剪板机结构设计含全套CAD图纸
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摘要
该设计的对称传动剪板机，其冲剪力为10吨，滑块的行程为22mm，每分钟剪切30次。由电动机提供动力，经过一级带传动和一级齿轮传动减速。设计中采用的执行机构为对心曲柄滑块机构，这一机构将剪板机传动系统的旋转运动转变为滑块的往复直线运动，实现对板料的剪切。曲柄滑块机构具有结构简单、加工容易、维修方便、经济实用的优点，在机械设备中应用广泛。本设计中，通过对平面曲柄滑块机构的数学建模，用Turbor C编程，输入曲柄滑块机构的机构参数和运功参数，实现对整个机构运动过程的仿真。
关键词：Turbor C 运动仿真曲柄滑块剪板机
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ABSTRACT
The design of symmetric transmission shears, shear-to 10 tons, the itinerary for the slider 22 mm per 30 minutes shear. Powered by the motor through a belt drive and a slowdown Gear. Design of the implementation agencies right mind crank slider, This will shears transmission rotation slider into the reciprocating linear motion, the realization of the right of sheet metal shear. Crank slider is simple in structure, easy processing, easy to maintain and repair, economic and practical advantages in machinery, equipment widely used. The design, right through the plane crank slider mathematical modeling, Turbor C programming, input slider crank agencies that such remarks parameters and the parameters of the whole movement of the simulation process.
Key words: Turbor C Motion simulation Crank and slide block Cutting machine
第1章绪论
1.1剪板机分类
剪板机的分类：机械剪板机、数控剪板机、液压剪板机、数控摆式剪板机、数控前送料摆式剪板机、液压摆式剪板机、超厚液压摆式剪板机、液压闸式剪板机、深喉口剪板机、脚踏剪板机、精密剪板机。“十五”期间，液压剪板机在结构与配置方面跨越了各行其道的阶段，逐步向国际主流靠拢。目前多数液压剪板机，机架采用整体焊接结构、经时效处理、具有良好的强度、刚度和精度保持性；采用集成式液压系统伺服驱动，极大提高了机床运行的可靠性；根据被剪板料的材质、厚度和剪切长度，自动完成剪切角度、剪切行程、刀片间隙和后挡料的调整；可配备前送料系统或后托料装置，集送料、卸料于一体，有效地提高了设备自动化程度。
在使用金属板材较多的工业部门，都需要根据尺寸要求对板材进行切断加工，剪板机主要用于剪切金属板材，是重要的金属板材加工机床。其不仅用于机械制造业，还是金属板材配送中心必不可少的装备，应用范围特别广泛。剪板机是借于运动的上刀片和固定的下刀片，采用合理的刀片间隙，对各种厚度的金属板材施加剪切力，使板材按所需要的尺寸断裂分离。常用来剪裁直线边缘的板料毛坯，主要应用于金属加工行业。剪板机按结构分为闸式剪板机和摆式剪板机两类；按传动方式分，有机械传动剪板机和液压传动剪板机两类。
剪板机目前主要有以下几种：
平刃剪板机：剪切质量较好，扭曲变形小，但剪切力大，耗能大。机械传动的较多，该剪板机上下两刃彼此平行，常用于轧钢厂热剪切初扎方坯和板坯。
斜刃剪板机：分闸式剪板机和摆式剪板机，剪切质量较前者差，有扭曲变形，但力能消耗较前者小，适用于中大型剪板机。
多用途剪板机：板料折弯剪板机，即在同一台机器上可完成两种工艺，假期下部进行板料剪切，上部进行折弯，也有的机器前部进行剪切，后部进行板料折弯。
专用剪板机：气动剪板机大多用在剪切线上速度快，剪切次数高。
数控剪板机：直接对后挡料器进行位置编程，可进行位置校正，具有多工步编程功能，可实现多步自动运行，完成多工步零件一次性加工，提高生产效率。
剪板机是通过曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转换滑块的直线往复运动，对板料进行剪切加工的剪切机械，机械剪板机是金属板料剪切的专业设备，广泛用于汽车、造船、建材、五金机械、金属结构的薄板剪切下料使用，被剪切板料以抗拉强度48
公斤/毫米以内为基准，如需剪切其他高强度板料时，应相应减少剪切板料厚度。为了提高本机的整体抗拉强度，采取钢板焊接结构，并具有结构紧凑等特点所以剪板机就成为各工业部门使用最为广泛的板料剪断设备。
1.2剪板机工作原理。
剪板机是借于运动的刀片和固定的刀片，采用合理的刀片间隙，对各种厚度的金属板材施加剪切力，使板材按所需要的尺寸断裂分离的设备。剪板机常用来剪裁直线边缘的板料毛坯。剪切能保证被剪板料剪切表面的直线性和平行度要求，并减少板材扭曲，以获得高质量的工件。板金行业的下料剪切工具，广泛适用于机械工业，治金工业，汽车、造船、电器电气工程设备、板金加工、钢管焊接、电子工业、航天航空工业、农业机械制造、餐饮家具各种机械行业，主要作用就是用于金属剪切在使用金属板材较多的工业部门，都需要根据尺寸要求对板材进行切断加工，所以剪板机就成为各工业部门使用最为广泛的板料剪断设备。
上刀片固定在刀架上，下刀片固定在下床面上，床面上安装有托球，以便于板料的送进移动，后挡料板用于板料定位，位置由调位销进行调节。液压压料筒用于压紧板料，以防止板料在剪切时翻转。棚板是安全装置，以防止发生工伤事故剪板机剪切后应能保证被剪板料剪切面的直线度和平行度要求，并尽量减少板材扭曲，以获得高质量的工件。剪板机的上刀片固定在刀架上，下刀片固定在工作台上。工作台上安装有托料球，以便于板料的在上面滑动时不被划伤。后挡料用于板料定位，位置由电机进行调节。压料缸用于压紧板料，以防止板料在剪切时移动。护栏是安全装置，以防止发生工伤事故。回程一般靠氮气，速度快，冲击小。
剪板机属于锻压机械中的一种，主要应用在金属加工行业。产品广泛适用于：轻工、航空、船舶、冶金、仪表、电器、不锈钢制品、钢结构建筑及装潢行业。
剪板机是带有自动送料装置，可完成板料高效率、精密加工的机械剪板机，具有自动、高速、精密三个基本要素随着中国加入WTO以来，我们回过头来瞻望中国的制造业，就拿剪板机的成长来看吧剪板机床的成长越来越成为机械制造行业的中流砥柱，通用型高性能剪板机，广泛适用于航空、汽车、农机、电机、电器、仪器仪表、医疗器械、家电、五金。
对称传动剪板机是一种典型的对称传动的机械，主要用于剪裁各种尺寸金属板材的直线边缘。该设备应用广泛，具有结构简单，维修方便，经济实用的优点。
本机器的工作原理：动力源电动机通过二级传动（一级带轮传动，一级齿轮传动）减速驱动执行机构—曲柄滑块机构，该机构将电动机的旋转运动转化为往复的直线运动，在此过程中，由切刀（固定在滑块上）来进行对板料的切削。
在这次设计中，针对该剪板机的执行机构—曲柄滑块机构，通过数学建模，运用Turbor C强大的编程运算能力，研究了曲柄以匀角速度旋转时，曲柄滑块机构中滑块的位移、速度、加速度的变化规律。
第2章选择方案对比及剪板机构描述剪板机主要是通过滑块上刀片的往复直线运动来实现切断功能，能实现这个目的主要由液压传动和机械传动两种。
2.1液压传动方案
剪板机液压传动系统原理图如图2.1所示，其原理：手动换向阀6推向左位（即左位接入系统），此时活塞在压力油的作用下向下运动，对板料进行剪切加工，当加工完成后，将阀6手柄推向右位（即右位接入系统），活塞向上运动，即刀片上抬，到了一定位置，将阀6手柄推入中位，这样活塞就停留在此位置不动。然后剪切第二次时，重复上述操作。手动换向阀6也可改为电气控制的换向阀，从而实现自动连续剪切，提高效率。
图2.1 液压传动系统原理图
液压剪板机采用液压传动，使机器工作时平稳，噪声小，安全可靠，可以进行单次连续剪切，剪板厚度也较机械传动的厚，但是液压系统是利用液体作为中间介质来传递动力的，剪切力大时，油压也相应的高，对液压元件的精度、强度要求也高，制造成本也相应的较高，而且液压系统不可避免的存在，泄露问题，会造成污染，油温的变化会引起油液粘度变化，影响液压传动工作的平稳性，所以适应环境能力小。另外，液压剪板机的维修也不方便，需要掌握一定的专业知识，因此此次设计不选用此方案。
2.2机械传动方案
图2.2 凸轮机构原理图
凸轮机构的工作原理如图2.2所示：主轴的转动带动凸轮传动，凸轮升程时推动滑块（即刀片）作剪切动作。回程时，滑块在弹簧的作用下上升到开始位置，准备下一个动作循环。
凸轮机构的优点是可以根据从动件的运动规律来选择机构的尺寸和确定凸轮轮廓线。缺点是凸轮机构一般用于控制机构而不是用于执行机构，因为其工作压力不能太大，否则会严重磨损凸轮的轮廓及推杆，导致该机构不能实现预期的动作要求，不能保证机器的稳定性，因此该方案不予采用。
曲柄连杆机构的工作原理如图2.3所示：通过主轴转动带动曲柄转动，曲柄通过连杆使滑块作上下往复运动，实现剪切动作。
该机构具有结构简单、加工容易、维修方便、经济实用的优点，故采用此方案即
曲柄滑块机构作为执行机构比较合适。
2.3剪板机构设计描述
剪切过程如图所示，板料在剪板机的上.下剪切刀作用下受剪切产生分离变形。剪切时下剪刀固定不动，上剪刀向下运动。开始剪切时，上剪刀刀刃压入板料，产生一对剪力F 及相应的力矩Fd ，迫使被剪板料转动。但在转动过程中受到剪刀侧面的阻挡，在剪刀的另一侧面也产生一对侧推力Ft 及相应的力矩Ftc ，其方向阻止板料的转动。
开始剪切时，板料转角随压入深度的增大而增大，而力矩Ftc 也随之增大，故剪刀压入一定深度后有Fd=Ftc ，这时被剪板料就不再转动，直至在剪力作用下被剪断为止。这种剪切板料的设备称为剪切机。
图2.3 曲柄滑块机构原理图
剪板机属于直线剪切机类型，主要用于剪切各种尺的金属板材的直线边缘。由于剪板机上设有后挡料装置或前挡料装置，顾可以对板料进行定尺寸剪切。
剪板机可以按其工艺用途和结构类型分类如表2.4所示。
剪切过程示意图2.4
剪板机的技术参数
剪板机可剪板料厚度手剪板机构件强度限制，最终取决于剪切力。影响剪切力的因素很多，如刃口间隙，刃口锋利程度。剪切面的宽度等，而最主要的还是被剪材料的强度。略去一些次要因素则剪切力与其主要因素的关系为?σtan /2t K F b = 式中σ被剪材料抗拉强度值；
t 被剪材料厚度；
?剪切角；
k 系数；
通常剪切强度标准计算值为500MPa ，在剪切力及其他因素确定的条件下，可以得到剪板机剪板料的最大厚度。目前国内外剪板机的最大剪切厚度为32毫米以下，厚度过大对设备利用率和经济性来说是不可取的。
剪切方式
按剪切要求此类剪板机通常采用斜刃刀片，斜刃剪切是采用渐入剪切的方式如图
2.5所示，故瞬间剪切尺寸小于板料宽度。剪板机上、下刃口不平行，上、下刃口间的夹角称为剪切角一般为0.5度到4度。
剪切角与剪切力及板料变形有关，剪切角不同，剪切行程随之改变，有些液压剪切机的剪切角度是可调的，以适应不同情况。剪切角减小后，剪切行程也相应减小，行程
次数即可提高从而提高生产率。斜刃剪切质量不如平刃剪切，有扭曲变形现象，但是剪切力和能力消化比平刃要小得多，故斜刃剪切在中、大型剪板机中采用。
图2.4斜刃剪切
可剪板宽
可剪板宽是指剪板机剪刃方向，一次剪切完板料的最大尺寸，它参照钢板宽度和使用厂家的要求制定（可剪切宽度小于剪刃长度），这种剪切方式称为横切方式。纵切方式为多次接触剪切，只要条料宽度小于剪板机只要条料宽度小于剪板机的凹口——喉口，剪切尺寸不受限制。随着工业的发展，要求剪板宽度不断增大，目前剪板机宽度为0000毫米的剪板机已经比较普遍，国外最大板宽已达10000毫米。
用剪板机剪切冲压加工用的条料，长度为2000以下时，剪板机剪切条料宽度最小公差如表格2.6所示。
表2.6剪切调料宽度最小公差
采用纵切方式对剪板机的喉口深度会有要求，如图2.7所示。
目前剪板机趋势是减少喉口深度，以提高机架的刚度。
行程次数
行程次数直接关系到生产效率，随着生产发展及各种上、下料装置的出现，要求剪板机应该具有较高的行程次数对于机械传动的小型剪板机，一般要达到50次每分钟以上。
图2.7
2.4本章小结
本章主要介绍剪板机的液压传动方案和机械传动方案，从中了解凸轮机构和曲柄滑块机构和减半机构。对剪板机的的技术参数、剪切方式、可剪板宽、剪切角度进行了确定。
第3章剪板机总体传动方案
综合考虑，本次剪板机设计的总体方案为电动机经过一级带轮减速及一级齿轮减速驱动主轴上的曲柄滑块机构，使滑块作往复运动，进行剪切动作，剪板机的剪切力是10吨，行程为22mm，每分钟剪板30次。设计传动系统图如图3.1所示。
图3.1 系统传动简图
3.1电动机的选择
本次设计所选用的电动机的类型和机构形式应根据电源种类、工作条件、载荷大小和性质变化、启动性能、制动、正反转的频率程度等条件来选择。
电动机分交流电动机和直流电动机两种。由于生产单位一般多采用三相交流电源,因此,无特殊要求时,均应采用三相交流电动机。其中异步电动机是交流电动机的一种,它是把电能转化为机械能的一种动力机械,一般以三相异步交流电动机应用最广泛。
Y系列三相异步电动机为封闭式三相异步电动机,能防止灰尘、铁屑或其它杂物侵入电机内部，效率高，耗能少，性能好，噪音低，振动小，体积小，重量轻，运行可
靠，维修方便。不仅使用于水泵、鼓风机、金属切削机床及运输机械,更使用于灰尘较多、水土飞溅的地方,如碾米机,磨粉机,脱壳机及其它农业机械,矿山机械等。
根据工作环境和要求,选用Y 系列三相异步电动机。
电动机的容量选择的是否合适,对电动机的正常工作和经济性都有影响。容量选的过小,不能保证工作机的正常的工作或使电动机因过载而过早的损坏;而容量选的过大,则电动机的价格较高,能力又不能充分利用,而且由于电动机经常不满载运行,其效率和功率因数都较低,增加电能消耗而造成能源的浪费。
该剪板机的剪切力为10吨，根据诺沙里公式：
P =)σδ1011δ6.0α1(g αδσ 0.62b x x 2x b x
y tg Z t h +++ （3.1） 式中 P ——剪切力 P =10×103×9.8=98000N
b σ ——被剪板料强度极限，实际中的板料b σ =500N/mm
x σ ——被剪板料延伸率，x σ =25%
h ——被剪板料厚度
α——上刀刃倾斜α=2°
Z ——被剪部分弯曲力系数，Z =0.95
y ——前刃侧向间隙相对值，y =0.083
x ——压具影响系数x=7.7
把已知数据代入式（3.1）
解得：h =4.63mm
根据文献资料得，Q11型剪板机技术参数，类比实习时工厂的样机，选取电动机的功率为5.5kW 。
转速的确定：
由于传动由皮带和齿轮组成的。按推荐的传动副传动比较合理的范围，取三角带传动比1i =2～4。二级圆柱齿轮减速器传动比2i =8～40，则总传动比合理范围为'a i =16～160,则电动机转速可选范围为：
'd i = 'a i ·w n =(16～160)·w n =480～4800r/min
查表19.1 Y 系列三相异步电动机的技术数据,选取Y132-M 2-6型电动机比较合适,其技术参数如下:功率为5.5kW ，级数为6，满载时的电流、转速、效率分别为12.6A 、960r/min 、85.3%。
总传动比
'd i =3230
960==主n n m
（3.2） 'd i =1i ×2i
式中1i ——三角带传动比
2i ——圆柱齿轮传动比
取1i =4 2i =
84
32= 计算各轴转速 1n =2404
9601==
i m n r/min 2n =308
496021=?=i i n m r/min 计算各轴的功率
查得[4]
各部件传动效率为：圆柱齿轮：0.94～0.96 2η=0.95 三角带传动：0.94～0.96 1η=0.955
轴承(每对)：0.97～0.99 3η=0.98
则总传递效率为：
总η=1η2η23η=298.0955.095.0?? =87.0
1P =01η?d P =31ηη??d P =98.0955.05.5??=5.15kW
2P =0201ηη??d P
= 2321ηηη???d P
=298.095.0955.05.5???=4.79kW
各轴转矩
d T = w
d n P 9550
式中d T ——电动机转矩；
d P ——电动机功率；
w n ——满载转速[6]
； d T = w d n P 9550=960
5.59550? N·m =71.54N·m 轴1T = 010η??i T d
=98.0955.0471.54???m N ?
=81.204 N·m
轴2T =020110ηη????i i T d
=99.098.0955.08471.54????? N·m
=19.1510 N·m
3.2本章小结
本章主要根据了对上一章几个方案对比确定了剪板机的总体传动方案。从中选择了电动机类型和结构，规定了电动机的功率从中进行了计算传动装置的运动和动力参数的计算。
第4章 带传动的设计及计算
在同样的张紧力下，V 带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，V 带传动允许的传动比较大，结构简单较紧凑，造价低廉，传动平稳以及缓冲吸振等优点。
4.1 确定计算功率
ca P =P K A ? (4.1)
=6.65.52.1=?kW
式中 P ——传动的额定功率（kW ）
A K ——工作情况系数
查文献资料，载荷变动较大，软启动每天工作时间小于10小时，取A K =1.2。
4.2 选择带型
根据ca P =6.6kW 和主动带轮（小带轮）转速w n n =1= 960r/min ，由文献资料中选定A 型V 带。
4.3 确定小带轮的基准直径
查参考文献[4]取主动轮基准直径D =125mm 。
V =)100060/()(11???n D π
=)100060/()96012514.3(???
=28.6m/s
由于V 过小，表示所选的1D 过小，这将使所需要的有效拉力e F 过大，即所需要的
跟数Z 过多，于是带轮的宽度，轴径及轴承的尺寸都要随之增大。
取1D =160mm
V =)100060/()(11???n D π
=)100060/()96016014.3(???m/s
=04.8m/s
2D =1D i ?=4160?=640mm
并按照V 带轮的基准直径系列进行圆整,圆整后
2D =640mm
4.4 确定中心距a 和带轮的基准长度
由于中心距未给出,可根据传动的结构需要初步中心距0a 取
代入1D =160mm , 2D =640mm