深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)

1、2016第九屆全國3D大賽2016第九屆全國3D大賽作品名稱：深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：李增亮 孟凡林學(xué)生姓名：杜明超 劉艷立 李昆鵬 胥曰強(qiáng)目 錄1 緒 論11.1 研究背景11.2 改良內(nèi)容簡介12 深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)22.1 對深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)的功能要求22.2 深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)方案確定33 深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模83.1 液壓系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)計(jì)83.2 伺服電機(jī)的選型建模113.3 聯(lián)軸器的選取133.4 階梯軸的設(shè)計(jì)計(jì)算建模143.5 同步帶輪的相關(guān)參數(shù)173.6 深溝球軸承選型223.7

2、 鍵連接的強(qiáng)度計(jì)算233.8 帶輪外殼的設(shè)計(jì)建模253.9 輔助油缸的設(shè)計(jì)建模263.10 板料壓板設(shè)計(jì)建模263.11 上下模設(shè)計(jì)建模273.12 底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)284 深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)的ANSYS靜力學(xué)分析304.1 旋轉(zhuǎn)沖頭上模有限元分析305 總結(jié)36參考文獻(xiàn)38III1 緒 論1.1 研究背景隨著市場趨向于滿足快速要求的短期生產(chǎn)，對鈑金加工行業(yè)提出了加工精度高、成形復(fù)雜、加工過程簡單等新要求1，高速加工逐漸成為現(xiàn)代市場激烈競爭的焦點(diǎn)。雖然我國許多機(jī)床廠家已具備數(shù)控沖床的生產(chǎn)能力，但功能相對單一，難于滿足日益復(fù)雜的沖壓加工要求，而數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床作為現(xiàn)代電子機(jī)械技術(shù)與優(yōu)秀傳統(tǒng)

3、機(jī)床概念相結(jié)合的一種自動(dòng)化設(shè)備，具有效率高，作業(yè)靈活，加工精度高和工藝范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于各種多孔薄板零件的加工，受到許多加工企業(yè)的青睞。雖然國內(nèi)外的相關(guān)產(chǎn)品種類很多，但是這些產(chǎn)品的附加值較高，主要面向的是高端市場。因此，它們的價(jià)格對我國多數(shù)的小型企業(yè)來說是難以承受的。1.2 改良內(nèi)容簡介基于復(fù)雜沖壓加工的功能要求和目前中小企業(yè)的現(xiàn)狀，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了“深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)”，它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠安裝于現(xiàn)有的壓力機(jī)中，功能符合復(fù)雜孔的加工要求，成本低，能夠廣泛應(yīng)用到中小企業(yè)中；其運(yùn)動(dòng)滿足旋轉(zhuǎn)、定位、夾緊三方面的要求，并且該數(shù)控沖床旋轉(zhuǎn)沖頭操作方便，可使自轉(zhuǎn)模具的數(shù)量不受限制，任何模具

4、均可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，沖出任意形狀的產(chǎn)品孔形。因此拓寬了沖床的使用范圍，并且可以節(jié)約更換模具的時(shí)間，提高工作效率及模具的利用效率，實(shí)現(xiàn)一模多用，具體工作如下所示。（1）構(gòu)思旋轉(zhuǎn)沖頭整體方案，包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和沖壓系統(tǒng)的確定。（2）進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立三維實(shí)體模型。（3）進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)以及所需零件的選型校核。（4）進(jìn)行床身部分機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。（5）對旋轉(zhuǎn)沖頭進(jìn)行靜力學(xué)分析并得出結(jié)論。2 深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)2.1 對深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)的功能要求旋轉(zhuǎn)沖頭的誕生主要是基于復(fù)雜孔或是不同方向孔的加工，目前，對于復(fù)雜孔或是不同方向孔的加工主要有3種方案：（1

5、）帶有旋轉(zhuǎn)沖頭的數(shù)控沖床加工。德國通快公司生產(chǎn)的直線模具庫式數(shù)控沖床的旋轉(zhuǎn)沖頭采用渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖2.1所示，雖然存在諸多優(yōu)點(diǎn)，但成本較高，目前在我國的中、小企業(yè)中難以推廣。圖2.1 德國通快公司生產(chǎn)的數(shù)控沖床（2）帶有自轉(zhuǎn)模具的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床加工。目前，國內(nèi)部分廠家已能夠生產(chǎn)出帶有自轉(zhuǎn)模具的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但每套數(shù)控沖床中所安裝的自轉(zhuǎn)模數(shù)量有限，目前一般安裝兩套，在沖壓復(fù)雜孔的加工中具有一定的局限性。（3）帶有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)2或是回轉(zhuǎn)夾鉗的數(shù)控沖床加工。這種方案的回轉(zhuǎn)角度具有一定局限性，在加工中心中應(yīng)用較多，在沖壓設(shè)備中應(yīng)用的較少。2.2 深喉式?jīng)_壓加工

6、中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)方案確定2.2.1 沖壓設(shè)備方案確定基于上文提及的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床以及考慮到中小企業(yè)的經(jīng)濟(jì)承受能力3，現(xiàn)在要在普通沖床的基礎(chǔ)上對其改進(jìn)，使其沖頭可以360°旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜孔和不同方向孔的加工。首先是對于沖壓設(shè)備確定。先進(jìn)的沖壓設(shè)備是沖壓技術(shù)發(fā)展的先決條件，當(dāng)今國內(nèi)外的沖壓設(shè)備其沖壓系統(tǒng)主要由機(jī)械式、液壓式和伺服電機(jī)式三種，機(jī)械式主要有曲柄壓力機(jī)，它通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)主要由曲柄，連桿，滑塊等零件組成。液壓式壓力機(jī)采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來代替曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，普通液壓機(jī)液壓系統(tǒng)如圖2.2所示。YA1得電時(shí)液壓油經(jīng)泵1、流經(jīng)電磁閥2左位進(jìn)入液壓缸下腔

7、，上腔的油經(jīng)液控單向閥3，電磁閥2流回油箱，活塞桿帶動(dòng)滑塊向上運(yùn)動(dòng)。YA2得電時(shí)電磁閥2右位工作，活塞桿帶動(dòng)滑塊向下運(yùn)動(dòng)沖壓工件。液壓式壓力機(jī)除了具備傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力機(jī)一般特點(diǎn)外還具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便。采用液壓傳動(dòng)不需要飛輪、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、離合器和制動(dòng)器等復(fù)雜構(gòu)件，可選擇通用化程度較高的液壓元件，降低了制造成本。（2）液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，易調(diào)速、行程可控，其動(dòng)力傳動(dòng)為“柔性”傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，能控制滑塊的速度和位置。曲柄壓力機(jī)滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律呈“V”型曲線，速度和位置是固定不變的，而液壓數(shù)控壓力機(jī)的滑塊可實(shí)現(xiàn)快速下行、慢速?zèng)_壓、快速回城且可在任意位置停止。圖2.2

8、普通沖壓機(jī)主油缸液壓系統(tǒng)原理圖（3）可以由液壓系統(tǒng)來調(diào)整沖壓力的大小，并能在整個(gè)行程中提供所需的最大工作壓力，可避免機(jī)器過載情況。傳統(tǒng)數(shù)控壓力機(jī)只能在壓力角范圍內(nèi)承受額定工作載荷，且大小不能變化。而液壓數(shù)控壓力機(jī)的沖壓力可由液壓系統(tǒng)調(diào)定，是可以變化的。同時(shí)，采用液壓傳動(dòng)的數(shù)控壓力機(jī)通用性強(qiáng)，適合于多種沖壓工藝，處理能沖孔外，還可進(jìn)行壓印、彎曲、成形等工藝，同時(shí)還適應(yīng)于沖壓各種材料和不同板厚。（4）噪聲降低，震動(dòng)減小，基本上只有板材沖斷的聲音。（5）沖壓頻率提高，液壓傳動(dòng)簡單，運(yùn)動(dòng)部件少，控制方便。當(dāng)今國外生產(chǎn)的沖壓設(shè)備幾乎全都是液壓傳動(dòng)式數(shù)控壓力機(jī)，所以本文主要針對液壓式數(shù)控沖床進(jìn)行改進(jìn)。2.

9、2.2 深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)方案圖深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)的方案圖如圖2.3所示，其中1為主液壓缸，起沖壓作用；2是同步帶，通過伺服電機(jī)5帶動(dòng)同步小帶輪7轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)4沖頭上模的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；3是4個(gè)輔助油缸，用于板料的壓緊定位；9是沖頭下模，裝在10下模座結(jié)合件上，配合沖頭上摸一起旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜孔或不同方向孔的加工。簡單來說，就是在普通液壓傳動(dòng)式數(shù)控壓力機(jī)上裝上一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)沖頭旋轉(zhuǎn)的同步帶機(jī)構(gòu)，并配合相關(guān)位置檢測裝置、夾緊裝置來實(shí)現(xiàn)所要求的功能。圖2.3 數(shù)控沖床旋轉(zhuǎn)沖頭草圖數(shù)控沖床旋轉(zhuǎn)沖頭裝置的工作原理如下：沖壓加工時(shí)，與普通沖床類似，壓力機(jī)液壓沖壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖頭往下運(yùn)動(dòng)實(shí)

10、現(xiàn)沖壓，沖完后復(fù)位，完成一個(gè)沖壓加工過程；模具旋轉(zhuǎn)時(shí)，由同步帶帶動(dòng)上下大同步帶輪同步旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)沖頭和下模座結(jié)合件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)凸凹模的同步旋轉(zhuǎn)。數(shù)控沖床旋轉(zhuǎn)沖頭傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理。數(shù)控沖床旋轉(zhuǎn)沖頭傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖2.3所示，包括：伺服電機(jī)5、鎖緊螺母、聯(lián)軸器、同步帶、小同步帶輪、下模座結(jié)合件、旋轉(zhuǎn)沖頭、大同步帶輪、夾緊機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括上、下兩部分，旋轉(zhuǎn)沖頭活塞桿和下模座結(jié)合件分別安裝有相同規(guī)格的大同步帶輪，由伺服電機(jī)帶動(dòng)小同步帶輪，通過同步帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)4，旋轉(zhuǎn)到特定角度后通過夾緊機(jī)構(gòu)分別將旋轉(zhuǎn)沖頭和下模座固定在特定位置。板料進(jìn)給機(jī)構(gòu)充當(dāng)模具庫，全部模具并排放置在板料進(jìn)給機(jī)構(gòu)中，更

11、換模具時(shí)，旋轉(zhuǎn)沖頭先旋至初始位置，板料進(jìn)給機(jī)構(gòu)同時(shí)將上、下模送入旋轉(zhuǎn)沖頭與模具結(jié)合部件及下模座與模具結(jié)合部件中，啟動(dòng)錐形模具鎖緊機(jī)構(gòu)將其固定，通過夾緊機(jī)構(gòu)將整個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置固在特定位置。旋轉(zhuǎn)沖頭的定位精度是指旋轉(zhuǎn)沖頭實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度與目標(biāo)角度的接近程度,定位精度的高低用定位誤差的大小來衡量5,，實(shí)際定位誤差包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類6。定位精度對系統(tǒng)的性能和零件的加工精度有著重要的影響。在數(shù)控沖床中常用的定位元件有插銷定位、反靠定位和齒盤定位等7。這種定位方式簡單可靠，但不能滿足任意旋轉(zhuǎn)角度的定位，具有一定的局限性。為了保證旋轉(zhuǎn)精度，本設(shè)計(jì)在旋轉(zhuǎn)沖頭中加一位置檢測裝置感應(yīng)同步器，它的主要作用是測量角位

12、移并發(fā)出反饋信號(hào)與數(shù)控裝置插補(bǔ)計(jì)算的理論位置相比較，若有偏差，經(jīng)放大器放大后控制旋轉(zhuǎn)沖頭使其向著消除偏差的方向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，直到偏差滿足要求為止，最后啟動(dòng)夾緊裝置將其固定。設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)沖頭定位精度閉環(huán)控制，如圖2.4所示，采用閉環(huán)控制隨時(shí)調(diào)整旋轉(zhuǎn)沖頭上下模之間角位移偏差，將角位移誤差控制在設(shè)計(jì)要求內(nèi)。圖2.4 定位精度閉環(huán)控制2.2.3 深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)輔助油缸液壓系統(tǒng)圖本次改進(jìn)的數(shù)控沖床8的液壓系統(tǒng)有兩套，即主油缸回路和輔助油缸回路，沒有采用增壓缸是因?yàn)樵鰤焊讋?dòng)力源不僅需要液壓油，而且需要高壓氣，需要附加高壓氣泵，這會(huì)明顯增加成本。主油缸的液壓系統(tǒng)圖已經(jīng)在上文中提及，下面展示一下

13、輔助油缸的液壓系統(tǒng)圖，如圖2.5所示，整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作原理為：四個(gè)輔助液壓油缸由一個(gè)電磁閥控制，當(dāng)電磁閥工作在右位時(shí)，液壓油進(jìn)入輔助油缸上腔，輔助油缸活塞同主油路控制的主油缸活塞一起下降，當(dāng)沖頭外殼壓在板料上時(shí)，此時(shí)液壓泵不在供油，由于雙向鎖的鎖緊作用，輔助油缸保持油壓不變，板料被固定，此時(shí)主油缸活塞由主油路9控制繼續(xù)下壓完成沖壓，當(dāng)沖壓完成后，輔助油路電磁閥換到左位，液壓油進(jìn)入輔助油缸下腔，活塞桿開始回程，此時(shí)主油路也控制主液壓缸活塞桿返程，這樣下來就完成了一次沖壓。圖2.5 普通液壓機(jī)輔助油缸液壓系統(tǒng)圖3 深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模3.1 液壓系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)計(jì)3.

14、1.1 液壓缸的基本參數(shù)系統(tǒng)壓力：該系統(tǒng)最大工作負(fù)載F=70KN，負(fù)載較小，屬低壓系統(tǒng)，泵額定壓力選為20MPa。周期和行程：要求該沖床最大行程s=100mm，不同的工作行程，沖壓頻率也不同，初定工作行程為21mm,沖壓頻率f=300次/min，此時(shí)周期T=60/f=0.2s。（1）缸筒內(nèi)徑D計(jì)算：高壓系統(tǒng)最高壓力為P=0.8Pn=16MPa,最大負(fù)載Fmax=70KN，初定系統(tǒng)阻力f=9KN，則液壓缸內(nèi)徑：Dmm （3.1）缸的內(nèi)徑圓整為D=80mm。（2）活塞桿直徑：為提高活塞的的返回速度，活塞桿應(yīng)盡量選擇的大些，但快速過程采用差動(dòng)連接，若活塞桿直徑太大，其快速下降的速度便會(huì)降低。所以應(yīng)選

15、擇合適的活塞直徑。差動(dòng)下降時(shí)活塞的速度：A1V1=q+A2V1 （3.2）V1=q/(A1-A2)=4q/d2 （3.3）活塞退回的速度：V2=q/A2=4q/(D2-d2) （3.4）對V=V1+V2=4q/d2+4q/(D2-d2)求最大值，當(dāng)d=(/2)D=56.56mm時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間最少，根據(jù)液壓缸國標(biāo)原則，如表3.1，活塞桿直徑圓整為45mm。表3.1液壓缸國標(biāo)要求(3)泵的排量活塞行程s=21mm時(shí)，沖壓頻率f=300次/min，則一個(gè)周期內(nèi)，泵向液壓缸的排油量應(yīng)于液壓缸向油箱的排油量相等，所以系統(tǒng)需要的總流量：L/min （3.5）所以選用液壓泵理論流量qt=35L/min，取

16、n=1500r/min，由泵排量和流量的關(guān)系式：，則泵的排量為：ml/r，根據(jù)排量和壓力要求設(shè)計(jì)選用泵。3.1.2 速度驗(yàn)算以沖板厚為1mm，行程為21mm時(shí)為例進(jìn)行速度驗(yàn)算，差動(dòng)下行階段： V1=4q/d2=36.70cm/s （3.6）返回階段： V2=4q/(D2-d2)=16.96cm/s （3.7）3.1.3 三維建模最終，根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，利用Pro.E進(jìn)行三維建模，畫出液壓缸的三維模型如圖3.1所示。注意到液壓缸的活塞桿上開有鍵槽，這就是本文的創(chuàng)新點(diǎn)，整個(gè)數(shù)控沖床改進(jìn)過程的難點(diǎn)是同帶輪應(yīng)如何與沖頭結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)帶輪帶動(dòng)沖頭旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沖頭上下沖壓時(shí)帶輪能夠在原來位置保持不動(dòng)。因此，

17、在基于德國通快公司10生產(chǎn)的數(shù)控沖床的基礎(chǔ)上，可以將同步帶輪安裝在液壓缸的活塞桿上，帶輪裝有導(dǎo)向滑鍵，在活塞桿上上下滑動(dòng)，相對而言，假如有某種機(jī)構(gòu)能將同步帶輪固定在某一位置，則活塞桿可以在同步帶輪上上下滑動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)沖頭旋轉(zhuǎn)沖壓的功能，可以完成復(fù)雜孔的加工。圖3.1 液壓缸的三維建模3.2 伺服電機(jī)的選型建模3.2.1 伺服電機(jī)計(jì)算選型根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書P56表4-1。圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （3.8）式中：圓柱體質(zhì)量（kg） D圓柱體直徑（cm） L圓柱體長度或厚度（cm）代入式（3.8）得：kg·cm2考慮到安裝方式、體積、重量等因素，在交流、直流、伺服電機(jī)中選取伺服電

18、機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書P63頁表4-3得，初選電動(dòng)機(jī)150HMB540B-601000的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：kg·cm2 （3.9）式中：伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·cm2）。（3.10）式中：伺服電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·cm2）。代入式（3.10）得：kg·cm2設(shè)從靜止到25r/s需時(shí)0.5s.rad/s2（3.11）式中：角加速度rad/s2。代入式（3.11）得：rad/s2由于電動(dòng)機(jī)輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器直接連接旋轉(zhuǎn)軸，并且考慮聯(lián)軸器摩擦的阻力，所以。式中：傳動(dòng)效率。（3.12）式中：最大加速轉(zhuǎn)矩N·m。代入式（3.12）得：N·m

19、水平方向電機(jī)的重力不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，故：負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tn計(jì)算：N·m （3.13）伺服電機(jī)的選用：運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩為：N·m （3.14）代入式（3.14）得：N·m要求伺服電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)所需最大靜轉(zhuǎn)矩：根據(jù)輸出軸的轉(zhuǎn)矩T=20N·m,額定功率P=3000W，選擇伺服電機(jī)型號(hào)：150HMB540B-601000，其額定輸出功率5400W。額定轉(zhuǎn)矩27N·m。額定轉(zhuǎn)速2000r/min。3.2.2 伺服電機(jī)三維建模根據(jù)上述計(jì)算選型過程的結(jié)果進(jìn)行伺服電機(jī)三維建模，如圖3.2所示。圖3.2 伺服電機(jī)3.3 聯(lián)軸器的選取3.3.1 凸緣聯(lián)軸器的

20、選型傳動(dòng)軸上的公稱轉(zhuǎn)矩T（N·m）可用下式進(jìn)行計(jì)算： （3.15）式中：P傳遞的功率（kW） n軸的轉(zhuǎn)速（r/min）初選剛性凸緣聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩（N·m），許用轉(zhuǎn)速為。傳動(dòng)軸上的公稱轉(zhuǎn)矩工作情況系數(shù)的選取如下表：機(jī)械設(shè)計(jì)P351表14-1。取。代入上式得：校核最高轉(zhuǎn)速： 且根據(jù)電動(dòng)機(jī)輸出軸選取mm。3.3.2 凸緣聯(lián)軸器三維建模根據(jù)上述計(jì)算選型過程的結(jié)果進(jìn)行凸緣聯(lián)軸器三維建模，如圖3.3所示。圖3.3 凸緣聯(lián)軸器3.4 階梯軸的設(shè)計(jì)計(jì)算建模3.4.1 階梯軸設(shè)計(jì)（1）軸的強(qiáng)度校核計(jì)算軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （3.16）式中：扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa； T軸所受的扭矩，N

21、3;m； 軸的抗扭截面系數(shù)，mm3； n軸的轉(zhuǎn)速，r/min； P軸傳遞的功率，kW； d計(jì)算截面處軸的直徑，mm； 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。由式（3.16）可得軸的直徑： （3.17）式中：代入式（3.17）得：mm所以取軸d=30mm。（2）軸的剛度校核計(jì)算軸的彎曲剛度校核計(jì)算，當(dāng)量直徑（單位為mm）為（3.18）式中：階梯軸第i段的長度，mm； 階梯軸第i段的直徑，mm； L階梯軸的計(jì)算長度，mm； Z階梯軸計(jì)算長度內(nèi)的軸段數(shù)。（3）軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算圓軸扭轉(zhuǎn)角單位為的計(jì)算公式為： （3.19）式中：T軸所受的扭矩，N·mm； G軸的材料的剪切彈性模量，MPa，對于鋼材，MP

22、a； 軸截面的極慣性矩，mm4，對于圓軸，； L階梯軸受扭矩作用長度，mm； 分別代表階梯軸第i段上所受的扭矩、長度和極慣性矩，單位同前； z階梯軸受扭矩作用的段數(shù)。軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為：式中：為軸每米長的允許扭轉(zhuǎn)角，對于一般軸，可取=0.51。3.4.2 階梯軸三維建模根據(jù)上述計(jì)算過程的結(jié)果進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸三維建模，如圖3.4所示。圖3.4 階梯軸3.5 同步帶輪的相關(guān)參數(shù)3.5.1 同步帶輪設(shè)計(jì)選型（1）電機(jī)額定輸出功率估算 （3.20）（2）確定功率計(jì)算 電動(dòng)機(jī)每天使用8小時(shí)左右，查表3.2得到工作情況系數(shù)=1.7。則計(jì)算功率為: （3.21）（3） 小帶輪轉(zhuǎn)速計(jì)算（4）選定同步帶帶型和節(jié)距由同

23、步帶選型圖3.4可以看出，由于在這次設(shè)計(jì)中功率轉(zhuǎn)速都比較小，所以帶的型號(hào)可以任意選取，現(xiàn)在選取H型帶，節(jié)距mm。表3.2 工作情況系數(shù)KA圖3.5 同步帶選型圖（5）選取主動(dòng)輪齒數(shù)z1查表3.3知道小帶輪最小齒數(shù)為14，現(xiàn)在初步選取小帶輪齒數(shù)為18。表3.3 小帶輪最小齒數(shù)表（6）小帶輪節(jié)圓直徑確定 （3.23）（7）大帶輪相關(guān)數(shù)據(jù)確定由于系統(tǒng)傳動(dòng)比為1.25:1，所以計(jì)算大帶輪相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)與小帶輪相似。齒數(shù)，節(jié)距。（8）帶速v的確定 (3.24)（9）初定間距根據(jù)公式 （3.25）得 現(xiàn)在選取軸間間距為960mm。（10）同步帶帶長及其齒數(shù)確定 =() = =1012.42mm （3.26

24、)（11）基本額定功率P0的計(jì)算查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量表3.4可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為 (3.27)表3.4 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量（12）計(jì)算作用在軸上力Fy (1.28)最終，綜合設(shè)計(jì)參數(shù)及液壓活塞桿的數(shù)值選取同步帶輪.大同步帶輪直徑為96mm,節(jié)圓直徑90mm，通孔直徑為45mm,通孔內(nèi)設(shè)有三個(gè)導(dǎo)向滑鍵槽，小同步帶輪直徑為78mm,節(jié)圓直徑72mm，通孔直徑為40mm，通孔內(nèi)設(shè)有三個(gè)導(dǎo)向滑鍵槽。3.5.2 同步帶輪三維建模根據(jù)上述計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行同步帶輪三維建模，如圖3.6所示。圖3.6 同步大

25、帶輪（左）同步小帶輪（右）同步帶三維建模如圖3.7所示。圖3.7 同步帶3.5.3 同步帶優(yōu)點(diǎn)及選用要求同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒的封閉環(huán)形膠帶和具有相應(yīng)齒的帶輪所組成，如圖3.7所示。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶的凸齒與帶輪齒槽相嚙合，來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。與其他傳動(dòng)粗比，同步帶傳動(dòng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）工作時(shí)無滑動(dòng)，有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。同步帶傳動(dòng)是一種嚙合傳動(dòng)，雖然同步帶是彈性體，但由于其中承受負(fù)載的承載繩具有在拉力作用下不伸長的特性，故能保持帶節(jié)距不變，使帶與輪齒槽能正確嚙合，實(shí)現(xiàn)無滑差的同步傳動(dòng)，獲得精確的傳動(dòng)比。（2）傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好。由于同步帶作無滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，故有較高的傳動(dòng)效率，一般可達(dá)

26、0.98。它與三角帶傳動(dòng)相比，有明顯的節(jié)能效果，可用如下實(shí)例作證明。從以上數(shù)例看出，同步帶傳動(dòng)在節(jié)能上有很大潛力，因此采用同步帶傳動(dòng)可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。（3）傳動(dòng)比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊。同步帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比一般可達(dá)到10左右，而且在大傳動(dòng)比情況下，其結(jié)構(gòu)比三角帶傳動(dòng)緊湊。因?yàn)橥綆鲃?dòng)是嚙合傳動(dòng)，其帶輪直徑比依靠摩擦力來傳遞動(dòng)力的三角帶帶輪要小得多，此外由于同步帶不需要大的張緊力，使帶輪軸和軸承的尺寸都可減少。所以與三角帶傳動(dòng)相比，在同樣的傳動(dòng)比下，同步帶傳動(dòng)具有較緊湊的結(jié)構(gòu)。（4）維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低。由于同步帶中承載繩采用伸長率很小的玻璃纖維、鋼絲等材料制成，故在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中帶伸長很小，不需

27、要像三角帶、鏈等經(jīng)常調(diào)整張緊力。此外，同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)中也不需要任何潤滑，所以維護(hù)保養(yǎng)很方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用比三角帶、鏈、齒輪要低礙多。（5）惡劣環(huán)境條件下能正常工作。在具有灰塵雜質(zhì)、水及腐蝕介質(zhì)的惡劣工作條件下，鏈條易生銹、磨損，三角帶會(huì)產(chǎn)生打滑，而同步帶傳動(dòng)卻能適應(yīng)這些條件。由于它是嚙合傳動(dòng)，在有雨水情況下不會(huì)打滑，而且水是橡膠良好的潤滑劑，反而可減少帶的磨損。在有灰塵雜質(zhì)時(shí)，由于同步帶帶齒進(jìn)入帶輪輪槽時(shí)，帶齒將擠壓原留在輪槽內(nèi)的空氣，使受壓的空氣向輪槽兩側(cè)排出，這種空氣擠壓將同時(shí)起到清理嚙合表面、帶走灰塵雜質(zhì)的作用，從而減少了同步帶的磨損。此外同步帶有較高的耐腐蝕性，耐熱性，在高溫、有腐蝕氣體情況

28、下仍能正常工作。3.6 深溝球軸承選型3.6.1 深溝球軸承的選型校核根據(jù)下模座的質(zhì)量，設(shè)定軸向載荷，徑向力。已知軸承的轉(zhuǎn)速為，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無沖擊，設(shè)計(jì)壽命為10年（每天工作8小時(shí)，一年工作250天）。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)p130頁表13-2得：e=0.24，Y=1.8當(dāng)時(shí)，徑向當(dāng)量動(dòng)載荷：（3.29）代入式（1.29）得：預(yù)計(jì)壽命：3.6.2 深溝球軸承壽命的計(jì)算以小時(shí)數(shù)表示的軸承基本額定壽命為：（3.30）（3.31）代入式（1.31）得：查得該軸承基本額定動(dòng)載荷，所以校核合格。本次軸承的選型考慮到軸承本身只是起降低沖頭旋轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)過程的摩擦系數(shù)的作用，在軸向方向幾乎不受力，因此選用深溝球軸承這種

29、低成本常見的軸承。3.7 鍵連接的強(qiáng)度計(jì)算3.7.1 鍵的選型校核根據(jù)軸的直徑最終確定圓頭平鍵的尺寸GB/T1096 鍵，導(dǎo)向滑鍵的尺寸。圓鍵連接的強(qiáng)度條件為： （3.32）滑鍵連接的強(qiáng)度條件為： （3.33）式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)=1050N； k鍵與輪轂鍵槽的連接高度，k=0.5h，此處h為鍵的高度，mm； l鍵的工作長度，mm，圓頭平鍵l=L-b，這里L(fēng)為鍵的公稱長度，mm； b為鍵的寬度，mm； d軸的直徑，mm； 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa。 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用應(yīng)力，MPa。 代入式（3.32）、（3.33）得每一個(gè)鍵所受的應(yīng)力：遠(yuǎn)小于=10012

30、0MPa，p小于=40MPa,因此校核滿足使用要求。3.7.2 鍵的三維建模根據(jù)上述計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行鍵的三維建模，如圖3.9所示。圖3.9 導(dǎo)向滑鍵（左）圓頭平鍵（右）3.8 帶輪外殼的設(shè)計(jì)建模上文對旋轉(zhuǎn)沖頭原理已經(jīng)做過一定的闡釋，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要考慮到帶輪應(yīng)該如何安裝才能實(shí)現(xiàn)其工作原理。在本節(jié)中設(shè)計(jì)了帶輪外殼，便于帶輪的安裝定位。其三維建模如圖3.10。圖3.10 帶輪外殼圖中很明顯可以看出帶輪外殼分上下兩部分，實(shí)際工作時(shí)用螺栓連接起來，帶輪裝在兩殼中間，活塞桿由帶輪外殼上端圓孔插入，貫穿帶輪和帶輪下殼，注意安裝時(shí)要對齊鍵槽。帶輪上端有螺栓孔，可以通過螺栓與床身相連固定。3.9 輔助油缸

31、的設(shè)計(jì)建模輔助油缸的作用是起板料壓緊作用，當(dāng)板料進(jìn)給完成后，沖頭開始工作，此時(shí)主油缸和輔助油缸同時(shí)工作，當(dāng)板料壓板壓緊板料時(shí)，輔助油缸停止下壓，電磁閥換到中位，四個(gè)輔助油缸被鎖死，使壓板緊壓板料防止加工過程板料亂移造成加工誤差，此時(shí)主油缸活塞桿繼續(xù)下壓并配合帶輪的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到可以沖壓復(fù)雜孔的功能。其三維建模同主油缸大同小異，如圖3.11所示。圖3.11 輔助液壓缸3.10 板料壓板設(shè)計(jì)建模在進(jìn)行板料或孔的加工過程，需要有某一裝置來對板料進(jìn)行固定，防止加工過程板料意外移動(dòng)造成誤差從而使板料變成廢料。基于種種原因，板料壓板應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)在對板料壓板進(jìn)行三維設(shè)計(jì)建模，如圖3.12所示。在圖3.

32、12中可以看到，沖頭上模裝在穿過板料壓板的活塞桿上，當(dāng)輔助油缸活塞帶動(dòng)板料壓板下移時(shí)，主油缸活塞也帶動(dòng)沖頭上模同步下移，當(dāng)壓板壓在板料上時(shí)，輔助系統(tǒng)里的電磁閥換到中位，此時(shí)四個(gè)輔助油缸鎖死，板料不會(huì)再移動(dòng)。而主油缸活塞繼續(xù)下移完成沖壓。圖3.12 板料壓板3.11 上下模設(shè)計(jì)建模3.11.1 上下模安裝定位根據(jù)一般液壓沖床12的上下模結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模分析，這里對上下模的安裝有一定的要求。首先沖頭旋轉(zhuǎn)時(shí)沖頭上下模應(yīng)該同步旋轉(zhuǎn)，不能出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)誤差，否則上下模不能正確吻合板料也就不能被沖壓下來。由前面草圖可知，一個(gè)階梯軸上裝有兩個(gè)同步小帶輪，一個(gè)通過皮帶連接與主液壓缸活塞上的大帶輪相配合，另一個(gè)通過皮

33、帶連接與底座旋轉(zhuǎn)體上的大帶輪相連接，同一根軸由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大小帶輪和同步帶的尺寸數(shù)值完全相同，只要一開始上下模在安裝時(shí)對齊，則根據(jù)上文同步帶的傳動(dòng)特點(diǎn)就不會(huì)出現(xiàn)打滑和轉(zhuǎn)動(dòng)誤差等缺點(diǎn)。所以對于上下模安裝要有一定的要求。如圖3.13所示，可以用上下模夾具來對上下模進(jìn)行開始安裝時(shí)的定位。圖3.13 上下模夾具3.11.2 沖頭上下模三維建模最終，由開始設(shè)計(jì)要求確定沖頭的外形尺寸并進(jìn)行相應(yīng)的三維建模，如圖3.14所示。圖3.14 旋轉(zhuǎn)沖頭上模（左）下模（右）3.12 底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)沖頭下模需要有一個(gè)底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來配合其轉(zhuǎn)動(dòng)，底座旋轉(zhuǎn)體安裝在機(jī)床床身上，并且與同步大帶輪相配合實(shí)現(xiàn)其自身與沖頭上模的同

34、步旋轉(zhuǎn)。具體的三維建模見圖3.15。圖3.15 底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)注意到圖中下半部分為空心設(shè)計(jì)，考慮到?jīng)_壓加工完以后沖壓下來的廢料需要及時(shí)處理，否則塞在沖頭下模旋轉(zhuǎn)體內(nèi)會(huì)影響后續(xù)加工，因此將整個(gè)底座旋轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)以便于廢料處理。至此，數(shù)控沖床13旋轉(zhuǎn)沖頭的主要設(shè)計(jì)大體完成，裝配完成后三維圖如圖3.20所示。圖3.20 數(shù)控旋轉(zhuǎn)沖頭沖床三維圖4 深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)的ANSYS靜力學(xué)分析4.1 旋轉(zhuǎn)沖頭上模有限元分析根據(jù)旋轉(zhuǎn)沖頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、約束條件和負(fù)載情況，本文首先在前面第三章利用Pro/ENGINEER野火5.0中文版建立了旋轉(zhuǎn)沖頭的三維模型，然后在本章運(yùn)用ANSYS15.0完成其

35、有限元分析。下面根據(jù)有限元分析的步驟進(jìn)行具體說明。4.1.1 旋轉(zhuǎn)沖頭上模有限元分析前處理根據(jù)上一節(jié)的敘述，對深喉式?jīng)_壓加工中心旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析時(shí)，必須首先對其進(jìn)行分析前處理，其目的為提前定義好有限元分析計(jì)算所必須的一些數(shù)據(jù)，主要包括坐標(biāo)系的選擇、單元類型的定義、材料性能參數(shù)的定義、實(shí)體模型的建立、網(wǎng)格的劃分以及約束方程的定義等，下面進(jìn)行詳細(xì)敘述。（1）導(dǎo)入實(shí)體模型根據(jù)前面第三章的敘述，對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的實(shí)體模型，采用ANSYS軟件本身自帶的建模功能進(jìn)行建模比較麻煩，需要處理大量的數(shù)據(jù)，建模效率較低，而且不能采用自適應(yīng)的網(wǎng)格劃分，在對網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，一些不理想的網(wǎng)格不容易進(jìn)行修正。

36、所以本文先在Pro/E軟件中建立了旋轉(zhuǎn)沖頭模型，然后將其導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行分析，具體的操作步驟如下：1)打開在Pro/E中建立的旋轉(zhuǎn)沖頭模型，其文件名類型是*asm，在下拉菜單中依次選擇"文件保存副本"，選擇文件類型IGES，然后對其進(jìn)行保存；2)打開ANSYS 15.0，在應(yīng)用菜單區(qū)中依次選擇“FileImportIGES”，打開Import IGES File對話框，在Iges Import Option選項(xiàng)中選中No defeaturing單選框，接著分別選中MERGE(Merge coincident keypts)、SOLID(Create solid if

37、applicable)和SMALL(Delete small areas)三個(gè)單選框，最后選擇第一步保存的文件，即可將模型導(dǎo)入ANSYS中。在將實(shí)體模型導(dǎo)入的過程中，有可能出現(xiàn)實(shí)體模型斷裂的情況,可通過必要的修補(bǔ)和選擇一定的導(dǎo)入模式選項(xiàng)加以解決。導(dǎo)入后的旋轉(zhuǎn)沖頭上模的模型如圖4.1所示。圖4.1 旋轉(zhuǎn)沖頭上模有限元模型圖對于裝配的實(shí)體模型，絕大多數(shù)人認(rèn)為裝配體中的各個(gè)零件已經(jīng)全部約束，所以在將此裝配體模型導(dǎo)入到ANSYS中以后，不需要再進(jìn)行其它操作就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分、求解等操作，但最后卻往往會(huì)得到非常失真的分析結(jié)果，比如有些零件受力后根本沒有發(fā)生任何變化，有時(shí)候甚至由于求出的結(jié)果跟實(shí)際值相差不

38、大而沒有發(fā)現(xiàn)這一失誤。實(shí)際上，在Pro/E軟件中建立的實(shí)體模型，在裝配時(shí)雖然對其各個(gè)零件都完成了完全約束，但是導(dǎo)入ANSYS軟件以后，ANSYS軟件并不認(rèn)為這些零件之間有約束關(guān)系，所以結(jié)構(gòu)的載荷并不能在各個(gè)體之間相互傳遞，因此，將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS中以后，在進(jìn)行其它操作之前必須對所導(dǎo)入的實(shí)體模型進(jìn)行諸如Add、Glue、Overlap之類的Boolean運(yùn)算。（2）定義單元類型單元類型指的是進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)所使用的單元的形式，旋轉(zhuǎn)沖頭上模結(jié)構(gòu)近似為階梯軸，再綜合考慮前面提出的劃分單元時(shí)應(yīng)該注意的事項(xiàng)，本文認(rèn)為選用Solidl87實(shí)體結(jié)構(gòu)單元可以更好地模擬旋轉(zhuǎn)沖頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。Solidl87單

39、元是一種三維高階的，具有十個(gè)節(jié)點(diǎn)的四面體固體結(jié)構(gòu)單元，其具有的二次位移模式，可以很好地模擬不規(guī)則的實(shí)體模型(特別是采用CAD/CAM系統(tǒng)建立的實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ANSYS中的)。Solidl87單元采用十個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義其結(jié)構(gòu)特征，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都含有三個(gè)分別沿X、Y、Z方向上的平移自由度。該單元不僅具有塑性、超彈性、粘彈性、蠕變、應(yīng)力強(qiáng)化、粘塑性、大變形以及大應(yīng)變等特性，而且通過運(yùn)用混合模式可以模擬幾乎不可壓縮的彈塑性類材料以及完全不可壓縮的超彈性類材料。（3）定義材料性能參數(shù)本文中旋轉(zhuǎn)沖頭選用的材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，因此在材料性能參數(shù)設(shè)置對話框中分別設(shè)置雙伸縮立柱的彈性模量及泊松比為：200GPa、0.

40、30。（4）劃分網(wǎng)格選擇菜單欄Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool命令，系統(tǒng)將彈出Mesh Tool對話框，選中“Free”單選框,再單擊“Mesh”按鈕，在彈出的菜單中選擇旋轉(zhuǎn)沖頭實(shí)體模型，即可對旋轉(zhuǎn)沖頭進(jìn)行自由網(wǎng)格(free)劃分，最終劃分的結(jié)果是該模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為8563個(gè)，單元數(shù)為6249，其劃分網(wǎng)格效果如圖4.2所示。圖4.2 旋轉(zhuǎn)沖頭上模劃分網(wǎng)格效果圖4.1.2 旋轉(zhuǎn)沖頭有限元分析計(jì)算進(jìn)行完有限元前處理之后，就可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)沖頭在工程實(shí)際中的具體應(yīng)用情況為其指定位移邊界條件和載荷，并選擇合適的求解器對其進(jìn)行求解。ANSYS軟件系統(tǒng)中提供的載荷類型主要

41、為集中載荷、慣性載荷、體積載荷、自由度載荷、表面載荷等。以上載荷的定義有表格載荷、函數(shù)載荷、常值載荷、外邊載荷等。ANSYS的求解器有直接求解器(最精確)、迭代求解器(速度快)和并行求解器(速度最快,適合大規(guī)模的問題求解)。（5）邊界條件的處理在對某一結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，為了使該結(jié)構(gòu)的數(shù)值解存在且唯一，需要對該結(jié)構(gòu)的剛體位移進(jìn)行消除，從而使其總體剛度矩陣保持非奇異性。消除結(jié)構(gòu)的剛體位移時(shí)需要遵循如下原則：1)必須保證結(jié)構(gòu)符合靜力學(xué)平衡條件。平面問題至少需要三個(gè)獨(dú)立的約束，而空間問題則至少需要六個(gè)獨(dú)立的約束。為了避免結(jié)構(gòu)發(fā)生移動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)，對結(jié)構(gòu)施加的所有約束不應(yīng)影響該結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)。2)如果一

42、個(gè)結(jié)構(gòu)是靜力平衡的自由體，則在其上所施加的總支反力應(yīng)該為零，并且可以在任意點(diǎn)上對其施加約束。根據(jù)以上原則，綜合考慮旋轉(zhuǎn)沖頭的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)沖頭實(shí)體模型的兩端面施加全部自由度為零的位移約束。（6）載荷的施加在實(shí)體模型上施加接近于實(shí)際受載工況的載荷,是獲得結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力云圖的關(guān)鍵。在旋轉(zhuǎn)沖頭有限元分析中,所要得到的結(jié)果主要是沖壓部分位移變化情況以及應(yīng)力分布情況。根據(jù)前面第三章的介紹,本文所述旋轉(zhuǎn)沖頭的設(shè)計(jì)工作阻力為70KN。（7）求解選擇Main MenuSolutionSolveCurrent LS命令，即可進(jìn)行求解。如果結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要一定的時(shí)間，當(dāng)求解結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)顯示“Solution i

43、s done！”，求解結(jié)束。4.1.3 旋轉(zhuǎn)沖頭上模有限元分析后處理ANSYS后處理部分的功能就是將結(jié)果可視化，幫助用戶快捷、有效地分析計(jì)算結(jié)果。本文主要通過查看總體變形圖、位移圖和應(yīng)力圖進(jìn)行分析。（1）總體變形圖沖頭接觸板料時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，選擇Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令，在彈出的對話框中選擇Def+undeformed，就可以得到旋轉(zhuǎn)沖頭上模的總體變形圖，如圖4.3所示。從圖中可以清楚地看到，沖頭上模兩端的位移為0，這說明分析的結(jié)果與固定的約束條件是一致的。從沖頭上模總體變形圖中可知，沖頭最大變形部位發(fā)生在沖壓結(jié)構(gòu)

44、處，最大變形量是0.306E-0.4m，即0.0306mm，變形值不是很大，變形后旋轉(zhuǎn)沖頭頂部鎖模出將會(huì)更緊。圖4.3 旋轉(zhuǎn)沖頭上?？傮w變形圖（2）位移云圖選擇Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNoda Solution DOF SolutionDisplacementvector sum命令，就可以得到立柱上各節(jié)點(diǎn)的具體位移圖，如圖4.4所示。圖4.4 旋轉(zhuǎn)沖頭上模節(jié)點(diǎn)位移圖（3）應(yīng)力云圖選擇Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solution命令，在彈出

45、的對話框中選擇Stress選項(xiàng)的Von Mises項(xiàng)，就可以得到旋轉(zhuǎn)沖頭應(yīng)力分布圖，如圖4.5所示。圖4.5 旋轉(zhuǎn)沖頭上模應(yīng)力圖從沖頭的等效應(yīng)力云圖中可以看到，沖頭受到的最小應(yīng)力為圖中所示MN點(diǎn)處，最大應(yīng)力為圖中MX點(diǎn)處，并且從應(yīng)力分布圖中可以看出，旋轉(zhuǎn)沖頭所受到的比較大的應(yīng)力主要集中在沖壓位置處，此位置為最容易失效的位置，最大應(yīng)力為142754Pa，即0.1427MPa，而沖頭的材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，其屈服極限235MPa，所以旋轉(zhuǎn)沖頭強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。5 總結(jié)本文主要對數(shù)控加工中心的沖頭進(jìn)行了一部分改進(jìn)，使其既可以實(shí)現(xiàn)上下沖壓，而且在沖壓過程沖頭還能進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜孔的加

46、工。主要分以下幾部分內(nèi)容：（1）在沖壓設(shè)備方面選擇液壓式?jīng)_壓而不是傳統(tǒng)機(jī)械式，主要考慮的液壓沖壓的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其缺點(diǎn)，并且機(jī)械式的數(shù)控加工中心已經(jīng)并不多見，效率低是其致命的缺點(diǎn)。液壓系統(tǒng)的選擇不是一體增壓缸，而是由主油缸和輔助油缸相配合的液壓系統(tǒng)共同完成，這樣可以去掉氣泵，主、輔油缸使用同一個(gè)油箱，以盡量降低設(shè)計(jì)成本。（2）設(shè)計(jì)的數(shù)控沖床旋轉(zhuǎn)沖頭，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，操作方便，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)效果最優(yōu)，結(jié)構(gòu)最為實(shí)用，安裝最為方便等要求，符合設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。并且可使自轉(zhuǎn)模具的數(shù)量不受限制，任意模具均可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，沖出任意形狀的產(chǎn)品孔型，因此拓寬了沖床的使用范圍，并且可以節(jié)約更換模具的時(shí)間，提高工作效率和模具的利用率，實(shí)現(xiàn)一模多用。（3）本文最后應(yīng)用ANSYS有限元軟件對旋轉(zhuǎn)沖頭上模進(jìn)行了靜力學(xué)分析