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1、 北京信息科技大学 设 计 综 合 课 程 设 计 报 告题 目： _螺钉头冷镦机_系 别：_机电工程学院_专 业：_机械设计制造及其自动化_班 级：_机械1005_学 号：_2010010125_姓 名：_纵华星_导 师：_张志强_成 绩：_2014年 1 月 3 日 目录一、设计题目3二、设计任务3三、设计内容41原动机的选择42送料机构4运动机构方案的提出4机构方案的比较5机构设计53截料机构6机构方案的提出6机构设计74滚筒机构85冷镦机构106传动机构12四、机构原理图141机构原理图142机构循环图14五、运动方案的模拟仿真15六、设计小结16七、参考文献17 螺钉头冷镦机一、设计
2、题目 螺钉头部成型通常采用冷镦塑性加工。冷镦是在室温下对螺钉毛坯高速打击，在挤压模腔中缩颈、压型的加工方法。冷镦使用的原始毛坯为长56m的棒料，主要工艺动作为：（1） 棒料间歇送进。（2） 截下短尺寸毛坯并运送到冷镦工位。（3） 进行预镦（缩颈镦粗）和终镦（头部压型）。（4） 成品从模腔顶出。原始数据如下：（1） 冷镦螺钉头的速度为120只/min。（2） 螺钉杆的直径D=24mm，长度L=632mm。毛坯料1248mm。（3） 冷镦冲头行程56mm。二、设计任务1） 按工艺动作要求拟定运动循环图。 （2） 机构的选型。 （3） 用解析法或图解法对传动机构和执行机构进行运动尺寸设计，或在尺寸给
3、定的条件下进行运动与动力分析。（4） 按选定的电动机和执行机构运动参数拟定机械传动方案。 （5） 绘制机械运动方案简图。(A1) （6） 绘制传动系统结构图(A1)，执行机构零件图（A2或A3）。 （7） 编写设计说明书。（用16K纸张，封面用标准格式） 设计说明书包括的主要内容： 1）目录2）设计题目3）工作原理4）原始数据5）执行部分机构方案设计a)分析执行机构的方案b)拟定执行机构方案c)执行机构运动循环图6）初定电机转速及传动装置方案7）执行机构尺寸设计及运动分析8）传动装置总体设计a)选择电动机b)计算总传动比，并分配传动比c)计算各轴的运动和动力参数9）传动件的设计计算10）轴的设
4、计计算、滚动轴承的设计计算、键的设计计算等。 11）设计小结12）参考文献三、设计内容1原动机的选择选择转速为1440r/min的Y型三相异步电动机选择原因：1 Y系列三相异步电动机能防水滴，防尘、铁屑或其它杂质侵入电机内部，是一种节能型的电动机。2 该系列电动机运行可靠，寿命长，使用、维护方便，性能优良，体积小，重量轻，转动惯量小，节省原料。适用于金属切削机床，水泵，运输机械，搅拌机，农业机械，食品机械等。3 考虑到各执行机构的转速（120r/min,60r/min），为了计算方便，故选用转速为1440r/min的Y型三相异步电动机.2送料机构运动机构方案的提出1 用不完全齿轮不完全齿轮机构
5、的结构简单，制造容易，工作可靠， 但是从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大冲击，故一般只用于低速、轻载场合。2 用棘轮机构 棘轮机构的主动件为摇杆，这里想到要用棘轮机构，是因为结构简单、制造方便、转角可调。但是工作时有较大的冲击和噪音，运动精度较差。适用于速度较低和载荷不大的场合。3 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。虽然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，但能满足机构的要求，而且槽轮结构简单、制造容易、工作可靠、机械效
6、率高，能平稳地、间歇地进行转位。机构方案的比较 上述三种方案中，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。机构设计在选用槽轮机构后，首先根据冷镦机总体的大小，初步定了槽轮机构里主动盘和槽轮的中心距离为L=100mm，圆销半径r=11.8mm，槽数Z=
7、4。考虑到传动的稳定性，我们选用了直径为20的轴。同时为了提高效率，我们设计两根原料同时进料。四槽槽轮计算运动系数 K=0.5是由工艺要求的时间循环图得 K=td/t=0.5/1=0.5 又由于公式 k=n(1/2-1/z) 则可取 n=2 及 Z=4 恰满足条件即4槽和2销槽轮机构。槽孔具体尺寸计算：设定L=100mm，回程半径R=Lsin=Lsin（/8）=70.7mm ，圆销半径r=R/6=11.8mm，槽顶半径S=Lcos=Lcos(/Z)=70.7mm，槽深hS-(L-R-r)=53.2mm ，此时h=56.8mm；拨盘轴颈=d12（L-S）=2(100-70.7)=58.6mm，为
8、便于转配，取d=20mm槽孔轴径=d22（L-R-r）=2(100-70.7-11.8)=35mm ，取d2=20mm。槽顶侧壁厚b=4mm，止弧半径R=53.9mm ，止弧以圆销中心为圆心90为圆弧。送料机构摩擦轮设计送料在槽轮带动下一个周期 T=1S内，前进一个加工材料长度，又设计要求L=26mm，则摩擦轮半径R满足：转过1/4圆周即90，材料前进L=26mm，1/4*2R=L，推出R=2L/=2*26/3.14=16.502mm，2R=33.104mm，为了方便装配打孔10。3截料机构 机构方案的提出 图1 曲柄滑块 图2 凸轮机构曲柄滑块的形状较为简单，具有 凸轮机构具有良好的冲击性，
9、能急回特性，且造型、计算都相对 够进行间歇运动，但是计算相对简单，能满足切断的要求 复杂综合各机构优缺点，以及构件设计参数要求，选择利用曲柄滑块机构带动切断刀，结构简单，具有急回特性，满足工艺要求。机构设计 采用作图法求出，设定初始刀的冲程是H=60mm，偏距e=56mm，由时间比算位夹角=36度。作图如下： 先做出竖直冲程60的直线，然后作出直角三角形其中一个角为36度，作其外接圆，再取水平距离为偏距56作竖直线交外接圆于一点，通过测量和计算得曲柄L1=20mm,连架杆L2=160mm。运动仿真参数曲线4滚筒机构 滚筒机构是一个很重要的部分，在冷镦过程中，工件才不会因为受到一个很大的冲击，致
10、使工件飞出或者螺钉杆偏置移位。在夹紧期间要完成预墩，冷镦以及剪切。机构方案的提出及比较 1.分度转位系统 2.圆盘机构使用带有六个孔的圆筒作为原料的分 在圆盘的径向上均布着小孔，截度转位机构，每两个孔作为一组。该 好的材料送进来正好嵌在孔里面，圆是间隙转动，圆筒通过间隙转动把 当圆盘转过一定角度的时候工件原料输送到预镦和终镦的位置，结构， 又继续送进去，这也能实现间 简单，输送效率高。 歇送料。对于圆盘机构，镦头在垂直方向工作，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
11、，故最终选择分度转位系统。机构设计 圆盘机构的尺寸设计要综合考虑加工两根材料的直径和为初镦和终镦机构实现冷镦的工艺。同时，为实现圆盘的间隙转动，采用三槽槽轮进行传动。圆盘的设计：我们取材料的直径2R=3mm，令其间距d=30mm,分度圆是直径为70，进料，初镦和终镦的直线组成的为一个等边三角形。三槽槽轮的设计由工艺要求的时间循环图得 K=td/t=1/6槽孔具体尺寸计算：设定 L=60mm，回程半径R=Lsin=Lsin60=52mm ,圆销半径r=5mm ；槽顶半径S=Lcos=30mm ，槽深hS-(L-R-r) ，取h=22拨盘轴颈d12（L-S），为便于转配，取 d=5mm ，槽孔轴径
12、=d22（L-R-r），取d2=5mm。槽顶侧壁厚b=4mm，止弧半径R=30mm 。5冷镦机构机构方案的提出 使用带有镦模的镦头将出了头的毛坯料镦一下，镦出螺钉头。本镦头上有两个镦模，分别是预镦模、终镦模。镦头在推进的时候可以同时为一段原料预镦，为预镦完的原料进行终镦，实现一镦两用，而且每次终墩预墩都是同时对两个零件进行，这样大大的提高了效率。机构设计冷镦机构,采用六杆机构。无急回特性。已知冲程56mm.根据空间安排，设DC=200mm，CE=200mm.A到DE线的垂直距离为600mm。由作图法，得原动件AB=60mm。BC=660mm。 6传动机构传动机构方案的提出 图1齿轮传动 图2
13、带传动直接接触的啮合传动，可传递空间任意 带传动可以缓和冲击和振动，当 两轴之间的运动和动力：制造安装精度 陪以合适的紧链结构，带传动中要求高，不适于大中心距，成本较高， 心距可以不受限制；而且由于有 而且高速运转时噪声较大。 弹性滑动的存在，过载时，相对 滑动可以起到保护作用。6、传动机构的确定比较两机构优缺点，以及设计性能要求确定通过带传动来实行机构的传动。具体的传动过程如下：1，电机到主轴的传动，由蜗杆涡轮减速装置，将电机转速降低到主轴要求的转速。 Z1-Z2-主轴。2，主轴到送料（四槽槽轮）机构主动轮，由带传动 d1-d2。3，主轴到冷镦（六杆）机构主动轮，由带传动 d3-d4,以及d
14、5-d6。4，主轴到截料（曲柄滑块）机构主动轮，由带传动d7-d8。5，主轴到滚筒（三槽槽轮）机构主动轮，由锥齿轮Z3-Z4。6，主轴到出料机构，由带传动d9-d10。 传动机构简图 机构设计由运动循环图，要想达到要求，即为每分钟加工120个，机构设定是每个周期T加工两个。则T=0.1s，进而可以得到送料机构主动件要求转速为30r/min,冷镦机构主动件要求转速为60r/min,截料机构主动件要求转速为60r/min，滚筒机构主动件要求转速为60r/min，出料机构只需保持持续转动即可，无转速要求。1，蜗杆涡轮减速机构传动的计算。 由于选定的是标准转速为1440r/min的Y型三相异步电动机，
15、在经过降速后主轴速度为60r/min,传动比i12=Z2/Z1=n1/n2=24,我们选取Z1=1,Z2=24右旋标准件，模数定为2.5.。 2，主轴到送料机构传动的计算。 主轴到送料机构靠的是带轮d1-d2的传动。由于送料机构原动件要求的转速为n2=30r/min，而主轴转速为n1=60r/min,传动比i12=d2/d1=n1/n2=2;我们考虑到实际箱体的情况，定的是d1=50mm，d2=100mm。3，主轴到截料机构传动的计算。 主轴到截料机构传动也靠的是带轮d7-d8。截料机构原动件要求转速为n8=60r/min，主轴的转速为n7=60r/min，传动比为i78=d8/d7=n7/n
16、8=1，为造型建模的方便，我们仍定的是d7=d8=50mm。 4，主轴到冷镦机构传动的计算。主轴到冷镦机构传动靠的是带轮d3-d4,和d5-d6，冷镦机构原动件要求的转速为60r/min,主轴转速为60r/min,传动比为i34=d4/d3=n3/n4=1,取d3=d4=50mm,同理可得，d5=d6=50mm.。5，主轴到滚筒机构传动的计算。 主轴到滚筒机构传动靠的是锥轮d3-d4来进行相关轴动力传动的，因为其主动件要求的转速为60r/min，主轴转速为60r/min，则传动比i34=Z4/Z3=n3/n4=1,刚分锥角为45度，取标准模数m=2.5，取Z4=Z3=20,d3=d4=mz=5
17、0mm6，主轴到出料机构传动的计算。 主轴到出料机构传动靠的也是带轮d9-d10。因为其转速没有特别要求，只要保证其在连续转动即可，所以我们拟定的仍是用d9=d10=50mm的带轮，传动比i910=d10/d9=n9/n10=1。这样其出料转速便为60r/min。出料带传送的速度为V=d=157mm/s。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=20，模数m=2.5的标准齿轮
18、，而作为送料机构的主动轮运转的齿轮，我们选用了齿数z=40，模数m=2.5的标准齿轮，转数正好是两倍。四、机构原理图图4-1 1机构原理图 图4-1所示为螺钉头冷镦机的工作原理图： 毛坯料由摩擦轮带动送入圆筒，摩擦轮由传动机构带动转动。圆筒以一定的转速间歇转动，其中圆筒不转时，机构依次完成送料/顶料 切断毛坯料、预镦、终镦这四个动作，其中送料和顶料通过同一动作完成，即送料的同时将腔内的螺钉顶出来。2机构循环图 以主轴转过一周作为一个运动周期，起始点为进料开始时，设主轴为0度。在一个周期内，进料四槽轮盘（两个销子）转过一个槽，完成一次动作（0.5s），一次停歇0.5s，动停比1。切刀极位夹角为3
19、6度，急回运动系数i=(18036)/(180+36)=2/3。进刀比送料速度要慢，当料完全进入滚筒以后，刀才开始进行切割。滚筒控制采用三槽槽轮，动停比为1/5。直到主轴转过300度之前。滚筒一直静止，完成进料和切割。300度之后进行滚筒转动。墩头（无急回特性）一开始往后退，然后往前走。在周期完成的一瞬间，滚筒刚好转到工作位置。墩头也刚好运动到与钉头接触位置，进行墩头。五、运动方案的模拟仿真 六、设计小结 我们接到的课程设计题目是“螺钉头冷镦机”，刚开始接到题目，我们小组就开始通过各种途径查找有关螺钉头冷镦机方面的内容，虽然找到的不是很多，但是相关类似的我们还是找到了，再通过向指导老师的了解，
20、我们大致上了解到了螺钉头冷镦机的工作原理。其原理可大致描述为在室温下把棒材或线材的顶部加粗的锻造成形方法。冷镦主要用於制造螺栓、螺母、铁钉、铆钉和钢球等零件。锻坯材料可以是铜、铝、碳钢、合金钢、不锈钢和钛合金等，具有很高的材料利用率。冷镦多在专用的冷镦机上进行，便於实现连续、多工位、自动化生产。在冷镦机上能顺序完成切料、镦头、聚积、成形、倒角、搓丝、缩径和切边等工序。棒料由送料机构自动送进一定长度，切断机构将其切断成坯料，然后由夹钳传送机构依次送至聚积压形和冲孔工位进行成形。 顺着这个思路，我们便开始构思方案。根据螺钉头冷镦机的工作要求，即需要实现五个动作，分别是送料，切断，预镦，终镦和顶料，
21、并且要求冷镦机没分钟能镦120个螺钉头。起初的设计思路为，先分别设计出能实现一个单独运动的机构，最后将这几个机构通过传动机构而组合在一起，以实现所有的动作。在之后的设计过程表明，这个思路是对的，但设计中遇到的困难我们之前并未能预料到。由于机构完成一个运动循环所用的时间极短，因此要求我们的设计尺寸达到一定的精度要求，并且要协调好各个执行机构间的运动，使整个运动达到最佳效果。设计过程中遇到的另一个困难体现在执行机构的选型上。因为选择的机构不仅要能实现预定的运动要求，还要通过自己的设计来算出机构的尺寸，同时要兼顾考虑造型、仿真方面的难易程度。而且，在设计的过程中为了提高机构的效率，在机构参数允许的范
22、围内，我们设计了两根料同时给进，然后同时切断，同时预墩和终墩。 当然，设计过程中还是面临了很多困难，比如机构运动仿真的过程的实现。但最后，通过小组成员的一起努力，还是顺利完成了。只是有些构件还是没能实现预计的运动，以及在精度方面还未能完全达到设计要求。这从侧面也反映出我们在三维造型与运动仿真方面的不足，今后我们应更多地学习设计方面的知识，提高自己的设计水平。同时通过这次小组合作，在设计方面分工协调。让我们认识到团队的力量，这不仅锻炼了我们团队协作的能力，也更加深了与同学之间的友情。七、参考文献1 孙桓、陈作模、葛文杰 主编：机械原理（第七版）高等教育出版社2 于惠力 冯新敏 主编：传动件设计与实用数据速查 机械工业出版社17