，我们决定选用凸轮机构2.4传动系统设计粉末成形压机参数要求：每分钟压制次数为10~40次，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=1000r/min;通过减速机构获得所需相应转速图（11）取Z1=Z4=7Z3=Z6=39,则最终减速机构的转速为NN=Z1·Z4/{(Z1+Z3)·(Z4+Z6）}N=23.15r/min传动系统设计皮带传动是我们这个团队所能想到最简单也是最有效的传动方式，将减速后的动力直接用皮带轮传动至每一个构件，其结构简图如图（12）所示图（12）2.5总体设计最终方案我们确定，上模冲使用六杆机构，下模冲使用弹簧力封闭顶尖凸轮机构，送粉器使用凸轮机构，传动系统使用皮带和齿轮，原电机使用转速为n1=1000r/min的异步电机，总体机构简图如图（13）图（13）三、运动循环图循环过程：（1）送粉器送粉后返回，上模冲开始下行压制粉末，下模冲固定不变。（2）上模冲压制到位，下模冲固定不动。（3）上模冲上行回位，下模冲上顶压胚脱模。（4）送料器推压胚下料，下模冲固定不动。（5）送粉器到位后上粉，下模冲下行回位，然后开始下一轮循环运动循环图如图（13）所示图（13）四、具体机构设计4.1上模冲机构设计设计选定LCD=LBC=L4=200mm，上冲模的行程为100mm。即构件2,3,4的长度均为200mm。先对曲柄摇杆机构进行作图分析：图14（1）．假定CD杆运动到竖直位置时，AB杆与BC杆恰好共线，且此时B’C’与水平方向的夹角为30°。B’C’与B”C”分别是BC杆运动的两个极限位置。进而计算出杆CD的摆动角为41.4°计算得∠C”C’D=69.3°。则∠C”C’B’=30°+∠C”C’D-90°=9.3°AB’与B’C’共线，A铰链的位置在直线B”C”上，现假设LAB=X，则有AC’=200+X。还有AB”与B”C”重合，则AC”=200-X。进而由余弦定理得：COS∠C”C’B’=[(200+X)2+2002-(200-X)2]/[2x100x1.414(200+X)]解得X=68.78mm即曲柄1的长度约等于68.8mm。进一步计算其机位夹角=9.97°，即其机位夹角约等于10°，从而得该机构的行程速比系数K=1.17。最后得到的上冲模机构简图如下图三。图15（2）．现对进行运动分析：图16计算得LAD=242mm、LAE=LAB+LBC=268.8mm、AD与水平线的夹角为15.77°（3）．现以AD为基准进行机构的运动分析：f1(2,3)=(LBCcos2+LCDcos3)–(LAD+LABcos1)f2(2,3)=(LCDsin3–LBCsin2)–LABsin1该方程组的雅克比矩阵为J：–LBCsin2-LCDsin3J=-LBCcos2LCDcos3接着进行MATLAB编程，对机构的运动进行分析：①位移分析：参见附录1运行源程序得到P矩阵。得到的P矩阵的第二列是3在曲柄1转过360°的过程中对应各个位置的值。得摇杆与竖直线的夹角矩阵为q=90-p(:,1)'*(180/pi)-15.77。输出图像：图17上冲模的行程方程为：X=2x200xcosq-300输出上冲模行程随1摆动角度变化的图像：图18分析上冲模的行程图像可知，上冲模在一个周期内约有0.33S的停歇时间。接下来分析机构运动的加速度：f1(2,3)=(LBCcos2+LCDcos3)–(LAD+LABcos1)f2(2,3)=(LCDsin3–LBCsin2)–LABsin1对时间t求导数得到：-ω2LBCSinθ2-ω3LCDSinθ3=-ω1LABSinθ1ω3LCDCosθ3-ω2LBCCosθ2=ω1LABCosθ1-LBCSinθ2-LCDSinθ3ω2-LBCCosθ2LCDCosθ3ω3-LABSinθ1=ω1LABCosθ1ω1=2π/π=πrad/s再次求导数得到：-α2LBCSinθ2-ω22LBCCosθ2-α3LCDSinθ3-ω32LCDCosθ3=-ω12LABCosθ1α3LCDCosθ3-ω32LCDSinθ3-α2LBCCosθ2+ω22LBCSinθ2=-ω12LABSinθ1-LBCSinθ2-LCDSinθ3α2=LCDCosθ3-LBCCosθ2α3ω1LABCosθ1ω2LBCCosθ2ω3LCDCosθ3ω1ω2-ω1LABSinθ1-ω2LBCSinθ2ω3LCDSinθ3ω3依据速度方程和加速度方程进行MATLAB编程。②速度分析：参见附录2运行源程序得到的m矩阵的第二行是CD杆的角速度进一步输出CD杆角速度图像：图19上冲模的速度函数V=-W3x400xsin3输出上冲模速度图像：图20③求加速度：参见附录3运行源程序得到的n矩阵的第二行是CD杆的角加速度。输出杆CD运动的角加速度图像：图21上冲模加速度：A=zeros(1,180);fork=1:180A(k)=-0.4*n(2,k)*sin(p(k,2))-0.4*m(2,k)^2*cos(p(k,2));end输出上冲模加速度图像：图22（4）运动过程分析由位移图像，已知在0~145°，上冲模接近粉料并进行压制，在145°~220°，上冲模的位