JH31-315机械压力机滑块部分的设计及有限元分析

摘要
通过对机械压力机的发展现状的分析，以及参考JH31-315机械压力机的设计，确定了本课题的主要设计内容。

在确定了机械压力机初步设计方案后，决定采用传统理论方法对JH31-315机械压力机滑块部分进行设计、计算、强度校核；并借用Solidworks软件的先进运算方式对机械压力机的滑块部分零件进行设计、计算以、强度校核及有限元分析；采用AutoCAD设计软件对滑块部分中各主要零部件及总装图进行了工程绘图；在参考了某公司生产的闭式单点机械压力机传动系统以及查阅了大量关于滑块部分设计的书籍后，确定传动滑块部分设计方案，绘制了滑块部分的图纸，给出了滑块部分的工作说明书，并对其进行了可行性分析，最后对整个设计进行系统分析，得出整个设计切实可行。

关键词机械压力机；有限元分析；滑块
Abstract
Through to the mechanical press domestic and foreign developed present situation analysis, and look up the design of JH31-315, I had determined this topic main design content. After I had determined the mechanical press preliminary design plan, decided uses the traditional theory method to carry on the design, the computation, the intensity examination to the JH31-315 mechanical press fuselages structure, and use the software of the finite element analysis to check the result of the design , and then using AutoCAD design software to the main raverse, under the crossbeam, moves slide, the master cylinder, goes against the cylinder, the column, the final assembly drawing has carried on the project cartography, meanwhile has carried on the mapping to the master cylinder; I has referred to four columns mechanical presses slide which some company produces as well as has consulted massively after the slide design books, the definite mechanical system design proposal, has drawn up the slide schematic diagram, has produced the slide working instructions, and has carried on the feasibility analysis to it, finally carries on the system analysis to the entire design, obtains the entire design to be practical and feasible.
Keywords mechanical press the finite element analysis slide
目录
1 绪论 (1)
曲柄压力机的发展概况 (1)
1.2 压力机简介 (3)
压力机的特点和用途 (3)
1.2.2 通用曲柄压力机的型号和技术参数 (3)
1.2.3 曲柄压力机的基本参数 (4)
1.3 压力机工作原理 (5)
2 JH31-315压力机简介 (7)
2.1 JH31-315压力机结构特点 (7)
2.2 JH31-315压力机用途与结构性能 (7)
2.3 JH31-315压力机压力性能介绍 (8)
3 滑块的说明 (10)
3.1 滑块的结构特点 (10)
滑块动作说明 (10)
3.3 调节机构的特点 (11)
3.4 液压过载保护装置 (12)
4 电动机的选择 (14)
电动机类型的选择 (14)
功率的计算 (14)
调节机构（连接器）传动效率 (14)
电动机额定功率计算 (15)
确定电动机型号 (15)
5 蜗轮蜗杆减速器设计 (20)
计算传动装置的运动参数 (20)
蜗轮蜗杆的设计 (21)
第一级蜗轮蜗杆的设计和计算 (21)
第二级蜗轮蜗杆的设计和计算 (24)
蜗杆轴分析与强度校核 (27)
蜗杆的设计和强度计算 (27)
5.3.2 轴径的校核 (29)
6 轴承和键的选用和计算 (31)
轴承的选用和强度的校核 (31)
键的选择和强度计算 (32)
7 有限元分析 (34)
有限元简介 (34)
有限元法基本定义 (34)
7.1.2 有限元法的发展 (34)
7.1.3 CosmosWorks（有限元分析软件）介绍 (35)
滑块体的有限元分析 (36)
7.3 球头螺杆的有限元分析 (38)
结论 (41)
致谢 (42)
附录................................................................................................................. 错误!未定义书签。

1 绪论
锻压生产在工业生产中占有重要的地位。

采用锻压工艺生产工件具有效率高、所量好，重量轻和成本低的特点。

所以，工业先进的国家愈来愈多地采用锻压工艺代替切削工艺和其他工艺。

锻压机械在机床中所占的比重也愈来愈大。

近年来，锻压机械的拥有量日本为34%，美国为32.4%。

在锻压机械中．又以曲柄压力机最多，占一半以上。

用曲柄压力机可以进行冲压、模锻等工艺，广泛用于汽车、农业机械、电器仪表、国防工业以及日用品等生产部门。

随着工业的发展，曲柄压力机的品种和数量愈来愈多，质量要求愈来愈显著，压力愈来愈大。

它在机械制造工业以及其他工业的锻压生产中的作用愈来愈显著。

例如，在汽车拖拉机工厂中，用热模锻压力机代替模锻锤生产模锻件已经成为一个发展的档势。

日本已有四条热模锻压力机生产线，其中一条110000千牛热模锻压力机自动生产线是在1971年建成的，可以生产重达1400牛，长达的曲轴以及重达1000牛，长达2米的汽车前梁生产效率为60件/时。

从拣料预热、剪切、锻造、检验到包装发送全部自动进行，全线仅用24人．比模锻锤的生产效率高得多，劳动条件大为改善。

西德已经制造了五条120000千牛热模锻匠力机自动生产线，供应世界各国。

又如，在日用品生产中，如果不采用高速冲压自动机，那么产品的成本与质量在国际市场上将失去竞争能力。

因此大量制造和使用曲柄压力机，已经成为工业先进国家的发展方向之一。

我国在解放以前，曲柄压力机的生产非常落后，只能制造一些手动冲床。

解放以后，才有了飞速的发展，到目前为止，我们已经制造了80000千牛的热模锻压力机，40000千牛的双点压力机以及其他各种型号的压力机。

但是，与工业先进的国家比较，我国的曲柄压力机制造业还很落后，主要表现在质量不高、数量不足．品种不全等几个方面特别是缺乏大型高效的设备。

因此，必须大力发展曲柄压力机，以满足四个现代化的需要。

锻压生产已有悠久的历史，但是，采用锻压机械进行锻压生产却只有百余年的历史，十九世纪三十年代，世界上山现了第一台简易的平锻机和蒸汽锤。

六十年代生产了一些冲压用的液压机。

直到十九世纪末期，才出现相当规模的曲柄压力机和锻造用的液压机。

二十世纪前期，由于汽车工业的兴起，曲柄压力机以及其他锻压设备得到了迅速发展。

众所周知，由于采用现代化的锻压工艺生产工件具有效率高、质量好、能量省和成本低的特点。

所以，工业先进的国家越来越多地采用锻压工艺代替切削工艺和其他工艺。

锻压生产在工业生产中的地位越来越重要，锻压机械在机床中所占的比重也越来越大。

近年来，锻压机械的拥有量日本为34％，美国为32．4％。

在锻压机械中，又以曲柄压力机最多，占一半以上。

用曲柄压力机可以进行冲压和模锻等工艺生产，它广泛用于汽车、农业机械、电器仪表、国防工业以及日用品等生产部门。

随着工业的发展，曲柄压力机的品种和数量越来越多，质量要求越来越高，压力越来越大。

它在机械制造工业以及其
他工业的锻压生产中的作用越来越显著。

例如，在汽车拖拉机工厂中，用热模锻压力机代替模锻锤生产模锻件已经成为一个发展趋势。

日本已有数条热模锻压力机生产线，其少一条110000kN热模锻压力机生产线是在197l年建成的，可以生产重达140kg，长达1.3m的曲轴以及重达100kg，长达2m的汽车前梁，生产效率为每小时60件。

从装料、预热、剪切、锻造、检验到包装、发送全部自动进行。

全线仅用24人，比模锻锤的生产效率高得多，劳动条件大为改善。

德国已经制造了若干条120000kN的热模锻压力机自动生产线，供应世界各国。

我国也购置—条，对汽车锻件的生产起着良好的作用。

又如，冷挤压工艺是—项新兴的工艺，用冷挤压生产的零件表面粗糙度小，尺寸精度高，直径为20-30mm的零件其公差范围可控制在0.015mm以内，因此，所生产的零件不需进行或少量进行切削加工即可使用。

大大提高了生产率，并节约了原材料。

随着冷挤压工艺的发展，各种类型的挤压机应运而生，正在使加工行业产生巨大的变化。

再如，在日用品及家用电器生产中，如果不采用高速冲压自动机，产品的成本与质量在国际市场上将失去竞争能力。

因此大量制造和使用曲柄压力机，已成为工业先进国家的发展方向之—。

近年来，曲柄压力机正向着高速度和高精度的方向发展，并努力降低噪音．提高安全性，扩大自动化程度，改善劳动条件。

特别是采用微型计算机控制的曲柄压力机，更具有先进的水平。

例如，行程次数500次／min左右的高速压力机已普遍应用，美国明斯恃(Minster)公司已生产250kN2000次／mi n的超高速压力机。

美国国民(National)公司发展了新系列的高速冷墩机，M12四工位螺母冷墩机生产率为每分钟250件。

精密冲裁的压力机己发展到25000 kN，可冲裁的最大板厚已达25mm，加工的零件周边的表面粗糙度很小，尺寸精度很高，冲切面的垂直度可达89°30′。

挤压机己发展到50000kN，多工位挤压机已发展到45000kN，机器精度不断提高，刚度已达到同规格的通用压力机的2—3倍。

1982年在日本大阪国际机床展览会上展出了55台锻压设备，其中采用数控的占34．5％，可以人机对话，编成十分方便。

日本会田公司制造的2000KN“冲压中心”，采用微型计算机控制，自动换模、换料和调整工艺参数，全部时间只需5min。

德国奥穆科（Eumuco）公司近年来制造的热模锻压力机和平锻机，都已采用微机巡回检测各轴承的温度，显示工艺力，对压力机的安全运转起着重要作用。

国际标准化组织（ISO）规定，在85—90dB的连续噪音下，工作时间不能超过8h, 而美国和瑞士规定为85dB。

现在德国舒勒（Sehuler）公司制造的开式压力机已为75dB。

还有一些公司正在研制低噪音（75dB）的折弯机和冷墩自动机。

1.2 压力机简介
压力机的特点和用途
压力机在机械行业中占有重要位置，对国民经济发挥重要作用，和人们的生活息息相关。

在家手上带的手表、用的钢笔、女同志的金属发卡和钮扣，人们上班骑的自行车，午餐的饭盒，晚上回家听收音机、看电视或用缝纫机做新颖的时装，还有大家出差乘做的飞机、火车、汽车、轮船等等，这些工具都有压力机的一份功劳。

压力机少切削，无切削，节约原材料，提高劳动效率，增加经济效益，因而被广泛采用。

锻压机械的比例越来越大，它是衡量一个国家机械工业先进程度的重要标志。

曲柄压力机是压力机的一个类别，是采用曲柄滑块机构作为工作机构的一类锻压机器。

它是板料冲压生产的主要设备，可用于冲孔、落料、切边、弯曲、浅拉伸和成形等工序，并广泛应用于国防、航空、汽车、拖拉机、电机、电器、轴承、仪表、农机、农具、自行车、手表、缝纫机、医疗器械、日用五金等部门中。

采用锻压工艺生产工件具有效率高、质量好、重量轻和成本低的特点。

目前锻压机械再机床中所占的比重也越来越大。

而在锻压机械中，又以曲柄压力机最多，占一半以上。

因此，发展前景广阔。

曲柄压力机的类型很多，按照工艺用途分类如下：
一、板料冲压压力机
通用压力机，用来进行冲裁、落料、弯曲、成形和浅拉延等工艺。

拉延压力机，用来进行拉延工艺。

板冲高速压力机，适用于连续级进送料的自动冲压工艺。

板冲多工位自动机，适用于连续传送工件的自动冲压工艺。

二、体积模锻压力机
冷挤压机，用来进行冷挤压工艺。

热模锻压力机，用来进行热模锻工艺。

精压机，用来进行平面精压、体积精压和表面压印等工艺。

平锻机，用来进行平锻工艺。

冷镦自动机，用于制造如螺钉螺母等各种标准件。

精锻机，用来精锻各种轴类工件。

三、剪切机
板料剪切机，用于裁剪板料。

棒料剪切机，用于裁截棒料。

通用曲柄压力机的型号和技术参数
曲柄压力机的型号
按照JB／GQ2003—84型谱，曲柄压力机的型号用汉语拼音字母、英文字母和数字表
示，例如JA31—l 60B型号的意义是：
现将型号的表示方法叙述如下：
第一个字母为类代号，代表八类锻压设备中某类设备。

在八类锻压设备中，与曲柄压力机有关的有五类。

机械压力机用拼音字母J表示，线材成形自动机、锻机、剪切机和弯曲校正分别用Z、D、Q和W表示。

第二个字母代表同一型号产品的变型顺序号，凡主参数与基本型号相同，但其他某些基本参数与基本型号不同的，称为变型，用字母A、B、C……表示第一、第二、第三……种变型产品。

第三、四个数字为组、型代号。

在型谱中，每类锻压设备分为10组，每组分为10型．第一个数字代表“组”，第二个代表“型”。

“31”在型谱中查得为“闭式单点压力机”。

横线后面的数字代表主参数。

一般用压力机的公称压力(见下面叙述)作为主参数。

型谱中的公称压力用工程单位制的“吨”表示，故转化为法定单位制的“千牛”时，应把此数字乘以10。

例如此处160代表160 t，乘以10即为1600kN。

最后一个字母代表产品的重大改进顺序号，凡型号已确定的锻压机械，若结构和性能上与原产品有显著不同，则称为改进，用字母A、B、C代表第一、第二、第三……次改进。

有些锻压设备，紧接组、型代号的后面还有一个字母，代表设备的通用特性，如字母K代表数控，G代表高速等。

曲柄压力机的基本参数
曲柄压力机的基本参数，决定了它的工艺性能和应用范围，也是购置何种型号压力机的重要依据。

现将开式压力机基本参数分别叙述如下：
公称力：是指滑块离下死点前某一特定距离（公称压力行程）时，滑块上所允许的最大作用力。

公称压力是压力机的主参数。

滑块行程：系指滑块由上死点到下死点所走过的路程。

公称力行程：是压力机强度允许发生公称压力的一段滑块行程。

滑块行程次数：指连续行程时滑块每分钟的行程次数。

最大封闭高度：指封闭高度调节机构处于上极限位置和滑块处于下死点时，滑块底面至工作台面（去掉工作台垫板）之间的距离。

（JE系列为最大装模高度I，装模高度指调节机构处于上极限位置和滑块处于下死点时，滑块底面至工作台板面（不是到机身工作台面）之间的距离）
封闭高度调节量：是扩大压力机封闭高度使用范围的一个主要参数，在该调节量的范
围内调节压力机封闭高度与模具闭合高度相适应。

工作台板厚度：工作台板也具有调节压力机封闭高度使用范围的作用，同时还具有便于安装底面较小的模具和保护工作台面的作用。

工作台孔：工作台孔用于落料或安装气垫装置。

立柱间距离：是指双柱压力机的立柱间距离，是在前后方向送料时决定排出工件（或废料）最大尺寸的一个参数。

倾斜角：是指可倾压力机工作台面的倾斜角度，也就是机身后倾的角度。

利用这个倾斜角使冲压后的工件（或废料）能借其自重或其他因素通过两立柱中间从压力机后方排出。

工作台垫板面积和喉口深度：滑块中心到机身间的距离叫做喉口深度。

喉口深度和工作台垫板面积是关系到模具的最大平面尺寸的重要参数。

1.3 压力机工作原理
压力机是采用机械传动的锻压机器，通过传动系统把电机的运动和能量传给工作机构，从而使坯料获得预期的变形，制成所需的工件；具体的说：是以曲柄连杆机构作为工作机构，滑块是强制运动的，传动系统为一级、两级或三级等传动，一级传动由电机通过三角皮带传动，带动飞轮旋转，通过控制离合器接合，经过齿轮传动，再带动曲轴旋转，通过连杆机构把回转运动转化为滑块的往复直线运动。

工作机构：曲柄滑块机构。

传动系统：皮带传动和齿轮传动。

操纵系统：离合器—制动器。

能源系统：电动机和飞轮。

支承部件：机身。

附属装置和辅助系统。

运动方式：电动机----皮带轮----飞轮---齿轮传动----曲柄连杆。

曲柄滑块机构的运动简图如图所示。

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，OA表示曲柄半径，AB表示连杆长度。

当OA 以角速度ω作旋转运动时，B点则以速度v作直线运动。

曲柄滑块机构可分为结点正置与节点偏置，JH31-315压力机采用单边节点偏置结构。

运动简图可简化如图1-1所示。

曲柄压力机的工作机构代表压力机的工作特征，其运动规律将影响压力机的工作性能，而其受力状况则是压力机强度和刚度设计的基础。

压力机的传动系统将影响压力机的整体布置、外形尺寸、美观以及重量和成本。

离合器和制动器是压力机能否正常稳定工作的关键，它们的正确设计与使用将会大大提高压力机的工作可靠性和寿命。

压力机工作时，除需要其有足够的压力外，还需要具有足够的能量。

图1-1曲柄滑块机构运动简图
电动机和飞轮的正确选用与合理设计是获得足够能量的基础，同时也给节约能量提供了途径。

所有的部件和零件都支承在机身上，机身的合理设计将降低压力机的重量，提高压力机的刚度。

压力机的辅助装置与系统将使压力机获得必要的辅助功能，使其安全运转，是提高压力机使用效率不可缺少的组成部分，其设计好坏在一定程度上标志着压力机的先进与否。

2 JH31-315压力机简介
2.1 JH31-315压力机结构特点
JH31-315机械压力机机身采用钢板焊接组合式结构，横梁、左右立柱和底座（工作台）通过4根液压拉紧螺栓预紧而组成一体，采用电子计算机优化设计，从而保证了机身的强度、刚性、精度等各种性能要求。

为保证压力机滑块的导向精度，采用导柱导套结构8条长导轨导向，主传动高速级采用人字齿轮，离合器--制动器采用干式（或混式）片状（或块状）低惯量结构。

压力机的工作台可选用固定式或向前开出、向后开出、左右开出和“T”型移动等形式，用户可根据设备布置、单机或连线等具体状况自行选定。

移动工作台更换模具方便、迅速，可使换模时间减少5～10倍。

固定工作台也可以配置快速换模装置，一种是换模小车（主要用于连线）；另外一种是在工作台上设置下模夹紧器、升降导轨和前导轨架，在滑块上设置上模夹紧器，即可方便迅速的将模具放进、移出。

压力机还设置有微调机构，可减低滑块的运行次数，调整模具更为方便。

气垫采用可调式纯气气垫或液压气垫，并带有滞后锁紧机构和行程调节机构，根据用户的使用要求，还可在滑块内设置气囊式拉伸气垫。

压力机的润滑系统采用自动定点、定量、定时的稀油循环润滑系统，电气控制系统均采用可编程序控制（PLC）系统。

压力机还可配置减震器，以提高压力机及模具的使用寿命
2.2 JH31-315压力机用途与结构性能
高强度全钢结构机身，刚性好，精度高，可以完成落料、冲孔、弯曲、成型、校正、浅拉伸及锻造热切边等冲压工作。

广泛适用于汽车、拖拉机、农机、电器、仪表、轴承、轻工、纺织、机械、航空、兵工等工业部门。

◆机身、滑块均采用钢板焊接；
◆采用人字齿轮传动；
◆采用干式气动摩擦离合器；
◆滑块四角八面导向，导柱导套结构，导向精度高，精度保持性好；
◆进口双联安全阀，确保机床使用安全可靠；
◆进口液压过载保护，元件反应灵敏，复位快；
◆机动调整封闭高度，使用方便，自锁性强，便于维修；
◆PLC控制，双回路电器系统；
◆标准纯气式气垫；
◆液压、电气、气动等控制元件采用优质名牌产品，保证设备的低故障率；
◆机动稀油润滑，定点、定时、安全、省力；
◆可实现制动角、油压、润滑故障、液压过载保护等整机自动联锁及监控。

2.3 JH31-315压力机压力性能介绍
JH31-315型3150千牛闭式单点压力机，采用主轴纵放、偏心齿轮、连杆机构作为工作机构，由电机经三级减速传动使偏心齿轮旋转，再由连杆机构驱动使滑块在导轨中作往复运动，传动系统全封闭。

本压力机采用了气动干式摩擦离合器--制动器，所以工作时结合平稳，并可以使滑块停止在任何位置。

本压力机适用于薄板件的浅拉伸、成型、弯曲、校正、冲裁等各种冷冲压工艺，可广泛用于汽车、拖拉机、电器及国防等工业行业。

本压力机公称压力为3150kN，公称压力发生在下死点前7mm(对应的偏心齿轮转角约°)。

过载保护装置仅是防止误冲时产生的超载现象，或者在冲压过程中由于板料厚度不均而引起的的超载现象。

随意超载使用压力机，是错误的。

用户应根据下面曲线图来选用。

选用时工艺力与对应的偏心齿轮转角的交点，必须在强度范围以内，否则要造成零件损坏。

图2-3 压力曲线图
冲裁力的计算说明
P=L×t×σb /10000 吨
P ——冲裁力单位吨（1吨=10000牛）L ——冲裁工件周边周长单位毫米mm
T ——冲裁零件厚度单位毫米mm
σb——材料的抗拉强度单位牛/毫米2 Mpa
常用材料的抗拉强度
Q235 420 牛/毫米2 Mpa
45 600 牛/毫米2 Mpa
65Mn 750 牛/毫米2 Mpa
45Mn (薄板) 800 牛/毫米2 Mpa
H62\H68 300-400牛/毫米2 Mpa
软铝80-110牛/毫米2 Mpa
3 滑块的说明
3.1 滑块的结构特点
滑块是—个箱形结构，它的上端与连杆连接，下部安装模具的上模，并在机身的导轨内上下运动。

为了保证滑块底平面和工作台上平面的平行度，保征沿块运动方向与工作台的垂直度，因此，沿块的导向面必须与底乎面垂免导轨和滑块的导向面应保持一定的间隙，而且能进行调整。

八个导轨均能单独调节。

它是靠一组推拉螺钉来实现的。

这种四面八角调节的导轨能提高压力机的精度。

有些压力机的导轨做成两个是固定的，两个是可调的，并使固定的导轨承受滑块侧向力，调节较容易，但精度受到一定影响。

为了安装模A，滑块的底平面开有“T”型槽。

小型压力机的滑块常用铸铁HT200—400制造。

中型压力机的滑块常用铸铁HT200—400和稀土球铁制造，或用Q235-A钢板焊接面成。

大型压力机的滑块一般用Q235-A钢板焊接。

焊后进行退火处处理。

为了提高滑块的耐磨性，有些压力及的导向面上镶有酚醛层压布板。

导轨滑动面的材料一般用铸铁HT200—400制造。

速度高、偏心载荷大的则用铸造青铜ZQZn6-6-3或铸造黄铜ZHMn58—2—2制造。

对于高速压力机，有采用滚针导轨，以便减小摩擦，消除间隙，提高机器的耐用程度和滑块运动精度。

3.2 滑块动作说明
滑块的精度直接影响压力机的工作精度和几何精度。

连杆和球头螺丝是把曲轴的旋转运动变化往复运动的构件。

球头螺丝的下端与滑块内的球形座接触。

在球形座的下面有过载保护装置，当压力机超载时，过载保护装置起到对机床的保护作用。

刚性保护，即压塌式保险。

当过载时，保险器被压塌，从而保证整台机器不受损坏。

用液压过载保护装置，能在过载的状态下瞬间紧急停止（1/100秒），复归时使滑块自动回复上死点，确保模具及冲床的安全。

JH31-315压力机滑块采用四角八面导向，导向长，易调整,动态精度稳定性能好。

滑块部分由滑块体、液压保护部分、联接器、蜗轮减速箱、装模高度指示器、刚性打料等组成。

联接器与主传动的导柱连接，使滑块在连杆机构的带动下，沿机身导轨作上下往复运动，滑块下平面有T型槽，用以固定冲模。

滑块导轨面上镶有导轨板，导轨板拉伤和磨损后可即时更换，更换时应注意：使同一导轨上的板厚相等。

装模高度的调整采用制动电机，通过蜗轮减速箱及支座蜗轮蜗杆副转动螺杆来实现。

调整结束靠电机将蜗轮副锁紧。

装模高度由装模高度显示器显示出来。

调整装模高度时，检查平衡缸气压是否合适，导轨间隙是否变化等因素。

特别是上模重量变化较大的模具时，更应注意这一点，滑块的上模具布置，应使两连杆上的作用力相等，尽量避免偏载使用。