压片成型机课程设计(机械设计制造专业)

压片成型机课程(机械设计制造专业) 课程名称: 压片成型机 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: B130205 姓 名: 张 军 学 号: B13020524 指导老师: 阮 红 芳 2016 年 1 月 5 日 目录 一、 前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 二、 课程设计目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 三、 压片成型机工作原理及分析„„„„„„„„„„„„„„3 四、 设计要求及参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 ?4-1 设计要求与部分参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 ?4-2 设计提示„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 五、 #设计#„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 ?5-1 整体机构动作分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 ?5-2 单元机构动作分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 ?5-3 单元机构方案拟定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 ?5-4 机构整体系统方案拟定„„„„„„„„„„„„„„„„„10 ?5-5 单元机构参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 ?5-6 传动比设计及动力选取„„„„„„„„„„„„„„„„„15 ?5-7 系统综合方案评价„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 六、 自我评价与总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 七、 参考书目„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 第 0 页 一(前言 现在世界各国间的竞争主要表现为综合国力的竞争。要提高我国综合国力，就要在一切生产部门实现生产的机械化和自动化，这就需要创造出大量的、种类繁多的、新颖优良的机械来装备各行各业，为各行业的高速发展创造有利条件。而任何新技术、新成果的获得，莫不依赖于机械工业的支持。所以，机械工业是国家综合国力发展的基石。 为了满足各行各业和广大人民群众日益增长的新需求，就需要创造出越来越多的新产品。现代机械工业对创造型人才的渴求与日俱增。当今世界正经历着一场新的技术革命，新概念、新理论、新方法、新工艺不断出现，作为向各行各业提供装备的机械工业也得到了迅猛发展。现代机械日益向高速、重载、高精度、高效率、低噪声等方向发展，对机械行业的要求也越来越苛刻。 压片成型机是指利用传动系统将电动机的转速降低带动执行机构对粉末物质采取上下进行加压而成片状。根据压片成型机的传动系统和执行机构不同，压片成型机可以分为单片式压片机，旋转式压片机，亚高速旋转式压片机、全自动高速压片机以及旋转式包芯压片机。压片成型机的使用行业很广泛。如制药厂、电子元件厂、陶瓷厂、化工原料厂等等，而且压片机还能用来做冲压设备。 国内压片机的现状:(1)压片机规格众多、数量大;(2)操作简单;(3)技术含量较低，技术创新后力不足。国外压片机的现状:高速高产、密闭性、模块化、自动化、规模化及先进的检测技术是国外压片机技术最主要的发展方向。 本说明书采用图形与文字结合的方式对压片成型机进行设计解读。 第 1 页 二. 课程设计目的 机械设计是一个逐步求精和细化的过程，随着设计过程的发展，产品结构和参数将逐渐清晰和不断完善。设计方案是多解的，能够满足一定功能和要求的设计方案不是唯一的，所以机械设计过程也是一个创新的过程。 机械设计根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据。机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。 随着现代科技的发展，压片机涉及的行业越来越广泛，高科技、高效率，低成本已成为现代压片机的一个重要的发展趋势。与国外的压片机相比，我国生产的压片机规模小、产量低、技术含量较低。压片成型机是将干粉压制成圆形片坯状的装置。本文以压片机为研究对象，以造价低、结构简单为基础，通过方案对比及力的分析,从而设计出合适的压片成型机。 为了进一步掌握机械原理课程的理论知识，将课堂所学知识运用于实践，理解和加深机械原理和设计方法，为今后专业课程的学习打下一定基础，我积极参加了这次课程设计。 三.压片成型机工作原理及工艺流程分析 我们对机构进行运动学分析可采用图解法分析和解析法分析(在此，我们采用解析法，应用c语言程序进行分析。杆组法运动学分析原理，由机构的组成原理可知，任何平面机构都可分解为原动件、基本杆组和机架三个部分，每一个原动件为一个单杆构件(分别对单杆构件和常见的基本杆组进行运动学分析， 并编制成相应的子程序，在对整个机构进行运动分析时，根据机构组成情况的不同，依次调用这些子程序，从而完成对整体机构的运动分析。 根据各功能元的解， 动力源可以采用电动机、汽油机、蒸汽透平机、液压机、气 第 2 页 动马达等;上下加压则可采用凸轮机构、齿轮机构、连杆机构、液压缸等;送料可采用连杆机构、齿轮机构、槽轮机构等(这样可组合的方案达上百种。冲压机构的应用非常广泛，以压片成型机为例，其中的冲压机构对压痕机的性能影响很大。它要求机构中的 滑块在工艺行程中速度尽可能均匀且施加于曲柄的平衡力矩尽可能小，为此有必要对各构件进行优化分析。 运动及受力分析。冲压机构，由一曲柄摇杆机构及一摇杆滑块机构组成的多杆机构。采用解析法，建立起3种目标函数，运用罚函数法进行程序编制及计算，进行优化设计。首先，按机构的组成原理将机构分解成若干基本杆组，对每一个基本杆组编制相应的运动分析和受力分析的子程‎‎序，对具体某一机构只须建立一个简单的主程序和调用相应的子程序即可。通过对压片机的模态分析，动力学谐响应分析，得出了压片机在不同工作频率范围下的响应，在此基础上对整体结构进行了力的优化，有效的抑制了共振现象的发生，解决了机器工作时振动和噪音的问，分析结果对压片机的设计具有很实用的理论参考价值。 连杆机构推动的推板式送料装置能够实现冲压生产的自动送料，该机构与斜楔推动的推板式送料机构和杠杆推动的推板送料装置相比，可实现较大的行程“。设计连杆迭料机构所需考虑的因素较多，直观性较差(容易导致设计失误(因此设计了用于优化机构各杆长、送料行程、送料加速度等的多目标函数，综合连杆机构成立的条件、机构大小限制、运动参数要求等建立约束条件，采用直观的可视化方法对优化结果和连杆送料机构的运动特性进行分析。 压片成型机的功用是将不加粘结剂的干粉料(如陶瓷干粉、药粉)定量送入压形置压制成 φ × h 圆型片坯， 经压制成形后脱离该位置。机器的整个工作过程(送料、压形、脱离)均自动完成。该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂(片)等。其工艺流程是: (1) 干粉料均匀筛入团筒形型腔(图a); (2) 下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时将粉料扑出(图b); (3) 上、下冲头同时加压(图c)，并保压一段时间; (4) 上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯(图d); (5) 料筛推出片坯(图e)。 第 3 页 上冲头料筛粉料 下冲头 (b)(a)(c) 片坯 其设计参数为:冲头压力150,,;生产率每分钟10片;机器运转不均匀系数, (e),,;驱动电机可任选。 (d) 四.设计要求及参数 ?4-1 设计要求与部分参数 上冲头、下冲头、送料筛的设计要求是: (1) 上冲头完成往复自移运动(铅锤上下)，下移至终点后有短时间的停歇，起保压 作用，保压时间为 0.4S左右。因冲头上升后要留有料筛进人的空间，故冲头 行程为 90,100mm 。因冲头压力较大，因而加压机构应有增力功能(图 a); (2)下冲头先下沉3 mm，然后上升8 mm,加压后停歇保压，继而上升16 mm ，将成 形片坯顶到与台内平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后，再下移 21 mm ，到 待料位置(图 b); (3) 料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回。待批料成型并被推出型腔 后，料筛在台面上右移约 45,50 mm ，推卸片坯(图c)。 第 4 页 S上 (a) S下 (b) S料 上冲头、下冲头与送料筛的动作关系见下表: (c)上冲头 进 退 送料筛 退 近休 进 远休 下冲头 退 近休 进 远休 2(设计要求 1.压片成形机一般至少包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构。 2.画出机器的运动方案简图与运动循环图。拟定运动循环图时，可执行构件的动作起止位置可根据具体情况重叠安排，但必须满足工艺上各个动作的配合，在时间和空间上不能出现“干涉”。 3.设计凸轮机构，自行确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。计算凸轮廓线。 4.设计计算齿轮机构。 5.对连杆机构进行运动设计。并进行连杆机构的运动分析，绘出运动线图。如果是采用连杆机构作为下冲压机构，还应进行连杆机构的动态静力分析，计算飞轮转动惯量。 6.编写设计计算说明书。 第 5 页 7.可进一步完成:机器的计算机演示验证、凸轮的数控加工等。 ?4-2 设计提示 1.各执行机构应包括:实现上冲头运动的主加压机构、实现下冲头运动的辅助加压机构、实现料筛运动的上下料机构。各执行机构必须能满足工艺上的运动要求，可以有多种不同型式的机构供选用。如连杆机构、凸轮机构等。 2.由于压片成形机的工作压力较大，行程较短，一般采用肘杆式增力冲压机构作为主体机构，它是由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接而成。先设计摇杆滑块机构，为了保证，要求摇杆在铅垂位置的?2º范围内滑块的位移量?0.4mm。据此可得摇杆长度: 0.4 221，,,cos2:,,,sin2: r? L,,r式中——摇杆滑块机构中连杆与摇杆长度之比，一般取1,2。 根据上冲头的行程长度，即可得摇杆的另一极限位置，摇杆的摆角以小于60º为宜。设计曲柄摇杆机构时，为了“增力”，曲柄的回转中心可在过摇杆活动铰链、垂直于摇杆铅垂位置的直线上适当选取，以改善机构在冲头下极限位置附近的传力性能。根据摇杆的三个极限位置(?2º位置和另一极限位置)，设定与之对应的曲柄三个位置，其中对应于摇杆的两个位置，曲柄应在与连杆共线的位置，曲柄另一个位置可根据保压时间来设定，则可根据两连架杆的三组对应位置来设计此机构。设计完成后，应检查曲柄存在条件，若不满足要求，则重新选择曲柄回转中心。也可以在选择曲柄回转中心以后，根据摇杆两极限位置时曲柄和连杆共线的条件，确定连杆和曲柄长度，在检查摇杆在铅垂位置?2º时，曲柄对应转角是否满足保压时间要求。曲柄回转中心距摇杆铅垂位置愈远，机构行程速比系数愈小，冲头在下极限位置附近的位移变化愈小，但机构尺寸愈大。 3.辅助加压机构可采用凸轮机构，推杆运动线图可根据运动循环图确定，要正确确定凸轮基圆半径。为了便于传动，可将筛料机构置于主体机构曲柄同侧。整个机构系统采用一个电动机集中驱动。要注意主体机构曲柄和凸轮机构起始位置间的相位关系，否则机器将不能正常工作。 4.可通过对主体机构进行的运动分析以及冲头相对于曲柄转角的运动线图，检查保压时间是否近似满足要求。进行机构动态静力分析时，要考虑各杆(曲柄除外)的惯性力和惯性力偶，以及冲 杆冲头的惯性力。冲头质量m、各杆质量m(各杆质心位于杆长中点)以及机器运转不均匀系数δ均见表8.5，则各杆对质心轴的转动惯量可求。认为上下冲头同时加压和保压时生产阻力为常数。飞 第 6 页 轮的安装位置由设计者自行确定，计算飞轮转动惯量时可不考虑其他构件的转动惯量。确定电动机所需功率时还应考虑下冲头运动和料筛运动所需功率。 五.设计方案 ?5-1 整体机构动作分析 此(机械系统)压片机作用是从外界获取动力和原料(粉料)将它们加工成产品(5mm厚的片坯)。作用关系如下图所示。 压片机单元部分分解图: 其中筛料机构还有把成品片坯推出来的作用，整套传动系统可以让压片机每个 部分动作协调。 ?5-2 单元机构动作分析 (1) 上冲头:直线上下运动，最好具有急回特性，在下止点有停歇 或近 似停歇。 第 7 页 (2) 下冲头:直线上下运动，行程较小，运动具有间歇性。 (3) 筛料机构:直线往复运动，具有“推”的动作。 (4) 传动机构:是其他机构动作协调，有减速作用。 ?5-3 单元机构方案拟定 (1) 上冲头:机构具有增力功能，初步确定方案有如下几种: a1. b1. C1. (2) 下冲头:机构具有间歇运动，行程较小(24mm),初步确定方案有下面两 种: a2 . b2. 第 8 页 (3) 筛料机构:具有直线往复运动，且要有“推”的动作。初步方案有: a3 b3 C3 ?5-4 机构整体系统方案拟定 综合考虑，实行上冲头运动的住加压机构、实现下冲头运动的辅助加压机构、实现筛料运动的上下料机构。上冲头采用肘杆式增力冲压机构，由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接而成，因此，选用c1;下冲头要求运动精确，辅助加压，行程小，因此采用a2，下部采用对心直动凸轮机构;筛料机构要求直线往复运动，而且要有“推”的动作，因此采用凸轮机构容易实现，选c3。 各级传动都为齿轮或蜗轮蜗杆传动，传动精度高，运动可靠;上冲头由曲柄滑块机构带动运动精度高，移动料筛,至下冲头的型腔上方等待装料，并将上一循环已成型的工件推出(卸料)然后料筛震动，将粉料筛入型腔，下冲头下沉一定深度 Y ，以防止上冲头向下压制时将粉料扑出然后上冲头继续向下，下冲头向上加压，并在一定 第 9 页 时间内保持一定的压力;而后上冲头快速退出下冲头随着将成型的工件推出型腔 ，这便完成了一个循环周期。 系统运动简图综合 综合运动协作关系 第 10 页 ?5-5 单元机构参数计算 上冲头机构: 要求摇杆在垂直位置?2º范围内滑块位移量?0.4mm 第 11 页 r(1-)? 0.4mm ? r? 656.6mm 取摇杆摆角为40º，滑块行程90mm，杆L3=L5。 2L(1-)= 90mm ? L3= L5 = 192.3mm 据几何关系:L4= L3 = 229.2mm 取和上冲头一体的杆L6=200mm 取h1=300mm, 1、2、34组成的曲柄摇杆机构，要求L3摆角为40º 两个极限位置方程: ? 下冲头机构: 对心直动凸轮机构，其运动线图 A、B、C、D、E、F、G、H各处采用正弦修正，以保证无刚性冲击。 正弦加速运动规律推程方程为 s=h[(δ/δ)-sin(2πδ/δ)/(2π)] 00 υ=hω[1-cos(2πδ/δ)]/δ 00 第 12 页 2 a=2πhω2sin(2πδ/δ)/δ 00 回程时的运动方程为: ’’s=h[1-(δ/δ)+sin(2πδ/δ)/(2π)] 00 ’’ υ=hω[cos(2πδ/δ)]/δ 00 ’’2 a=-2πhω2sin(2πδ/δ)/δ00 取CD段分析: h1修正区段:将h=2*h ;δ=2δ1带入上述三式，得到: 10 S=h[(δ/δ)-sin(πδ/δ)/π] 111 υ=hω[1-cos(πδ/δ)]/δ ? 111 2a=πh1ω2sin(πδ/δ)/δ 式中δ?(0, δ) 111 (h-h-h)区段为等速运动区段，其运动方程为: 12 S=h+(h-h-h)(δ-δ)/(δ-δ-δ) 1121012 υ=(h-h-h)ω/(δ-δ-δ) ? 12012 a=0 式中δ?(δ,δ-δ) 1 02 h2区段为正弦加速度减速区段，其运动方程为: s=h-h{(δ-δ)/δ+h2sin[π(δ-δ)/δ]/π} 2002 υ=hω/δ-h2ωcos[π(δ-δ)/δ)]/δ ? 22022 2a=-h2ω2πsin[π(δ-δ)/δ)]/δ 式中δ?(δ-δ,δ) 022020 令δ=δ ，则 ?=? 得到 1 2h/δ=(h-h-h)/(δ-δ-δ) ? 1112012 令δ=δ-δ ，则 ?=? 得到 02 2h/δ=(h-h-h)/(δ-δ-δ) ? 2212012 联立方程??，得到 h=δh/(2δ-δ-δ) 11012 h=δh/(2δ-δ-δ) 22012 第 13 页 取δ=δ=π/12 ，又知δ=π/6+π/12=π/4，h=8mm ， 120 进而求解得到:h1=h2=2mm 凸轮基圆半径取80mm,由其修正后的运动线图作为驱动尺寸，绘得凸轮如下: 筛料机构: 也是对心直动凸轮机构，几何封闭。运动线图如下: 各个折点处用二次多项式运动规律修正，凸轮基圆半径取100mm,已修正后的 运动线图作为驱动尺寸，绘得其形状为: 第 14 页 ?5-6 传动比设计及动力选取 驱动电机选择:转速1450(r/min)，功率:6KW. ，目标曲柄、凸轮转速为10r/min. 每分钟生产10片 减速目标:1450r/min?10r/min. ?总=145 齿轮模数m=4，压力角α=20º. 第 15 页 传动系统直齿轮,锥齿轮，蜗杆部分参数: 基圆直径db 转速r/min 名称\参数 齿数Z 模数m(mm) 分度圆直径d(mm) 1蜗轮轮 20 25 2锥齿轮 58 4 232 500 3锥齿轮 20 4 80 1450 4直齿轮 87 4 348 327.0 500 5锥齿轮 25 4 100 500 6直齿轮 30 4 120 112.8 1450 7锥齿轮 25 4 100 500 8蜗杆 4 50 500 9蜗轮 20 25 10蜗杆 4 50 500 11蜗轮 20 25 12蜗杆 4 50 500 ?5-7 系统综合方案评价 系统功能:实现了目标运动功能，能自动完成生产活动; 运动性能:精确传动比，实现精确周期性动作，凸轮摇杆等基圆较大，而且运 第 16 页 动速度不是很快，系统运行平稳; 工作性能:达到目标生产速率; 动力性能:6kw电动机驱动，动力满足要求; 系统整体结构:比较紧凑; 经济性:用到两对锥齿轮，三对蜗轮蜗杆，加工成本可能会高。 六(自我评价与总结 通过此次课程设计，我进一步加深了对机械原理的理解，也知道了课本和现实实践的差距。从初步构思到动手这个过程中，我学会了细心与耐心。综合各科所学知识，。最后设计说明书的编写，让我的思考水平进一步提高。当然，在这个设计过程中也发现了很多问题，感觉到自己所学知识的局限性，这也明确今后专业课学习的方向。 在这次课程设计中，充分利用了所学的机械原理知识，根据使用要求和功能分析，选用组合成机械系统运动方案，从而设计出结构简单， 组合成机械系统运动方案，制造方便，性能优良，工作可靠的机械系统。 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关机械设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。 回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独 立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 ，不仅让我们把自己所学的知识运用到实际生活中去， 设计一些对这次课程设计 社会有用的机构，也让我们深刻体会到综合分析的重要性，因为在以后的学习和工作中，只有不断的钻研与探索，将理论运用于实践，才是达到发挥我们大学学习成果，奉献社会的真正目的～ 第 17 页 七(参考书目 孙 桓,陈作模,葛文杰.机械原理[M].7版.北京:高等教育出版社,2006. 吕仲文.机械创新设计[M].北京:机械工业出版社,2004. 邹慧君.机械运动方案设计手册[M].上海:上海交通大学出版社,1994. 第 18 页