机械设计制造及其自动化专业科技技能训练--冷剪机设计.doc

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1、科研技能训练 河北科技师范学院欧美学院机械设计制造及其自动化专业2011级冷剪机设计于天祁（河北科技师范学院 机电工程学院） 指导教师：陈秀红、冯利臻摘要冷剪机是在冶金工业中经常用来对轧件进行切头、切尾或者切定尺的机械设备。作为剪切机械中的一种，冷剪机在冶金、航空、国防工业，以及印刷等轻工业均有广泛的应用。早期的冷剪机由于结构比较笨重而且没有快速换刀装置，导致生产效率比较低，产品的质量也不高。为此，我们设计了结构更为紧凑的曲柄连杆上切式斜刃剪切机。该剪切机主要包括剪切部分及传动部分。剪切部分采用上切式斜刃刀片的剪切方式，大大降低了剪切力。传动部分采用电机通过联轴器带动减速器代替原来的带传动，避

2、免了由于弹性滑动带来的功率损失，采用圆盘式摩擦离合器控制减速器与开式齿轮之间的离合，通过曲轴带动连杆的上下运动来完成剪切动作。该机构的特点在于用大齿轮代替飞轮，联轴器传动代替带传动。该剪切机的生产效率比较高且生产成本较低，适用于中小型棒材生产线或是无缝钢管管坯的剪切。关键词：圆盘式摩擦离合器，曲柄连杆，斜刀刃， 剪切机，联轴器传动Cold shearing machine designAbstractCold shear machines are usually used to come to carry on the machine equipments that slices the he

3、ad, slices the tail and to slice appointed dimension of the piece in the rolling metallurgy industry. The conduct and actions shears to slice the machine in of a kind of, cold shear the machine in the metallurgy, aviation, industry of defenses, and print the etc., the light industry all has the exte

4、nsive application.Earlier period of cold shear the machine because the structure is more bulky and did not change the knife the device quickly, cause produce the efficiency lower, the quantity of the product is also not high. For this, we designed the structure to even connect the pole for the crank

5、 of the tightly packed up the inclined blade of slice type shears to slice the machine.This shear to slice the machine to mainly include to shear to slice the part and spread to move the part. Shear to slice the part adoption up the inclined blade razor blade of slice type shears to slice the way, l

6、owering to shear to slice the dint consumedly. Spread to move the part adoption electrical engineering to arouse to decelerate the machine to replace through the adapter coupling to take to spread to move originally, avoid because of the power loss that the flexibility glide bring, adopt of a dish t

7、ype friction clutch control deceleration machine and the open type wheel gear to leave to match, arouse to connect the top and bottom of the pole through the song stalk sport to complete to shear to slice the action.The characteristics of that organization lies in to replace the flywheel with the bi

8、g wheel gear, the adapter coupling spreads to move to replace to take to spread to move.Should shear the production efficiency of slice the machine higher and the production cost is lower, being applicable to the medium small scaled and good material production line or no slot steel pipe billet to s

9、hear to slice.Keyword: A dish type of rubs clutch，Brace and link，Oblique blade，Shear machine，The adapter coupling transmission第28页1.1 剪切机的用途剪切机在冶金行业中主要用于板材、型材、型钢、棒线材的剪切或是剪断工作。其在电机电器、仪器仪表、金属结构、农机、船舶、建筑、冶金、航空航天和国防工业，以及包装装潢、出版印刷等轻工业均有广泛的应用。随着近些年来中小工业企业的发展，对钢板、型钢及棒线材的大量使用，对剪切机的需求量亦随之增大，剪切机的发展前途将更加的广阔。1.

10、2 剪切机的分类剪切机从不同角度的出发，有不同的分类方法。比较常见的方法有按剪切方式、剪切金属材料的温度、剪切机的驱动方式、剪切机机架的形式（开式机架、闭式机架）、剪切金属的品种及剪切机的剪刃形状与配置等方式。习惯上通常按照剪切机的剪刃形状与配置特点分类，可分为斜刃剪切机、平行刃剪切机和圆盘式剪切机、冲型剪切机、联合剪切机、型材棒料剪切机等。1.4 传动方案的选择和评述1.4.1 剪切机机械传动装置的作用及选择剪切机的机械传动装置是剪切机的重要组成部分。正确的选择传动装置将在很大程度上决定机械的使用性能、外形尺寸、重量、加工装配的劳动量和制造成本。剪切机的机械传动装置的作用时将电机的动能传递给

11、剪切机构，并对电机的速度进行减速，使剪切机构获得所需的剪切次数。机械传动剪切机的驱动方式按电机的驱动方式可分为直流电机驱动和交流电机驱动两种。通常中、小型剪切机采用交流电动机驱动，高速轴上装有飞轮，电机连续运转，剪切动作由离合器控制实现；大型剪切机的剪切速度比较慢，一般多采用直流电动机驱动，工作制为启停式工作制。也有少数采用连续工作制剪切，采用直流电机驱动并带有飞轮的大型剪切机。传动装置通常是由飞轮、齿轮、皮带轮、蜗轮副传动系统，离合器、制动器、轴及轴承组成。传动系统主要有开（闭）式齿轮传动，行星齿轮传动、蜗轮副传动。采用电机驱动的剪切机，电机及减速箱的布置可分为上传动和侧传动两种形式。单独使

12、用的中小型剪切机多为上传动形式，对于大型剪切机因为其电机和传动装置的重量、体积均很庞大，不宜装在机架上部，故采用侧传动的传动形式。通常满足同一剪切工艺要求的情况下，剪切机的传动装置可以有多种不同的结构方案。设计时应根据所需剪切来料的品种、规格、产量及质量的要求制定出最为合理的方案，不但能够满足剪切工艺要求外，在质量上也要达到安全、耐用、高效、经济、美观、便于使用和维修制造便利的要求。本次设计将电机置于剪切机上部，电机通过连轴器直接与减速器相连，同时用大齿轮代替飞轮传动。这样的设计用联轴器代替了皮带轮传动，从而避免了皮带轮传动由于皮带的弹性滑动造成的能量损失和传动比损失，且电机在机架上方便于安装

13、和维护。直接由大齿轮与减速器连接传动去掉了中间的飞轮使机构更加紧凑，进一步降低了能量的损失。2 剪切机参数及电机容量的选择2.1剪切机构图2.1 剪切机构2.2 主要参数的确定2.2.1 刀片倾斜角上刀片倾斜角与被剪钢材的厚度有关，在剪切薄钢板的时候，一般用，而在剪切厚钢板时为。同时刀片倾斜角的大小，还会影响斜刀刃剪切机的刀片行程。2.2.2 刀片尺寸刀片长度：在大、中型剪切机中 （2.1）式中： 刀刃长度，mm； 被剪钢材横断面的最大宽度，mm。刀片断面高度及宽度：可按照下述经验公式确定 （2.2） （2.3）式中： 刀片断面高度，mm； 被剪钢材断面高度，mm； 刀片断面宽度，mm。2.2

14、.3 剪刃行程由于剪刃倾斜角的影响，斜剪刃剪切机的刀片行程要考虑到由剪刃倾斜角所引起的剪刃行程增量。可按下式计算 （2.4）式中： 所剪钢材的最大宽度，mm； 剪刃倾斜角。因此斜剪刃剪切机的刀片行程为 （2.5） 式中： 剪刃行程（指剪刃的最大行程），mm； 被剪钢材最大断面高度（指棒材或管坯的直径），mm； 钢材上表面与压板之间的距离，此值的选取要保证钢材有一定翘头时，仍能通过剪切机，一般取 mm； 为了避免上剪刃受到钢材的冲撞，而使压板低于上剪刃的距离，一般取 mm； 为了使钢材能够顺利通过剪切机，下剪刃不被钢材磨损，使下剪刃低于辊道表面的距离，一般取 mm； 上下剪刃的重叠量，一般取 m

15、m。2.2.4 剪切次数理论剪切次数：；实际剪切次数：。2.3 剪切力的计算与校核斜剪刃剪切机的剪切力由三个部分组成 （2.6）式中：剪切机的总剪切力，KN；纯剪切力，KN；钢材被剪掉部分的弯曲力，KN；钢材在剪切区域内的弯曲力，KN。设为作用在剪刃单位长度上的剪切力，则作用在宽度为微分面积钢材上的剪切力为 （2.7）式中：钢材的厚度或多根棒材最大宽度时当量厚度；剪切区内各点的相对切入深度为 （2.8）式中：上剪刃的倾斜角。由式2-8得：；代入式(2.7)积分，则纯剪切力为 （2.9）或 （2.10）式中：单位剪切功，。式(2.10)中的值由于其中包含了，所以已经考虑了金属的塑性。对于冷剪时的

16、值，可用下式求得 （2.11）式中:、换算系数，一般取、；、被剪钢材的强度极限（）和延伸率。将、的值代入式(2.10)，则冷剪钢材时的纯剪切力为 （2.12）考虑、后，总剪切力根据B.B.诺沙里建议，可以按照下式计算 （2.13）式中:系数，试验研究表明，此系数与被剪掉部分的钢材宽度、轧件材料延伸率以及剪刃倾斜角等因素有关，即，其变化规律如图所示，系数最大值为0.95；图2.2 系数与的变化关系剪刃相对侧间隙，即剪刃侧间隙与钢材厚度的比值： （2.14）在mm时，取mm；当mm时，取mm；在时，取 mm。压板相对距离，即为压板中心离下剪刃侧边缘距离，与钢材厚度的比值： （2.15） 在初步计算

17、时，可取。因此，该剪切机的剪切力为 KN （2.16）式中:考虑由于刀刃磨钝、刀片间隙增大而使剪切力提高的系数其数值由剪切机能力选取：小型剪切机（MN） ；中型剪切机（MN）；大型剪切机（MN） 。取代入式（2.16）KNKN取名义剪切力KN。2.4电机功率的选择本次设计的剪切机工作制为连续启停工作制，在传动系统中没有设置专门的飞轮。因此，其预选电动机时，可根据静力矩的大小直接选取，即： （2.17）式中：电动机的额定力矩； 偏心轴上的最大静力矩； 从电动机到偏心轴的总传动比； 传动系统的效率； 电动机允许的过载系数。2.4.1 静力矩的组成为了比较精确地计算剪切机传动系统零件强度和电动机功率

18、，必须计算剪切机偏心轴上的静力矩。剪切机偏心轴上的静力矩由剪切力矩、摩擦力矩和空载力矩组成，即： （2.18）式中： 偏心轴上的静力矩； 剪切力矩； 摩擦力矩； 空载力矩。2.4.2 曲线图2.3 刀片行程与剪切机偏心轴转角的关系2.4.3 剪切力矩和摩擦力矩图2.4 剪切机构力三角形 已知曲线后，可进一步求出剪切力矩和摩擦力矩。设为这两个力矩的总和，即： （2.19） （2.20） （2.21） （2.22）式中： 推算力臂 刀台滑板与滑槽之间的摩擦系数，摩擦角为时 ； （2.23） 曲轴偏心转角为时，连杆摆动的角度 ； （2.24）式中： 曲柄偏心值； 连杆长度；若力方向为摩擦圆的内公切线

19、时 （2.25）若力方向为摩擦圆的外公切线时 （2.26）式中： 连杆与曲柄轴之间的销轴的摩擦圆半径； 连杆与上刀台之间的销轴的摩擦圆半径；考虑摩擦后，连杆作用力对曲轴中心的力臂；当时 （2.27）当时 （2.28）式中： 曲柄的摩擦圆半径； 、 （2.29）式中： 装轴承处的轴径。当时 mm （2.30）当时 mm （2.31）当时 mm （2.32）当时由式（2.23）得当时 由式（2.24）得由式（2.26）得 （2.33）由式（2.28）得 mm由式（2.21）得 mm由式（2.22）得 KNm （2.34）式中： 作用于上刀台的平衡力，KN 上刀台的重量，KN 曲柄轴的轴径，mm代入

20、式（2.34）得 KNm考虑到其他运动件的摩擦，取 KNm由式（2.18）（2.19）得 （2.35） KNm2.4.4 电动机功率的计算由于本剪切机的工作制为连续启停式工作制，另外从其剪切力、经济性、技术指标和设计标准等方面考虑初选Y系列电机，电机型号为Y315M12-4，额定转速，额定功率为。电机的额定转矩为： （2.36） KNm式中： 电动机的额定力矩； 偏心轴上的最大静力矩（）； 从电动机到偏心轴的总传动比（）； 传动系统的总效率（）； 电动机允许的过载系数（取）。3 传动方案3. 1 传动步骤3.1.1 电动机剪切机电动机工作制可分为三种：第一种为启停式工作制，每次剪切动作都要控制

21、电机启动停止，并且在传动系统中没有设置专门的飞轮；第二种为连续工作制，在传动系统中要设置专门的空切装置和飞轮；第三种为连续启停式工作制，在传动系统中设置离合器代替连续工作制中的空切装置，避免了启停工作制电机连续启动停车给传动系统带来的冲击，是一种结合了前两种工作制优点，并且避免了这两种工作制给传动系统带来的额外负担。电动机的选择要根据剪切机的基本要求和设计标准来进行，本剪切机在高速级由开式大齿轮代替飞轮，采用连续启停式工作制。3.1.2 联轴器联轴器是用来把两轴联接在一起，机器运转时两轴不能分离；只有在机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。联轴器根据对各种轴与轴之间相对位移有无补偿能力可以分为

22、刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器两大类。挠性联轴器又可按照是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器。本剪切机选用YLD16型凸缘联轴器，额定转矩为，许用转速（铸铁）、（铸钢）。满足设计要求，这种连轴器的特点是结构简单，工作可靠，装拆方便，刚性好，传递转矩大，但不能吸收冲击。当两轴对中精度较低时，将引起较大的附加载荷，适用于工作平稳的一般传动，高速传动时需要有高的对中和制造精度。3.1.3 齿轮齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，型式很多，应用广泛，传递功率可达近千万千瓦，圆周速度可达。按照齿轮的工作环境可分为开式、半开式、闭式。通常在开式齿轮传动，齿轮没有防尘罩

23、或机壳，齿轮完全裸露在外边；半开式齿轮传动则装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分浸入油池中，工作条件比开式齿轮有所改善；闭式齿轮传动通常装在经过精确加工而且密封严密的箱体（齿轮箱）内，润滑条件与防护条件与开式或者半开式齿轮传动相比是最好的，多用在重要场合。齿轮传动的主要特点有：1、 效率高 在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高，通常可达99%。这对大功率传动十分重要，因为即使效率只要提高1%，也有很大的经济意义。2、 结构紧凑 在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。3、 工作可靠、寿命长 设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，使用寿命可达一、二十年，这是其

24、它机械传动所不能比拟的。4、 传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛的应用，也就是由于具有这一特点。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。由于设计需要本剪切机采用闭式齿轮传动。3.1.4 离合器离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合。对离合器的要求有：接合平稳，分离迅速彻底；调节和修理方便；外廓尺寸小；质量小；耐磨性好并且有足够的散热能力；操纵方便省力。离合器的类型很多，常用的可分为牙嵌式和摩擦式两大类。牙嵌式离合器：由两个断面上有牙的半离合器组成。其中一个半离合器固定在主动轴上；另一个半离合器用导键或花键与从动轴联接，并

25、可由操纵机构使其作轴向移动，以实现离合器的分离与接合。牙嵌离合器是借牙的相互嵌合来传递运动和转矩的。牙嵌离合器一般用于转矩不大，低速接合处。材料常用低碳钢表面渗碳，硬度为5662HRC；或采用中碳钢表面淬火，硬度为4854HRC；不重要和静止状态的离合器，也允许用HT200制造。圆盘摩擦离合器：圆盘摩擦离合器是在主动摩擦盘转动时，由主、从动盘的接触面间产生的摩擦力矩来传递力矩的，有单盘式和多盘式两种。多盘摩擦离合器，它有两组摩擦盘：一组摩擦盘以其外齿插入主动轴上的外鼓轮内缘的纵向槽中，盘的孔壁则不与任何零件接触，故外摩擦盘可与主动轴一起转动，并可在轴向力推动下沿轴向移动；另一组内摩擦盘以其孔壁

26、凹槽与从动轴上的套筒的凸齿相配合，而盘的外缘不与任何零件接触，故内摩擦盘可与从动轴一起转动，也可在轴向力推动下作轴向移动。另外在套筒上开有三个纵向槽，其中安置可绕销轴转动的曲臂压杆；当滑环向左移动时，曲臂压杆通过压板将所有内、外摩擦盘紧压在调节螺母上，离合器即进入接合状态。螺母可调节摩擦盘之间的压力。内摩擦盘也可以作成碟形，当承压时，可被压平而与外盘贴紧；松脱时，由于内盘的弹力作用可以迅速与外盘脱离。摩擦离合器和牙嵌离合器相比，有下列优点：不论在何种速度时，两轴都可以接合或分离；接合过程平稳，冲击、振动较小；从动轴的加速时间和所传递的最大转矩可以调节；过载时可发生打滑，以保护重要零件不致损坏。

27、其缺点为外廓尺寸较大；在接合、分离过程中要产生滑动摩擦，故发热量较大，磨损也较大。为了散热和减轻磨损，可以把摩擦离合器浸入油中工作。根据是否进入油中把摩擦离合器分为干式与油式两种。摩擦离合器的操纵方法有机械的、电磁的、气动和液压等数种。其中电磁操纵的多盘摩擦离合器可实现远距离操纵，动作迅速，没有不平衡的轴向力，因而在数控机床等机械中获得了广泛的应用。由于本剪切机的设计要求及机器制造装配的需要，选择电磁式多盘摩擦离合器。3.1.5 曲轴曲轴通过连杆可以将旋转运动改变为往复直线运动或作相反的运动变换。常见的曲轴有三种形式：曲轴、曲拐轴和偏心轴。曲轴为压力机的重要零件，受力复杂，故制造条件要求较高，

28、一般用45#钢锻造而成。锻比一般取2.53。对于中大型压力机的曲轴则用合金钢锻制。如40Cr37SiMn2MoV、18CrMnMoB，锻比需大于3。对于大型曲轴，有时在支撑颈和曲柄颈的中心处钻深孔，以改善淬透性，提高机械性能。曲轴支承颈和曲柄颈，加以精车或磨光。为了延长曲轴寿命，在各轴颈特别是圆角处，最好用磙子碾压强度。3.1.6 曲柄连杆机构传动系统把电机的能量传递给曲柄连杆机构，通过减速器对电机转速减速，以获得所需的形成次数。曲柄连杆机构具有以下一些传动特点：1、 连杆机构中的运动副一般为低副。低副两运动副元素为面接触，压强较小，故可以承受较大的载荷；且有利于润滑，磨损较小；此外，运动副元

29、素的几何形状简单，便于加工制造。2、 在连杆机构中，当原动件的运动规律不变时，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。3、 在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，从而得到形式众多的连杆曲线，设计时可以利用这些曲线来满足不同的设计要求。剪切机的连杆要装在偏心轴上，由于曲轴轴径的变化使得连杆不是一个整体，而是由连杆体和调节螺栓组成的。所以可以通过调节连杆长度来达到调节装模高度的目的。调节螺栓下部的球头与滑块相联接，连杆体上部的轴瓦与曲轴联接。用扳手转动调节螺栓，即可调节连杆长度。为了防止装模高度在剪切过程中由于冲击载荷自动改变，所以

30、在机构中设有锁紧装置，由锁紧块和锁紧螺栓组成。锁紧块上开有正反扣内螺纹，与锁紧螺栓的正反螺纹相配合。锁紧螺栓可使锁紧块压紧调节螺栓，达到防松的目的。3.1.7 压板机构压板机构对于保证轧件的断面质量、防止钢材翘头都有重要的作用。另外增加压板后大大减少了侧向推力T，从而减少了滑板的磨损，减轻了设备的维修工作量，提高了设备的作业率。本设计的压板机构采用QGB25050气缸作为动力源，直接带动一个装有弹簧缓冲的压紧头。用压缩空气作为介质。在行程控制开关的作用下，压紧头随偏心轴的转动而上下动作，达到压紧固定被剪钢材或轧件的目的。该装置操作简便，维修容易。且能够满足生产需要。4.1 联轴器的计算4.1.

31、1 联轴器的类型的选择由于需要传递较大的转矩且转速较慢，所以本次设计采用YLD16型凸缘联轴器。4.1.2 联轴器的载荷计算公称转矩： （4.1） KNm由于本设计属于压力机，转矩变化较大并有强烈的冲击载荷，所以使用并按下式计算转矩： （4.2） KNm KNm选用的YLD16型凸缘联轴器，额定转矩为 KNm，许用转速r/min（铸铁）、 r/min（铸钢），可以满足生产要求。4.2 齿轮强度的校核齿轮系统的设计计算如下：1. 选定齿轮类型，精度登记，材料及齿数。 选择用直齿轮圆柱齿轮传动； 速度不高，故选用7级精度； 材料选择。选择小齿轮材料为（调质），硬度为280；大齿轮材料为ZG340-

32、640（调质），硬度为240，二者材料硬度差为40。 选小齿轮齿数21，大齿轮齿数，取85。2. 按齿面接触强度设计先进行试算： （4.3）(1) 确定公式内的各计算数值 试选载荷系数1.3； 计算小齿轮转矩： （4.4）其中：KNm；齿轮效率取0.98，联轴器效率取0.99； 将数据代入，算得： KNm 选取齿宽系数1； 查取材料得弹性影响系数=189.8； 按齿面硬度查得小齿轮得接触疲劳强度极限MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限MPa； 计算应力循环次数：小齿轮的转速： r/min （4.5）应力循环次数为： （4.6） （4.7）查得接触疲劳寿命系数 ，； 计算接触疲劳许用应力：取失效概率

33、为，安全系数=1,则 MPa （4.8） MPa （4.9）(2) 计算 试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 （4.10） mm 计算圆周速度 （4.11） m/s计算齿宽 mm （4.12） 计算齿宽与齿高之比 （4.13）模数 （4.14）齿高 2.25=20.025 （4.15）计算载荷系数根据圆周速度m/s、8级精度，查表得动载系数；直齿轮，假设10KN.m，查表得：；使用系数取为=1；8级精度、小齿轮相对支承非对称布置时， （4.16）代入数据，算得 =由3.46、1.13，查图表，得=1.15,故载荷系数： （4.17） 按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，得： （4.18） mm计算模数 （4.19） mm3. 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为: （4.19）(1) 确定公式内得各计算数值 查图表得小齿轮得弯曲疲劳强度极限MPa；大齿轮的弯曲疲劳极限MPa； 查图表得弯曲疲劳寿命系数,； 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数=1.4,则： MPa （4.20） =MPa （4.21） 计算载荷系数 （4.22）查取齿形系数， 查取正应力校正系数，, 计算大小齿轮的并加以比较 （4.23） （4.24）大齿轮的数值大。(2) 设计计算 （4.25） mm