地大 机械原理课程设计 粉末成形压机3好学长不留名.docx

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地大机械原理课程设计粉末成形压机3好学长不留名

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第一部分相关背景知识介绍

一、粉末冶金的用途

粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。

由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。

在现代社会中，粉末冶金具有以下几点用途：

（1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。

在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。

（2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。

（3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。

（4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。

（5）可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。

（6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。

二、粉末冶金材料和制品的今后发展方向

1、有代表性的铁合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展。

2、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金。

3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金。

4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。

5、加工独特的和非一般形态或成分的符合零部件。

综上所述，我们不难看出粉末冶金有这它自己独特的优点，在社会生产生活中发挥着至关重要的作用。

粉末冶金技术在未来发展的道路上仍然具有广阔前景，所以我们在机械原理课程设计中设计一个粉末成型压制的机构还是很有价值和意义的。

第二部分设计原理及设计要求

一、工作原理及工艺过程

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，其它执行件动作如图1所示：

（a）（b）（c）

（d）（e）

图1

（a）送料器上粉后返回，上模冲开始下行压制粉末，下模冲固定不动。

（b）上模冲压制到位，下模冲固定不动。

（c）上模冲上行回位，下模冲上顶压坯脱模。

（d）送料器推压坯下料，下模冲固定不动。

（e）送料器到位后准备上粉，下模冲下行回位，然后开始下一循环。

二、设计要求

1、上模冲压制机构应具有以下运动特性：

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速度而起到保压作用。

2、脱模机构应具有使下模冲顶出距离准确，复位时要求速度快而冲击小。

3、送料机构要严格遵守压制周期的规律。

4、进一步要求：

让上模冲和下模冲的行程可调。

三、主要技术参数要求

1、每分钟压制次数位10---40次；

2、压坯最大直径为45mm；

3、上模冲最大行程为110mm；

4、送粉器行程为115mm；

5、脱模最大行程位45mm；

6、压制及脱模能力最大为58kN;

第三部分机构运动循环图的确定和各个执行构件的选型

一、各执行构件的工艺动作和运动循环图

1、上模冲压制机构的工艺动作：

上模冲压制机构的曲柄在0º（在这里特殊规定0º是使上模冲位于最高位置的极位角度）到150º（这个数值由设计的极位夹角决定）要完成上模冲的下降和冲压过程；在150º到360º内要完成上模冲和粉料脱离并使上模冲继续向上升的工艺动作。

2、下模冲脱模机构的工艺动作：

在上模冲下降和冲压的过程中下模冲要保持不动，在上模冲脱离的同时下模冲上升，然后保持不动，最后下模冲下降复位，从而完成该凸轮机构的一周旋转工作。

3、送粉机构的工艺动作：

在上模冲和下模冲完成一周的运动的同时，送粉机构要先完成送粉、复位和等待这三个工艺动作，然后再完成推料、复位和等待这三个工艺动作。

结合上模冲压制机构、下模冲脱模机构和送粉机构的各个工艺动作拟定运动循环图如图2所示：

图2

二、各运动构件的选型

（一）各运动构件的功能分析

1、上模冲压制机构：

上模冲要求冲头能够快速接近粉料，并且能有保压过程，然后返回，由此可以看出这要求我们所选的上模冲压制机构要有急回特性，所以我们可以采用曲柄滑块机构或者凸轮机构。

对于曲柄滑块机构我们要采用偏置曲柄滑块机构才会具有急回特性。

由于当凸轮机构作为上模冲压制机构时，若上模冲冲击力过大会造成凸轮推杆的断裂，所以若要求上模冲冲击力较大时不宜采用凸轮机构。

2、下模冲脱模机构：

下模冲要求顶出距离准确，复位时要求速度快而冲击小，并且要求下模冲的运动规律很严格，所以我们可以采用凸轮机构。

若采用凸轮机构也还是会有一定的缺点，就是当上模冲的冲头冲压时必定会对下模冲凸轮脱模机构的推杆产生一定的影响，容易造成下模冲凸轮机构推杆的断裂。

3、送粉机构：

本题目要求送粉机构的运动周期严格并且具有行程要求。

根据此项要求我们可以采用对心曲柄滑块机构或者凸轮机构。

若采用对心曲柄滑块机构则无法保证留有送粉机构在送粉回程后和推料推程前的间歇时间。

如果不存在间歇时间就会使送粉和推料的速度大大降低，故采用对心曲柄滑块机构还是有一定的缺点的。

综合上面的分析，我们可以采用凸轮机构。

在运动过程中，凸轮可以严格保证运动的精确性和准确性，并且也可以提高送粉和推料的速度。

根据以上对上模冲压制机构、下模冲脱模机构和送粉机构的分析我们可以设计出几种粉末成型压机的机构简图，在运动方案选择和确定上会一一加以描述。

（二）运动方案的选择和确定

方案

（一）

方案

（一）的机构简图如图3所示。

图3

本方案所选的上模冲压制机构为偏置曲柄滑块机构可以满足具有急回特性，但在保压这一方面还有待考虑。

本方案所选的下模冲脱模机构是通过安装在与曲柄固连的凸轮再借助连杆机构传递过来的，但是本方案的缺点是下模冲的运动传递过于复杂会使运动的精确性受到影响，而且在FY段容易发生卡死现象。

本方案所选的送粉机构为凸轮机构很容易满足题意，但要对凸轮的设计提出较高要求。

本方案的传动系统采用蜗轮蜗杆传动，可以具有较大的传动比。

方案

（二）

方案

（二）的机构简图如图4所示。

图4

本方案所选的上模冲压制为偏置曲柄滑块机构与方案

（一）一样，具有同样的功能，我们所要考虑的就是选择合适的偏心距和杆长来满足题目的速度要求。

本方案所选的下模冲脱模机构为凸轮机构。

该机构的优点是运动具有精确性，可以严格满足题目要求，缺点是对推杆和凸轮的受力有严格的要求。

本题目所选的送粉机构仍为凸轮机构，可遵守运动规律并且具有推程准确、运动周期严格的特点。

本方案仍然选用蜗轮蜗杆传动，具有较大的传动比。

方案（三）

方案（三）的机构简图如图5所示：

图5

本方案与方案

（二）只是在传动装置上存在差异，由于蜗轮蜗杆具有较大的传动比，故在本方案中我们除了在电机输出的传动上采用了蜗轮蜗杆传动，其它的传动则一律采用链传动，这样可以有效的降低传动比。

由于电机转速较快而各个机构的转速较慢，故在电机输出时采用蜗轮蜗杆传动是可以的，并且该处的蜗轮蜗杆传动会使传动平稳、准确。

在下模冲2位于最低点的时候有一个凹槽会减小凸轮推杆对凸轮的冲击，这样会起到一定的安全保护作用。

凹槽的深度由下模冲凸轮推杆的行程和下模冲凸轮的安装位置有关。

结论：

通过以上的分析我们选择方案（三）作为最终的设计方案。

（三）所选运动方案的总体分析

通过对所选方案（三）的分析可知，对于本方案所选的上模冲的压制机构（偏置曲柄滑块机构），其上模冲冲头的运动规律为往复直线运动。

对于本方案所选的下模冲脱模机构（凸轮机构）和送粉机构（凸轮机构）则要在各自运动周期内做间歇直线运动。

（四）对于上模冲和下模冲行程可调的说明

本方案是通过更换不同长度的上模冲冲头和下模冲冲头来实现上模冲和下模冲行程可调的。

第四部分所选机构传动系统的选择

传动系统的选择：

根据电工学的知识可知，同步电机的转速n=60f/p,其中f为电机的频率，p为电机的磁极对数，一般的同步电机的转速n=2800转/分=2800转/60秒=46.67r/s.

对于方案（三）的分析设计可以知道，上模冲曲柄的角速度、下模冲凸轮的角速度、送粉机构凸轮的角速度三者之间的关系为：

2ω1＝2ω2＝ω3。

由n和ω的关系可以知道2n1=2n2=n3=20转/分，各轮之间的半径关系为r1=r2=2r3.

如图5所示，对于方案（三）的机构分析可得：

图5

1.在这里要求2的转速和上模冲曲柄的转速即4的转速一样，对于蜗轮蜗杆机构我们可以算出其传动比为i12=n1/n2=2800/20=140,由于该传动比较大，所以说选用蜗轮蜗杆机构很合适。

并且蜗轮蜗杆机构还具有传动平稳，啮合冲击小、结构紧凑等特点，所以这里可以选用蜗轮蜗杆传动。

2.由于2的转速和3的转速相等，并且要求2的转速和4的转速相等，所以运动由3传递到4其传动比i34=n3/n4=1.

3.运动由3传递到5，由于5的转速为3的2倍，所以该传动比为i35=1/2.

4.运动由5传递到6由于5的转速为6的2倍数，所以该传动比i56=2.

第五部分所选运动方案各机构具体分析

1、上模冲压制机构的尺寸确定和运动分析

上模冲压制机构的尺寸确定为由已知运动情况求解构件尺寸，即求运动反解。

以下将采用尝试法，首先确定机构参数之间的关系，再通过不断调试尺寸的值，用matlab软件画出其运动图看其是否满足运动要求，以寻找出符合要求的尺寸值和其他参数。

（一）上模冲压制机构的尺寸确定：

将上模冲压制机构从整个机构抽出来得到上模冲压制机构的简图如图6所示。

图6曲柄滑块

该机构简图可以简化成图7所示的形式，简化后的机构简图如图7所示。

图7曲柄滑块机构简图

⑴上模冲压制机构的运动要求：

a、上模冲的冲头要快速接近粉末，等速接近粉末或停留片刻（约0.4s）起保压作用；

b、上模冲每分钟要冲压10---40次；

c、上模冲冲头最大行程为110mm。

⑵上模冲压制机构的相关尺寸设计要求及设计过程：

a、由于要求上模冲的冲头每分钟冲压10---40次，在这里我们选择上模冲的冲头每分钟冲压20次，则n=20/min=20/60s=1/3（1/s）,即f=1/3Hz,有ω=2πf可知，这里上模冲曲柄滑块机构的曲柄的角速度ω1=2*π/3rad/s。

b、本题目要求具有急回特性，即要求快速接近物料再与物料分离。

取极位夹角θ=30°，急回的速比系数K=（180°+θ）/（180°-θ）=1.4，满足本题要求先快后慢的特性，则K,则极位夹角θ=[（1-K）/（1+K）]×180°≈30°.极位夹角θ如图8所示。

图8曲柄滑块机构

c、由极位夹角等条件来设计偏心距e：

①满足AB为曲柄的条件为：

AB+CD∞≤BC+AD∞；

其中：

CD∞-AD∞=e；

故：

a+e≤b；⑴

注：

曲柄滑块机构是四连杆机构的演化型式，故曲柄滑块机构中主动件为曲柄的条件可以用四连杆中判断曲柄的条件，其中移动副滑块C可以看做以无穷远处的D∞为回转中心的转动副。

②由图9可知：

cosθ=[（a+b）2+（a-b）2-（0.11）2]/[2（a+b）（b-a）]；

由于本题已经预定出：

θ=30°；

故可以推算出：

0.268b2+3.372a2=0.0121；

化简为：

b2+12.582a2=0.04515；⑵

③由图10可知：

H=A1C2-A1C1

=ecotθ1-ecotθ2

=e（cosθ1/sinθ1-cosθ2/sinθ2）

=[2esin（θ2-θ1）/[cos（θ1+θ2）-coscos（θ1-θ2）],

由于θ=θ2-θ1，

所以该式可以化简成：

H=2esinθ/[cos（θ1+θ2）-cosθ]；⑶

将⑶式化简为：

cos（θ1+θ2）=（2e+1.732H）/2H,

又由于-1≤cos（θ1+θ2）≤1；

所以可以算出-0.2053≤e≤0.0148（单位为m）；

这里取e的方向向下为正，设计该机构时，我们要求C1,C2点在A点下方，即e的取值为正，所以偏心距e的取值为e=10mm.

图9曲柄滑块机构简图

编译matlab函数：

有以上分析可知：

极位夹角θ=30°；

e=10mm

functionqubing%定义曲柄滑块运动机构函数“qubing”

e=10;%由已知条件可得

a=input（'PleaseinputthelengthofAB:

\nAB='）;%输出提示语言

b=input（'PleaseinputthelengthofBC:

\nBC='）;

thta1=180:

-.05:

-180;%θ1从180°到-180°按每一步0.5°变化

thta2=asind（（a*sind（thta1）+e）/b）;%θ1=acsin{（a*sinθ1+e）/b}

c=a*cosd（thta1）+b*cosd（thta2）;%c=a*cosθ1+b*cosθ2

plot（thta1,thta2,thta1,c）;%绘图函数

title（'thta1与thta2和c之间的关系'）;%给图命名

legend（'thta2','C'）;%添加图例

xlabel（'thta1'）;%x坐标

ylabel（'thta2,c'）;%y坐标

%072104班李威20120702

1.运用matlab7.9.0（R2009b）画出机构运动图：

2.具体操作：

按F5保存编译函数，点击debug中的run按钮，即执行程序：

3.电脑提示输入AB长度即a的长度：

输入AB=100（预输入值）

4.电脑显示下一步输入杆BC即b的值：

输入BC=200（预输入值）得到机构运动图：

θ2和滑块位移c与原动件θ1的关系图

这里取AB=100mm,BC=200mm,上机调试得到其运动线图，由图可知滑块C的位移c=300-100=200>110mm,且a和b不能满足b2+12.582a2=0.04515的条件，故这样的连杆尺寸不符合题意。

此图可以说明程序编译成功，没有问题。

之后可以在满足大条件b2+12.582a2=0.04515下不断调整a和b的值，滑块的位移满足形成小于110的条件。

首先求解a和b的取值范围：

b2=0.01415-12.582a2≥0解得:

0≤b≤59.90mm

a2=0.01415-b2/12.582≥0解得:

0≤a≤212.49mm

还有约束条件:

a+e≤b,且e=10故有:

a=10≤b

调试①取a=30,算得b=183.92满足a=10≤b,载入程序

得到以下机构运动:

这里取AB=30mm,BC=183.92mm,上机调试得到其运动线图，由图可知滑块C的位移c=220-155=65<110mm,满足滑块c形成不超过110的条件,但是行程为65可能太小,不足以满足上冲模的运动条件,而且曲线变化并非很明显,故可以进一步调试以取得更加理想的运动曲线.

调试②取a=35,算得b=172.44mm满足a+10≤b,载入程序

这里取AB=35mm,BC=172.44mm,上机调试得到其运动线图，由图可知滑块C的位移c=210-135=75<110mm,满足滑块c形成不超过110的条件

调试③取a=40,算得b=158.17mm满足a+10≤b,载入程序

这里取AB=40mm,BC=158.17mm,上机调试得到其运动线图，由图可知滑块C的位移c=200-120=80<110mm,满足滑块c形成不超过110的条件.

调试④取a=45,算得b=140.25mm满足a+10≤b,载入程序

这里取AB=45mm,BC=140.25mm,上机调试得到其运动线图，由图可知滑块C的位移c=205-115=90<110mm,满足滑块c形成不超过110的条件.

调试④取a=50,算得b=117.03mm满足a+10≤b,载入程序

这里取AB=50mm,BC=117.03mm,上机调试得到其运动线图，由图可知滑块C的位移c=165-67=98<110mm,满足滑块c形成不超过110的条件.

由上图可得:

极位1：

即图示A-B1-C1;此时滑块C处于最小位移处；

极位2：

即图示A-B2-C2;此时滑块C处于最大位移处；

极位夹角：

θ=accos[（a+b）2+（a-b）2-（0.11）2]/[2（a+b）（b-a）]

综上所述，偏心距e=10mm,a、b杆长要满足a+10mm≤b，b2+13.925a2=0.04515。

由此来确定杆长a、b,从而确定出滑块的运动规律。

在这里我们取初始值来确定AB（即杆长a）、BC（即杆长b）的长度，这里取AB=100mm,BC=200mm,上机调试得到其运动线图，即当θ1相对x轴正方面从180°转到-180°时,所得的θ1与c,v,a之间的关系如下图所示：

cosθ=[（a+b）2+（a-b）2-（0.11）2]/[2（a+b）（b-a）]

图10滑块的位移、速度、加速度线图

注释：

thta1表示转角θ1，c表示滑块的位移，v表示滑块的速度，a表示滑块的加速度。

结论:

由图10的图像可以看出，滑块的最大行程超过了110mm,不符合题意，所以我们还要对上模冲压制机构做进一不的运动分析，从而来确定满足题意的AB、BC的杆长。

（二）上模冲压制机构的运动分析：

用解析法对图11进行运动学分析可知：

图11

①矢量方程：

a+b=e+c

在x轴上的投影为：

acosθ1+bcosθ2=c

在y轴上的投影为：

asinθ1+bsinθ2=e

②位置分析解析表达式：

acosθ1+bcosθ2=c

asinθ1+bsinθ2=e

③速度分析解析表达式（将位置分析解析表达式两边求导）:

这里的ω1为曲柄的角速度，ω2为连杆的角速度。

（acosθ1）´+（bcosθ2）´=c´

（asinθ1）´+（bsinθ2）´=e´

化简为：

-aω1sinθ1-bω2sinθ2=v

bω2cosθ2=aω1cosθ1

④加速度分析解析表达式（将速度分析解析分析式两边求导）：

这里α1为曲柄的加速度，由于曲柄为匀速转动，其实α1=0；α2为连杆转动的角加速度,α0为滑块的加速度。

-（aω1sinθ1）´-（bω2sinθ2）´=v´

（bω2cosθ2）´=（aω1cosθ1）´

化简为：

aα1sinθ1+aω12cosθ1+bα2sinθ2+bω22cosθ2=-α0

bα2cosθ2-bω22sinθ2=aα1cosθ1-aω12sinθ1

将以上的位置分析解析表达式、速度分析解析表达式、加速度分析解析表达式用Matlab编程，通过输入不同的AB、BC的数值，从而画出滑块的位移、速度、加速度的图像，使得所设计的曲柄滑块机构的滑块的速度图像能比较好的满足题意的要求，那么这组的AB、BC的数值就是上模冲压制机构曲柄和连杆的长度。

通过以上分析可知：

①最终结果为:

经过上机调试,最后确定取AB=50mm,BC=100mm.

②所得图像为:

当θ1相对x轴正方面从180°转到-180°时,所得的θ1与θ2,c之间的关系如图所示:

图12θ1与θ2、滑块位移c之间的关系线图

当θ1相对x轴正方面从180°转到-180°时,所得的θ1与c,v,a之间的关系如图所示:

图13θ1与滑块位移a、速度v、加速度a之间的关系线图

③结论:

最终我们取得AB的杆长为50mm，CD的杆长为100mm。

从图13我们可以看出，这时滑块的最大行程满足题目中要求的110mm,且满足滑块在冲压过程快速压制然后离开时速度降低。

在冲压到粉料时速度放慢有保压的过程。

二、下模冲脱模机构的尺寸确定和运动分析

（一）下模冲脱模机构的尺寸确定：

在这里我们取凸轮的基圆半径r0=150mm,棍子半径rr=10mm,并且题目要求推杆最大行程h=45mm。

现在检验其设计的是否合理。

⑴滚子半径的考虑:

由于本题目在这里采用了滚子凸轮，为了避免失真现象就要要求理论廓线的最小曲率半径大于滚子半径rr。

由于ρ=（x´´2+y´´2）3/2/（x´y´´-y´x´´）,其中x´=dx/dδ,x´´=d2x/dδ2,y´=dy/dδ,y´´=d2y/dδ2.

由凸轮理论轮廓曲线方程x=（s0+s）sinδy=（s0+s）cosδ可知，x´=y´´=y,x´´=y´=-x.其中s0=r0,s为推杆运动方程。

则ρ=（y2+x2）3/2/（y2-x2）

根据设计出的凸轮轮廓（见图19）可以大致估算出各点的曲率半径，并且由于该凸轮基圆半径的设计较大，综合分析可知该机构滚子的设计是合理的。

⑵压力角的考虑：

对于一般的直动推杆取许用压力角[α]=30°,在这里e=0.

由r0≥︱（ds/dδ）tan[α]-s︱可知，如果取r=︱（ds/dδ）tan[α]-s︱,只要r0≥rmax即可。

用MATLAB画出r和δ的关系曲线如图14所示：

图14

注释：

that为下模冲脱料凸轮的转角。

结论：

由图14可以看出r的最大值为45，所以下模冲凸轮基圆半径选用150mm是可以的。

（二）下模冲脱模机构的运动分析：

⑴下模冲脱模机构的运动要求：

a、脱模最大行程为45mm；

b、要求顶出距离准确，复位快而冲击小。

⑵下模冲脱模机构的运动设计及过程

a、由于根据运动循环图可知，下模冲的运动周期应该和上模冲的运动周期一样。

由ω=2π/T可知，下模冲的凸轮运动的角速度和上模冲压制机构的曲柄的角速度是一致的，即ω1=ω2=-π/3rad/s。

（负号表示凸轮为顺时针旋转）

b、运动规律：

（设凸轮转角为θ，为方便起见在设计凸轮轮廓时取顺时针旋转为正）

①在0°---150°的过程中：

s=0

v=0

a=0

②在150°---180°的过程中：

设推程转角为θ0=30°，在编程过程中去顺时针为正，设计出凸轮轮廓后再调整旋转方向。

由于要求冲击较小，所以本过程采用正弦加速度运动规律。

s=h[（（θ-150°）/θ0）-sin（2π（θ-150°）/θ0）/（2π）]

v=hω2[1-cos（2π（θ-150°）/θ0）]/θ0

a=2πhω22sin（2π（θ-150°）/θ0）/θ02

③在180°---330°的过程中：

s=h

v=0

a=0

④在330°---360°的过程中：

在回程时为了方便起见也可采用正弦加速度运动规律。

设回程转角为θ´0=30°，在编程过程中去顺时针为正，设计出凸轮轮廓后再调整旋转方向。

s=h[1-（（θ-330°）/θ´0）+sin（2π（θ-330°