螺钉头冷镦机运动方案说明书

小组成员：林崑滨张勇杰张韬
目录
1 课程设计题目
2 送料机构
2.1 运动机构方案的提出
2.2 机构方案的比较
2.3 机构设计
3 截料机构
3.1 机构方案的提出
3.2 机构设计
3.3 运动参数分析
4 夹具机构
4.1 机构方案的提出及比较
4.2 机构设计
5 冷镦机构
5.1 机构方案的提出
5.2 机构设计
5.3 运动参数分析
6 传动机构
6.1 传动机构的确定
6.2 机构设计
7 工作循环图
8 小组心得
9 参考文献
1课程设计题目
1.1题目:螺钉头冷镦机
1.2工作原理及工艺动作过程
采用冷镦的方法将螺钉头镦出,可以大大减少加工时间和节省材料。

冷镦螺钉头主要完成以下动作：
1）自动间歇送料；
2）截料并运料
3）预镦及终镦
4）顶料
1.3原始数据及设计要求
1）每分钟冷镦螺钉头120只
2）螺钉杆的直径D=2-4mm，长度L=6-32mm
3）毛坯料最大长度48mm，最小长度12mm
4）冷镦行程56mm
1.4设计任务
1）执行机构选型及设计：构思出至少3种运动方案，并在说明书中画出运动方案草图，经过对所有运动方案进行分析比较后，选择其中你认为比较好的方案进行详细设计，该机构最好具有急回运动特性
2）传动系统的设计，齿轮机构，凸轮机构，连杆机构的设计，包括尺寸设计
3）用软件对机构进行运动仿真和运动学分析，并画出输出机构的位移速度和加速度线图
4）画出最终方案的机构运动简图
2送料机构
根据工作原理，送料机构必须实现间歇送料，那么要用到间歇运动机构，我们首先确定了利用间歇运动机构带动履带，进行间歇送料。

在选用间歇运动机构的时候，有了3个方案。

2.1 运动机构方案的提出
方案一用不完全齿轮
用一个完全齿轮和一个不完全齿轮，完全齿轮在
电动机的
驱动下匀速转动，当不完全齿轮的
轮齿与完全齿轮啮合时，不完全齿轮带动履带轮
转动，进行送料，转动过的弧长，即为送料长度。

当不完全齿轮不进行啮合时，毛坯料不动，可在
这段时间内进行剪切和冷镦。

不完全齿轮机构的结构简单，制造容易，工作可
靠，而且设计时从动轮的运动时间和静止时间的
比例可在较大范围内变化。

方案二槽轮机构
槽轮机构与不完全齿轮的原理一样，是通过用主
动轮的圆销带动槽轮转动，当圆销离开径向槽
时，槽轮又静止不动。

直至圆销再次进入另一个
径向槽时，又重复上述运动。

槽轮机构要控制槽
轮的运动时间和静止时间，是根据槽轮上的槽数
来定的。

在外槽轮机构中，当主动拨盘回转一周
与主动拨盘一周的总时
时，槽轮的运动时间t
d
间之比，为槽轮机构的运动系数，用k表示，且
/t=1/2－1/Z,这里的z就是槽轮上的槽数。

k=t
d
与不完全齿轮比较起来，槽轮机构运动时间和静止时间的比例可调范围没有不完全齿轮那么大。

方案三棘轮机构
棘轮机构的主动件为摇杆，这里想到要用棘轮机构，也正是因为它用到摇杆，那么会有曲柄连杆去带动它，而后面的剪切和夹紧机构可以共用一个曲柄，使整体机构简单化，而且加工方便。

2.2机构方案比较
这三种方案中，不完全齿轮和槽轮是同样的原理，而且结构简单，制造容易，但不完全齿轮有较大冲击，根据冷镦机的设计要求，每分钟要做120个螺钉，那么1秒钟要送两次料，齿轮的转速要达到720deg/s，这是属于比较高速的机构，不完全齿轮就不大适合。

我们最终选用槽轮机构，就是因为槽轮机构的机械效率高，并能平稳地间歇地进行转位。

而第三方案棘轮机构，同样是因为转速问题，棘轮工作时的冲击也是比较大的，而且运动精度较差。

但从整体设计角度来看，选用棘轮机构，能使整体的机构配合紧凑而且简单。

如果这里是低速机构的话，那么将选择棘轮机构。

2.3机构设计
在选用槽轮机构后，首先根据冷镦机总体的大小，初步定了槽轮机构里主动盘和槽轮的中心距离为L=100mm，圆销直径d=12mm，槽数Z=4。

考虑到传动的稳定性，我们选用了直径为20的轴。

机构图如下：
这里的槽数为4，那么槽轮机构的运动系数k=0.25。

根据设计要求，主动轮转一周的时间为0.5秒，那么槽轮的运动时间为0.125秒，在这个时间内完成送料。

由于槽轮每次转过的角度都为90度，那么根据L=φ/dπ（L为毛坯料的长度，d为履带轮的直径）根据需要加工的毛坯料长度，调节履带轮的直径，就可实现送不同长度毛坯料的要求。

3 剪切机构
3.1 机构方案的提出
剪切机构我们在这里只选用了曲柄滑块机构，主要是机构简单，且同样能达到间歇剪切材料的目的。

当履带停止送料，加工材料在夹紧的状态下，完成冷镦，这时滑块正好移到加工材料的位置，同时完成剪切。

然后在曲柄和连杆的带动下，滑块退回。

在退回和再次到达加工材料位置这个过程中，机构完成了送料和预镦的过程。

这个机构就是利用滑块的往返时间达到控制间歇剪裁的时间。

3.2 机构设计
我们的剪裁机构就如右图，仅仅是一个
简单的曲柄滑块机构。

滑块相当与刀具。

在
滑块的正上方，我们加了另一个固定的刀
具。

总的配合起来就是一个固定的上刀刃和
一个移动的下刀刃完成总的剪切。

在这里加
上固定的上刀刃的目的有两个：
，是对加工材料起到定位和矫直的
作用 材料在履带的传送下是稍微
与上刀刃接触的，这样，通过这个固定的上
刀刃和基座上的凹槽，就能使加工材料固定
在一条直线上，以便与冷镦的准确完成。

，如果单用一个下面这个刀具对加工材料进行剪裁的话，那么加工材料在垂直平面上将受到一个很大的剪力。

加工材料仅仅是一个细杆圆柱，那样剪切完后，材料要变形弯曲，这对后面工序的正常进行要造成很大的影响。

比如说，弯曲后顶料顶不上，或者是螺钉杆再通过夹具的时候卡住了过不去。

第一 第二
机构参数：
曲柄长度=20mm，连杆长度=65mm,滑块行程=48mm，偏距e=33.78mm
机构运动简图：
3．3 运动参数分析
这是刀具的运动参数分析，从图上我们可以看到当刀具的位移为0时（即刀具在加工位置的时候）他的速度为最大，这个时候有利于进行剪切，而且从其加速度曲线来看，机构的柔性冲击并不是很大。

当然这是未经过碰撞计算的，在刀具对材料进行真正剪裁时，还要考虑一个碰撞和挤压，这点在运动参数分析上没能做出来。

4夹紧机构
4.1 运动机构方案的提出
夹紧机构是一个很重要的部分，也是这次设计的最关键部分，夹紧机构必须使工件真实夹紧，那样在冷镦过程中，工件才不会因为受到一个很大的冲击，致使工件飞出或者螺钉杆偏置移位。

同时，夹紧需要一个时间过程，在夹紧期间要完成冷镦以及剪切。

方案1 曲柄滑块机构
用曲柄滑块机构，利用滑块对工件进行压紧。

具体构思如下：
（a）(b) (c)
如上面看到的，曲柄为顺时针转动，我们的设计想法为，当曲柄转到与垂线成一个a度角的时候，下面的滑块正好接触到工件，那当曲柄继续转动的时候，滑块就会有继续往下运动的趋势，那么就要压紧工件，当曲柄转到左侧与垂线成a度角的时候，这时工件松开。

从原理上来讲，是合理的，而且机构简单。

但实际操作上来看，压紧时间仅为曲柄转过2a的时间，时间过于少。

而且当滑块达到最大位移的时候，即（b）图所示位置，滑块已经把工件压下一定的距离，这时会有一个很大的反冲力，有可能连杆在这个反冲力的作用下就要折断掉。

在经过分析考虑后，我们舍弃了这种方法。

方案 2
方案2是利用一个圆盘进行送料
和冷镦
在圆盘的径向上均布着小孔，截好
的材料送进来正好嵌在孔里面，当
圆盘转过一定角度的时候工件又
继续送进去，这也能实现间歇送
料。

在径向孔的内部，有三个爪子，就象车床上夹紧材料的那个
部分，通过圆盘自身的转动，带动齿轮转动从而使这三个爪
子具有收紧和放松的功能。

在爪子收紧时，正好进行冷镦，放松时，卸下工件。

工作原理图：
这个方案把间歇送料和夹紧以及冷敦部分都一起并起来考虑到，但方案存在两个缺点：
第一，夹紧部分工艺复杂，要在圆盘内添加机构，让爪子动起来，实现收紧，对于我们来说，设计出来具有很大的难度。

第二，镦头在垂直方向工作，当冷敦工件时，工件所受到的力都传到圆盘上，加大圆盘的径向尺寸，在理论上是可以承受这样
的载荷，但在考虑到机器的长久使用上，这种工作方式会让机
器寿命减短，而无法实现生产效益。

第二个方案是一种创新，它突破了常规的冷镦机的工作方式，但由于我们所学的知识以及实际经验所受到的限制，这种方案未能继续做下去。

方案3
方案3是在前两个方案未能实现的情况下提出的，考虑到工件进行冷镦的时候要夹得很紧。

所以我们想到了用夹具，使用偏心夹具让工件在冷镦和剪切过程中处于自锁状态，那么夹紧工件就自然得到了保证。

4.2 机构设计
机构参数：曲柄=25mm 摇杆=50mm 基架=150mm,其中一个极位为摇杆水平位置
夹具参数：偏心盘外径D=20mm 偏心距e=５mm H=18
偏心盘固定圆销直径d=6mm 摩檫圆半径ρ＝0.8mm 工作原理图：
这个机构简单了就是一样一个曲柄摇杆机构，摇杆相当于夹具的手柄。

根据冷镦机的设计要求，0.5秒的时间内要加工一个螺钉，而且镦头要经过预镦和终镦。

所以工件夹紧的时间要比松开的时间长，我们选定了时间比为3：1，即加工一个螺钉，其夹紧时间为0.375秒，松开时间为0.125。

因为曲柄是匀速转动的，那么根据曲柄转过的角度比就可以确定其运动时间和静止时间的比例。

3：1的比例，要求曲柄转一周，其中的四分之一周，工件是处于松开状态，另外四分之三周工件是处于夹紧状态。

因为这是利用夹具夹紧，就意味着夹紧开始的时候，摇杆处于的那个角度，正好使夹具就进入自锁状态，而且在后面的时间里，是一直处于自锁状态，直到摇杆再次回到这个位置，自锁解除，下面工件进行顶料和送料。

因为摇杆是非匀速运动，所以在确定自锁点的上有了一定的困难，只能根据曲柄转过的一个90度范围，反之来确定摇杆的位置，从而确定自锁点。

如上面工作原理图所示，当摇杆处于水平状态时，这是它的一个极位。

而机构的自锁开始点就在如图所示位置，当摇杆向下转到这个点的时候，夹具正好自锁，而且在往下的52.77度的范围内，夹具始终是处于自锁状态，即主动力始终控制在摩檫圆内（见运动工作简图A3图纸）。

摇杆从这个点向下转动，到重新回到这个位置，曲柄正好转过3/4圈，也就实现了我们的设计目的。

这是夹具的偏心盘，根据上面的计算，工件的摩檫角为确定，夹具的摩檫圆半径也已经确定。

那么当夹具转过一定角度并且与工件接触的时候，就实现自锁了，因为总反力的方向是不变的，摩檫圆的半径也是不变的，所以，总反力的方向是一直指向摩檫圆内部的，在这个过程当中，机构实现了夹紧的一个过程。

５冷镦机构
５.1 运动方案的提出
方案１
冷镦机构在方案上基本都用了曲柄滑块机构，第一种就是简单的偏心曲柄滑块机构，使机构具有急回运动特性。

滑块（相当于镦头）在水平方向上进行移动，完成冷镦
方案２
方案２就是结合前面第二种夹具方案，使镦头在垂直方向上工作。

这种方案对机构设计要求比较高，这是将冲压机的工作原理应用到这里来。

但在冷镦机中，冷镦的部分即为工件本身，而且冷镦的作用力比较大，如果是垂直方向工作，那螺钉杆在必须夹紧的情况下底端又必须处于离开基座的状态，这样在镦头镦粗螺钉头的时候才不会使螺钉受到一个反向力而变形。

如果是设计成前面的那种圆盘式的，又对机器本身损耗很大，所以在这里，我们只选用了水平位移的曲柄滑块机构。

５.2 机构设计
机构参数：曲柄长度＝20mm 偏距e=110mm 滑块行程L＝56mm 连杆长度＝164mm
机构图：
根据设计的要求，加工毛坯料的长度是需要改变的，前面我们是通过改变履带轮的直径来改变送料长度，所以在镦头就应该相应得往后移，所以，从上面的图可以看到，连杆和曲柄是通过一个销子连接在一起的，而销子是嵌在杆的滑动槽上，调节销子的位置也就是改变了曲柄和连杆的长度，在镦头往后调的情况下，保证了镦头的行程。

5.3 运动仿真参数曲线
因为这也是曲柄滑块机构，所以与前面刀具的运动参数图相似。

从镦头机构的运动仿真参数曲线上看，机构的运动比较平稳，而且在镦粗的位置，镦头正好有一个较大的速度，能使镦头获得一个大的冲击力。

同样，这只是镦头空转时的运动曲线，在真实的工作中，与螺钉头发生碰撞，他的参数会有很大的变化，这点也未能反映出来。

６传动机构
6．1 传动机构的确定
整个机构用了一个主动轮由电动机带动转动，由主动轮通过齿轮传动，把各个机构联系起来。

传动机构简单方便。

由于是串联传动，到最后的冷镦机构上，机械效率就会减少很多，但这不是主要问题，通过选用合适功率的电动机就可以解决了。

6.2 机构设计：
因为各部分机构是先进行定位再配合上齿轮，因此齿轮的选用放在了设计过程的最后部分。

根据设计要求，送料，剪切和夹紧机构这三部分的转速是可以同步的，而因为镦头要实现预镦和终镦，所以镦头的主动轮转速是前面主动轮的两倍。

从总机构运动简图上已经定位的机构和尺寸，我们选用了齿数z=40，模数m=４的标准齿轮，而作为带动冷镦机构的主动轮运转的齿轮，我们选用了齿数z=20，模数m=4的标准齿轮，转数正好是两倍。

７工作循环图
8 小组心得
在这次设计过程中，每一个小组成员在个人动手能力上都得到了一定的锻炼和提高，从设计后的计算，建模，画图等，都体现了大家的动手能力。

其次，这样的设计培养了我们独立思考的能力，在设计过程中，对于每个方案的提出，都需要经过思考，在符合设计要求以及工艺要求的情况下提出的，在不同方案之间，要通过比较，这种比较，是在认识上的一个提高，要找出不同方案间的优缺点。

同时，在设计和动手过程中，新的问题总会出现，一旦出现新的问题，我们不可能全盘重来，对于这样的问题，需要我们认真去思考，去寻找问题的关键，然后去解决。

这对每个小组成员来说，都是一次难得的机会。

但在这些日子里，暴露出一个问题，就是我们的基础知识不够扎实，而且在平时生活中，对事物的积累过少，正所谓“熟读唐诗三百首，不会做诗也会吟。

”对于设计来说，平时生活中的很多模型都是关键时刻的素材。

善于观察，善于理解变通，这种能力是需要一个过程的培养的，经过这次设计，我们也都认识到培养这种个人能力的重要性。

从总的设计过程，大家都很认真，也很负责，最重要的是大家都学会了团队合作精神，学会了如何去完成自己的那份工作，同时协调另外小组成员去完成工作。

通过小组设计，一方面是让我们把所学的东西应用到实际中，让我们更加深刻地去理解理论知识，变所学于所用。

另一方面，小组分工合作，培养我们的团队合作精神，这对我们走上社会又是一次小小的练兵，我们也确实在这过程当中得到了锻炼，我想实际操作经验是在理论知识理解的基础上更为重要的东西。

9 参考文献
孙桓、陈作模主编. 机械原理（第六版）
高等教育出版社
符炜。

主编机械创新设计构思方法
湖南科学技术出版社
卢玉明主编机械设计基础（第六版）
高等教育出版社
张春林曲继方主编机械创新设计
机械工业出版社。