气动机械复合传动双工位冲压机.pdf

1 3 4 机械 设 计 与制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n uf a c t u r e 第 1 0期 2 0 1 3年 l 0月 气动机械复合传动双工位冲压机 高新新， 郭旭红， 钟康民 苏州大学 机电工程学院， 江苏 苏州2 1 5 0 2 1 摘要 在以往研究的基础上， 创新设计了基于杠杆一 双滚轮二级力放大机构的气动一 机械复合传动冲压机。这种创新型 的冲压机， 由于做到了在非常有限的空间内， 巧妙地利用杠杆机构的长度效应， 和双滚轮机构的角度效应。 将气缸活塞产 生的推力， 经过二级放大后传递到冲压头上， 因而， 相对于活塞杆直接输出作用力的简单气动冲压机 ， 在结构尺寸一定的 条件下， 能够显著提高冲压力； 而在冲压力一定的条件下， 则能够显著减小气缸直径。通过图例介绍了新型冲压机的工作 原理， 给出了具有工程指导意义和参考价值的力学计算公式及图表。新型冲压机仅仅用一个气缸， 就能够实现两个冲压 头的顺序作业， 不仅生产效率高， 而且节能环保。 关键词 双工位冲压机； 气动一 机械复合传动； 力放大机构； 杠杆； 滚轮 中图分类号 T H1 6 ； T G 3 1 5 ． 5 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 1 0 0 1 3 4 0 2 P n e u ma t i c Me c h a n i c a l Co mp o s i t e Tr a n s mi s s i o n Do u b l e L o c a t i o n Pu n c h i n g Ma c h i n e GAO Xi n x i n，GUO Xu -h o ng，ZHONG Ka n g - mi n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c E n g i n e e r i n g ， S o o c h o w U n i v e r s i t y ， J i a n g s u S u z h o u 2 1 5 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t O n b a s is o f t h e p r e v i o u s s t u d i e s t h e a u t h o r d e s i g n s i n n o v a t i v e l y p n e u m a t ic m e c h a n i c a l c o m p o u n d t r a n s mis s io n d o u b l e - s t a t i o n p u n c h m a c h i n e 6 ∞e d o n l e v e r - d o u b l e - r o l l e r s 2 - s t a g e f o r c e a m p l if y i n g m e c h ani s m ． Wi t h t h is n e w k i nd o f p u n c h m a c h i n e ， d u e t o t i n g a d v ant a g e oft h e l e n g t h e f f e c t ofl e v e r and t h e a n g u l a r e f f e c t o fd o u b l e r o l l e r s t ac舡l Z y w i t h i n a v e r y l i m i t e d s p a c e ，t h e t h r u s t for c e c r e at e d b yp n e u m ati c c y l i n d e r p i s t o n C an b e amp l ifie d t h r o u g h 2 - s t a g e force amp l if y i n g d e v i c e and t h e n b e t r a n s mi t t e d o n t o r a mm i n g h e ad． S o t h e i m p act for c e of t h i s n e w t y p e of p u n c h m a c h i ne ，u n d e r t h e c o ndi t i o n o fa d e fin i t e s t r u c t u r e s iz e ，r e l at i v e t o t h e s i m p l e p n e u m a t ic p u n c h m ach i n e t h at o u t p u t s d i r e c t l y act i n g for c e b y p i s t o n r o d ，c a n b e e n h a n c e d g r e at l y ． Wh i l e t h e i m p act f o rce i s a c e r t a i n v al u e t h e d i a m e t e r o fp n e u m ati c c y l i n d e r C an b e r e d u c e d s i g n ific a n t l y ． I t p r e s e n t s t h e w o r k p r i n c i p l e of t h e n e w k i n d p u n c h mach i n e b y l e g e n d a n d g i v e s t h e me c h anic s c a l c u l ati n g f o r mu l a a n d d i a g r a m s w h i c h are i n s t r u c t i v e a n d h a v e r e f e r e n c e v alu e i n e n g i n e e r i n g fi e l d ． T h e n e w t y p e p u n c h m a c h i n e j ust use s o ne p neu m ati c c y l i n d e r b u t i t C an i m p l e me n t t h e s e q u e n c e d o p e r at i o n s oft w o r a mm i n g h e a d s ． A s a r e s u l t i t l e a d s h i g h p r o d u c t i v i t y an d e n e r g y c o n s e r v ati o n a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n ． Ke y W o r d s Do u b l e- S t a t i o n P u n c h M a c h i n e ；Pn e u m a t i c - M e c h a n i c a l Co mp o u n d Tr a n s m i s s i o n；F o r c e Am p l i f y i n g M e c hanis m ；Le ve r；Ro l l e r 1引言 由于气压传动以清洁的压缩空气作为工作介质，不会产生环 境污染， 且活塞运动速度较陕， 生产效率高， 在机械工程领域应用越 来越广泛。 但是气压传动产生的系统压力一般为 0 ． 4 ～ 0 ． 7 MP a 川 。 利 用串联组合增力机构的思想 ， 我们设计出了杠杆～ 双滚轮二级 力放大机构的气动一 机械复合传动双工位冲压机。 2工作原理 我们设计出的杠杆一 双滚轮二级力放大机构的气动一 机械复 合传动双工位冲压机的原理图， 如图 1 所示。在主动活塞的中部 加工有一个矩形的径向孔 ， 并在其中以适当的间隙配合放置一 个浮动滚子， 与杠杆用销轴铰接在一起， 在杠杆上铰接两个基于 其轴线对称的主动滚轮。 主动滚轮下端布置两个上端铰接从动滚 轮的左右对称的冲压头。当换向阀处于图 I a 所示左位状态时， 压缩空气进入左气腔， 推动主动活塞向右运动， 活塞推力通过浮 动浮子的运动， 带动杠杆顺时针转动， 将力进行了一次放大； 之后 传递到主动滚轮， 主动轮将压力作用于从动轮， 这个过程中利用了 角度效应进行了第二次力放大； 之后带动右边冲压头向下运动完成 冲压工作， 左边冲压头在弹簧作用下向上运动回到初始位置。当右 边冲压工作完成之后，控制系统使得气动换向阀的电磁铁失电， 其 阀芯切换至图 l b 所示的右位工作状态， 压缩空气进入右气腔， 推动主动活塞向左运动， 同样利用杠杆的长度效应和双滚轮间的 角度效应对力进行两次放大， 之后左边冲压头向下运动完成冲压 工作， 右边冲压头在弹簧作用下向上运动回到初始位置。 来稿 日期 2 0 1 2 1 2 一 O 1 作者简介 高新新， 1 9 8 8 一 ， 男， 山东临沂人， 工学硕士， 主要研究方向 先进制造技术 第 1 0期 高新新等 气动机械复合传动双工位冲压机 1 3 5 气腔 浮动滚子 主动活塞 杠杆 主动滚轮 从 动滚轮 弹簧 冲压头 a b 图 1工作原理图 Fi g ． 1 W o r k i n g P r i n c i p l e o f Do u b l e - St a t i o n P u n c h M a c h i n e 左右两个工位如此循环工作。由于不存在单工位机床不可 避免的空行程， 因而大幅度提高了生产效率。 由于工作过程中两个滚轮之间存在着磨损，杠杆上铰接的 主动滚轮采用了滚动球轴承的结构形式， 工作过程中这种滚轮的 外圈不断的滚动， 大大减轻了对此滚轮的磨损。同样从动滚轮也 可以设计成此种结构， 这样更加减轻了滚轮的磨损。 3力学计算 3 ． 1力学公式计算 图 1 所示的工作原理图中， 表示双滚轮中心线和竖直方向 的夹角。杠杆一 双滚轮二级力放大机构的增力系数为 ． 1 ． ， ． 、 于是求得输出力的计算公式为 n 2 一 2 式中 p 压缩空气的压力； _ 一 号 单 簧弹力； 2 。 ， Z 厂杠杆的主动臂， 被 动臂的长度； ．，7 厂气 缸的力传递效率，一般可取 伽一0 ． 8 5 t” ； 广一 浮动滚子至冲压头之间的机械效率 ； 一主动活塞的直 径 。 当双滚轮间的角度从变小到时， 冲压头的行程为 s 。 c o s 2 -- C O S 。 3 式中 D．一主动滚轮的外径； d -从动滚轮的外径。 3 _ 2应用计算举例 由公 式 2 可见 ， 图 1 所示的杠杆一 双滚轮二级力 放大机构 的气动一 机械复合传动双工位冲压机具有较大的力放大效果， 因 此在输入力较小的情况下， 依然能够获得较大的输出力。 杠杆一 双 滚轮二级力放大机构增力机构在 l ,／ 1 2 2 ， 3 ， 5时的力学特性 图， 如 图2所示。假设 a 1 5 。 时开始冲压， 取 z l／ f 3 ， 设主动活塞直径 d | 0 0 ra m， 压缩空气压力p 0 ． 6 M P a 。由于弹簧作用力很小可忽略不 计， 可计算出输出力 F 5 2 7 3 4 N 。如果采用液压传动， 由活塞杆直 接输出同样的作用力， 并设液压缸内径与主动活塞相同， 液压系 统的工作压力为p L 5 2 7 3 4 4 6 ．7 MP a 。这一压力值在液压传动 7 r xl 0 0‘ 系统中， 已经属于中压范围。 能够产生如此大的输出力， 这意味着 工程中， 在输入主动力一定的情况下， 运用这种增力机构可显著 提高冲压力； 而且还能够解决动力源体积过大的问题。 娶 磐 双滚轮斜角 。 图 2增力机构力学杼 陛图 F i g ． 2 Me c h a n i c a l F o r c e Amp l i f i e r C h a r a c t e r i s t i c Gr a p h 4技术特性分析 基于杠杆一 双滚轮二级力放大机构的气动一 机械复合传动冲 压机， 具有以下技术特点 1 气压传动利用的是压缩空气的压力势能， 生产效率高。 压缩空气作为绿色化的能源， 不会产生环境污染。 2 杠杆一 双滚轮二级力放大机构是串联的二级增力机构， 有显著的增力效果。因此在结构尺寸一定的条件下， 能够显著提 高冲压力； 而在冲压力一定的条件下， 则能够显著减小结构尺寸。 这样使得冲压机的布置更为合理， 提高了柔f 生 化。 3 坎 寸 于双滚轮的角度增力机构，南于双滚轮间是滚动摩 擦， 因此可减小机构中的摩擦损失。 4 仅采用一个驱动装置， 能实现二个T位的冲压， 且气缸 正反行程都是工作行程， 避免了加工过程中的空行程， 经济性好， 生产效率高。 5结论 采用杠杆一 双滚轮二级力放大机构的气动一 机械复合传动双 工位冲压机，在一定的程度解决了气压系统输出力小的问题， 在 结构的布置上更加柔性化。我们希望这种力放大结构的出现， 能 够给从事冲压机研究和开发的工作人员带来启发和借鉴， 使其在 工程技术领域发挥更大的作用。 参考文献 [ 1 ] 林文焕， 陈本通． 机床夹具设计[ M J ．北京 国防工业出版社， 1 9 8 7 ． L i n We n h u a n ， C h e n B e n t o n g ． D e s i g n o f Ma c h i n e T o o l F i x t u r e [ M] ． B e ij i n g N a t i o n a l D e n c e I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 8 7 ． [ 2 ] 王维． 夹具增力机构的串联组合与计算机辅助创新设计[ D ] ． 苏州 苏 州大学， 2 0 0 7 ． Wa n g We i ． T h e c o mb i n a t i o n of f i x t u r e f o r c e - a mp l i f i e r me c h a n i s m a n d c o m p u t e r a i d e d i n n o v a t i v e d e s i gn[ D ] ．S u z h o u S o o c h o w U n iv e r s i t y ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 王明娣， 司广据， 钟康民． 无杆活塞气压缸驱动的二次正交铰杆增力压 力机[ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 7 1 2 1 6 1 8 ． Wa n g Mi n g - d i ，S i G u a n g - j u ， Z h o n g K a n g - mi n ． T w o s t e p o r t h o g o n a l t o g g l e f o r c e a mp l i f y i n g p r e s s f r i v e n b y r o d l e s s p i s t o n c y l i n d e r【 J J ． Ma c h i n e r y D e s i gn Ma n u f a c t u r e ． 2 0 0 7 1 2 1 6 - 1 8 ． [ 4 ] 窦云霞， 钟康民． 无液压泵式气液增压双工位液压拉深机[ J ] ．制造技术 与机床， 2 0 1 0 1 0 5 8 5 9 ． 下转第 1 3 8页 1 3 8 机 械 设 计 与 制 造 No ． 1 0 0c t ． 2 01 3 图 3不 同直径 的砂轮刀具齿廓曲线 Fi g ． 3 Di f f e r e n t Di a me t e r o f t h e Pr o fil e o f Grin di n g W h e e l 随着砂轮磨削加工的进行， 势必造成砂轮的磨损， 导致砂轮 直径变小， 砂轮刀具的齿廓曲线变短， 加工的渐开线螺旋齿轮的 齿形与实际渐开线齿廓误差较大。 这就需要根据砂轮磨损后的直 径重新进行砂轮齿廓的修整， 才能磨削出精度高、 齿形好的渐开线 螺旋齿轮， 传统的实验和理论计算的办法已不再适用。随着计算机 技术和数值计算方法的的快速发展， 结合渐开线螺旋齿轮的啮合原 理和砂轮加工螺旋齿轮的接触条件， 借助于软件编程的方法， 使成 形法加工高精度渐开线螺旋齿轮变成了现实， 并且可以有效的解决 因磨削磨损引起的齿形修整的问题， 通过简单的参数修改就可以实 现新的砂轮端面齿廓曲线的生成， 大大的提高了加工效率。相同齿 轮参数， 不同砂轮直径得到的砂轮截形啮合曲线， 如图3所示。 图 3中曲线由上到下所对相应的砂轮直径依次减小， 通过曲线可以 看到， 随着砂轮刀具直径的的减小， 砂轮廓线走势愈弯曲。 5结论 1 从圆柱螺旋面形成原理出发， 详细推导了渐开线螺旋面 的方程。 2 详细讲解了盘状刀具加工螺旋面时的接触条件， 得到 了接触方程式。 3 借助于数值计算方法， 得到了砂轮截面成形齿 廓的拟合曲线。 4 借助于计算机技术， 可以有效地解决砂轮因磨 损而引起的齿廓曲线的修整问题， 可以大大的提高加工效率。 参考文献 [ 1 ] 吴序堂． 齿轮啮合原理[ M] ． 第 2版． 西安 西安交通大学出版社 ， 2 0 0 9 ． Wu X u - 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j i n g ， Y u a n H o n g ， F a n g C h e n g g a n g ． R e s e a r c h o n NC g r i n d i n g s i mu l a t i o n o f i n v o l u t e t o o t h p r o fil e o n p l a t e g e ar mi l l i n g c u t t e r [ J ] ． Ma c h i n e ryD e s i g n＆Ma n u f a c t u r e ． 2 0 1 0 3 1 8 0 1 8 1 ． 上接 第 1 3 5页 D o u Yu n - x i a ， Z h o n g K a n g - mi n ． A p u mp - f r e e d o u b l e - s t a t i o n h y d r a u l i c s t r e t c h f o r me r w i t h a i r l i q u i d b o o s t e r [ J ] ．Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y＆ Ma c h i n e T o o l ， 2 0 1 0 1 0 5 8 5 9 ． l 5 j Z h o n g K a n g m i n， Gu o P e i q u a n ． O r t h o g o n a l R e i n f o r c e me n t Me c h a n i s m a n d H y d r a u l i c D r i v e[ J ] ．I n P r o c e e d i n g s o f T e n t h w0 r d C o n g r e s s o n t h e Th e o r y o f Ma c hi n e s a n d Me c h a n i s ms ．Ou l u， Fi n l a n d Ou l u Uni v e r s i t y P r e s s ， 1 9 9 9 1 5 2 0 3 7 2 0 4 2 ． [ 6 ] 钟康民， 宋强． 钢球增力液压夹具[ J ] _ 柳 械制造与机床， 1 9 9 9 1 1 4 7 _ 4 8 ． Z h o n g K a n g - 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