推杆镦粗机床镦粗载体的设计.docx

1、推杆镦粗机床镦粗载体的设计1 前言1.1 产品介绍推杆镦粗机床是用于模具标准件推杆制造过程中“加热锻头”的专用设备。推杆广泛用于顶压销组件，是模具生产及制造中广泛应用的零件，推杆形状图1.1所示。传统的推杆头部成型工艺为螺旋压力机上模锻，主要成型工艺为顶镦。这种加工方法适用于单模膛模锻和小批量生产。而且坯料的装夹和拆卸均需要操作工人的手工操作，生产效率低下且加工精度不易保证。随着工业生产中对推杆的大量需求，实现推杆“加热锻头”的自动化生产是市场形式的需要。为了进一步提高推杆的生产质量，通过实现一人多机的高效率、高品质、低成本、低劳动强度的自动化生产方式，提高产能、降低成本。据此，提出推杆“加热

2、锻头”自动化生产技术的课题。在整体机床的设计中，我着重对镦粗载体进行了设计。此设计用于工件在该机床的定位夹紧和移动，在工件 “加热锻头”的过程中，要与加热、顶料、定位、卸件、锻头协同动作，准确定位，实现自动化。图1.1 推杆示意图1.2选题背景1.2.1国内外研究现状、水平及存在的问题在国内，只有很少一部分的企业生产镦粗机，而且绝大部分的推杆生产设备都是手动或者是半自动的，这样生产效率低下，精度不高。对于推杆这种在模具生产制造中大量应用的标准件存在严重影响，致使“加热锻头”工序的生产效率低下，严重制约和影响着推杆的大批量生产，从而影响我国模具行业的发展。在国外，在机械产品的加工中使用机器人已经

3、非常普遍，它具有速度快、柔性高、效能高、精度高、无污染等优点，是一种非常成熟的机械加工辅助手段。机器人对无定位工件的自动柔性搬运系统的工作原理，就是利用高清晰摄像头(vision系统)实现对无定位工件的准确位置判断，在机器人收到信号后，机器人装上为工件定制的专用手爪去做可靠的抓取工件，在与机床进行通讯得到上料请求后，最终完成机床的上下料。在各种机械加工行业中该系统应用广泛。使用机器人对无夹具定位工件的自动柔性搬运系统可以使生产流水线更加简单易于维护，并大幅度降低工人的劳动强度，效率和柔性又比较高。该系统结构简单、安全文明、无污染，能在各种机械加工场进行应用，满足了高效率、低能耗的生产要求。在国

4、内的机械加工，目前很多都是使用专机或人工进行机床上下料的方式，这在产品比较单一、产能不高的情况下是非常适合的，但是随着社会的进步和发展，科技的日益进步，产品更新换代加快，使用专机或人工进行机床上下料就暴露出了很多的不足和弱点。一方面专机占地面积大，结构复杂、维修不便，不利于自动化流水线的生产；另一方面，它的柔性不够，难以适应日益加快的变化，不利于产品结构的调整；其次，使用人工会造成劳动强度的增加，容易产生工伤事故，效率也比较低下，且使用人工上下料的产品质鼍的稳定性不够，不能满足大批蹙生产的需求。使用机器人自动柔性搬运系统就可以解决以上问题，该系统具有很高的效率和产品质量稳定性，柔性较高且可靠性

5、高，结构简单更易于维护，可以满足不同种类产品的生产，对用户来说，可以很快进行产品结构的调整和扩大产能，并且可以大大降低产业工人的劳动强度。在这种趋势下，对机器人自动柔性搬运系统的需求会大量增加。在我国机械制造行业和机床生产行业快速发展的趋势下，必须要实现镦粗机的生产自动化。因此，自动镦粗机及其载体的设计生产制造也是势在必行的。1.2.2选题的目的、意义我所选择的课题是：推杆镦粗机床镦粗载体设计。在进行本课题的设计过程中，会应用到我大学四年以来所学到的所有专业知识。作为毕业设计，选择这个题目，完全可以应用到大学四年所学到的专业知识，比如流体传动与控制，机床结构设计，金属塑性成形，夹具设计制造等多

6、方面的内容，这样不仅可以使我复习并巩固强化我在大学期间所学知识，而且使理论与实践相结合。另外我个人比较热衷于对设计类的课题进行研究，因此通过设计可以综合锻炼和提高自己独立进行方案设计的能力，在为以后工作中解决问题打好坚实的基础。1.3实施方案和研究手段1.3.1 实施方案在进行设计之前我们已经通过查阅图书和音像资料，到工厂进行参观实习等途径对推杆“加热锻头”生产有了一定的认识。推杆镦粗机床镦粗载体是已经比较成熟的产品，但题目的创新之处在于实现推杆镦粗机床镦粗载体的结构设计，并且达到整机结构合理、性能可靠、自动化程度高、成本低、生产效率高的设计要求。本课题的设计重点有两点：一是工件在该机床的定位

7、夹紧和移动。二是在工件 “加热锻头”的过程中，要与加热、顶料、定位、卸件、锻头协同动作，准确定位，实现自动化。因此需要设计人员具有良好的整机设计能力，夹具的设计能力和对金属塑性成形有一定的了解以及对机械零部件和液压，气动系统的设计和计算的能力，使得推杆镦粗机床镦粗载体外观紧凑结构简单合理，另外在结构合理，性能可靠的大前提下，机械产品的设计也要求更环保更高效更简约。1.3.2 研究手段在本次设计中，依据以前各专业课程的学习，各次课程设计的经验和进厂参观等实践经验，根据课题所提出的设计要求，查阅了机床夹具设计、金属塑性成型工艺及模具设计、机械设计手册等相关的文献资料。在前人设计的基础上通过分析比较

8、不断改进，确定载体具体形状尺寸。同时运用计算机进行辅助设计计算及绘图。2 机床工作原理2.1 毛坯加推杆材料采用W6Mo5Cr4V2其始锻温度为11801150终锻温度为900锻造的温度越高，金属的可段性越好，因为压力加工最好能在单相区（奥氏体区）进行，在组织均一的情况下，金属的塑形和应力状态都较均匀，能得到一样的变形，并且变形阻力也小，金属的塑形就好。根据毛坯所需的加工部分我采用感应加热的方式对推杆坯料进行加热。感应加热是电加热的主要方式。电加热是将电能转换为热能的而对金属毛坯进行加热的方法。电加热具有加热速度快、炉温控制准确、加热质量好、工件氧化少、劳动条件好、易于实现自动化操作等优点；但

9、设备投资较大，加热成本高。感应加热，即在感应器内通入交变电流产生的交变磁场作用下，置于交变磁场中的金属毛坯内部产生交变涡流，由于金属电阻引起的涡流发热和磁滞损失发热，使得毛坯得到加热。由于感应加热时的集肤效应，金属毛坯表层的电流密度大，中心电流密度小。电流密度大的表层厚度，即电流透入深度（cm）为上式中，f是电流频率（Hz）；是相对磁导率，各类钢在760（居里点）以上时是电阻率（cm）。由于集肤效应，感应加热时热量主要产生于毛坯表层，并向毛坯心部传导。为了提高大直径毛坯的加热速度，应选用较低的电流频率，以增大电流透入深度。而小直径毛坯，因截面尺寸较小，可用较高的电流频率，以提高加热效率。按采用

10、电流频率范围，感应加热被分为：工频（f=50Hz）加热、中频（f=5010000Hz）加热和高频（f=Hz）加热。本设计采用中频加热。感应加热速度非常快，烧损率一般小于0.5%，因此不用保护气体就可实现少或无氧化加热。另外，加热规范稳定，便于实现机械自动化操作，特别合适于在生产批量大的流水线上使用。2.2 镦粗成型过程本次设计中推杆的镦粗形式为闭式模锻成型，镦粗式闭式模锻也称闭式镦粗，其变形过程可分为如下三个阶：第一阶段：开式镦粗阶段，即自由镦粗，从毛坯与冲头或上模膛表面接触开始到毛坯金属与模膛的侧壁接触为止。与开式镦粗一样，闭式镦粗也分整体闭式镦粗和局部闭式镦粗两类。前者都是以毛坯外径定位，

11、而后者都是以毛坯的不变形部分定位。第二阶段:充满角隙阶段，即从毛坯的鼓形侧面与凹模侧壁接触开始，到整个侧表面与模壁贴合且模膛角隙被完全充满为止。在这一阶段中，变形金属的流动受到模壁的阻碍，变形金属各部分处于不同的三向压应力状态。随着毛坯变形程度的增加，模壁承受的侧向压力逐渐增大，直至模膛完全充满为止。第三阶段：挤出端部飞边，即充满模膛后的多余金属再继续增大的压力下被挤入凸、凹模之间的间隙中，形成环形纵向飞边。对于形状特别复杂的闭式模锻件，某些角部在变形的第二阶段结束时不能完全充满，而需要继续加大压力，在凸、凹模间形成端部环形纵向飞边，才能把金属挤入未充满的角隙，得到合格的锻件。其次，当坯料尺寸

12、偏差较大时，多余金属也只挤进凸、凹模间的间隙才能达到锻件所要求的尺寸。因此，闭式模锻成型的第三阶段往往又是不可缺少的。2.3 电镦工 本次设计的推杆镦粗机床采用的是电热镦粗工艺。电镦工艺是在接触电加热的同时对毛坯进行镦粗，毛坯加热和镦粗是局部连续进行的，因此毛坯被镦粗长度不受镦粗规则限制，一次镦粗的最大长径比l/d可达1520，试验中曾达到60。例如用平锻机制造的气阀（气门）锻件，工步达五个之多，若用电镦工艺聚料，只需电镦与终锻两个工步成型即可，如图 所示。电镦工艺除解决多次聚集金属的困难外，还具有劳动条件好、加工余量小和材料利用率高等优点。电镦后可在头部得到合理的的纤维分布，组织致密，晶粒度

13、可达67级。电镦工艺可采用结构简单通用性强的工夹具，也适于中小批生产。电镦机的工作原理如图2.1所示。图2.1 气阀电镦工艺a原毛坯 b电镦后毛坯 c压力机终锻的锻件砧块17与夹头3串接在变压器7的二次绕组电路上，变压器7的一次绕组通过接触与频率为50Hz的380V电流相连。能够在二次绕组上产生低电压、大电流。电压通常为27V，电流视毛坯尺寸和材料种类而不同，可达几千甚至上万安培。在顶镦液压缸1的压力作用下，毛坯的一端被顶向砧块17。在砧块与夹头两个电极间，金属杆毛坯内通过大量电流产生电阻热，将毛坯加热至锻造温度。夹头所用材料是是青铜、黄铜等导电性能良好的材料。毛坯在夹头间定位，并在保持良好的

14、接触条件下向前移动，逐步镦粗，直到碰到限位器18为止。砧块液压缸5的作用是使毛坯开始镦粗时，减少镦弯现象。节流阀6用于调节砧块后退的速度及开始镦粗时的压力。四通阀8在电磁铁9的作用下，保证顶镦液压缸与夹紧液压缸2的往复动作。二通阀10的作用是在镦粗结束后，使砧块液压缸动作，推动砧块17恢复原来位置。图2.2 电镦机工作原理图1- 顶镦液压缸 2-夹紧液压缸 3-夹头 4-毛坯 5-砧块液压缸 6、16-节流阀 7-变压器 8-四通阀 9-电磁铁 10-二通阀 11-压力表 12-单向阀 13-压力阀 14-液压泵 15-过滤器 17-砧块 18-限位器2.4机床总体方案全套设备由机床主体，电控

15、部分，液压站和感应加热电源组成。所有操作指令由电控柜和感应控制柜发出，重头工作压力由液压站提供，感应加热装置利用中频加热原理加热工件便于镦粗。本套设备利用胎膜锻的方式对对推杆进行镦粗，通过胎膜膜膛使坯料产生塑性变形从而得到所需的形状和尺寸。由于胎膜锻件是通过胎膜的模膛使坯料成形，所得毛坯比较接近于对应的零件形状和尺寸。因而，其材料利用率和生产效率比较高。参照德国E/P杆“加热锻头”自动化生产的机床的模式，我提出了机床简图如图2.3所示：图2.3 推杆镦粗机床结构简图1气缸 2.镦粗载体 3.上料块 4.顶料气缸 5.液压缸 6.顶料气缸 7.电感加热圈 8.镦粗油缸 9.下料块动作顺序说明如下

16、：（1）上料：由上料机构将料送入上料块3中。（2）顶料：气缸4将料由上料块顶入载体。（3）镦粗槽载料左移（左侧上料）：由气缸1推动，镦粗槽载着推杆向左移动，同时左侧的上料机构完成上料动作。（4）顶料气缸推进定位：顶料气缸6将推杆推进定位，同时感应圈将第一根推杆加热。（5）镦粗：镦粗油缸8动作 完成第一根推杆的镦粗。（6）顶料顶出15mm:顶料缸5将镦粗完成的料顶出15mm，同时右侧上料完成。（7）镦粗槽载件右移：由气缸1动作使得镦粗槽载件右移，左侧料进入镦粗工位。（8）加热镦粗顶出15mm（同时左侧卸件、左侧上料）：重复(4)、(5)、(6)工序完成右侧卸件，左侧上料。（9）镦粗槽左移，重复（

17、3）进入下一循环。下图2.4是推动载体运动的气缸气动控制回路图： 图2.4 气动控制回路1.气缸 2.三位四通电磁换向阀 3气源 我采用气动装置推动载体的运动，因为气动装置动作迅速，反应快，调节方便，维护简单。工作介质为空气来源方便无污染，且空气粘度小，流动时压力损失小，节能，高效。成本低，具有过载保护作用。在上图气动控制回路为中封式控制回路，当三位换向阀两侧均无控制信号时，阀处于中位，此时气缸停留在某一位置上。当阀的左端加入控制信号时，使阀处于左位，气缸右端进气，左端排气，活塞向左运动。在活塞运动过程中若撤去控制信号，则阀在对中弹簧作用下又回到中位，此时汽缸两腔压缩空气均被封住，活塞停止在某

18、一位置上。是载体带动工件完成在各工位的加工工序。3 镦粗载体设计3.1定位元件的选工件以外圆柱面作为定位基面时，工件的定位基准为中心要素，最常用的定位元件有V形块、定位套、半圆套、圆锥套等。不论定位基面是否经过加工，不论是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可以采用V形块定位。其优点是对中性好，即能使工件的定位基准轴线对中在V形块两斜面的对称平面上，而不受定位基面直径误差的影响，并且安装方便。因此，当工件以外圆柱面定位时，V形块是用得最多的定位元件。V形块上两斜面间的夹角一般选用60、90和120，以90应用最为广范。其中，90V形块（JB/T 8018.11999）的典型结构和尺寸均已标准化。设计

19、非标准V形块时，可参考图3.1所示有关尺寸进行计算。V形块主要参数如下。图3.1 V形块结构尺寸D：V形块的设计心轴直径，为工件定位基面的平均尺寸，其轴线是V形块的限位基准。：V形块两限位基面间的夹角，有60、90和120三种，以90应用最广。H：V形块的高度。T：V形块的定位高度，即V形块的限位基准至V形块底面的距离。N：V形块的开口尺寸。设计V形块时，D已确定，H，N等参数可从参照标准表1中选取，但T必须计算。由图可知：T=H+OC=H=（OE-CE）因为 OE=,CE=所以 T=H+当时 T=H+0.707D-0.5N表1 V形块结构尺寸（摘自 JB/T8018.1-1999）NDLBH

20、Abldh基本尺寸极限偏差H795321610205725.54+0.01204.584514103820122669475.510571815462516329126856.611692420552040811322570322550121512106915814423085403264161916128+0.0150111810185545100357620227060125504296202530151013.52012258580140501104030 固定V形块（JB/T 8018.2-1999）结构如图3.1所示。固定V形块在夹具体上的装配一般采用2 4个螺钉和两个定位销连接，定

21、位销孔在装配调整后钻铰，然后打入定位销。然而考虑到，在该机床中工件与V形块之间在上料和卸件过程中会产生频繁的摩擦因而会使V形块产生磨损并导致精度降低，从而影响推杆的加工精度。为了便于从载体上更换磨损的V形块，在其原有基本尺寸不改变的前提下，将V形块设计成不对称V形托板，如图3.2所示。并在不对称V形托板的长边一侧开出凹槽，通过装配在镦粗载体上的凸轮铰链机构安装在载体上。这样在更换不对称V形托板时只需要将铰链机构拉起即可。操作简单，有助于提高生产效率，降低工作强度。同时缩小了V形块的体积，降低载体质量，节省材料，降低成本。图3.2 不对称V形托板3.2胎膜胎膜如图3.3配合安装在载体的活动固定板

22、上，并用来保证完成锻件的最终成形。镦粗时坯料金属在在封闭的模膛中成型。因此，可以使得锻件的几何形状、尺寸精度和表面质量，最大限度的接近于产品零件的的几何形状、尺寸精度和表面质量。因而可以大大提高金属材料的利用率和锻件精度。图3.3 胎膜在普通模锻中，终锻模膛尺寸按照热锻件图确定。由于仅考虑了锻件的冷却收缩，而不考虑其他因素，所以锻件的公差较大。在本设计中，要求推杆须经一次锻造成型，且有较高精度，因此应综合考虑各种因素的影响，合理确定模膛尺寸。在简化设计中，闭式模锻的模膛尺寸可以按照式（3-1）确定，然后通过试锻来加以修正。 （3-1）上式中，A为模膛外径（mm）；为锻件相应的外径基本尺寸（mm

23、）；为毛坯和模具材料的线性膨胀系数（1/）；t为终锻时锻件的温度（）；为模具工作温度（）；为模锻时模膛外径A的弹性变形绝对值（mm）。模膛的尺寸精度和表面粗糙的，通常是根据锻件图对锻模所要求的精度和表面粗糙度等级来确定。一般情况下，对于中小型锻模和形状不是很复杂的模膛，按照三级和四级精度制造；对于大型模锻和形状复杂的模膛，按照四级和五级精度制造。一般来说，模膛的制造精度比锻件的精度高一到二级。模膛的表面粗糙度，应考虑加工的可能性。从有利于金属流动和减小摩擦的角度来说，希望表面粗糙度低些。通常，模膛中重要部位的表面粗度应比锻件相应部位的表面粗糙度降低一至二级。3.3载体动作气缸在设计中，我选用气

24、动装置作为载体运动的动力源。因为选用气动系统有如下优点：1. 空气可从大气中取之不竭，无介质费用的损失和供应上的困难；同时可将用过的空气直接放入大气，处理方便；万一发生泄漏，除引起部分能量损失外，不致产生严重影响。2. 空气粘度小，在管道中压力损失小，因此便于集中供应和远距离输送。3. 压缩空气工作压力低，可降低气动元件的材质和制造精度的要求，因而，结构简单，成本低廉。4. 气动动作迅速、反应快，这是突出的优点。因此，特别适用于一般机械设备的控制上。5. 气动维护简单，介质清洁，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换的问题。6. 使用安全可靠。可以在高温、腐蚀、易爆等恶劣环境下工作，并且能

25、够实现过载保护。此外，气动还具有操作控制方便，原件易于标准化，易于集中控制、程序控制和实现工序自动化等优点。根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力F。 （3-2）取摩擦因数=0.20.8。 根据气缸的运动状态预选气缸的负载率根据气源供气状态，确定气缸的使用压力p。p应小于减压阀进口压力的85%。已知F，p，对双作用气缸，预选d/D=0.160.4，根据公式（3-3）和公式（3-4），便可选定缸径D。缸径尺寸D硬标准化。单杆双作用气缸理论输出推力（活塞杆伸出） (3-3) （3-4）式中，理论输出力，N；D缸径，mm；d活塞杆直径，mm；P使用压力，MPa。由公式（3-3）、（3-4）可求得气

26、缸直径D：当推力做功时， （3-5）当拉力做功时， （3-6）将 d/D = 0.160.4代入（3-6），可得： （3-7）据估算镦粗载体部分移动所需的拉力为=3000N左右。代入公式得，由以上数据可得，D=100mm可满足使用要求。又由总装图可知，镦粗载体机构的行程为300mm，所需拉力为3000N，气缸内径为100mm则可以查表使用QGA100350MP2气缸，该气缸的主要参数是：内径为100mm，行程为350mm，在气压为0.4MPa是可提供3190N的压力。A代表无缓冲气缸，MP2表示尾部双耳式气缸。可以满足使用要求。4导轨设计导轨的作用是导向和承载，主要用来支撑和引导运动部件沿着一

27、定的轨迹运动。推杆镦粗机床的载体移动机构通过一对导轨副来实现，下面根据动作要求进行导轨设计。下导轨为不动的支撑导轨，上导轨为动导轨。导轨副的重要功用是导向和承载。因此，导轨副只允许有一个自由度，普通导轨以及静压导轨、动压导轨等导轨副工作面之间的摩擦性质为滑动摩擦滚动到贵副工作面之间装有滚动体，使两导轨面之间形成滚动摩擦。94.1导轨基本要求10导向精度 导向精度主要是指动导轨运动轨迹的精确度。影响导向精度的主要因素有：导轨的几个精度和接触精度、导轨的结构形式、导轨以及支撑零件的刚度和热变形。静（动）压导轨副之间的油墨厚度及其刚度等。精度保持性精度保持性精度保持性精度保持性 主要有到过的耐磨性决

28、定。耐磨性与导轨的材料、导轨摩擦性质、导轨上的压强机器分布规律等因素有关。刚度刚度包括导轨的自身刚度和接触刚度。导轨的刚度不足会影响部件之间的相对位置和导向精度。导轨刚度主要取决于导轨的型式、尺寸、与支撑件的连接方式及受力状况等因素。 低速运动的平稳性。 动导轨作低速运动或微量位移时易产生摩擦自激振动，即爬行现象。爬行会降低定位精度或增大被加工工件表面的粗糙度的值。 4.2导轨副材料根据摩擦学的理论，不同材料所组成的运动副的摩擦损比相同材料的药效。常用下列材料组合构成导轨副。铸铁铸铁动导轨常用灰铸铁，支撑导轨采用铸铁、高磷铸铁（含磷量高于0.4%也可高于0.6%）和合金铸铁（磷铜钛铸铁、钒钛铸

29、铁等），其耐磨性比普通铸铁高24倍，一般用于精密机床上。铸铁淬硬铸铁动导轨采用普通灰铸铁，并经刮配加工。支撑导轨常用HT20HT40铸铁并进行表面淬火提高其硬度及耐磨性。一般说来，动导轨的硬度比支撑到过的硬度低HB15HB45为宜。导轨表面淬火常用感应淬火、接触电阻淬火和火焰淬火等。铸铁淬硬钢板动导轨用铸铁。支撑导轨为碳素钢（T10A,T8A等）或合金钢（40Cr，CrWMn等）淬硬钢导轨。有色金属铸铁在重型机床导轨（例如龙门刨床工作台主运动导轨），为防止撕裂、降低磨损、保证运动导轨的平稳性和提高移动导轨精度，在动导轨机体上镶装ZQSn6-6-3，ZQAl-9-2等有色金属板。4.3导轨的选择

30、机床导轨主要结构形式及特点机床导轨的主要结构形式，按截面形状分有三角形、矩形、燕尾形和圆柱形四种。它们的特点是： 双三角形导轨它的导向性和精度保持都较好，导向性能随顶角的大小而不同。当导轨面磨损后，有自动下沉补偿磨损量的特点。 双矩形导轨它的承载能力大，摩擦系数比三角形导轨小，加工检验方便，但导向性较差。 燕尾形导轨导轨的夹角通常为55。导轨接触面小，刚性较差，但间隙调整方便，并能承受侧力矩。圆柱形导轨，不易积存大量较大切屑和润滑油，磨损后难以调整和补偿间隙。主要用于受轴向载荷的场合。图4.1 双矩形导轨示意图根据以上导轨的设计原则，结合推杆镦粗机床的实际工况，推杆的加工精度主要靠模具来保证，对轨精度不要求很高，所以不必要选择双三角导轨，同时又由于双矩形导轨加工方便，成本低廉。本着在满足使用要求的情况下选择成本低机构的原则，总结得到选用铸铁淬硬铸铁作为导轨副的材料，选择如图4.1所示的双矩形导轨来作为本机的导轨。5 机床的润滑5.1润滑的作用润滑的作用是减少摩擦、降低温度、并和密封装置一起保护润滑件不受到外界的损伤。我们很容易从设备的磨损规律中得知，正常磨损期越长，设备的使用效果就越好。也就是说，