沖床機械的設計基礎

　　機械設計基礎中的這些金屬制造工藝你都知道嗎，下面是小編整理的沖床機械設計基礎，歡迎查閱。

　　金屬制造工藝的分類：

　　熱加工包括鑄造、鍛壓和焊接。

　　冷加工，亦稱為金屬切削加工，包括刀具切削加工（其中有車削加工、鉆鏜加工、刨削、插削、拉削、銑削加工，磨料切削加工；齒輪齒形的加工）。

　　下面分別進行簡單介紹。

　　（一）鑄造

　　鑄造的過程是將液態金屬澆注到鑄模中，待其冷卻后獲得一定形狀和性能的鑄件。這是金屬在液態下的成形方法。

　　鑄造可以生產形狀復雜、特別是內腔復雜的毛壞坯，尺寸和重量不受限制。既可單件生產，也可批量生產，使用的材料大部分來源廣泛，價格低廉，還可用廢料和廢零件，因此成本低。鑄件與零件形狀、尺寸接近，加工余量小。

　　鑄件的缺點是工序繁多，工藝過程控制難度大。由于金屬冷卻時產生內應力，易出現缺陷，因此質量不穩定；由于其內部組織粗大不勻，其機械性能不如鍛件高。目前還存在勞動強度大，勞動條件差的問題。

　　鑄造生產方法分為砂型鑄造和特種鑄造兩大類，以砂型鑄造為主。

　　1、砂型鑄造

　　目前大部分砂型還是手工制作的。

　　砂型鑄造主要用于鑄鐵、鑄鋼、鑄銅、鑄鋁等材料的鑄件生產。進行鑄件結構設計，要考慮鑄造工藝及金屬鑄造性能的要求，防止產生縮孔、縮松、澆不足，冷隔、變形及裂紋等缺陷，應注意以下問題：

　　①鑄件要有合理壁厚及結構斜度，鑄件壁厚盡可能均勻。

　　②鑄件壁的連接：鑄件壁連接處要有結構圓角。避免交叉和銳角連接，厚壁與薄壁的銜接要逐步過渡。

　　③鑄件應避免過大的水平面。

　　④為防止鑄件翹曲變形，對較大的平板鑄件及壁厚不均勻的長形箱體，應將其設計成對稱形狀或增加肋板來提高其剛度。

　　⑤避免鑄件收縮受阻

　　如常見輪形鑄件，輪輻為偶數，直線形。但是對于收縮率較大的合金，因應力過大有時會產生裂紋。為防止裂紋，可制成彎曲輪輻，以借輪輻或輪緣的微量變形，減少內應力。

　　⑥按順序凝固原則設計鑄件結構

　　圖示鑄鋼殼體，將其改成右面的樣子，在殼體底部76mm保持均勻壁厚，往上逐步增加壁厚，直到與法蘭盤相接，保證了殼體按順序凝固，不再產生縮松缺陷了。

　　2、特種鑄造

　　① 熔模鑄造，以蠟為材料制模，又叫“失蠟制造”，能鑄造各種有色及黑色金屬鑄件。

　　② 金屬型鑄造，模型可反復使用4萬次，鑄件有較好的精度（達到IT12~IT14），表面光潔，少加工或不加工即可使用，可機械化生產。

　　③壓力鑄造：壓鑄機壓室內澆注液態或半液態金屬，充填鑄型，并在高壓下成形和結晶。常用壓鑄比壓為5~150MPa，金屬流速達5~100m/s。效率高易實現自動化，產品質量好，實現少屑和無屑加工，成本低。

　　④低壓鑄造。

　　⑤離心鑄造：金屬液加入旋轉的鑄型中。

　　（二）鍛壓

　　包括鍛與沖壓，在外力作用下使金屬產生塑性變形，一般要在高溫下進行。鍛造分為自由鍛和模鍛兩大類。沖壓加工的對象是金屬薄板，一般在常溫下進行，故又稱為板料沖壓或冷沖壓。

　　1、自由鍛

　　將坯料放在設備（自由鍛錘或水壓機）的上、下抵鐵之間，因坯料在壓力作用下是自由流動的，故稱為自由鍛。

　　按使用設備和鍛造力性質不同，自由鍛分為錘上自由鍛和水壓機上自由鍛，大型鍛件要在水壓機上進行。

　　自由鍛產品尺寸精度低、加工量大，材料消耗多，生產率低，勞動條件差，勞動強度大，只有在單件、小批量生產才是合理的。

　　2、模鍛

　　模鍛時將坯料放在鍛模膛內，使工件壓力成形。按照使用設備不同，模鍛分為錘上模鍛，曲柄壓力機上模鍛、平鍛機上模鍛，螺旋壓力機上模鍛及其他專用設備上模鍛。

　　模鍛生產率高，工件表面光潔，尺寸精度高，材料利用率高，鍛件內部，鍛造流線分布更加合理，提高了使用壽命，可鍛軟復雜零件，操作簡單，易于實現機械化，成本較低，常用于中小型鍛件的批量生產。

　　3、板料沖壓

　　利用裝在沖壓機床上的沖模對金屬板料加工，使之變形或分離，從而獲得零件或毛坯。

　　板料坯料通常是厚度在1~2mm以下的薄板一般不加熱。板料沖壓的原材料要具有良好的塑性和較低的抗變形能力，如低碳鋼、合金鋼、銅、鋁。

　　沖壓件重量輕，剛度好、結構輕巧、質量穩定，互換性好。操作簡單，易于機械化和自動化，且成本低。

　　由于沖壓模具制作成本高，大批量生產才是合理的。

　　4、其他壓力加工方法

　　擠壓形成，使用的壓力大，金屬變形量大，可制作多種材料，多種形狀的金屬工件，且精度高、機械性能好，可機械化自動化。

　　輥軋成形：如輥軋、熱軋齒輪、輾環。

　　精密模鍛，經向鍛造、高速錘鍛造等。

　　（三）切削加工

　　切削加工分為鉗工和機械加工兩大類。

　　鉗工一般為手工操作，主要有劃線、鏨削、鋸削、銼削、刮削、鉆孔和鉸孔、攻絲和套扣等，機械裝配和修理也屬鉗工范圍。

　　機械加工按所用切削工具，又分為兩類：一類是利用刀具進行加工的，如車削、鉆削、鏜削、刨削、銑削等；另一類是用磨料進行加工的；如磨削、銜磨、研磨、超精加工等。

　　機械加工必須有刀具，如車刀、刨刀、插刀、銳刀、鏜刀等，磨削用的刀是砂輪。

　　1、車削加工

　　車削加工用機床有普通機床、立式車床、轉塔車床、仿形車床、自動車床及各種專用車床。車削能加工的表面有端面、外圓、內圓、錐面、螺紋、回轉成形面、回轉溝槽及滾花等，使用范圍廣泛，加工表面精度好，且易保證零件加工表面的位置精度，生產效率高，生產成本低。

　　2、鉆鏜加工

　　①鉆床加工：常用設備有臺式鉆床、立式鉆床和搖臂鉆床等，能進行鉆孔、擴孔、鉸孔、攻絲、锪孔和锪凸臺等。

　　②鏜床加工：主要設備是臥式鏜床。

　　鏜床可鉆孔、擴孔、鉸孔、切槽、車外圓、車端面和銑平面、其中鏜孔是主要的。

　　由于鏜床上有精確的定位裝置，適合對箱體機座、支架等形狀復雜大型零件孔系進行定位和加工，是機械加工的關鍵性設備，是其他設備不能取代的。

　　鏜床加工范圍廣泛，能獲得較高的加工精度和較低的粗糙度，其缺點是生產效率低。

　　3、刨削、插削和拉削

　　①刨削用來加工平面、刨床分牛頭刨和龍門刨兩種。刨床能加工的平面有水平面、垂直面、斜面，還能加工溝槽（直角槽、V形和T形槽、燕尾槽）和直線成形面。

　　刨削機床的主運動為往復直線運動，有空引程，且每一往復中伴有兩次沖擊，限制了刨削速度，生產率較低。

　　②插削可看作是“立式刨床”，主要用于加工孔內鍵槽、方孔、多邊形孔、花鍵孔及某些零件的外表面。插削使用的設備是插床。

　　③拉削的設備是拉床。拉刀的直線移動為主運動。拉削無進給運動，其進給是靠接刀的每齒升高量來實現的。所以拉削可看作是按高低順序排列的，多把刨刀進行的刨削。

　　拉削一般用于作精加工，且一次行程即達到精度要求，能加工拉削平面、半圓弧面和一些組合面。拉刀是一種定形刀具，拉削一次就完成粗切、精切、較準和修光工作，是一種精加工方法、效率高。但拉刀制造復雜、成本高，不能加工臺階孔、盲孔和特大孔，只適宜加工一種規格的孔或鍵槽。

　　4、銑削加工合

　　銑削加工是用銑刀的旋轉和工件的移動來實現的，是平面加工的主要方法之一。設備有臥式銑床、立式銑床、龍門銑床、工具銑床及各種專用銑床。銑床可加工平面（水平面、垂直面、斜面）、溝槽（直角槽、鍵槽、角度槽、燕尾槽、T形槽、圓弧槽）和成形面。還能進行孔加工（包括鉆、擴、鉸、鏜孔）和分度工作。

　　5、磨料切削加工

　　磨料是用分布在砂輪表面上為數甚多的磨料進行切削的。磨削方法有：外圓磨、內圓磨、平面磨、螺紋磨削，此外高精度及高效率磨削方法有：精密度削、超精磨削，鏡面磨削，高速磨削、寬砂輪磨削、緩進深切磨削、金鋼石磨輪與立方氮化硼輪磨削。

　　通用磨床有普通外圓磨床，萬能外圓磨床、內圓磨床、平面磨床和無心磨床。

　　6、光整加工簡介

　　光整加工指研磨、珩磨、超精加工和拋光等。

　　研磨：在工件和研具之間涂上研磨劑，工件可由車床帶動旋轉，研具手持來回軸向移動，經常檢測，至合格為止。研磨液由煤油、植物油或煤油加機油。最常用的研具材料為鑄鐵。研磨量一般為0.005~0.02mm。

　　珩磨：由若干油石條的珩磨頭代替研具，用作孔的光整加工。

　　超精加工：用極細磨粒的油石條作磨頭輕壓于工作表面加工。

　　拋光：用涂有拋光膏的軟輪高速旋轉對工作進行微弱的切削，以降低工作表面粗糙度和提高光亮度。

　　7、齒輪齒形的加工

　　齒輪廣泛用于多類機械設備和儀表中，是傳遞運動和動力的重要零件。常用的有：直齒圓柱齒輪傳動、斜齒圓柱齒輪傳動、螺旋齒圓柱齒輪傳動、直齒錐齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動。

　　為保證齒輪傳動機構運轉精確，工作平穩可靠，必須選擇合適的齒形輪廓曲形，即齒形曲線，目前使用的齒形曲線主要有漸開線、擺線和圓弧線等，用的最多的是漸開線。

　　若一動直線在平面內沿半徑為rb的圓作無滑動的純滾動時，則動直線上任一點a的軌跡稱為半徑為rb圓的漸開線，半徑為rb的圓稱為基圓，動直線稱之為發生線。漸開線齒輪的一個輪齒就是由同一基圓形成的兩條相反的漸開線組成。

　　漸開線上任一點a1的法線必與基圓相切，漸開線的形狀與基圓半徑大小有關，半徑愈小，漸開線的曲率愈小，反之亦然，當其半徑為無窮大時，漸開線便成為一直線，齒條的直線齒形即可看成是半徑為無窮大的基圓的形成的漸開線。

　　（1）直齒圓柱齒輪各部名稱、基本參數和主要尺寸

　　①各部名稱

　　齒頂圓——通過選輪齒頂部的圓稱為齒頂圓，直徑用da表示。

　　齒根圓——通過選輪齒根部的圓稱為齒根圓，直徑用df表示。

　　分度圓——標準齒輪中，理論齒厚與齒向相等的圓稱為分度圓，其直徑用d，半徑用r表示。分度圓位于齒頂圓與齒根圓之間，是計算齒輪尺寸的依據。

　　分度圓齒厚——分度圓上一個輪齒所占的弧長稱分度圓齒度，用s表示。

　　分度圓齒間——分度圓上一個輪槽所占的弧長稱分度圓齒間，用e表示。

　　周節——分度圓上相鄰兩齒對應點之間的弧長稱為周節（分度圓周節），用P表示。P=s+e。

　　齒頂高——從齒頂圓列分度圓的徑向距離稱齒頂高，用ha表示。

　　工作齒高——兩個齒輪嚙合時，兩個齒輪齒頂之間的徑向距離稱為工作齒高，用hw表示。

　　徑向間隙——兩個齒輪嚙合時，一個齒輪的齒頂圓與另一個齒輪的齒根圓之間的徑向距離稱徑向間隙，用C表示。

　　②直齒圓柱齒輪的基本參數

　　機械設計基礎-金屬制造工藝簡介△模數=當齒輪的齒數為Z時，分度圓直徑d和周節P有如下關系：

　　機械設計基礎-金屬制造工藝簡介或此時令機械設計基礎-金屬制造工藝簡介，則d=mZ

　　式中：m——稱為模數，單位為mm。

　　設計齒輪時將m定為基本參數，使齒輪的計算、加工及測試大為方便。M的大小反映齒輪輪齒的厚薄，大小和承載能力。

　　模數值m已標準化，如0.1，0.5，1，1.5，2，3………設計根據齒輪強度計算得出的模數值，再按國家標準中選取。

　　△壓力角：

　　漸開線齒線上任一點K的法向力F與其速度機械設計基礎-金屬制造工藝簡介之間的夾角稱為K點的壓力角機械設計基礎-金屬制造工藝簡介k。

　　已確定的漸開線，基圓半徑rb為定值，漸開線上多點的壓力角是不同的，距基圓越遠，其壓力角越大。通常所說的壓力角是指分度圓上A點的壓力角，用機械設計基礎-金屬制造工藝簡介表示。其數值已標準化，常取機械設計基礎-金屬制造工藝簡介=20°。

　　漸開線齒輪的正確嚙合條件是兩齒輪的模數和壓力角應分別相等，在齒形加工中，刀具的模數m和壓力角機械設計基礎-金屬制造工藝簡介也必須與被加工的齒輪相同。

　　當齒數Z和模數m確定后，齒輪多部幾何尺寸即可確定，計算公式從略。

　　（2）圓柱齒輪的加工

　　有成形和磨法兩種加工方法。成形法指在銑床上加工。對直齒圓柱齒輪，當m<8時，一般用盤狀模數銑刀在臥式銑床上進行。當m≥8時，在立式銑床上進行。

　　磨成法是利用齒輪刀具與被切齒輪的嚙合運動，在專用機床上切出齒形。常用的有插齒機上插齒及滾齒機上滾齒。

　　（3）圓柱齒輪的精加工

　　銑齒、插齒和滾齒屬于齒形成形加工，之后還要進行精加工，以進一提高精度。齒形精加工方法有剃齒、銜齒和磨齒等。

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