螺钉头冷镦机

小组成员 : 机械 043 林崑滨

机械 043 张勇杰 机械 043 张韬

设计要求– 题目 : 螺钉头冷镦机– 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

原始数据及设计要求• 每分钟冷镦螺钉头 120 只• 螺钉杆的直径 D=2-4mm ，长度 L=6-32m

m

• 毛坯料最大长度 48mm ，最小长度 12mm

• 冷镦行程 56mm

设计任务• 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

• 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

• 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

总框架• 送料机构• 截料机构• 夹紧机构• 冷镦机构• 传动机构

送料机构

送料机构必须实现间歇送料

方案一• 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．

优点

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

优点• 槽轮机构的结构简单，工作可靠，刚性冲

击较小，但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 • 原理及优点 : 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。

最终方案• 方案二 槽轮机构• 选择理由 : 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。

机构实现• 选择参数 : 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 .

机构图• 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。

截料机构• 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。

运动简图及参数选择

• 曲柄长度 =20mm ，连杆长度 =65mm,滑块行程 =48mm ，偏距 e=33.78mm

机构设计• 在滑块的正上方，

是一个固定的刀具。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。

选择固定上刀刃的目的• 第一，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。

• 第二，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。

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。

夹紧机构• 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。

方案一

• 用曲柄滑块机构，利用死点原理用滑块对工件进行压紧。

• 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。

方案二• 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

优点及缺点• 优点 :把间歇送料和夹紧以及冷敦部分一并考虑 ，

• 缺点 :– 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。

– 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。

方案三• 利用偏心夹具机构 .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 .

机构实现• 参数选择• 机构参数：曲柄 =25m

m 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

这 里 摇 杆相当与夹具的手柄

曲柄由齿轮带动匀速转动

偏心夹具设计

冷镦机构• 由动力学 , 冷镦机构最好具有急回特性 .

方案一• 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 .

方案二• 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 .

方案实现• 机构参数：

曲柄长度＝ 20mm　 偏距 e=110mm　

滑块行程 L＝ 56mm 连杆长度＝ 164mm

• 说明 : 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。

运动仿真参数曲线

• 分析 : 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。

传动机构• 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。

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。

工程循环图

谢谢