作业：滑块许用负荷图的制定及其作用

2021年3月3日发(作者：红斑狼疮传染)






































































































塑性成形设备

课程论文设计





题

目：

滑块许用负荷图的制定及其作用



学

院：

航空制造工程学院

专业名称：

材料成型及控制工程（锻压方向）


班级学号：


11033427

学生姓名：


任书杰


指导教师：

黎俊初

教授






二
O
一

四

年

五

月


































































































滑块许用负荷图的制定及其作用

摘要：
对曲柄压力机的曲柄滑块机构的运动 分析和受力分析，以及对曲轴受弯
矩、
扭矩载荷的分析来研究制定曲柄压力机的滑块许用负荷图 。
结果表明滑块许
用负荷图对曲柄压力机在设计、
选择、
正确使用和安全方面 有着重要的指导意义。

关键词：
曲柄压力机；曲柄滑块机构；曲轴；滑块；许用负荷图

1.
引言

曲柄压力机是采用机械传动的锻压机器，
是在锻压生产过 程中广泛使用的一
种塑性成形设备。它可以应用于板料冲压、模锻、冷热挤压、冷精压和粉末冶金
等工艺。
它的运动特点是其执行机构把传动装置的旋转运动变成了滑块的往复直
线运动，同时借助于从执行机构和工作台
（机座）
到床身的封闭力系作用使坯料
得到所需要 的变形，
以制成一定形状的锻压成型件。
由于锻压设备在装备制造业
中占有很重要的地 位，
同时对于国民经济的发展又起到了不可或缺的作用，
因此
被广泛应用于航空航天工 业、汽车工业、电子仪表工业和五金轻工等领域。

曲柄压力在设计时，对这种机械的结构和技 术参数有着特定的要求。比如安
装模具的空间尽可能大，
通用性要比较强，
同时要有多 种辅助系统和附属装置
（润
滑系统、过载保护装置以及气垫等）
。曲柄压力机滑块在整 个行程周期内会出现
上极限位置（上死点）和下极限位置（下死点）
，而对于卧式压力机而言就 是前
极限位置（前死点）和后极限位置（后死点）
，在工作行程时，滑块使坯料发生
变 形；在回程时，滑块回到原始位置；即完成一个行程周期。因此曲柄压力机规
定滑块相对于工作台面具有 精确的极限位置。
由于力的作用，
传动装置和床身都
要发生一定的弹性变形，即主轴弯 曲、连杆压缩、工作台翘曲、模具支撑面的接
触面变形等，
因此对机器要有一定的刚度要求。< br>刚度越好，
锻压出来的工件精度
越高。

曲柄压力机有一个重要的缺点 就是容易引起超载。
仅仅采用过载保护装置来
防止超载往往是不可靠的。
为了解决这个 问题要从工艺、
结构和使用等方面来综
合考虑，
同时要对压力机的特性有比较清楚的了 解。
而曲柄滑块机构是曲柄压力































































































机 工作机构的主要类型，
是它使旋转运动转变成了滑块的往复直线运动，
从而使
工件成形 。
因此曲柄滑块机构是设计曲柄压力机的基础，
掌握曲柄滑块机构的运
动规律和受力情 况是了解曲柄压力机工作特性的重要内容。

2.
结点正置的曲柄滑块机构的运动分析

通用曲柄压力机的工作机构大多采用结点正置< br>（滑块和连杆结点
B
的运动轨迹位于曲柄旋转中心
O
和连结点
B
的连线上）的曲柄滑块机构。如右图
1
所示曲柄滑块机构运动关系简图。图中
O
点表示曲
轴的旋转中心，
A
点表示连杆与曲柄的连结点，
B点
表示连杆与滑块的连结点，
B
0
和
B
0
’点 分别表示滑
块的下极限位置点和上极限位置点，
OA
表示曲柄半
径，
AB
表示连杆长度。当
OA
以角速度
w
绕
O
点作< br>旋转运动时，
B
点则以速度
v
作往复直线运动。
下面
主要分别讨论滑块的行程和速度与曲柄转角之间的
关系。

2.1
滑块的行程和曲柄转角的关系

曲柄压力机滑块是在接近下极限位置点
B< br>0
的一段区间内工作，
因此，
在研究
滑块运动规律的时，取滑块行程的 下极限位置点
B
0
为行程的起点，滑块从
B
0
点
到
B
点的行程为
S
。曲柄转角由
O
0
点顺时针方向（ 与实际转动方向相反）转到
A
时，曲柄转角为
?
。

如图< br>1
所示的曲柄滑块机构运动关系计算简图，
当曲柄滑块机构处于
OAB
位
置时，滑块的行程
:
S
?
R
?
L
?< br>(
R
cos
?
?
L
cos
?
)................................................ .......(1)
又因为

cos
?
?
1
?
sin
2
?
?
1
?
?
2
sin< br>2
?
..................................... ................(2)































































































S=R[(1-cos
?
)+
式中

?

(1-cos2
?
)]............................... .....................(3)
4
S
——滑块的行程（由下死点算起）
；











?
——曲柄的转角（由
A
点顺时针方向算起）
；

R
——曲柄半径；











?
——连杆几何轴线与滑块运动轴线间的夹角；

L
——连杆长度；







?
——连杆系数，
λ
=R/L
，当连杆长度可调时取最短的数据。< br>

















图
2

滑块行程、速度曲线

对曲柄压力机而言，
R
、
K
是已知的，因此绘出了如图
2
所示的滑块行程曲
线图。
从图中我们 可以得出如下结论：
当滑块工作运行至接近上极限位置点和下
极限位置点时，
滑块行程 随转角变化很小；
当滑块从下极限位置点运行至极限行
程的一半（即
S=R
） 附近时，滑块行程随转角变化最大；所以可以知道曲柄压力
机滑块运行至下极限位置点时，模锻时变形抗 力的增加也是很缓慢的。

2.2
滑块的速度和曲柄转角的关系

将
(3)
式求一阶导数

?
=R
?
(si n
α
+
?
sin2
?
) ............... ................................................(4 )

2































































































其中


?
=
d
?

.
dt
w
——曲柄的角速度，
?
?
?
n
30
=0.105
n

；

v
——滑块的速度；

n
——曲柄每分钟的转速，即滑块每分钟行程的次数。

对某一台曲柄压力机 而言，
R
、
K
、
w
都是已知的，因此绘出滑块速度曲线如< br>图
2
。从速度图中可以得出：滑块在行程区间内各点的速度是不相同的，由下极
限位置点（即
?
=
0
o
时）开始运动，速度由零逐渐增加，达到最大 值（行程的一
半对应的速度）后又逐渐降低直到运动至上极限位置点（即
?
=
90
o
）时，速度
又为零；
因为上极限位置点和下极限位置点的速度均为零，
回程与工作行程是一
致的，因此滑块的速度是循环往复变化的，一个循环周期就是
36 0
0
。

当
?
值并不是很大，
?
2
就显得很小，
因此考虑滑块加速度意义就不大；
但
?
值比较高时，这就是高 速曲柄压力机；此时
?
2
值很大，滑块的加速度与
?
2
值成
正比，运动的惯性力必须考虑进来。

3.
结点正置的曲柄滑块机构受力分析

曲柄滑块的机构的作用力

和曲轴扭转的计算是曲柄压力

机传动系统设计的基础。必须

对曲柄滑块机构进行有关问题

的分析，同时也是为之后的滑

块许用负荷图的分析提供依据。



3.1
不考虑摩擦时曲柄滑块机构的作用力及曲轴扭矩
































































































如图
3
所示是通用曲柄压力机受力简图，
在滑块上的作用力有：< br>变形抗力
F
，
连杆对滑块的作用力
F
AB

,
导轨对滑块的反作用力
Q
，此三个力处在矢量三角形
里，处于相互平衡状态 。根据力的平衡条件，有

F
AB
=
F
......... .................................................. ...........................(5)
cos
?
Q=< br>F
tan
?
.............................. .................................................. ......(6)
对于一般通用压力机来说，在工作行程中
?
角度较小，由前面的 公式可以近
似得到：
cos
?
?
1
,
tan
?
?
cos
?
?
?
sin
?
，所以(5)
、
(6)
两式可以简化为：

F
AB
?
F
......................................... .................................................. (7)
Q
?
F
?
sin
?
.......... .................................................. ........................(8)
如图
4
所示的是偏心齿 轮受力分析图。在连杆力
F
AB
的作用下，曲轴受到的
扭矩
M
l
为：

M
l
?
F
AB
?
OD
.............................................. ...................................(9)
其中，

OD
?
R
?
sin(
?
?
?
)< br>?
R
(sin
?
cos
?
?
cos
?
sin
?
)

，则：

M
l
?
FR
(sin
?
?
式中，

m
l
?
R
(sin
?
?
?
2sin
2
?
)
?
Fm
l
.......... ........................................(10)
?
2
sin
2
?
)

m
l
——理想当量力臂，

它的几何意义为：连杆给滑块的作

用力
F
AB
的作用线到曲柄旋转中心

O
点的距离。

(10)
式是为理想状态下（即忽略摩擦

时）的曲轴所受扭矩的公式可知，在曲

柄压力机所受变形抗力一定的时，曲轴

所受的扭矩随曲柄转角
?
的变化而变化。

当在行程至下极限位置点附近时，
?
小，

M
l
也 小；当在行程至中点附近时，
?
大，
M
l
也大。
































































































3.2
考虑摩擦时曲轴所受的扭矩
< br>曲柄压力机在工作的时候，在曲柄滑块机构各运动副之间是存在摩擦的，所
产生的摩擦扭矩是不可 忽略的。
求曲柄滑块机构的摩擦扭矩有两种方法，
即能量
法和力法，
这里采用 能量法求摩擦力矩。
其基本步骤：
首先求出各处的摩擦力
（或
力矩）
，然后用功率平衡原理求出总的摩擦扭矩。

曲柄滑块机构中摩擦主要发生在以下四个部位：



3.2.1
滑块与导轨之间的摩擦

如图
5
（
4
）所示，其摩擦力为：

F
u
=
uQ
................................... .................................................. .....(11)
式中

u
——摩擦系数；

Q
——导轨给摩擦的反作用力（正压力）