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冲床机械的设计基础

时间：2022-07-03 16:15:28 机械/重工/工业自动化我要投稿

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冲床机械的设计基础

　　机械设计基础中的这些金属制造工艺你都知道吗，下面是小编整理的冲床机械设计基础，欢迎查阅。

　　金属制造工艺的分类：

　　热加工包括铸造、锻压和焊接。

　　冷加工，亦称为金属切削加工，包括刀具切削加工（其中有车削加工、钻镗加工、刨削、插削、拉削、铣削加工，磨料切削加工；齿轮齿形的加工）。

　　下面分别进行简单介绍。

　　（一）铸造

　　铸造的过程是将液态金属浇注到铸模中，待其冷却后获得一定形状和性能的铸件。这是金属在液态下的成形方法。

　　铸造可以生产形状复杂、特别是内腔复杂的毛坏坯，尺寸和重量不受限制。既可单件生产，也可批量生产，使用的材料大部分来源广泛，价格低廉，还可用废料和废零件，因此成本低。铸件与零件形状、尺寸接近，加工余量小。

　　铸件的缺点是工序繁多，工艺过程控制难度大。由于金属冷却时产生内应力，易出现缺陷，因此质量不稳定；由于其内部组织粗大不匀，其机械性能不如锻件高。目前还存在劳动强度大，劳动条件差的问题。

　　铸造生产方法分为砂型铸造和特种铸造两大类，以砂型铸造为主。

　　1、砂型铸造

　　目前大部分砂型还是手工制作的。

　　砂型铸造主要用于铸铁、铸钢、铸铜、铸铝等材料的铸件生产。进行铸件结构设计，要考虑铸造工艺及金属铸造性能的要求，防止产生缩孔、缩松、浇不足，冷隔、变形及裂纹等缺陷，应注意以下问题：

　　①铸件要有合理壁厚及结构斜度，铸件壁厚尽可能均匀。

　　②铸件壁的连接：铸件壁连接处要有结构圆角。避免交叉和锐角连接，厚壁与薄壁的衔接要逐步过渡。

　　③铸件应避免过大的水平面。

　　④为防止铸件翘曲变形，对较大的平板铸件及壁厚不均匀的长形箱体，应将其设计成对称形状或增加肋板来提高其刚度。

　　⑤避免铸件收缩受阻

　　如常见轮形铸件，轮辐为偶数，直线形。但是对于收缩率较大的合金，因应力过大有时会产生裂纹。为防止裂纹，可制成弯曲轮辐，以借轮辐或轮缘的微量变形，减少内应力。

　　⑥按顺序凝固原则设计铸件结构

　　图示铸钢壳体，将其改成右面的样子，在壳体底部76mm保持均匀壁厚，往上逐步增加壁厚，直到与法兰盘相接，保证了壳体按顺序凝固，不再产生缩松缺陷了。

　　2、特种铸造

　　① 熔模铸造，以蜡为材料制模，又叫“失蜡制造”，能铸造各种有色及黑色金属铸件。

　　② 金属型铸造，模型可反复使用4万次，铸件有较好的精度（达到IT12~IT14），表面光洁，少加工或不加工即可使用，可机械化生产。

　　③压力铸造：压铸机压室内浇注液态或半液态金属，充填铸型，并在高压下成形和结晶。常用压铸比压为5~150MPa，金属流速达5~100m/s。效率高易实现自动化，产品质量好，实现少屑和无屑加工，成本低。

　　④低压铸造。

　　⑤离心铸造：金属液加入旋转的铸型中。

　　（二）锻压

　　包括锻与冲压，在外力作用下使金属产生塑性变形，一般要在高温下进行。锻造分为自由锻和模锻两大类。冲压加工的对象是金属薄板，一般在常温下进行，故又称为板料冲压或冷冲压。

　　1、自由锻

　　将坯料放在设备（自由锻锤或水压机）的上、下抵铁之间，因坯料在压力作用下是自由流动的，故称为自由锻。

　　按使用设备和锻造力性质不同，自由锻分为锤上自由锻和水压机上自由锻，大型锻件要在水压机上进行。

　　自由锻产品尺寸精度低、加工量大，材料消耗多，生产率低，劳动条件差，劳动强度大，只有在单件、小批量生产才是合理的。

　　2、模锻

　　模锻时将坯料放在锻模膛内，使工件压力成形。按照使用设备不同，模锻分为锤上模锻，曲柄压力机上模锻、平锻机上模锻，螺旋压力机上模锻及其他专用设备上模锻。

　　模锻生产率高，工件表面光洁，尺寸精度高，材料利用率高，锻件内部，锻造流线分布更加合理，提高了使用寿命，可锻软复杂零件，操作简单，易于实现机械化，成本较低，常用于中小型锻件的批量生产。

　　3、板料冲压

　　利用装在冲压机床上的冲模对金属板料加工，使之变形或分离，从而获得零件或毛坯。

　　板料坯料通常是厚度在1~2mm以下的薄板一般不加热。板料冲压的原材料要具有良好的塑性和较低的抗变形能力，如低碳钢、合金钢、铜、铝。

　　冲压件重量轻，刚度好、结构轻巧、质量稳定，互换性好。操作简单，易于机械化和自动化，且成本低。

　　由于冲压模具制作成本高，大批量生产才是合理的。

　　4、其他压力加工方法

　　挤压形成，使用的压力大，金属变形量大，可制作多种材料，多种形状的金属工件，且精度高、机械性能好，可机械化自动化。

　　辊轧成形：如辊轧、热轧齿轮、辗环。

　　精密模锻，经向锻造、高速锤锻造等。

　　（三）切削加工

　　切削加工分为钳工和机械加工两大类。

　　钳工一般为手工操作，主要有划线、錾削、锯削、锉削、刮削、钻孔和铰孔、攻丝和套扣等，机械装配和修理也属钳工范围。

　　机械加工按所用切削工具，又分为两类：一类是利用刀具进行加工的，如车削、钻削、镗削、刨削、铣削等；另一类是用磨料进行加工的；如磨削、衔磨、研磨、超精加工等。

　　机械加工必须有刀具，如车刀、刨刀、插刀、锐刀、镗刀等，磨削用的刀是砂轮。

　　1、车削加工

　　车削加工用机床有普通机床、立式车床、转塔车床、仿形车床、自动车床及各种专用车床。车削能加工的表面有端面、外圆、内圆、锥面、螺纹、回转成形面、回转沟槽及滚花等，使用范围广泛，加工表面精度好，且易保证零件加工表面的位置精度，生产效率高，生产成本低。

　　2、钻镗加工

　　①钻床加工：常用设备有台式钻床、立式钻床和摇臂钻床等，能进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、锪孔和锪凸台等。

　　②镗床加工：主要设备是卧式镗床。

　　镗床可钻孔、扩孔、铰孔、切槽、车外圆、车端面和铣平面、其中镗孔是主要的。

　　由于镗床上有精确的定位装置，适合对箱体机座、支架等形状复杂大型零件孔系进行定位和加工，是机械加工的关键性设备，是其他设备不能取代的。

　　镗床加工范围广泛，能获得较高的加工精度和较低的粗糙度，其缺点是生产效率低。

　　3、刨削、插削和拉削

　　①刨削用来加工平面、刨床分牛头刨和龙门刨两种。刨床能加工的平面有水平面、垂直面、斜面，还能加工沟槽（直角槽、V形和T形槽、燕尾槽）和直线成形面。

　　刨削机床的主运动为往复直线运动，有空引程，且每一往复中伴有两次冲击，限制了刨削速度，生产率较低。

　　②插削可看作是“立式刨床”，主要用于加工孔内键槽、方孔、多边形孔、花键孔及某些零件的外表面。插削使用的设备是插床。

　　③拉削的设备是拉床。拉刀的直线移动为主运动。拉削无进给运动，其进给是靠接刀的每齿升高量来实现的。所以拉削可看作是按高低顺序排列的，多把刨刀进行的刨削。

　　拉削一般用于作精加工，且一次行程即达到精度要求，能加工拉削平面、半圆弧面和一些组合面。拉刀是一种定形刀具，拉削一次就完成粗切、精切、较准和修光工作，是一种精加工方法、效率高。但拉刀制造复杂、成本高，不能加工台阶孔、盲孔和特大孔，只适宜加工一种规格的孔或键槽。

　　4、铣削加工合

　　铣削加工是用铣刀的旋转和工件的移动来实现的，是平面加工的主要方法之一。设备有卧式铣床、立式铣床、龙门铣床、工具铣床及各种专用铣床。铣床可加工平面（水平面、垂直面、斜面）、沟槽（直角槽、键槽、角度槽、燕尾槽、T形槽、圆弧槽）和成形面。还能进行孔加工（包括钻、扩、铰、镗孔）和分度工作。

　　5、磨料切削加工

　　磨料是用分布在砂轮表面上为数甚多的磨料进行切削的。磨削方法有：外圆磨、内圆磨、平面磨、螺纹磨削，此外高精度及高效率磨削方法有：精密度削、超精磨削，镜面磨削，高速磨削、宽砂轮磨削、缓进深切磨削、金钢石磨轮与立方氮化硼轮磨削。

　　通用磨床有普通外圆磨床，万能外圆磨床、内圆磨床、平面磨床和无心磨床。

　　6、光整加工简介

　　光整加工指研磨、珩磨、超精加工和抛光等。

　　研磨：在工件和研具之间涂上研磨剂，工件可由车床带动旋转，研具手持来回轴向移动，经常检测，至合格为止。研磨液由煤油、植物油或煤油加机油。最常用的研具材料为铸铁。研磨量一般为0.005~0.02mm。

　　珩磨：由若干油石条的珩磨头代替研具，用作孔的光整加工。

　　超精加工：用极细磨粒的油石条作磨头轻压于工作表面加工。

　　抛光：用涂有抛光膏的软轮高速旋转对工作进行微弱的切削，以降低工作表面粗糙度和提高光亮度。

　　7、齿轮齿形的加工

　　齿轮广泛用于多类机械设备和仪表中，是传递运动和动力的重要零件。常用的有：直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、螺旋齿圆柱齿轮传动、直齿锥齿轮传动和蜗轮蜗杆传动。

　　为保证齿轮传动机构运转精确，工作平稳可靠，必须选择合适的齿形轮廓曲形，即齿形曲线，目前使用的齿形曲线主要有渐开线、摆线和圆弧线等，用的最多的是渐开线。

　　若一动直线在平面内沿半径为rb的圆作无滑动的纯滚动时，则动直线上任一点a的轨迹称为半径为rb圆的渐开线，半径为rb的圆称为基圆，动直线称之为发生线。渐开线齿轮的一个轮齿就是由同一基圆形成的两条相反的渐开线组成。

　　渐开线上任一点a1的法线必与基圆相切，渐开线的形状与基圆半径大小有关，半径愈小，渐开线的曲率愈小，反之亦然，当其半径为无穷大时，渐开线便成为一直线，齿条的直线齿形即可看成是半径为无穷大的基圆的形成的渐开线。

　　（1）直齿圆柱齿轮各部名称、基本参数和主要尺寸

　　①各部名称

　　齿顶圆——通过选轮齿顶部的圆称为齿顶圆，直径用da表示。

　　齿根圆——通过选轮齿根部的圆称为齿根圆，直径用df表示。

　　分度圆——标准齿轮中，理论齿厚与齿向相等的圆称为分度圆，其直径用d，半径用r表示。分度圆位于齿顶圆与齿根圆之间，是计算齿轮尺寸的依据。

　　分度圆齿厚——分度圆上一个轮齿所占的弧长称分度圆齿度，用s表示。

　　分度圆齿间——分度圆上一个轮槽所占的弧长称分度圆齿间，用e表示。

　　周节——分度圆上相邻两齿对应点之间的弧长称为周节（分度圆周节），用P表示。P=s+e。

　　齿顶高——从齿顶圆列分度圆的径向距离称齿顶高，用ha表示。

　　工作齿高——两个齿轮啮合时，两个齿轮齿顶之间的径向距离称为工作齿高，用hw表示。

　　径向间隙——两个齿轮啮合时，一个齿轮的齿顶圆与另一个齿轮的齿根圆之间的径向距离称径向间隙，用C表示。

　　②直齿圆柱齿轮的基本参数

　　机械设计基础-金属制造工艺简介△模数=当齿轮的齿数为Z时，分度圆直径d和周节P有如下关系：

　　机械设计基础-金属制造工艺简介或此时令机械设计基础-金属制造工艺简介，则d=mZ

　　式中：m——称为模数，单位为mm。

　　设计齿轮时将m定为基本参数，使齿轮的计算、加工及测试大为方便。M的大小反映齿轮轮齿的厚薄，大小和承载能力。

　　模数值m已标准化，如0.1，0.5，1，1.5，2，3………设计根据齿轮强度计算得出的模数值，再按国家标准中选取。

　　△压力角：

　　渐开线齿线上任一点K的法向力F与其速度机械设计基础-金属制造工艺简介之间的夹角称为K点的压力角机械设计基础-金属制造工艺简介k。

　　已确定的渐开线，基圆半径rb为定值，渐开线上多点的压力角是不同的，距基圆越远，其压力角越大。通常所说的压力角是指分度圆上A点的压力角，用机械设计基础-金属制造工艺简介表示。其数值已标准化，常取机械设计基础-金属制造工艺简介=20°。

　　渐开线齿轮的正确啮合条件是两齿轮的模数和压力角应分别相等，在齿形加工中，刀具的模数m和压力角机械设计基础-金属制造工艺简介也必须与被加工的齿轮相同。

　　当齿数Z和模数m确定后，齿轮多部几何尺寸即可确定，计算公式从略。

　　（2）圆柱齿轮的加工

　　有成形和磨法两种加工方法。成形法指在铣床上加工。对直齿圆柱齿轮，当m<8时，一般用盘状模数铣刀在卧式铣床上进行。当m≥8时，在立式铣床上进行。

　　磨成法是利用齿轮刀具与被切齿轮的啮合运动，在专用机床上切出齿形。常用的有插齿机上插齿及滚齿机上滚齿。

　　（3）圆柱齿轮的精加工

　　铣齿、插齿和滚齿属于齿形成形加工，之后还要进行精加工，以进一提高精度。齿形精加工方法有剃齿、衔齿和磨齿等。

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