1、2016 第九届全国 3D 大赛 I 2016 第九届全国 3D 大赛 作品名称： 深喉式 冲压加工中心旋转冲头 的 设计 指导老师：李增亮 孟凡林 学生 姓名： 杜明超 刘艳立 李昆鹏 胥曰强 2016 第九届全国 3D 大赛 II 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 改良内容简 介 . 1 2 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 总体设计 . 2 2.1 对 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 的功能要求 . 2 2.2 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 方案确定 . 3 3 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 结构设计与三维建模 . 8 3.1 液压系统基本参数设计
2、. 8 3.2 伺服电机的选型建模 . 11 3.3 联轴器的选取 . 14 3.4 阶梯轴的设计计算建模 . 15 3.5 同步带轮的相关参数 . 17 3.6 深沟球轴承选型 . 23 3.7 键连接的强度计算 . 24 3.8 带轮外壳的设计建模 . 25 3.9 辅助油缸的设计建模 . 26 3.10 板料压板设计建模 . 27 3.11 上下模设计建模 . 28 3.12 底座旋转机构 . 29 4 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 的 ANSYS 静力学分析 31 4.1 旋转冲头上模有限元分析 . 31 5 总结 . 37 2016 第九届全国 3D 大赛 III 参考文献 .
3、39 2016 第九届全国 3D 大赛 1 1 绪 论 1.1 研究背景 随着市场趋向于满足快速要求的短期生产，对钣金加工行业提出了加工精度高、成形复杂、加工过程简单等新要求 1，高速加工逐渐成为现代市场激烈竞争的焦点。虽然我国许多机床厂家已具备数控冲床的生产能力，但功能相对单一，难于满足日益复杂的冲压加工要求，而数控转塔冲床作为现代电子机械技术与优秀传统机床概念相结合的一种自 动化设备，具有效率高，作业灵活，加工精度高和工艺范围广的优点，而广泛应用于各种多孔薄板零件的加工，受到许多加工企业的青睐。虽然国内外的相关产品种类很多，但是这些产品的附加值较高，主要面向的是高端市场。因此，它们的价格对
4、我国多数的小型企业来说是难以承受的。 1.2 改良内容简介 基于复杂冲压加工的功能要求和目前中小企业的现状，本团队 设计了“ 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 ”，它的设计结构能够安装于现有的压力机中，功能符合复杂孔的加工要求，成本低，能够广泛应用到中小企业中；其运动满足旋转、定位、夹紧三方面的要求 ，并且该数控冲床旋转冲头操作方便，可使自转模具的数量不受限制，任何模具均可实现360旋转，冲出任意形状的产品孔形。因此拓宽了冲床的使用范围，并且可以节约更换模具的时间，提高工作效率及模具的利用效率，实现一模多用，具体工作如下所示。 （ 1）构思旋转冲头整体方案，包括传动机构和冲压系统的确定。 （
5、2）进行旋转冲头结构设计，建立三维实体模型。 2016 第九届全国 3D 大赛 2 （ 3）进行关键部件的设计以及所需零件的选型校核。 （ 4）进行床身部分机构的设计。 （ 5）对旋转冲头进行静力学分析并得出结论。 2 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 总体设计 2.1 对 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 的功能要求 旋转冲头的诞生主要是基于复杂孔或是不同方向孔的加工，目前，对于复杂孔或是不同方向孔的加工主要有 3 种方案： （ 1）带有旋转冲头的数控冲床加工。德国通快公司生产的直线模具库式数控冲床的旋转冲头采用涡轮蜗杆传动机构和锥齿轮传动机构，如图 2.1 所示，虽然存在诸多优点，但成本较
6、高，目前在我国的中、小企业中难以推广。 图 2.1 德国通快公司生产的数控冲床 2016 第九届全国 3D 大赛 3 （ 2）带有自转模具的数控转塔冲床加工。目前，国内部分厂家已能够生产出带有自转模具的数控转塔冲床，并获得了 良好的经济效益。但每套数控冲床中所安装的自转模数量有限，目前一般安装两套，在冲压复杂孔的加工中具有一定的局限性。 （ 3）带有回转工作台 2或是回转夹钳的数控冲床加工。这种方案的回转角度具有一定局限性，在加工中心中应用较多，在冲压设备中应用的较少。 2.2 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 方案确定 2.2.1 冲压设备方案确定 基于上文提及的数控转塔冲床以及考虑到中小企
7、业的经济承受能力3，现在要在普通冲床的基础上对其改进，使其冲头可以 360旋转以实现复杂孔和不同方向孔的加工。 首先是对于冲压设备确定。 先进的冲压设备是冲压技术发展的先决条件，当今国内外的冲压设备其冲压系统主要由机械式、液压式和伺服电机式三种，机械式主要有曲柄压力机，它通过曲柄滑块机构将旋转运动转变为往复运动，曲柄滑块机构主要由曲柄，连杆，滑块等零件组成。 液压式压力机采用液压传动系统来代替曲柄滑块机构，普通液压机液压系统如图 2.2 所示。 YA1 得电时液压油经泵 1、流经电磁阀 2 左位进入液压缸下腔，上腔的油经液控单向阀 3，电磁阀 2 流回油箱，活塞杆带动滑块向上运动。 YA2 得
8、电时电磁阀 2 右位工作，活塞杆带动滑块向下运动冲压工件。 液压式压力机除了具 备传统的机械式压力机一般特点外还具有以下一些优点： （ 1） 结构简单，加工制造方便。采用液压传动不需要飞轮、曲柄连杆2016 第九届全国 3D 大赛 4 机构、离合器和制动器等复杂构件，可选择通用化程度较高的液压元件，降低了制造成本。 （ 2） 液压系统运动平稳，易调速、行程可控，其动力传动为“柔性”传动，可以实现过载保护，能控制滑块的速度和位置。曲柄压力机滑块的运动规律呈“ V”型曲线，速度和位置是固定不变的，而液压数控压力机的滑块可实现快速下行、慢速冲压、快速回城且可在任意位置停止。 图 2.2 普通冲压机主
9、油缸液压系统原理图 （ 3） 可以由液压系 统来调整冲压力的大小，并能在整个行程中提供所需的最大工作压力，可避免机器过载情况。传统数控压力机只能在压力角范围内承受额定工作载荷，且大小不能变化。而液压数控压力机的冲压力可由液压系统调定，是可以变化的。同时，采用液压传动的数控压力机通用性强，适合于多种冲压工艺，处理能冲孔外，还可进行压印、弯曲、成形等工艺，同时还适应于冲压各种材料和不同板厚。 （ 4） 噪声降低，震动减小，基本上只有板材冲断的声音。 2016 第九届全国 3D 大赛 5 （ 5） 冲压频率提高，液压传动简单，运动部件少，控制方便。 当今国外生产的冲压设备几乎全都是液压传动式数控压力
10、机 ，所以本文主要针对液压式数控冲床进行改进。 2.2.2 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 方案图 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 的方案图如图 2.3 所示，其中 1为主液压缸，起冲压作用； 2 是同步带，通过伺服电机 5 带动同步小带轮7 转动来实现 4 冲头上模的旋转运动； 3 是 4 个辅助油缸，用于板料的压紧定位； 9 是冲头下模，装在 10 下模座结合件上，配合冲头上摸一起旋转，实现复杂孔或不同方向孔的加工。简单来说，就是在普通液压传动式数控压力机上装上一个可以实现冲头旋转的同步带机构，并配合相关位置检测装置、夹紧装置来实现所要求的功 能。 图 2.3 数控冲床旋转冲头草图 数
11、控冲床旋转冲头装置的工作原理如下：冲压加工时，与普通冲床类似，压力机液压冲压设备驱动旋转冲头往下运动实现冲压，冲完后复位，2016 第九届全国 3D 大赛 6 完成一个冲压加工过程；模具旋转时，由同步带带动上下大同步带轮同步旋转，带动旋转冲头和下模座结合件的旋转运动，从而实现凸凹模的同步旋转。 数控冲床旋转冲头传动系统工作原理。数控冲床旋转冲头传动系统，如图 2.3 所示，包括：伺服电机 5、锁紧螺母、联轴器、同步带、小同步带轮、下模座结合件、旋转冲头、大同步带轮、夹紧机构，传动机构包括上、下两部分，旋 转冲头活塞杆和下模座结合件分别安装有相同规格的大同步带轮，由伺服电机带动小同步带轮，通过同
12、步带传动实现同步旋转 4，旋转到特定角度后通过夹紧机构分别将旋转冲头和下模座固定在特定位置。板料进给机构充当模具库，全部模具并排放置在板料进给机构中，更换模具时，旋转冲头先旋至初始位置，板料进给机构同时将上、下模送入旋转冲头与模具结合部件及下模座与模具结合部件中，启动锥形模具锁紧机构将其固定，通过夹紧机构将整个旋转装置固在特定位置。 旋转冲头的定位精度是指旋转冲头实际旋转角度与目标角度的接近程度 ,定位精度的高低用定位 误差的大小来衡量 5,，实际定位误差包括系统误差和随机误差两类 6。 定位精度对系统的性能和零件的加工精度有着重要的影响。在数控冲床中常用的定位元件有插销定位、反靠定位和齿盘定
13、位等 7。 这种定位方式简单可靠，但不能满足任意旋转角度的定位，具有一定的局限性。为了保证旋转精度，本设计在旋转冲头中加一位置检测装置 感应同步器，它的主要作用是测量角位移并发出反馈信号与数控装置插补计算的理论位置相比较，若有偏差，经放大器放大后控制旋转冲头使其向着消除偏差的方向旋转进行补偿，直到偏差满足要求为止，最后启动夹紧装置 将其固定。设计旋转冲头定位精度闭环控制，如图 2.4 所示，采用闭环控制随时调整旋转冲头上下模之间角位移偏差，将角位移误差控制在设计要求内。 2016 第九届全国 3D 大赛 7 图 2.4 定位精度闭环控制 2.2.3 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计 辅助油缸液
14、压系统图 本次改进的数控冲床 8的液压系统有两套，即主油缸回路和辅助油缸回路，没有采用增压缸是因为增压缸动力源不仅需要液压油，而且需要高压气，需要附加高压气泵，这会明显增加成本。主油缸的液压系统图已经在上文中提及，下面展示一下辅助油缸的液压系统图，如图 2.5 所示，整个液压系统的工作原理 为：四个辅助液压油缸由一个电磁阀控制，当电磁阀工作在右位时，液压油进入辅助油缸上腔，辅助油缸活塞同主油路控制的主油缸活塞一起下降，当冲头外壳压在板料上时，此时液压泵不在供油，由于双向锁的锁紧作用，辅助油缸保持油压不变，板料被固定，此时主油缸活塞由主油路 9控制继续下压完成冲压，当冲压完成后，辅助油路电磁阀换到左位，液压油进入辅助油缸下腔，活塞杆开始回程，此时主油路也控制主液压缸活塞杆返程，这样下来就完成了一次冲压。
