自动锻压机送料凸轮返回机构改进设计

齐二机床（集团）有限责任公司设计院 （黑龙江齐齐哈尔 161005） 刘洪成

沈阳远大压缩机股份有限公司 （辽宁 110027） 蒋文瀚

1. 机构原理及现状分析

（1）工作原理。原机构为自动锻压机的送料传动机构（见图1），由曲柄滑块机构带动送料箱实现线料的进给运动。主传动的曲轴通过胀套带动凸轮1逆时针旋转，通过滚子2，推动摆叉5绕着支点转动，摆叉5通过连杆6的传递，实现摆叉7的往复运动，使线料能够按照生产要求进行送进。

图1 机构运动图

（2）现状分析。在上述的结构中，弹簧4起到弹性返回的作用，在工作的过程中使滚子2能紧贴凸轮1。但是在现实中弹簧属于易损件，需要定期更换。工作行程较大时，需要的弹簧长度会很长，不但容易变弯，也直接影响机床的外形尺寸。所以考虑用轴向尺寸短、噪声小，动作反应灵敏，使用可靠且耐用的气缸来代替弹簧。

2. 改进结构分析与计算

（1）原结构弹簧参数分析。本课题以本公司3 000kN多工位筒形件冷成形机为例，参数如图2所示：切断最大直径为24mm；送料长度为40～200mm；弹簧长度为564mm；生产率是70件/min。

根据已知条件，首先计算弹簧的弹簧刚度为

式中，Kf是弹簧刚度（N/mm）；G是弹簧材料的切变模量（MPa），弹簧材料选用60Si2MnA，查设计手册，其切变模量G=80 000MPa；d是钢丝直径（mm），d=16mm；D是弹簧平均直径（mm），D=90mm；C是旋绕比，C=D/d=90mm÷16mm=5.625；n是工作圈数，n=18。

图2 弹簧尺寸图

将各个参数代入公式（1）得到弹簧的弹簧刚度为

经确定弹簧在四杆机构工作过程中的产生的弹簧力为

式中，F是弹簧力（N）；L1是工作行程（mm）。

经过四杆机构的校验，测得弹簧的工作行程为L1=120mm，代入公式（2）中，得到弹簧提供的弹簧力为

（2）新型结构设计。依据现场反馈回来的信息，改进设计，采用气缸（气弹簧）代替弹簧。气缸是将压缩空气的压力转化为机械能的传动装置，在自动锻压机中应用很多。最初设计选用成品的外购件为双作用气缸（见图3），但考虑到选用标准气缸后，还需加上换向阀，并且在联接处需要进行基本件设计，总体结构就比较复杂，综合考虑选用自主设计的气缸（见图4）。

图3 标准气缸

图4 新设计气缸

采用新型气缸后，此气缸只有一个进气口，按设计要求只有推力，没有拉力，正符合气弹簧的要求。采用推力公式

式中，F1是气缸推力（N）；D是气缸缸径（mm）；P是空气工作压力（MPa），按照现场气源提供的压力，应选取P=0.6MPa。

在实际中，由于漏气和摩擦等损失，引入负载率的概念，它是由负载性质和气缸的运动速度选定的

式中，β是负载率，查阅参考资料得到，一般场合选取β=65%；FS是气缸所受的实际负载力（N）。

计算气缸的工作速度V=2×气缸单向行程L1×生产率=2×120mm×70r/min =280mm/s，查询标准气缸的使用速度要求为50～500mm/s，比较后满足要求。

在上述计算中得到弹簧在工作过程中产生的最大弹簧力为F=5 993N，如果换成气缸，则设FS≈F=5 993N。将参数带公式（3）和（4）中，计算气缸缸径D为

按照缸径系列尺寸圆整，取缸径D=140mm。

根据结构尺寸设计新气缸（见图5）。本气缸由三部分构成：缸盖、缸筒及活塞。可见本结构无活塞杆，其工作原理是通过两个一端封闭的套筒联接，形成一个充满0.6MPa气体的密闭空间，活塞的外壁与缸筒3的内壁接触轴向滑动，保证在压缩时有足够的空间，防止压力过高发热。本结构在端盖上开一个接口联接进气管路，在工作时开动管路前的手动换向阀门，使气体进入气缸内。如果需要更换和维修，就把手动换向阀换到放空阀方向。在缸筒的内壁上采用镀硬铬处理，提高耐磨性和寿命。采用结构先进、品质优良的密封组件，可在无供油情况下正常工作，气缸始动压力低，寿命长。两端通过轴铰链联接摆架和支架，中间采用自润滑轴承。

图5 新气缸结构图

3. 结语

自动锻压机送料凸轮返回机构采用气缸复位，启动快、动作反应灵敏，在工作时间范围内，没有出现任何质量问题。此结构已经成功应用在我厂改进设计的机床上，使用效果良好，深受用户好评，满足了产品合理化设计的要求，为今后的结构设计提供了经验。

[1] 何德誉. 曲柄压力机[M]. 北京：机械工业出版社，1981.

[2] 宋锦春，苏东海，张志伟. 液压与气压传动[M]. 北京：科学出版社，2006.

[3] 刘磊. 自动锻压机送料机构压料装置的改进[J]. 锻压装备与制造技术，2012，47（2）：35-36.

[4] 机械设计手册联合编写组. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，1982.