簡易沖床的設計及其有限元分析.doc

畢 業(yè) 論 文論文題目 簡易沖床的設計及其有限元分析系 別 電子信息工程系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 學 號 學生姓名 指導教師（簽名） 完成時間 年 月摘要在新的經(jīng)濟增長過程中，我國機床行業(yè)迅速發(fā)展，沖壓生產(chǎn)自動化是一種提高生產(chǎn)效率、保證生產(chǎn)安全的根本途徑。沖床是最主要的鍛壓設備。它的工作原理是：通過曲柄滑塊機構將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的直線往復運動。在設計過程中，首先查閱了有關沖床的資料，了解沖床的工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀，然后根據(jù)沖床的設計方案要求，對沖床機械部分進行設計并進行校核計算，并用CAD繪圖軟件繪制沖床總裝圖和主要零部件圖，最后，利用ProEngineer軟件ProMechanica中的ProMechanica模塊，對沖床主要零部件進行有限元分析計算并對結果進行研究處理。關鍵詞：沖床 帶傳動 有限元分析目錄第一章 緒論11.1 課題背景11.2 鍛壓機械的概念及發(fā)展前景11.3 壓力機的概念與分類21.4 壓力機的工作原理6第二章 壓力機的主要技術性能及結構的確定82.1 曲柄壓力機主要技術性能的確定82.2 曲柄滑塊尺寸確定及運動分析8第三章 壓力機運作系統(tǒng)的設計113.1 電機的選擇113.2 飛輪的轉(zhuǎn)動慣量與尺寸計算123.3 V帶傳動設計與計算13第四章 基于ProMECHANICA的簡易沖床有限元靜力學分析194.1 簡易沖床有限元分析的目的194.2 基于ProMECHANICA的沖頭有限元分析194.3 查看并總結分析結果264.4 對連桿和偏心軸進行有限元分析294.5 本章小結33第五章 壓力機的安裝、潤滑、使用、及維修345.1 壓力機的安裝345.2 壓力機的潤滑345.3 壓力機的使用345.4 壓力機的維修37第六章 總結38參考文獻39致謝40第一章 緒論1.1 課題背景現(xiàn)在，機械、電子、輕工、國防等工業(yè)部門的產(chǎn)品零件已越來越多的轉(zhuǎn)為以模具為基本工具進形成形，因為塑性成形時，移動材料單位體積的速度比切削加工快，生產(chǎn)效率高。塑性成形不僅能改善材料內(nèi)部的結構和缺陷，還能充分的利用材料纖維組織的方向性，大大提高零件的力學性能。一般的沖壓件、塑性件、壓鑄件一般經(jīng)成形即為成品，無需再進形切削加工或只需少量的切削加工。故零件重量輕，材料利用率高，適合大批量生產(chǎn)。成形有兩個概念；一是成形，即毛坯在外界壓力下，借助于模具通過材料的塑性變形來獲得具有所需形狀和尺寸的產(chǎn)品。二是成型，是指液態(tài)或半液態(tài)的原材料在外界壓力下，通過流動填充模型的型腔來獲得與模具型腔相一致的形狀、尺寸的產(chǎn)品。成形設備是為各類成形工藝服務的，它是借助于模具生產(chǎn)各類成型毛胚或成形制件的設備。成形設備的工作能力，完善程度及其使用潛力的發(fā)揮對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，降低產(chǎn)品成本，改善勞動條件，實現(xiàn)新工藝等都具有重要作用。 1.2 鍛壓機械的概念及發(fā)展前景鍛造是用錘擊或壓制的方法對坯料施以壓力，使之產(chǎn)生塑性變形的金屬加工方法。沖壓是用凹模和凸模將薄板成形為具有立體造型和符合質(zhì)量要求的制件的金屬塑性加工方法。兩者和稱為鍛壓，鍛壓機械是通過曲柄滑塊機構將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的直線往復運動，對金屬坯料進行成形加工的壓力機。鍛壓生產(chǎn)常用設備大致分為加熱設備、鍛壓成形設備和鍛壓生產(chǎn)輔助設備，本次畢設研究鍛壓生產(chǎn)設備?，F(xiàn)代鍛壓機械已不是制造毛坯的設備而是成品加工機械。其結構精密，輕巧，其最高行程速度已達到300次/分鐘，加工精度有的已達到微米級。其操作多采用自動化裝置，其控制系統(tǒng)多采用數(shù)字控制，現(xiàn)代鍛壓機械已擁有自己專用的多軸、高速、高分辨率和多功能的數(shù)控系統(tǒng)。能和電子計算機、和工業(yè)機器人自動換模系統(tǒng)及自動倉庫等結合，構成各種系列的柔性加工單元（FMC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS），并向電子計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的方向邁進。因此，現(xiàn)代鍛壓機械從其主要方面看，已是一種精密的自動的，機電一體的并能柔性連線的金屬成形機床。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國外生產(chǎn)數(shù)控沖床的廠家已有30多家，這還不包括一些著名廠家在其他國家的子公司或分廠。自數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床問世近30年來，伴隨著數(shù)控技術、液壓氣動技術、運動元件及計算機等相關技術的發(fā)展，數(shù)控沖床發(fā)展非常迅速。技術工藝，是衡量一個企業(yè)是否具有先進性，是否具備市場競爭力，是否能不斷領先于競爭者的重要指標依據(jù)。隨著我國數(shù)控沖床市場的迅猛發(fā)展，與之相關的核心生產(chǎn)技術應用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關注的焦點。了解國內(nèi)外數(shù)控沖床生產(chǎn)核心技術的研發(fā)動向、工藝設備、技術應用及趨勢對于企業(yè)提升產(chǎn)品技術規(guī)格，提高市場競爭力十分關鍵。在持續(xù)嚴峻的經(jīng)濟環(huán)境中，無切削成形是企業(yè)與對手拉開距離和競爭中勝出的有力手段，而且環(huán)保是21世紀的主題，作為環(huán)保的加工方法將是主要的發(fā)展方向。無切削成形中高精度、高附加值形狀的成形是不可或缺的，為了實現(xiàn)這些要求就必須了解從材料到成品的全過程綜合技術。沖床就其中一個重要的技術要素。1.3 壓力機的概念與分類1.3.1 壓力機的概念沖壓生產(chǎn)主要是針對板材的。通過模具，能做出落料、沖孔、成型、拉伸、修整、精沖、整形、鉚接及擠壓件等等，廣泛應用于各個領域。如我們用的開關插座、杯子、碗柜、碟子、電腦機箱，甚至導彈飛機有非常多的配件都可以用沖床通過模具生產(chǎn)出來。沖床也可用于在型材上沖孔,可以沖方形、長方形及圓形的孔。沖床是大型鋁合金門窗生產(chǎn)廠所使用的設備,而小型加工點是用其他設備代替,其精度和效率遠不及沖床。對于壓力機用最簡練的語言歸類就是：圖1 壓力機工作原理簡圖1.使用上、下模具。2.依靠對工具施加的關聯(lián)運動，使置于上、下模具間的材料受力，從而完成所要做的功。3.做功時產(chǎn)生的反作用力，由機械本身承受。機械壓力機是指通過曲柄滑塊機構將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的直線往復運動，對金屬坯料進行成型加工的壓力機，機械壓力機是沖壓加工的主要生產(chǎn)設備，它適用于大批量生產(chǎn)零件、配件。是一種高效率、低成本的零件生產(chǎn)工藝設備。機械壓力機按床身結構可分為開式、閉式和主柱式，其中閉式結構的床身結構剛性好。按滑塊機構和運動方式來分為單動和多動壓力機，目前使用的多為單動壓力機，而多動壓力機主要用于汽車車身等大部件的深壓加工。其中多動壓力機其外滑塊用于落料和壓邊，內(nèi)滑塊用于拉伸。根據(jù)壓力機的連桿與滑塊的連接形式，可分為單點、雙點或多點壓力機。按傳動機構的位置，傳動機構一般裝在壓力機的上梁部分，而且稱其為上部傳動機構，但也有為了減少壓力機距離地面的高度，而將其傳動機構設于壓力機底座下部的，這種壓力機被稱為下部傳動壓力機。下部傳動壓力機速度快、重心低、穩(wěn)定性好但維修和安裝比較困難。在沖壓加工中，壓力機完成的工序中，可分為分離工序和變形工序兩類，因此，應根據(jù)加工工序的性質(zhì)和充分的發(fā)揮設備特性的原則，合理的選擇壓力機的結構、形式。 1.3.2 壓力機的分類開式壓力機（沖床）壓力機根據(jù)產(chǎn)生壓力的機制而分類。使用液體傳動壓力的被稱為“液壓壓力機”，使用機械傳動壓力的被稱為“機械壓力機”。液壓壓力機，形程較長，壓力可調(diào)節(jié)，加工速度穩(wěn)定，不會產(chǎn)生超負荷。但是機械壓力機比液壓壓力機效率高，維修簡單，所以現(xiàn)在的材料加工大多采用機械壓力機。因本次畢業(yè)設計的特點，也只研究機械壓力機。機械壓力機一般按機身結構型式和應用特點來區(qū)分。圖2 開式壓力機按機身結構型式分有開式和閉式兩類。1.開式壓力機：也稱沖床，應用最為廣泛。開式壓力機多為立式（圖2開式壓力機（沖床)）。機身呈C形，前、左、右三面敞開,結構簡單、操作方便、機身可傾斜某一角度,以便沖好的工件滑下落入料斗,易于實現(xiàn)自動化。但開式機身剛性較差，影響制件精度和模具壽命，僅適用于404000千牛的中小型壓力機。2.閉式壓力機：機身呈框架形（圖3 閉式壓力機），機身前后敞開，剛性好，精度高，工作臺面的尺寸較大，適用于壓制大型零件，公稱工作力多為160060000千牛。冷擠壓、熱模鍛和雙動拉伸等重型壓力機都是用閉式機身。圖3 閉式壓力機按應用特點分，有雙動拉伸壓力機、多工位自動壓力機、回轉(zhuǎn)頭壓力機、熱模鍛壓力機和冷擠壓機。1.雙動拉伸壓力機:它有內(nèi)、外兩個滑塊,用于杯形件的拉伸成形。拉伸前外滑塊首先壓緊板料外緣，然后內(nèi)滑塊帶動凸模拉伸杯體，以防板坯外緣起皺。拉伸完成后內(nèi)滑塊先回程，外滑塊后松開。內(nèi)外滑塊公稱工作力之比為（1.71）:1。2.多工位自動壓力機：在一臺壓力機上設有多個工位，裝置多道成形模具，坯料依次自動向下一工位移動。在壓力機的一次行程中，各工位同時進行各道成形工序，制成一個工件。3.回轉(zhuǎn)頭壓力機：在滑塊與工作臺之間設有可裝置數(shù)十組模具的回轉(zhuǎn)頭，可按需要選用模具。坯料放在模具上而不再移動。每次行程完畢，回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動一個位置，完成一道工序。這種壓力機定位精度高，便于調(diào)整產(chǎn)品，一機多用，多用于沖制儀器底板和面板等?；剞D(zhuǎn)頭壓力機可配上數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)編好的指令選用模具和板材成形部位，自動完成復雜的沖壓工作。4.熱模鍛壓力機：用于模鍛件生產(chǎn)。機身剛度大，導向面長,承受偏載能力強。過去多用曲柄連桿機構,為提高剛性多已改用雙滑塊式和楔式。雙滑塊式結構較簡單，重量輕；楔式結構支承面積大，但傳動效率低。模鍛時滑塊在下止點附近容易卡死（俗稱悶車），所以設有脫出裝置。機械中有上下頂出裝置，能實現(xiàn)多模膛鍛造,鍛件精度較高，適于大批量生產(chǎn)。最大規(guī)格為160兆牛。5.冷擠壓機：用于冷、溫態(tài)擠壓金屬零件，如槍彈殼、牙膏管等。冷擠壓機一般是立式的，特點是剛度好，導向精度高，工作壓力大，工作臺面小，工作行程長。1.4 壓力機的工作原理本次為簡易沖床設計，基本工作原理是通過曲柄滑塊機構將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的直線往復運動，對坯料進行成形加工的鍛壓機械。特點是機械壓力機動作平穩(wěn),工作可靠,廣泛用于沖壓、擠壓、模鍛和粉末冶金等工藝。機械壓力機在數(shù)量上約占各類鍛壓機械總數(shù)的一半以上。機械壓力機的規(guī)格用公稱工作力（千牛）表示，它是以滑塊運動到距行程的下止點約1015毫米處（或從下止點算起曲柄轉(zhuǎn)角 約為1530時）為計算基點設計的最大工作力(圖1曲柄滑塊機構運動簡圖，通過傳動系統(tǒng)把電動機的運動和能量傳給工作機構，從而使坯料獲得相應的變形，制成工件。本次畢業(yè)設計采用一級V帶傳動，具體工作原理為：電動機通過皮帶將運動傳給大皮帶輪，從而把運動傳給偏心軸，連桿的上端套在偏心軸上，下端與滑塊鉸鏈連接，因此，將軸的旋轉(zhuǎn)運動變成滑塊的往復運動。上模裝在滑塊上下模裝在工作臺上。當材料放在上下模之間時，即能進行沖裁或其他變形工藝，制成工件。由于加工的特點，滑塊需要時而運動，時而停止，因此裝有離合器和制動器，壓力機在整個工作周期內(nèi)進行工藝操作的時間很短，即有負荷的工作時間很短，大部分時間為無負荷的空程。為使電動機的負荷均勻，有效的利用能量，因此要裝有飛輪，大皮帶輪即為飛輪作用。圖4 壓力機工作原理簡圖1.5 壓力機的主要技術參數(shù)曲柄壓力機的技術參數(shù)反映了壓力機的工藝能力，加工零件的尺寸范圍以及有關生產(chǎn)率的指標，分析如下：1.公稱壓力Pg:是指滑塊離下死點的前一特定距離或曲柄轉(zhuǎn)到離下死點前某一特定角度時，滑塊所許可承受的最大作用力。2.滑塊行程：滑塊行程指滑塊從上死點到下死點的距離。3.滑塊行程次數(shù)n：指滑塊每分鐘從上死點到下死點，然后回到上死點所往復的次數(shù)。4.最大裝模高度H；指滑塊在下死點時，滑塊下表面到工作臺極上表面的距離。當裝模高度調(diào)節(jié)裝置將滑塊調(diào)節(jié)到最上位置時，裝模高度達到最大值。5.裝模高度調(diào)節(jié)量H：裝模高度能調(diào)節(jié)的距離即為裝模高度調(diào)整量。6.喉深：喉深指滑塊的中心線至機身的距離。7.工作臺及滑塊底面尺寸。機械壓力機的載荷是沖擊性的，即在一個工作周期內(nèi)鍛壓工作的時間很短。短時的最大功率比平均功率大十幾倍以上，因此在傳動系統(tǒng)中設置有飛輪。第二章 壓力機的主要技術性能及結構的確定2.1 曲柄壓力機主要技術性能的確定單位J40公稱壓力Pg40發(fā)生公稱壓力滑塊離F死點距離mm3滑塊行程Smm40滑塊行程次數(shù)n次/min200沖裁板厚mm2板料寬度mm300喉深（滑塊中心到立柱尺寸）mm1150工作臺極左右尺寸Lmm1400工作臺極前后尺寸Bmm1300表2-1 曲柄壓力機主要數(shù)據(jù)2.2 曲柄滑塊尺寸確定及運動分析曲柄R=S/2=20mm設傳入角=70 連桿尺寸為L,則取L=220mm畫出機構運動分析圖（圖5）。圖5 機構運動分析圖曲柄轉(zhuǎn)角從下死點算起，與曲柄旋轉(zhuǎn)方向相反為正，滑塊位移S從下死點算起向上方向為正，滑塊速度V及滑塊加速度，其方向向下為正，則有： 曲柄轉(zhuǎn)角可表示如下：式中：S滑塊位移（m）V-滑塊速度（m/s）滑塊加速度（m/s）曲柄角速度（rad/s）L連桿系數(shù)，又R曲柄半徑（m）L連桿長度（m） 則得出如圖6滑塊的行程,速度和加速度曲線圖圖6 滑塊的行程,速度和加速度曲線圖第三章 壓力機運作系統(tǒng)的設計3.1 電機的選擇根據(jù)已知的工作要求和條件:公稱壓力Pg=40kn，發(fā)生公稱壓力時滑塊離F死點距離Sp=3mm，滑塊行程h=40mm。行程次數(shù)n=200次/分，沖裁板厚=2mm，板料寬度=300mm，載荷有沖擊，小批量生產(chǎn)，兩班8年，斷續(xù)周期性工作，F(xiàn)c=40%.則電動機功率為：A= 其中：P電動機平均功率（千瓦） k一般為1.2-1.6 t 工作周期時間（秒） A 工作循環(huán)所需的總能量（焦） 工件變形功（屬有效能量） 拉延墊工作功，即進行拉延工藝時壓邊所需的功（屬有效能量）n 沖床滑塊行程次數(shù) 沖床行程利用系數(shù)(1) 由于行程次數(shù)n=200次/分，為中等，K取1.6(2) 工件變形功，因很小，故忽略不計(3) 由于采用自動送料，固沖床行程利用系數(shù)Cn=1 (4) 實際工作周期(3) 采用自動送料，傳動為二級，=0.4則 選用Y80M-4 型全封閉籠型三相異步電動機。 =0.55KW =1440r/min 則總減速比=1440/200=7.2采用V帶傳動=7.23.2 飛輪的轉(zhuǎn)動慣量與尺寸計算3.2.1 轉(zhuǎn)動慣量的計算在沖壓工件時，主要靠飛輪釋放能量，若忽略電動機在此時所輸出的能量，即得 則A0=A1+A2+A3+A4=71800J 由所選電機型可得 =0.027 查表得=0.02 則使 k=1.2 查表得 3.2.2 尺寸確定選用鑄鋼材料，飛輪即是大皮帶掄，飛輪外徑，見圖7一般由速比分配決定。即 其中是電機上小帶輪的直徑。圖7 飛輪零件圖以上所得轉(zhuǎn)動慣量實際不僅包括飛輪本身的慣量，還包括其他傳動零件的轉(zhuǎn)動慣量。在壓力機中，飛輪轉(zhuǎn)動慣量與飛輪本身的轉(zhuǎn)動慣量有以下關系： 飛輪轉(zhuǎn)動慣量是由輪緣、輪輻和輪轂階組成，其中輪緣部分是最重要的。即輪緣部分的轉(zhuǎn)動慣量：3.3 V帶傳動設計與計算3.3.1 V帶的型號的確定V帶型號根據(jù)設計功率Pd 和小帶輪轉(zhuǎn)速n1確定，查教材圖5-7可選取A型帶。3.3.2帶輪的基準直徑的確定查教材表5.7 普通V帶帶輪最小基準直徑，知A型帶=75mm,選取小帶輪基準直徑：=75mm；因此，大帶輪基準直徑：查表選取大帶輪基準直徑=560mm。其傳動比誤差 故可用。3.3.3驗算帶的速度由帶的速度公式： 式中電動機轉(zhuǎn)速；小帶輪基準直徑。即符合要求。3.3.4確定中心距a和V帶基準長度根據(jù)初步確定中心距考慮到結構，選取中心距=800mm。初算帶的基準長度：式中帶的標準基準長度； 帶的初算基準長度； 初選中心距。帶入數(shù)據(jù)計算得查教材表5.2普通帶基準長度及長度系數(shù)，確定帶的基準長度=2700mm。計算實際中心距，由故，實際中心距為851.4mm。3.3.5計算小輪包角小帶輪包角： =1443.3.6確定V帶根數(shù)Z根據(jù)確定帶的根數(shù)。式中 包角修正系數(shù)，考慮包角對傳動能力的影響，由教材表5.4查??；帶長修正系數(shù)，考慮帶長不為特定帶長時對使用壽命的影響，由教材表5.5查??；V帶基本額定功率。由教材表5.2查取單根V帶所能傳遞的功率為=1.37kW；由式 計算功率增量。其中Kb彎曲影響系數(shù)；傳動比系數(shù)；小帶輪轉(zhuǎn)速，r/min。查表得查表得 =1.0202； 故得查教材表5.4得=0.98；查教材表5.5得=0.99。所以所以，選取V帶根數(shù)z=2。3.3.7初拉力F0的確定單根普通V帶初拉力計算公式：式中 Pd 設計功率； vV帶速度； z帶的根數(shù)； 包角修正系數(shù)； m普通V帶每米長度質(zhì)量。查教材表5.1得 m=0.1kg/m。所以3.3.8計算作用在軸上的壓力FQ 壓力 等于松邊和緊邊拉力的向量和，如果不考慮帶兩邊的拉力差，可以近似的按帶兩邊所受初拉力的合力來計算： 式中 初拉力； 帶的根數(shù)； 小輪包角。所以 3.3.9小帶輪結構設計（1）帶輪材料選擇帶輪的材料主要采用鑄鐵，轉(zhuǎn)速較高時采用鑄鋼；小功率時可用鑄鋁或塑料。常用材料的牌號為HTl50或HT200。本設計中轉(zhuǎn)速要求不高，故材料選用鑄鐵，牌號為 HT200。（2）帶輪結構形式本方案中帶輪為中小尺寸（dd125mm），選用腹板輪。（3）帶輪結構尺寸(部分)確定帶輪的其它部分尺寸由經(jīng)驗公式計算。查教材得各數(shù)據(jù)：表3-1 小帶輪部分結構尺寸輪槽剖面尺寸尺寸大?。╩m）he12hamin2.75e150.3f10-1+2bd116B=（z-1）e+2f=（2-1）15+210=353830s12dd125dk=（1.8-2）d=68.4mm-76mm，取dk=70mm。第四章 基于ProMECHANICA的簡易沖床有限元靜力學分析4.1 簡易沖床有限元分析的目的對于此次設計的簡易沖床來說，沖頭、連桿和偏心軸是主要組成部分，在工作過程中受力較為復雜。鑒于此，利用ProEngineer軟件中的ProMechanica有限元分析模塊，分別以連桿、偏心軸、和沖頭為分析對象進行有限元分析，分析其在最大工況下的受力與變形情況。根據(jù)分析結果，指出各部分的薄弱處并提出相應改進措施。4.2 基于ProMECHANICA的沖頭有限元分析1. 進入ProMechanica有限元分析界面。(1) 單擊桌面上的開始程序命令，選中應用程序“ProEngineer”，打開ProEngineer軟件。也可以直接在桌面上雙擊“ProEngineer”圖標，打開ProEngineer軟件。(2) 單擊ProEngineer菜單欄上的文件打開命令，系統(tǒng)彈出“文件打開”對話框。選中要打開的模型文件，單擊對話框中的打開命令，將要進行有限元分析的模型文件打開。(3) 單擊菜單欄上的應用程序Mechanica(M)命令，系統(tǒng)彈出“Unit Info(模型單位系統(tǒng))”對話框，聲明了當前模型的長度單位、重量單位、力和時間單位等。單擊Continue按鈕繼續(xù)，系統(tǒng)彈出“模型類型”對話框，單擊確定按鈕，系統(tǒng)進入ProMechanica模式。沖頭有限元分析界面如圖4-1所示：圖4-1 沖頭有限元分析界面2簡化分析模型。為了加快分析的速度以及提高有限元網(wǎng)格劃分的精度，對不影響分析結果的部分進行簡化。模型經(jīng)過簡化后進入ProMechanica中進行分析，不僅能保證計算結果的準確性，還可以大大提高計算的效率。3沖頭的約束定義。沖頭與連桿下端鉸接，連桿將偏心軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)為沖頭的直線往復運動。在進行有限元靜力分析過程中，將沖頭受力最大時定格，將動力分析轉(zhuǎn)為靜力分析。因此定義約束時選擇連桿下端與沖頭鉸接面，將其六自由度全部定義為零。模型約束定義的步驟：依次單擊菜單欄中的插入位移約束命令，系統(tǒng)彈出“constraint”對話框。選取要將其六自由度設置為零的面，默認對話框中的設置，單擊OK按鈕，即可完成對模型的約束定義。模型約束定義如圖4-2所示：4-2模型約束定義4沖頭的載荷定義。在沖床工作過程中，若對沖頭進行有限元分析，研究其應力及變形情況，應在沖床工作中的某一特殊情況進行計算。由于需要研究沖頭的最大變形問題，因此在計算時把連桿的受力狀況固定在工況最惡劣的情況下，即是在公稱壓力作用時。把動力學問題轉(zhuǎn)化為靜力學問題來分析。沖頭是沖床的重要組件，實際工作中受力比較復雜。不僅受到?jīng)_壓件對其自身的反沖力，還會受到?jīng)_頭座給的支持力，為了比較準確和快速地得出結果，有必要對模型的受力情況進行簡化，把動力學問題轉(zhuǎn)化為靜力學問題來分析。施加于沖頭上的載荷F=40000N。沖頭模型載荷定義的步驟：單擊菜單欄中的插入力力矩負荷(L)命令，系統(tǒng)彈出“ForceMoment Load”對話框。根據(jù)模型分析的實際需要，對對話框中的參數(shù)進行設置，如施加力的名稱、施加的位置、參考坐標系、力的大小和方向等。設置好參數(shù)后，選取要施加載荷的面，單擊OK按鈕，將力施加到指定的位置。模型載荷定義如圖4-3所示：4-3 模型載荷定義5. 沖頭的材料定義。 在使用ProMechanica進行分析之前，必須先定義模型的材料特性。在ProMechanica中，經(jīng)常用到的材料特性主要有以下幾項：1. 密度。2. 楊氏模量。3. 泊松比。4. 熱膨脹系數(shù)。為了保證沖頭在結構輕巧的條件下有足夠的剛度和強度，采用DH鋼作為沖頭的材料。DH鋼材作為高強度的結構用鋼，顯示了及其良好的使用性能。其主要力學性能見表4-1：表4-1 沖頭材料DH鋼的力學性能屈服極限(MPa)彈性模量(GPa)密度(Kgm3)泊松比23521079000.25定義模型材料的步驟：(1) 單擊菜單欄中的屬性材料命令，系統(tǒng)彈出“材料”對話框，在材料庫中選中材料往模型中添加，如圖4-4所示。再單擊對話框中的編輯屬性命令，系統(tǒng)彈出“材料定義”對話框，在此對話框中，可進行材料物理屬性及力學性能的設置，如圖4-5所示。設置完成后，單擊確定按鈕返回“材料”對話框，單擊確定按鈕關閉“材料”對話框。4-4 材料定義4-5 材料屬性定義(2) 單擊屬性材料分配命令，系統(tǒng)彈出“Materials Assignment”對話框，如圖4-6所示。默認對話框中的設置，單擊OK按鈕，即可將模型定義為指定的材料。圖4-6 模型材料分配6. 網(wǎng)格劃分。ProMechanica提供了自動網(wǎng)格劃分器AutoGEM。在有限元分析的過程中，由AutoGEM對模型進行自動網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格模型的建立是有限元計算分析問題的先決條件，其分析結果的可靠與否主要取決于所計算的數(shù)學模型是否與實際結構相吻合。在利用AutoGEM進行網(wǎng)格劃分之前，需要對模型進行適當簡化，處理那些不影響分析結果而對網(wǎng)格劃分影響較大的細節(jié)(如倒角、圓角等特征)。從而使ProMechanica能夠順利進行自動網(wǎng)格劃分，提高劃分的質(zhì)量，使計算結果更準確。AutoGEM網(wǎng)格劃分的一般步驟為：1執(zhí)行自動幾何菜單中的創(chuàng)建命令，系統(tǒng)彈出AutoGEM對話框。2選擇需要劃分網(wǎng)格的幾何參數(shù)，包括實體體積、曲面和基準線等。3設置相關參數(shù)。4進行網(wǎng)格劃分，保存網(wǎng)格文件。需要注意的是，AutoGEM網(wǎng)格劃分步驟不必單獨進行，在運行有限元分析計算之前系統(tǒng)將按照默認模式進行網(wǎng)格劃分，設計人員可以進行劃分設置，一般情況下系統(tǒng)根據(jù)模型自動劃分的精度已經(jīng)足夠高，不需要改動。沖頭模型的網(wǎng)格劃分：單擊菜單欄中的自動幾何創(chuàng)建命令，系統(tǒng)彈出“AutoGEM”對話框。單擊對話框中的Create按鈕，系統(tǒng)進行自動網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后，系統(tǒng)彈出對話框提示是否保存，單擊對話框中的是(Y)按鈕，保存網(wǎng)格劃分結果。沖頭有限元網(wǎng)格模型如圖4-7所示：圖4-7 沖頭有限元網(wǎng)格7. 運行有限元分析。單擊分析Mechanica 分析研究(E)命令，系統(tǒng)彈出“Analyses and Design Studies”對話框。單擊對話框中的FileNew static命令，系統(tǒng)彈出“static Analysis Definition”對話框。默認對話框中的設置，單擊OK按鈕，創(chuàng)建一個靜態(tài)學分析文件，并返回“Analyses and Design Studies”對話框，如圖4-8所示。然后依次單擊RunStart命令，系統(tǒng)彈出“Question”對話框，單擊是(Y)按鈕，系統(tǒng)彈出“”對話框，再單擊是(Y)按鈕，系統(tǒng)運行有限元分析計算。圖4-8 “Analyses and Design Studies”對話框4.3 查看并總結分析結果1. 查看沖頭的應力分布圖。單擊“Analyses and Design Studies”對話框中的“”圖標，系統(tǒng)彈出“Result Windows Definition”對話框，如圖4-9所示。直接單擊對話框中的OK and Show按鈕，系統(tǒng)將顯示沖頭模型的應力分布圖，如圖4-10所示：圖4-9 “Result Windows Definition”對話框圖4-10 模型應力分布圖2. 查看沖頭的變形圖。在“Result Windows Definition”對話框的Quantity下拉列表中選中“Displacement”，再單擊對話框中的Display Options按鈕，勾選Animate和Auto Start兩項，將Frames選項中的時間設置為24，其他設置保持默認狀態(tài)，如圖4-11所示。再單擊OK and Show按鈕，系統(tǒng)將顯示沖頭模型的變形動畫圖，如圖4-12所示：圖 4-114-12 沖頭變形圖3. 獲取沖頭應力及變形分析數(shù)據(jù)。單擊“Analyses and Design Studies”對話框中的InfoStatus命令，系統(tǒng)會以記事本的形式彈出有限元分析結果。由于本分析主要是研究車斗的應力及變形問題，因此只查看與應力及變形相關的分析數(shù)據(jù)，如圖4-13所示：對數(shù)據(jù)進行分析：由應力及變形分析數(shù)據(jù)可知，沖頭在X方向有0.000997mm的變形，在Y方向上的變形是0.00075mm的變形，Z方向有0.03mm的變形。相對來說沖頭在Z方向的變形較大，但總體來說變形還是在誤差允許的范圍內(nèi)。結合沖頭的應力圖與變形圖及分析數(shù)據(jù)可以看出沖頭所受的最大應力值為12.5 Mpa，小于材料的屈服極限235Mpa。應力主要分布在沖頭與連桿鉸接附近。圖4-13 應力及變形分析數(shù)據(jù)4.4 對連桿和偏心軸進行有限元分析4.4.1 對連桿進行有限元分析由于連桿螺紋孔直徑過小，故在其有限元分析時隱藏了該特征。由連桿的分析數(shù)據(jù)可知連桿與沖頭鉸接部分周圍應力及變形較大，但是都不超過材料的屬性范圍以及沖床公差范圍。在X方向有0.004mm的變形，在Y方向有0.04mm的形變，Z方向變形最大，有0.04mm，連桿所受的最大應力為52.63 Mpa。連桿材料屬性如表4-2：表4-2 連桿材料HT200力學性能屈服極限(MPa)彈性模量(GPa)密度(Kgm3)泊松比20014872000.31連桿應力圖連桿變形圖連桿應力及變形分析數(shù)據(jù)4.4.2 對偏心軸進行有限元分析利用分析沖頭同樣的方法分析偏心軸，得出下列圖片。對這些數(shù)據(jù)簡單分析知偏心軸直徑為40部分變形最為嚴重，但還是滿足要求。偏心軸應力分布圖偏心軸變形圖偏心軸應力及變形分析數(shù)據(jù)4.5 本章小結本章主要是利用ProEngineer軟件中的ProMechanica模塊，對沖床主要部件進行有限元分析計算，分析其在最惡劣工況下的應力及變形情況。并對分析結果進行研究處理。第五章 壓力機的安裝、潤滑、使用、及維修5.1 壓力機的安裝安裝工作的整個過程是將一臺或數(shù)臺機器進行裝配、裝置到基礎上，調(diào)整和運轉(zhuǎn)等工作，并使機器在廠房中和機器相互之間有正確的位置。機械設備的安裝時冶金工廠基本建設的一個重要環(huán)節(jié)，它關系到能否正常投產(chǎn)和投產(chǎn)后能否迅速到達設計的要求和產(chǎn)量、品種和質(zhì)量；關系到基建周期的長短；關系到基建成本的消耗。并且它將影響機械設備的使用年限和大修周期。因此多快好省地搞好機械設備的安裝，對整個冶金工廠基本建設來講是具有重要的意義。壓力機由于工作繁重、設備復雜和生產(chǎn)連續(xù)，所以必須使生產(chǎn)的工藝過程和輔助工序連續(xù)化。這樣對安裝工作就提出了更高的要求。下面著重講解下連桿的安裝；步驟如下：(1)先將軸套加熱（在油中）然后將軸套套在連桿上，冷卻后即結合在一起。(2)采用煤氣加熱法加連桿，然后將軸套安裝在連桿上冷卻后即結合在一起。5.2 壓力機的潤滑本壓力機的使用環(huán)境相當惡劣, 長期處于高沖擊的狀態(tài) , 其傳動裝置在強烈的沖擊、重載工況下運行，所以采用了儲油脂式潤滑方式。需要經(jīng)常定期維護，做好潤滑。5.3 壓力機的使用防止沖壓事故是一個復雜、綜合性的工作，應從多方面、多層次給予重視。壓力機本質(zhì)安全和采用安全裝置是壓力作業(yè)安全的基礎和前提，使用與管理是安全的保證，包括制定嚴格的安全操作規(guī)程、創(chuàng)造良好的環(huán)境和舒適的工作條件，采用輔助安全措施等。否則壓力機及其安全裝置再好，但得不到正確的使用和維護，甚至遭到人為損壞或拆除，事故仍可能發(fā)生。5.3.1 手用工具沖壓事故率最高的時段發(fā)生在送、取料階段，而我國目前相當數(shù)量的沖壓機械還仍然靠手工送、取料。解決這個問題的一個廉價簡便的方法就是利用手用工具。手用工具的作用是以工具代手，避免操作者手伸進?？趨^(qū)的危險。手用工具是指在壓力機主機以外，為用戶安全操作額外提供的手用操作工具。手用工具種類很多，常用的有手用鉗、鉤、鑷、夾、各式吸盤（電磁、真空、永磁）及工藝專用工具等，是安全操作的輔助手段。手用工具的設計和選用要注意以下幾點：1符合安全人機工程學要求手用工具的手柄形狀要適于操作者的手把持，并能阻止在用力時，手向前握或前移都不能達到不安全位置，避免因使用工具不當而受到傷害。2結構簡單、方便使用手用工具的工作部位應與所夾持坯料的形狀相符，以利夾持可靠、迅速取送、準確入模。3不得對模具造成損傷手用工具應盡量采用軟質(zhì)材料制作，以防在意外情況下，工具未及時退出?？?，而在模具又閉合時，造成壓力機過載。4符合手持電動工具的安全要求手持電動工具應采用安全電壓，并保證絕緣。需要強調(diào)指出，在正常操作時，堅持使用手用工具對降低沖壓事故確實能起到一定作用，但手用工具本身并不具備安全裝置的基本功能，因而不是安全裝置。它只能代替人手伸進危險區(qū)，不能防止操作者的手意外伸進危險區(qū)。采用手用工具還必須同時使用安全裝置。5.3.2 良好的工作環(huán)境和操作位置沖壓作業(yè)單調(diào)、重復，容易引起操作者疲勞；噪聲和振動使操作意識下降，這也是導致事故的重要原因之一。如果操作者的姿勢不正確，會加速疲勞，增加危險性，所以操作位置和姿勢，以及周圍環(huán)境諸因素都應給予充分注意。1操作位置和姿勢應符合安全人機學的要求盡量為操作者提供舒適安全的作業(yè)條件，以便更有效地發(fā)揮人的作用，提高生產(chǎn)率。國外的一些做法可供我國借鑒，如日本搞了沖壓作業(yè)的標準操作尺寸。不僅在壓力機的尺寸設計上考慮了人體參數(shù)，而且還設置了肘托板、高度可調(diào)的椅子和腳踏板，增加操作的舒適性。2提供良好的生理和心理工作環(huán)境工作環(huán)境的溫度、通風、照明、噪聲和振動等均應符合勞動衛(wèi)生要求。如果達木到要求，應采用措施加以改造。3配備勞動保護用品準操作尺寸在環(huán)境治理改造前或改造期間，應配備必要的勞動保護用品，例如耳塞（耳罩）、操作手套等，以加強對人員的保護。5.3.3 壓力機安全操作注意事項根據(jù)壓力機不同機器種類和加工要求，制定有針對性、切實可行的安全操作規(guī)程，并進行必要的崗位培訓和安全教育。使用單位和操作者必須嚴格遵守設計制造單位提供的安全使用說明的規(guī)定和操作規(guī)程，正確地使用、檢修。壓力機一般安全操作要求如下：第一，開動設備前，要檢查壓力機的操縱部分、離合器和制動器是否處于有效狀態(tài)，安全防護裝置是否完整好用，曲柄滑塊機構各部有無異常。發(fā)現(xiàn)異常應立即采取必要措施，不得帶病運轉(zhuǎn)，嚴禁拆卸和損壞安全裝置。第二，正式作業(yè)前須經(jīng)空轉(zhuǎn)試車，確認各部分正常后方可工作。開機前應清理工作臺上一切不必要的物品，防止開車振落擊傷人或撞擊開關引起滑塊突然啟動。第三，操作必須使用工具，嚴禁用手直接伸進?？谌∥?，手用工具不得放在模具上。第四，在?？趨^(qū)調(diào)整工件位置或揭取卡在模內(nèi)的工件時，腳必須離開腳踏板。第五，多人操作同一臺壓力機應有統(tǒng)一指揮，信號清晰，待對方作出明確應答，并確認離開危險區(qū)再動作。第六，突然停電或操作完畢應關閉電源，并將操縱器恢復到離合器空擋，制動器處在制動狀態(tài)。第七，對壓力機進行檢修、調(diào)整以及在安裝、調(diào)整、拆卸模具時，應在機床斷開能源（如電、氣、液）、機床停止運轉(zhuǎn)的情況下進行，并在滑塊下加放墊塊可靠支護。機床啟動開關處掛牌通告警示。5.3.4 壓力機的安全管理壓力機的安全管理包括如下內(nèi)容：第一，企業(yè)的安全技術部門和設備主管部門必須參加壓力機（包括剪切機）安裝、大修后試運轉(zhuǎn)的驗收工作，以及在用設備的安全定期檢驗工作，驗收合格后方可使用。第二，對每臺設備建立完整的設備檔案。檔案應包括：制造廠名稱、安裝單位及檢修、改造中所提供的質(zhì)量證明文件和技術資料，使用中發(fā)生設備、人身事故等情況。第三，建立交接班制度、崗位責任制度、維護保養(yǎng)制度、定期檢驗與檢修制度、事故登記與報告制度等，并嚴格執(zhí)行。第四，操作者必須年滿18周歲并經(jīng)過企業(yè)部門的專門培訓，熟悉設備性能和維護保養(yǎng)知識，經(jīng)安全考試合格后方可憑證上崗操作。第五，對于陳舊失效、發(fā)現(xiàn)異常、缺乏安全防護裝置的壓力機，經(jīng)技術改造仍達不到安全標準要求的，由主管部門及安全技術部門認真鑒定后，禁止使用。確認無改造價值的應報廢，嚴禁轉(zhuǎn)賣。壓力機的安全在技術上已經(jīng)得到較深入的研究，只要堅持使用安全壓力機，并實施對壓力機從設計到使用各個環(huán)節(jié)的安全監(jiān)管，對使用者的安全培訓，沖壓事故會得到有效控制。但值得注意的是，近些年經(jīng)濟搞活開放，大量的中、小企業(yè)參與生產(chǎn)制造中、小噸位壓力機，又得不到有效的監(jiān)督，致使不合格和缺乏安全裝置的壓力機流入市場，其中多數(shù)流向以缺乏必要培訓；的農(nóng)民職工為生產(chǎn)主力的中、小鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)。使本已經(jīng)得到控制的沖壓事故又出現(xiàn)建國以來的新一輪高峰，壓力作業(yè)安全還有一段路要走。壓力作業(yè)關鍵是使用安全壓力機，所以必須從壓力機的設計、制造源頭控制，特別是制造環(huán)節(jié)。5.4 壓力機的維修壓力機的正確使用，應以維修為基礎，通過采用技術措施，特別是加強潤滑及其管理，以增強機械設備工作的可靠性和延長其使用期限。而對機械設備實行科學的檢修的作用是消除機械的故障，使其恢復正常的運行，另外能及時消除機械設備運行中出現(xiàn)的微小缺陷，防止其擴大而造成嚴重的故障。設備維護的好，非計劃檢修則可以避免，設備的完好率、運轉(zhuǎn)率就會高，機械設備的潛能就得到充分的發(fā)揮。根據(jù)壓力機的特點及現(xiàn)場使用情況來看，我們可以對其采用定期維修方式。定期對軸套表面進行磨損檢查，更換潤滑油，當出現(xiàn)較大磨損時，更換軸套即可，同時對其他零部件進行檢查維修。第六章 總結本設計主要是針對簡易沖床的設計與計算。在簡易沖床設計中我繪制有壓力機總裝配圖，還有連桿、立柱以及部分主要零件圖。沖床能提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善工人勞動強度，確保人身安全。本機總體結構簡單，緊湊，傳動平穩(wěn)，性能可靠，使用安全，操作方便，便于加工，裝拆，調(diào)整，維護，制造經(jīng)濟。要是再加上自動送料以及安全保護等方面的內(nèi)容，將使設計更為全面，使得應用前景更為廣闊。最后本文還對沖床主要部件進行有限元分析，給沖床的實用性提供了理論依據(jù)。參考文獻1 于惠力，向敬忠，張春宜.機械設計.第1版.科學出版社,2007.82 張建民等.機電一體化系統(tǒng)設計.第2版.高等教育出版社,2001.83張耀宸.機械加工工藝設計實用手冊.第1版.航天工業(yè)出版社,1993.124 徐嘉元.機械加工工藝基礎.第1版.機械工業(yè)出版社,1990.65 張峰、古樂主編.機械設計課程設計手冊.北京高等教育出版社,20106 蒲良貴.機械零件.高等教育出版社.1982年12月第四版7 吳宗譯.機械設計實用手冊 第二版.北京：化學工業(yè)出版社,20088 翁海珊.機械原理與機械設計課程實踐教學選題匯編.北京: 高等教育出版社,20089 王連明，宋寶玉.機械設計課程設計.第4版.哈爾濱工出版社,2010.110 機械設計手冊編委會.機械設計手冊單行本.機械工業(yè)出版社,2007.211 ProEngineer Wildfire 3.0 結構、熱、運動分析基礎與典型范例. 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