畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-小型金屬粉末擠壓成形機(jī)的設(shè)計(jì)

緒論1.1引言隨著我國(guó)綜合國(guó)力不斷地增強(qiáng)，在交通工具、家電制造等諸多領(lǐng)域，傳統(tǒng)的機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)雖然已經(jīng)不能滿(mǎn)足工業(yè)中復(fù)雜精細(xì)的生產(chǎn)需求,但是粉末擠壓成型技術(shù)的迅猛發(fā)展，為制造業(yè)注入了新的活力。在粉末冶金領(lǐng)域中，使用擠壓成形技術(shù)去生產(chǎn)產(chǎn)品，有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，一方面對(duì)于材料的消耗少，加工時(shí)間短，另一方面，實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品不僅質(zhì)量極高，而且還能夠壓制出各式各樣復(fù)雜形狀的元件[1]。與大部分的制造生產(chǎn)方式相比，擠壓成形方式特別適用于大批量的加工尺寸結(jié)構(gòu)相同的零部件，可以極大地降低生產(chǎn)成本。并且，加工完之后不需要再進(jìn)行其余復(fù)雜的加工工序，即可壓制成最終需要尺寸形狀的坯件?；诜勰D壓成型技術(shù)的許多許多優(yōu)勢(shì)，隨著生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，粉末擠壓成型技術(shù)將會(huì)越來(lái)越地應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。擠壓成型技術(shù)起初來(lái)源于冶金領(lǐng)域中的曲柄壓力機(jī),其他國(guó)家在很久之前便已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)擠壓成形技術(shù)的開(kāi)發(fā)，1990年，隨著美國(guó)、德國(guó)、日本等制造業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家在我國(guó)的投資建廠，我國(guó)的擠壓成型技術(shù)領(lǐng)域得以抓住契機(jī)，開(kāi)始了迅猛的發(fā)展。雖然我國(guó)的擠壓成型技術(shù)發(fā)展的歷史較短，但擠壓成型技術(shù)已經(jīng)廣泛地用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，為制造業(yè)的發(fā)展不斷助力。1.2粉末擠壓成型技術(shù)粉末冶金領(lǐng)域中，擠壓成型是已經(jīng)發(fā)展了很多年的加工方式。擠壓成型最常見(jiàn)三個(gè)階段[2]是：①送料盒內(nèi)裝入金屬粉末團(tuán)，送料液壓缸推進(jìn)送料盒。②上沖模向下擠壓成型。③下沖模向上將擠壓完成的成品從料模內(nèi)頂出回送料盒中。隨著粉末擠壓成型技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)際在生產(chǎn)加工時(shí)，擠壓出的元件密度會(huì)變大，結(jié)構(gòu)尺寸也變得復(fù)雜起來(lái)，這就導(dǎo)致在具體加工時(shí)，對(duì)于成型產(chǎn)品的加工時(shí)間、結(jié)構(gòu)尺寸精確度、品質(zhì)合格率提出了更高的需求。但是，在具體生產(chǎn)時(shí)，不確定因素較多，例如:設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性、粉末受到擠壓時(shí)的滾動(dòng)性、沖模和料模的組成特征等都會(huì)對(duì)產(chǎn)品最終的形狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用。除此之外，粉末的生產(chǎn)經(jīng)過(guò)、粉末團(tuán)的結(jié)構(gòu)、擠壓機(jī)和料模的生產(chǎn)方式等也都會(huì)在產(chǎn)品的加工過(guò)程中產(chǎn)生關(guān)鍵性的作用。依據(jù)擠壓成型原理，粉末的擠壓成型經(jīng)過(guò)大致由如圖1-1所示的三個(gè)階段組成。圖1-1粉末擠壓成型的三個(gè)階段1.3研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.3.1研究現(xiàn)狀中國(guó)的粉末冶金技術(shù)自1955年開(kāi)始不斷地成長(zhǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入到了高速發(fā)展時(shí)期，粉末擠壓成形技術(shù)更是在近年得到了快速發(fā)展的一門(mén)新興科學(xué)，全球近30%～35%的產(chǎn)品都是通過(guò)粉末擠壓成形技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的。粉末冶金加工行業(yè)生產(chǎn)時(shí)的投入低、生產(chǎn)質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，（材料利用率能達(dá)到95%～98%），對(duì)環(huán)境污染小。使用粉末擠壓成型技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品在硬度、強(qiáng)度及精度等方面與機(jī)械加工出來(lái)的產(chǎn)品不相上下，并且產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性極佳，特別適用于標(biāo)準(zhǔn)化大批量的生產(chǎn)[3]。根據(jù)實(shí)際的加工生產(chǎn)需求來(lái)進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)或是通過(guò)變換作用方式等途徑,金屬粉末擠壓成型技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性能要求及特殊形狀產(chǎn)品的加工成形,進(jìn)而涌現(xiàn)出了一些“非”常規(guī)的擠壓成型工藝方法,大大豐富了現(xiàn)有的擠壓成型工藝的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)手段[4]。依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中擠壓方式的差別，擠壓成型分成兩類(lèi)，第一種是發(fā)展歷史較長(zhǎng)的直接擠壓，第二種是發(fā)展時(shí)間較短的間接擠壓。直接擠壓是將壓力直接作用在待加工表面，實(shí)際效果良好。間接擠壓是通過(guò)擠壓把粉末擠壓至型腔內(nèi)，再將壓力作用到待加工表面，加工出來(lái)的產(chǎn)品能夠達(dá)到很高的要求[5]。1.3.2發(fā)展趨勢(shì)擠壓成型機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在這種設(shè)備的自身使用范圍極廣，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)，對(duì)原始設(shè)備的開(kāi)發(fā)，極大地拓寬了擠壓成型機(jī)加工產(chǎn)品時(shí)的成型速度，以及使用范圍[6]。擠壓模具強(qiáng)度的增強(qiáng)、擠壓設(shè)備不斷的大型化，擠壓裝置結(jié)構(gòu)的不斷改善等方式都會(huì)對(duì)擠壓技術(shù)的發(fā)展起到積極的作用。另外，擠壓加工時(shí)的連續(xù)性，能夠解決擠壓技術(shù)目前最大的短板[7]。1.4研究?jī)?nèi)容及意義1.4.1研究?jī)?nèi)容小型金屬粉末擠壓成形機(jī)是對(duì)金屬粉末進(jìn)行擠壓成形的設(shè)備，本次的研究?jī)?nèi)容主要包括金屬粉末擠壓成形的原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。根據(jù)材料的強(qiáng)度和能加工產(chǎn)品的最大橫截面積確定設(shè)備的公稱(chēng)壓力，再以此計(jì)算出主液壓缸的相關(guān)尺寸。通過(guò)受力分析計(jì)算出機(jī)架中上橫梁、立柱及固定螺栓的相關(guān)尺寸。1.4.2意義本次設(shè)計(jì)的小型金屬粉末擠壓成形能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)上下料、連續(xù)擠壓的功能。工作時(shí)利用液體的壓強(qiáng)產(chǎn)生壓力來(lái)改變金屬材料的形態(tài)，在使用上比較環(huán)保，排放基本零污染，對(duì)金屬粉末原料的利用率較高。小型金屬粉末擠壓成形機(jī)通過(guò)安裝模具的方式來(lái)生產(chǎn)元件，在需要生產(chǎn)不同規(guī)格的的元件時(shí)，可以直接通過(guò)更換模具來(lái)達(dá)到生產(chǎn)目的，而不需要再次更換設(shè)備，節(jié)省成本。第2章總體方案2.1金屬粉末擠壓成形原理金屬粉末的擠壓成形是在一定的工作溫度下，根據(jù)金屬塑性變形原理，利用安裝在擠壓成型機(jī)上的模具，對(duì)金屬粉末施加擠壓力，使金屬材料在擠壓力作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形，從而加工出符合生產(chǎn)要求的產(chǎn)品。2.1.1擠壓變形過(guò)程金屬粉末受到擠壓力作用時(shí)的流動(dòng)過(guò)程由以下三個(gè)階段組成[8]：①開(kāi)始階段：金屬粉末團(tuán)在上沖模的擠壓作用下開(kāi)始進(jìn)入料模，變形區(qū)域迅速擴(kuò)大。②穩(wěn)定階段：進(jìn)入到料模內(nèi)的金屬粉末團(tuán)的高度隨著擠壓的不斷進(jìn)行而逐漸降低，已變形完成區(qū)域的高度穩(wěn)定不變。③完畢階段：金屬粉末團(tuán)經(jīng)擠壓成形完成后，被下沖模頂出。2.1.2擠壓變形時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變變形時(shí)，金屬的硬度是隨變形程度的增加而增加的。金屬粉末團(tuán)在擠壓時(shí)會(huì)受來(lái)自上沖模的擠壓力、模壁的側(cè)應(yīng)力、內(nèi)模壁阻止金屬粉末流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，金屬粉末材料受到三向壓應(yīng)力。三向壓應(yīng)力的狀態(tài)有利于提高金屬材料的塑性并且能夠使得金屬材料的組織變得更加致密、晶粒變得更加細(xì)小。圖2-1擠壓變形時(shí)金屬的應(yīng)力與應(yīng)變擠壓時(shí)，金屬粉末的變形抗力和塑性變形會(huì)因成分差異、組織結(jié)構(gòu)形式的不同而受到不同的影響：不同種類(lèi)、不同成分金屬粉末的塑性不同，力學(xué)性能和強(qiáng)度不同；不同內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)形式、不同成分的金屬粉末與安裝在擠壓機(jī)上的模具的材料的摩擦系數(shù)不同；而合金元素的存在，會(huì)導(dǎo)致固溶體形成、晶粒細(xì)化、晶格扭曲，從而影響到最終金屬粉末塑性變形的效果。2.1.3擠壓變形后的變化1內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化經(jīng)過(guò)擠壓，金屬材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的晶粒由等軸狀向受擠壓的方向拉長(zhǎng)，變成纖維。變形后，縮孔、縮松被擠壓，金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加地緊密[9]。圖2-2擠壓變形前后組織的變化2金屬性能的變化①機(jī)械性能方面變化顯著：材料的組織決定材料的性能，組織的改變將引起性能的變化，提高硬度，塑韌性則下降。②各向異性出現(xiàn)：材料沿纖維方向強(qiáng)硬度提高，沿垂直方向塑韌性則較好。2.2設(shè)計(jì)思路本次設(shè)計(jì)的小型金屬粉末擠壓成形機(jī)主要用于完成對(duì)金屬粉末的擠壓成型。先在一定工作溫度下將金屬粉末和粘接劑混合并制團(tuán)，接著將金屬粉末團(tuán)放入送料盒中，通過(guò)送料液壓油缸將其驅(qū)動(dòng)到工作位置，然后主液壓缸推動(dòng)上沖模對(duì)置于工作臺(tái)上的金屬粉末團(tuán)進(jìn)行擠壓。金屬粉末團(tuán)在擠壓力的作用下通過(guò)與其制品形狀和橫截面尺寸相同的料模被擠壓成產(chǎn)品。之后下液壓缸推動(dòng)下沖模將已擠壓成形好的成品推出到送料盒中，最后送料液壓缸回程，將送料盒拉出，從而完成對(duì)金屬粉末的整個(gè)擠壓成型過(guò)程，主要流程如圖2-3所示。圖2-3擠壓成型流程圖2.3總體方案小型金屬粉末擠壓成形機(jī)主要由主液壓缸、機(jī)架、送料裝置組成。主液壓缸使用活塞式液壓缸作為擠壓裝置，可免去減速裝置，且沒(méi)有傳動(dòng)間隙，運(yùn)行平穩(wěn)。機(jī)架用于對(duì)主液壓缸的固定，通過(guò)公稱(chēng)壓力可計(jì)算出上橫梁的相應(yīng)尺寸及立柱的直徑。底座用于承載整個(gè)設(shè)備的作用力，考慮到擠壓時(shí)會(huì)有強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊，因此使用活動(dòng)地腳螺栓將底座固定。送料裝置則用于對(duì)金屬粉末團(tuán)的送料和卸料，經(jīng)送料液壓缸驅(qū)動(dòng)沿著導(dǎo)軌移動(dòng)。

第3章擠壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1擠壓模具本次的小型金屬粉末擠壓成型機(jī)為滿(mǎn)足不同的加工要求，選定加工鐵基金屬粉末，模具中最大可加工的材料橫截面積S為0.02m2計(jì)算工作負(fù)載F：F=S×σ（3-1=0.02×145×=2.9×10取F為3000kN式中：S–橫截面積（m2σ–鐵基金屬粉末材料的屈服強(qiáng)度（MPa），為145Mpa。考慮到實(shí)際加工的需要，本次設(shè)計(jì)的小型金屬粉末擠壓成型機(jī)在工作時(shí)需要根據(jù)具體的生產(chǎn)要求選定上沖模具、下沖模具、料模。設(shè)備工作時(shí)主液壓缸驅(qū)動(dòng)上沖模具對(duì)位于工作臺(tái)上的金屬粉末團(tuán)進(jìn)行擠壓，擠壓后的成品進(jìn)入到料模。金屬粉末團(tuán)的擠壓過(guò)程完成后，下液壓缸驅(qū)動(dòng)下沖模具將料模內(nèi)已經(jīng)擠壓完成的成品頂回至工作臺(tái)。3.2主液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1主要參數(shù)的確定由液壓缸的基本結(jié)構(gòu)可繪出如圖3-1所示的液壓缸受力圖[10]：圖3-1液壓缸受力圖由力的平衡關(guān)系可得如下公式：（3-2）由于在實(shí)際數(shù)值中遠(yuǎn)小于，可忽略不計(jì)，該式可簡(jiǎn)化為：（3-3）求得活塞面積：==0.12（3-4）得主缸內(nèi)徑D=0.3907m。查內(nèi)徑參數(shù)表，將內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑：D=400mm工作壓力25MPa。通過(guò)查表，取d/D=0.7。（3-5）活塞桿的直徑為0.28m。綜上：液壓缸內(nèi)徑D=400mm,活塞桿直徑d=280mm.由以上數(shù)據(jù)求出液壓缸實(shí)際有效面積如下：無(wú)桿腔：==126000有桿腔：==64000活塞桿面積：A=-=62000根據(jù)以上數(shù)據(jù)及本次金屬粉末擠壓成形機(jī)的實(shí)際需求，可將液壓缸的工作速度定位：空程速度：100，工作速度：10，回程速度：60?；钊麠U最大行程定位800mm。3.2.2液壓缸工作時(shí)的流量液壓缸運(yùn)行時(shí)的液體流量根據(jù)工作速度和內(nèi)徑D來(lái)計(jì)算?？粘趟俣萔1=100，工作速度為V2=10，回程速度為V3=60.（3-6）空程：Q1=V1×D2=0.1m/s××(0.4)2=0.012566m3/s=753.6L/min；工作：Q2=V2×D2=0.012m/s××(0.4)2=0.001256m3/s=75.3L/min；回程：Q3=V3×（D2-d2）=0.06m/s××(0.42-0.282）=0.003843m3/s=230.6L/min根據(jù)金屬粉末團(tuán)在被擠壓時(shí)的具體加工要求，液壓缸產(chǎn)生的擠壓力可以通過(guò)調(diào)速閥來(lái)調(diào)節(jié)3.2.3缸的設(shè)計(jì)1缸筒的材料和結(jié)構(gòu)在很多情形下，缸筒的構(gòu)成方式和制造的材料有關(guān)。本次的缸筒使用45#鋼材料。可以確保內(nèi)部構(gòu)造的公用性好，缸體制造時(shí)簡(jiǎn)單，拆裝便利，足夠符合實(shí)際運(yùn)行需求[11]。45#鋼性質(zhì)如表3-1所示。表3-1缸筒材料型號(hào)≥／MPa≥／MPa≥／%45600355162缸筒要求①活塞在缸筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者之間不斷的發(fā)生磨損，因此缸筒的內(nèi)表面要能滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的需求，并且內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)要符合活塞在密封性能上的需求。②設(shè)備運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)缸筒產(chǎn)生作用力，因此缸筒要能夠承受住擠壓機(jī)的最大工作負(fù)載，而不會(huì)因?yàn)橹尾蛔《鴮?dǎo)致結(jié)構(gòu)扭曲，裝置毀壞。由于缸筒在液壓缸運(yùn)行時(shí)將會(huì)直接承受空氣壓力，因此必須要有一定厚度，本次設(shè)計(jì)的主缸內(nèi)徑D與壁厚之比在3.2至16之間，使用公式：=PyD(2.3σ-Py)φ=1.25×25×0.42.3×120-1.25×25=0.051m取=0.05m式中：--試驗(yàn)壓力（MPa），工作壓力P≥16MPa時(shí)，=1.25p;D--液壓缸內(nèi)徑（m）;--缸體材料的許用應(yīng)力（MPa）：--缸體材料的抗拉強(qiáng)度（MPa）--安全系數(shù)，一般取n=5—缸體內(nèi)最大工作壓力為25MPa.--強(qiáng)度系數(shù)，一般取13缸筒強(qiáng)度校核缸筒內(nèi)徑D=400mm，壁厚為50mm，則外徑：（3-8）額定壓力必須要小于一個(gè)值，這樣缸筒才是符合強(qiáng)度要求的，即：≤0.35×=0.35××355=44.7MPa（3-9）式中：--液壓缸額定壓力(MPa)--液壓缸外徑(m)--液壓缸內(nèi)徑(m)--材料的極限應(yīng)力(MPa)，選定的液壓缸工作壓力為25MPa，25＜44.7，因此缸筒強(qiáng)度符合安全標(biāo)準(zhǔn)。4缸筒底部厚度缸筒底部為平面時(shí)：缸筒厚度h計(jì)算公式為：h0.433Dpσp=0.433×0.4×25120=0.08m（3-取h=80mm式中：--液壓缸內(nèi)徑（m）--試驗(yàn)壓力（MPa）--缸底材料的許用應(yīng)力（MPa）5液壓缸固定螺栓直徑校核ds≥2.6kFπz[σ]式中：k--螺紋擰緊系數(shù)k=（1.12-1.5），取1.3；F--液壓缸的負(fù)載，為3000kN。[]--/(1.2—2.5),是材料的屈服極限Z--固定螺栓數(shù)。固定螺栓較少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致直徑增大，擴(kuò)大安置區(qū)域，對(duì)其它部件也有干擾；而如果固定螺栓較多的話(huà)，會(huì)導(dǎo)致安裝難度變大，經(jīng)綜合分析，取固定螺栓數(shù)為四。所以：ds≥采用M24螺栓。3.2.4活塞的設(shè)計(jì)活塞在液體壓強(qiáng)差產(chǎn)生的擠壓力作用下沿著內(nèi)壁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，它與內(nèi)壁之間的配合應(yīng)適當(dāng)，兩者之間的縫隙要適中?？p隙太大，會(huì)使得性能不符合需求；縫隙太小，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備難以啟動(dòng)，效率變低，并且長(zhǎng)期運(yùn)行下去的話(huà)表面容易遭受大大的破壞。1活塞的設(shè)計(jì)擠壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)，主液壓缸中的活塞在作用力之下沿著內(nèi)壁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直徑與液壓缸內(nèi)徑應(yīng)當(dāng)一致。活塞直徑取為0.4m,寬度B=0.6d=0.24m。2活塞桿的材料使用45號(hào)鋼加工生產(chǎn)活塞桿，其力學(xué)性能如表3-2所示。表3-245號(hào)鋼力學(xué)性能型號(hào)≥／MPa≥／MPa≥／%45MnB103083593活塞桿直徑d的校核：(3-12)≥4×3≥0.0738m取d=0.28m,滿(mǎn)足要求。式中：F--活塞桿上的作用力；--活塞桿材料的許用應(yīng)力，=/1.4。

第4章機(jī)架設(shè)計(jì)4.1機(jī)架構(gòu)成本次設(shè)計(jì)的小型金屬粉末擠壓成形機(jī)采用四柱型機(jī)架，這種形式的機(jī)架的剛度高，性能好，對(duì)基礎(chǔ)要求較低，適合于本次的小型金屬粉末擠壓成形機(jī)。設(shè)計(jì)出的機(jī)架為滿(mǎn)足小型金屬粉末擠壓成形機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)上下料、自動(dòng)擠壓、自動(dòng)頂出的功能，主要由5個(gè)部分組成：上橫梁、活動(dòng)橫梁、傳動(dòng)裝置、底座、立柱。每個(gè)部分對(duì)設(shè)備都有自己獨(dú)特的作用。4.2上橫梁的設(shè)計(jì)4.2.1上橫梁的作用及要求小型金屬粉末擠壓成形機(jī)通過(guò)主液壓缸產(chǎn)生加工金屬粉末團(tuán)所需要的力，而為方便主液壓缸工作，需將其置于設(shè)備的最上方，而液壓缸自身是有重力的，因此需要使用上橫梁將主液壓缸固定在需要的位置。主液壓缸運(yùn)行時(shí)，上橫梁會(huì)承受到主液壓缸的反向作用力，因此需要對(duì)上橫梁進(jìn)行受力計(jì)算分析和強(qiáng)度校核。上橫梁需要較強(qiáng)的彎曲力和彎曲疲勞強(qiáng)度，故選用鑄造材料HT200-40[12]。上橫梁通過(guò)與立柱的連接形成機(jī)身的上半部分，并且在中間安裝有主液壓缸。上橫梁是機(jī)架中的主要部件，為了使設(shè)備能夠正常運(yùn)行，對(duì)其尺寸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出以下具體要求[13]。①液壓缸法蘭盤(pán)表面和用來(lái)固定液壓缸的六角螺母之間的不平行度允差需要符合標(biāo)準(zhǔn)；②液壓缸法蘭盤(pán)表面與上橫梁中間安裝孔軸線(xiàn)之間的不垂直度允差需要符合標(biāo)準(zhǔn)；③上橫梁安裝立柱孔的軸線(xiàn)之間的不平行度允差需要符合標(biāo)準(zhǔn)。④上橫梁安裝立柱孔和立柱之間的配合需要符合標(biāo)準(zhǔn)。4.2.2上橫梁的強(qiáng)度校核上橫梁可簡(jiǎn)化為左右兩端支承，受到兩集中力的簡(jiǎn)支梁。受力圖如圖4-1所示。設(shè)計(jì)：上橫梁中間鉆孔放入主液壓缸，計(jì)算時(shí)，將主液壓缸直徑忽略。由于上橫梁在各個(gè)截面上的受力一致，因此長(zhǎng)寬取一致[14]。負(fù)載作用下的受力分析如圖4-1所示。圖4-1上橫梁受力圖由彎矩圖很容易看出，上橫梁受到的最大彎矩是在最中間，是危險(xiǎn)截面。為了防止橫梁發(fā)生斷裂或是在設(shè)備運(yùn)行時(shí)達(dá)不到應(yīng)有的疲勞極限，故對(duì)上橫梁截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。正應(yīng)力公式為：σmax=MmaxW式中：σmaxMmaxW—抗彎截面系數(shù)(m3)矩形截面抗彎系數(shù)W：W=bh2式中：b—矩形截面的寬；h—矩形截面的高。最大彎矩MmaxMmax=F式中：Fmax—最大彎曲力，為F/2L—力臂，為上橫梁長(zhǎng)的一半綜上：σmax=MmaxW=F2查得許用應(yīng)力[σ]=60MPa，σmax＜[σ]即：h>0.6m取h=0.65m剪切應(yīng)力：τmax=32Fs=3查得剪切應(yīng)力[τ]=20MPa，τmax＜[τ]即：a>0.7m取a=0.8m為承受負(fù)載及考慮到加工要求，將上橫梁安裝液壓缸的地方做成圓筒形，整個(gè)梁體做成箱形結(jié)構(gòu)。4.3活動(dòng)橫梁的設(shè)計(jì)4.3.1作用及結(jié)構(gòu)形式活動(dòng)橫梁通過(guò)與主液壓缸活塞桿連接來(lái)向下傳遞主液壓缸的壓力，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，活動(dòng)橫梁通過(guò)導(dǎo)向裝置沿著立柱移動(dòng)，下表面與上沖模具相連。設(shè)備在工作時(shí)，主液壓缸產(chǎn)生的擠壓力通過(guò)活動(dòng)橫梁連接著的上沖模具傳遞到金屬粉末團(tuán)上進(jìn)行擠壓，活動(dòng)橫梁的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)是依靠安裝在梁上的導(dǎo)套裝置。為便于實(shí)際中的制造，活動(dòng)橫梁的材料可與上橫梁一致。為保證足夠的精度，一般情況下，高度通常與上橫梁相近?；顒?dòng)橫梁是小型金屬粉末擠壓成形機(jī)的主要活動(dòng)部件，為了保證設(shè)備符合精度要求，對(duì)活動(dòng)橫梁提出以下具體要求[15]：①活動(dòng)橫梁上表面與下表面之間的不平行度允差要符合要求。②活動(dòng)橫梁安裝立柱孔的軸線(xiàn)應(yīng)當(dāng)互相平行，四個(gè)孔軸線(xiàn)之間的不平行度允差要符合要求。③活動(dòng)橫梁立柱孔軸線(xiàn)與橫梁下表面之間的不垂直度允差要符合要求。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看活動(dòng)橫梁通過(guò)模具墊板來(lái)傳遞壓力，僅僅受到擠壓和向下的彎曲，相比于橫梁的尺寸而言，足以承受，因此活動(dòng)橫梁的計(jì)算可從略。4.3.2活動(dòng)橫梁的連接1活動(dòng)橫梁與液壓缸柱塞的連接活動(dòng)橫梁與主液壓缸的連接方式有許多種，常使用的連接方式有球面連接、中間桿連接和剛性連接。①球面連接該結(jié)構(gòu)是柱塞固定在活動(dòng)橫梁的球面上，受力時(shí)會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，以此來(lái)保證液壓缸柱塞仍處于垂直形態(tài)。但此結(jié)構(gòu)的不足之處在于對(duì)球面光滑要求比較高。②中間桿連接柱塞與中間桿連接時(shí)，兩者之間有縫隙，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行受力時(shí)，中間桿會(huì)使得柱塞依然處于垂直形態(tài)，并且受到的側(cè)力較小，能夠長(zhǎng)時(shí)間的工作，但缺點(diǎn)在與結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，成本高。③剛性連接剛性連接是主液壓缸柱塞下端插入到活動(dòng)橫梁之內(nèi)，多應(yīng)用于單缸擠壓成形機(jī)的工作缸，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。因本擠壓機(jī)工作時(shí)的偏心載荷有限，為了便于生產(chǎn)，可直接用M38的雙頭螺柱將其與主液壓缸的法蘭盤(pán)連接，從而達(dá)到預(yù)緊的目的。2活動(dòng)橫梁與立柱連接主液壓缸在工作時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)活動(dòng)橫梁移動(dòng)，而活動(dòng)橫梁會(huì)以立柱為方向進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間、高頻率的運(yùn)動(dòng)會(huì)加速立柱與活動(dòng)橫梁之間的磨損，因此，為了減少設(shè)備的損耗，不能讓立柱與活動(dòng)橫梁直接接觸，而是在這兩者之間留出一定空間，安裝方便更換、耐磨的導(dǎo)向裝置，以此來(lái)將兩者隔開(kāi)。導(dǎo)向裝置常使用如圖4-2所示的導(dǎo)套。圖4-2導(dǎo)套可以通過(guò)在活動(dòng)橫梁的立柱孔中安裝上下兩個(gè)導(dǎo)套從而實(shí)現(xiàn)活動(dòng)橫梁的運(yùn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便。導(dǎo)套材料常使用具有較高強(qiáng)度，良好的抗滑動(dòng)磨擦性的錫青銅導(dǎo)套比壓q的計(jì)算（4-4）=3×10=2.3MPa滿(mǎn)足要求式中c——導(dǎo)套高度（m）T——立柱上的側(cè)推力（N）[q]——許用比壓（MPa），[q]=6∽8MPad——導(dǎo)套內(nèi)孔直徑(m)4.4傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)出的小型金屬粉末擠壓成形機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)上下料的功能，因此設(shè)備上必須要有傳動(dòng)裝置?？紤]到生產(chǎn)時(shí)的實(shí)際需要，傳動(dòng)裝置可由送料液壓缸、送料盒、送料盒導(dǎo)軌三部分組成。由于送料液壓缸僅僅具有驅(qū)動(dòng)送料盒沿著導(dǎo)軌來(lái)回移動(dòng)的功能，因此可直接參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)JB/ZQ4181-2006選取液壓缸，缸體通過(guò)油缸座連接于機(jī)架上，油缸座固定于機(jī)架上，輸出軸與送料盒連接。送料盒用于放置待加工的金屬粉末團(tuán)，然后沿著導(dǎo)軌移動(dòng)。送料盒導(dǎo)軌通過(guò)兩根M24六角螺栓固定在工作面上。整個(gè)傳動(dòng)裝置僅起到送料卸料的功能，計(jì)算可忽略[16]。4.5立柱的設(shè)計(jì)4.5.1立柱設(shè)計(jì)計(jì)算本次設(shè)計(jì)出的小型金屬粉末擠壓成形機(jī)的最大工作負(fù)載為3000kN，立柱需承受得住負(fù)載和橫梁的重量，由于主液壓缸的工作負(fù)載過(guò)大，故在進(jìn)行載荷的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可直接取負(fù)載3000kN對(duì)立柱進(jìn)行受力分析計(jì)算。當(dāng)力作用在橫梁和立柱上時(shí)，橫梁受到壓力，立柱受到反作用的拉力，受力如圖所示。F-最大受力負(fù)載T-立柱拉力圖4-3立柱受力分析圖材料選擇：由受力分析可知，立柱會(huì)受到較強(qiáng)的拉力，故選擇的材料應(yīng)具備較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，可選擇45號(hào)鋼。加工工藝：設(shè)備工作時(shí)，立柱不僅受到拉力的作用，還有與活動(dòng)橫梁導(dǎo)套之間的摩擦，為了減少立柱表面的磨損程度，增加使用壽命，可以通過(guò)金屬表面的熱處理來(lái)有效的增加立柱表面的耐磨性及硬度。立柱計(jì)算;設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)最大3000kN的負(fù)載作用力，作用在4根立柱上，平均到每根立柱上受到750kN的作用力。通過(guò)使用許用應(yīng)力公式（4-5）可以計(jì)算出立柱的安全直徑D。[σ]=FA式中：[σ]—許用應(yīng)力；45鋼[σ]=80MPa;F—立柱軸向拉力；A—立柱橫截面積。即：D=4Fπ[σ]取D=110mm，為防止設(shè)備工作時(shí)立柱受力斷裂，考慮到安全性、可靠性，選取立柱時(shí)，可以適當(dāng)加大立柱直徑，取D=140mm4.5.2立柱的連接方式小型金屬粉末擠壓成形機(jī)的機(jī)架通過(guò)使用四根立柱將上橫梁、活動(dòng)橫梁和底座連接在一起，形成結(jié)構(gòu)框架。在此結(jié)構(gòu)中，即安裝了擠壓成形機(jī)本體所需要的主要部分，還可以在設(shè)備工作時(shí)，承受住設(shè)備的作用力。而整個(gè)框架的結(jié)構(gòu)形式，取決于立柱的連接方式。小型擠壓成形機(jī)中，常用如圖4-4所示的四種連接方式，圖4-4小型擠壓成形機(jī)立柱的四種連接方式①立柱使用兩螺母固定，內(nèi)螺母起到支撐作用，外螺母起到緊固作用。機(jī)架的整體結(jié)構(gòu)依靠螺母的調(diào)節(jié)。該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)精度要求極高，并且在安裝時(shí)也很繁瑣②立柱通過(guò)螺母緊固，臺(tái)肩支撐，橫梁之間的位置依靠臺(tái)肩和螺母的結(jié)構(gòu)來(lái)確保。該方式安裝簡(jiǎn)單，但無(wú)法按要求準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)機(jī)架結(jié)構(gòu)，并且對(duì)臺(tái)肩之間的尺寸精度要求極高。③上橫梁與立柱的連接處使用臺(tái)肩，該方式在安裝和結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)比較容易，但是對(duì)立柱的緊固比較繁瑣。④與上一種連接方式類(lèi)似，只是在上橫梁下表面與立柱接觸處使用臺(tái)肩，并且該結(jié)構(gòu)的精度調(diào)節(jié)更加容易可靠。綜合分析比較，本次立柱的連接形式選用第④種。4.6底座的設(shè)計(jì)底座安裝于設(shè)備底部，與基礎(chǔ)相連。底座僅承受機(jī)器之總重量和負(fù)載力，安裝時(shí)，通過(guò)活動(dòng)地腳螺栓將其固定在地面。底座選用焊接結(jié)構(gòu)。主要考慮到外形的美觀，對(duì)精度無(wú)要求。第5章擠壓成形機(jī)的裝配經(jīng)過(guò)前面一系列的設(shè)計(jì)分析，最終可確定小型金屬粉末擠壓成形機(jī)由三部分組成，分別是擠壓裝置、上下料裝置、頂出裝置。擠壓部分是設(shè)備的主體部分，其中的主液壓缸對(duì)金屬粉末進(jìn)行擠壓加工，上橫梁、立柱、底座起到固定及受力作用。上下料裝置和頂出裝置屬于輔助部分，送料液壓缸驅(qū)動(dòng)送料盒上下料，頂出液壓缸負(fù)責(zé)將擠壓完成的成品從料模內(nèi)頂出到送料盒中。最終小型金屬粉末擠壓成形機(jī)的裝配圖如圖5-1所示。5-1小型金屬粉末擠壓成形機(jī)

結(jié)論本次的小型金屬粉末擠壓成形機(jī)采用液壓缸作為動(dòng)力源，可通過(guò)液壓系統(tǒng)對(duì)整個(gè)送料卸料、擠壓頂出過(guò)程進(jìn)行控制。通過(guò)主液壓缸對(duì)金屬粉末團(tuán)施加擠壓力，使其通過(guò)滿(mǎn)足具體加工要求的模具，發(fā)生塑性變形得到最終的產(chǎn)品。設(shè)備在實(shí)際工作時(shí)，通過(guò)安裝在設(shè)備右側(cè)的送料液壓缸驅(qū)動(dòng)送料盒沿導(dǎo)軌進(jìn)行