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無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書
第一章 引 言
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和功率不斷提高，熱負(fù)荷也越來越大，對發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。而機油的溫度是影響可靠性最主要的因素之一。機油溫度過高，其粘度和穩(wěn)定性顯著下降，氧化變質(zhì)加劇，機油的壓力偏低，潤滑性能顯著下降，這容易造成燒瓦軸、燒曲軸、缸套拉傷等故障。因此，為控制發(fā)動機機油的溫度，保證各部件可靠而有效的潤滑，當(dāng)機油的溫度超過一定值時，就應(yīng)該使用一定的裝置使其降低到合理的范圍，機油冷卻器就是用來對發(fā)動機潤滑用機油進(jìn)行冷卻的裝置，它可以保持發(fā)動機工作狀態(tài)下可靠的潤滑，降低發(fā)動機零部件的磨損，提高其工作可靠性和壽命，同時由于潤滑性能得到保證，也就間接地降低了發(fā)動機本體的制造精度，所以機油冷卻器對車載發(fā)動機來說是必不可少的配套裝置。目前，圓盤式機油冷卻器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效果好得到廣泛應(yīng)用，市場需求不斷增加，預(yù)計今年揚州通洋機油冷卻器有限公司產(chǎn)量將達(dá)到40萬件。
冷卻器中有一個芯子總成，它由多層空心圓盤狀散熱片組成，各層之間有一層水隔板，他們交替地堆疊起來并通過釬焊焊接在一起。芯子總成與冷卻器下殼之間也是以釬焊實現(xiàn)連接與密封的。各層散熱片的空心部分由兩根上下串通的孔道相連，一個圓孔，一個方孔，分別作為進(jìn)、出油孔，機油通過這兩根管道在芯子總成內(nèi)部流動，而水在芯子總成與冷卻器外殼之間的空腔循環(huán)。二者是完全隔開的，這樣就實現(xiàn)了機油和水的熱交換。
1.1課題的來源、意義
1.1.1課題的來源
本課題是揚州通洋機油冷卻器廠的委托項目。該廠現(xiàn)有采用的是人工裝配。在芯子總成裝配中，工人僅用一面一孔定位（套筒固定散熱片中心孔），周向定位完全是靠人工調(diào)整，最后用長銷，利用散熱片的圓孔矯正定位。然后再由另外一名工人拿到壓力機上，加壓塊和螺母（機油冷卻器的中心孔內(nèi)插有一底部聯(lián)結(jié)一圓盤的長銷，長銷的另一端加工有螺紋，墊入一塊壓塊后，旋入螺母），按動氣動按鈕對機油冷卻器進(jìn)行預(yù)緊，然后手工拔除長銷，再加壓保壓，手工旋緊螺母，最后通過按鈕松開冷卻器?？梢钥闯稣麄€裝配過程顯得很復(fù)雜，而且都離不開人的應(yīng)變性，智能性。
基于市場的需求，要擴大生產(chǎn)規(guī)模，因此揚州通洋機油冷卻器廠委托李益民老師設(shè)計一套自動裝配線，來提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量，減輕工人的勞動強度。
1.1.2 課題的意義
本項目的創(chuàng)新之處在于采用機電氣一體化的自動化技術(shù)來解決制約機油冷卻器產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量提高的裝配工藝的瓶頸，實現(xiàn)由人工裝配向自動化裝配的轉(zhuǎn)變。目前機油冷卻器自動裝配線的研制開發(fā)在國內(nèi)同類型生產(chǎn)企業(yè)尚屬首次。
隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，汽車工業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，揚州市的汽車工業(yè)已成為揚州多個優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)中的一個，我市的水箱、油箱、活塞環(huán)等在業(yè)內(nèi)具有一定優(yōu)勢，目前揚州正努力成為全國乃至世界的汽車零部件基地。而機油冷卻器可以保持發(fā)動機工作狀態(tài)下可靠的潤滑。提高其工作可靠性和壽命，降低發(fā)動機本體的制造精度，對于車載發(fā)動機來說是必不可少的配套裝置。圓盤機油冷卻器由于其結(jié)構(gòu)及性能的優(yōu)勢，在機油冷卻器市場中的需求越來越大。
通過本項目的研制開發(fā)，促進(jìn)圓盤機油冷卻器產(chǎn)品制造企業(yè)的制造裝備的技術(shù)進(jìn)步，降低產(chǎn)品的制造成本，保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，提高產(chǎn)品的裝配工作效率從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。以適應(yīng)企業(yè)擴大生產(chǎn)規(guī)模，及時應(yīng)對國內(nèi)外客戶的訂貨需求。因此本項目的實施對企業(yè)的發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步及創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益都具有十分重要的意義，同時也對揚州努力成為全國乃至世界的汽車零部件基地起到推動作用。
第二章 總體方案設(shè)計
2.1機油冷卻器自動裝配線的設(shè)計要求
廠方要求裝配線的總長不超過5米，裝配線要達(dá)到單班（8小時）日產(chǎn)1200件以上。
完成單件裝配平均耗時 :
因此裝配線的任何工位耗時都不得超過24秒。這就要求本設(shè)計要達(dá)到緊湊的結(jié)構(gòu)和較高的裝配效率的統(tǒng)一，在設(shè)計中，我們要充分地考慮裝配質(zhì)量、效率和成本。
2.2裝配方案設(shè)計
2.2.1裝配工藝分析與確定
本課題的難點在于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜（詳見圖2-1機油冷卻器爆炸圖），機油冷卻器的自動化裝配，由于受其組成零件的不同類型及形狀限制，很難實現(xiàn)其全部零件的全部自動化裝配。由圖可知裝配過程中大量重復(fù)性動作主要集中在水隔板焊片（銅片）、水隔板、散熱片的交替裝配上。在本設(shè)計開始之前，芯子總成的手工裝配效率很低，主要是由于散熱片、水隔板、以及銅片的數(shù)量比較多（分別為11、12和24片），每層裝配都要保證位置精確，并且不能裝錯數(shù)量和順序，否則產(chǎn)品會不合格。這是多次的重復(fù)勞動，耗時很大。因此該工位可以通過機械手交替裝配實現(xiàn)自動化。上下蓋和上下外殼的裝配量很小（各為1片），而且結(jié)構(gòu)不利于機械手的抓取，因此采用人工裝配。
水隔板焊片（銅片）、水隔板、散熱片的交替裝配在實現(xiàn)自動化裝配的時候要考慮到如何更好的實現(xiàn)機械手的抓取。因為銅片面積小，中間多孔，無法用真空吸盤抓??；又因為銅片很薄，質(zhì)量輕，不易于磁吸盤分料抓取。所以我們在設(shè)計前打算對水隔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性改造，取消了水隔板與散熱片之間的24層銅片釬料，采用復(fù)合材料（水隔板兩面鍍銅），或用事先由另外一個工序?qū)⑺舭?
圖2-1機油冷卻器爆炸示意圖
和兩面銅片焊合的水隔片總成取而代之。這樣就可實現(xiàn)對水隔片總成和散熱片的機械手自動裝配。又考慮到每個工位不得超過24秒，而裝配零件數(shù)又很多，我們決定把機械裝配工位設(shè)計為兩個機械手工步，以達(dá)到減少工時的目的。
水隔片總成和散熱片都為薄片形狀零件，其自動裝配通過機械手動作實現(xiàn)。由于水隔片總成零件表面積不大，故考慮采用磁盤式機械手裝配；而對于散熱片零件，其表面積較大，可采用吸盤式機械手裝配。這兩個零件的裝配順序通過可編程控制器來控制。
在機油冷卻器裝配完成主要所有零件的裝配后，需要對機油冷卻器進(jìn)行壓緊，然后再夾緊，完成零件的最后裝配。
現(xiàn)有的人工裝配時該工序是通過螺旋夾緊，即把機油冷卻器通過中心孔套在一個中間插有長銷（長銷的另一端加工有螺紋）的底座上，墊入一塊壓塊后，按下氣動壓頭開關(guān)，在壓頭壓緊冷卻器時手工旋入螺母進(jìn)行夾緊?，F(xiàn)在自動化裝配線上，為了有利于實現(xiàn)裝配自動化，節(jié)約裝配時間，以及保證裝配的可靠性和穩(wěn)定性，我們通過壓力機來實現(xiàn)機油冷卻器的自動壓力夾緊。
2.2.2裝配線傳送方案的比較與確定：
按照自動裝配的要求，裝配機（線）的結(jié)構(gòu)可設(shè)計為圓盤回轉(zhuǎn)式、直進(jìn)式和矩形環(huán)轉(zhuǎn)式。
方案一：回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)較簡單，定位精度易于保證，裝配工位少，適用于裝配零件數(shù)量少的中小型部件和產(chǎn)品，基礎(chǔ)件可連續(xù)傳送或間歇傳送。但是在本裝配中，我們還有兩個手工工位，它不宜與手動裝配一起組合裝配。且占地面積較大，也不可駐料工作，工時較長。可行性差。
方案二：直進(jìn)式，直進(jìn)式包括非同步直進(jìn)式和同步直進(jìn)式。非同步直進(jìn)式裝配工位數(shù)不受限制，調(diào)整較靈活，基礎(chǔ)件間歇傳送。適用于自由節(jié)拍、裝配工序復(fù)雜、手工裝配與自動裝配相組合的裝配線上。同步直進(jìn)式的每個工位的生產(chǎn)節(jié)拍是同步的，相對自由性較小。本案例要用隨行夾具定位，并且解決隨行夾具的返回裝置。這里隨行夾具在壓緊工位的卸與之后的自動上裝是難點較大的設(shè)計?？尚?。
方案三：矩形環(huán)轉(zhuǎn)式，擁有直進(jìn)式的優(yōu)點，占地面積大，可以兩組裝配線同時工作，節(jié)省工時。并且無需設(shè)計隨行夾具的返回裝置，只要一個換向裝置?？尚小?
廠方要求占地面積較小，生產(chǎn)線不得超過5米，基于廠方的意見與分析我們采用同步直進(jìn)式裝配線。
2.3 總體方案的確定
結(jié)合以上對機油冷卻器的裝配工藝的分析，機油冷卻器自動裝配線的裝配工序和裝配方法為：
圖2-2裝配線流程圖
第一工位：這一工位是在隨行夾具到位后人工放上底座、下蓋、下盒以及銅焊絲，并可能在底座和下蓋間放上一張石棉紙，以防止入爐焊接過程中夾具體損傷下蓋表面。
第二工位：這一工位使用兩個機械手裝配散熱片和水隔片總成。其中散熱片用吸盤式，水隔板用電磁式機械手。二者交替動作，進(jìn)行芯子總成的裝配。
第三工位：手工裝配上殼、上蓋以及焊片，并放上石棉紙和壓塊。
第四工位：壓力機自動壓緊裝配好的工件，并夾緊。最后壓頭復(fù)位，工件由工人取下。隨行夾具也由一個氣缸推離抽頭，等待回送到裝配線起點，以再次利用。
機油冷卻器自動裝配線的總體布局，及自動裝配線的運動循環(huán)圖如下：
圖2-3機油冷卻器自動裝配線的總體布局圖
圖2-4 自動裝配線的運動循環(huán)圖
第三章 壓緊工位裝備設(shè)計
3.1機油冷卻器定位方案的比較與確定
機油冷卻器外形如圖3-1所示：
圖3-1機油冷卻器外形
手工裝配中，先用兩個定位孔進(jìn)行周向定位，裝配下蓋、銅片、下殼及三四層的水隔片和散熱片。在有一定高度時在進(jìn)油口插入一根長銷，底座的中心軸上套上套筒采用中心孔和進(jìn)油孔定位，裝配以上的水隔片和散熱片上殼體與上蓋?？梢钥闯銎渥詣踊ㄎ怀潭鹊?，不易于實現(xiàn)自動化裝配。為了實現(xiàn)裝配自動化，整個產(chǎn)品所有零件的裝配都應(yīng)盡量采用統(tǒng)一的定位基準(zhǔn)。小組考慮的定位方案有：
方案一：采用中心孔和進(jìn)油孔定位 中心孔是通的，直接由底座（帶長銷）定位，但是由于下蓋在進(jìn)油孔位置不通，只能在芯子裝配一定高度再加入長銷定位，這樣前面的芯子就沒有被定位到。不可行。
方案二：采用中心孔和出油方孔定位（兩者上下都是通的）。設(shè)計一個帶柱銷和方銷的夾具，由于上蓋的方孔比其它的方孔都小，所以方銷尺寸應(yīng)該以冷卻器壓緊時方孔的高度來設(shè)計，上蓋以上位置的方銷小于方蓋以下。問題是位置定了之后，當(dāng)壓緊時，只要當(dāng)壓過設(shè)定高度，就會造成對方銷的壓損。改造：以上蓋方孔的大小設(shè)計上下同粗的方銷，但這樣由于太薄，銷的周向定位削落了?？尚行匀酢?
方案三：采用兩個小孔定位（原來不通的，將其做成上下貫通的通孔，不影響產(chǎn)品的任何性能），但是由于定位銷過于細(xì)長，裝配中這定位銷的導(dǎo)向部分會太細(xì)，剛度和強度會較弱。鑒于兩小孔在冷卻器的工作中不起任何作用,可對其結(jié)構(gòu)適當(dāng)修改加粗。可行性強。
經(jīng)過小組對其裝配工藝反復(fù)討論后，決定用這兩個圓柱銷所在位置的兩個小孔定位。經(jīng)廠方同意，將小孔直徑由原來的３毫米擴大到５毫米，這樣改進(jìn)后用其定位的可行性大大提高。與之對應(yīng)的兩個定位銷直接裝配在隨行夾具上（隨行夾具請看李紅兵的設(shè)計），這樣就實現(xiàn)了裝配線的自動定位。
圖3-2 隨行夾具
3.2機油冷卻器夾緊方案的比較與確定
現(xiàn)有的手工裝配中，采用的六角螺母和螺栓夾緊，用氣缸驅(qū)動壓緊，壓力機（工作壓強約在0.25 MPa）壓緊殼體后，擰緊六角螺母之前需要用鉗子將套筒和長銷拔出，以保證手工擰緊螺栓時的空間，操作上費時又費力，這在自動裝配過程很難實現(xiàn)。自動化裝配線上，為了有利于實現(xiàn)裝配自動化，節(jié)約裝配時間，以及保證裝配的可靠性和穩(wěn)定性，我們需要對先前的定位（上面已經(jīng)闡述）及夾緊機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
方案一：螺栓式夾緊 由于定位方案中取消了套筒，只要在上個手工工位裝配上壓塊和螺母。問題是對于螺母的自動旋緊難度較大，它需要配有自動扳手才能實現(xiàn)裝配自動化?？尚行暂^差。
圖3-3 螺栓式夾緊
方案二：采用楔塊自鎖 斜面角度取4-5度，夾緊后可靠自鎖實現(xiàn)夾緊。壓緊工件后工人稍稍用力把楔塊推入夾緊桿的楔形槽即可實現(xiàn)冷卻器的夾緊。工人的操作時間減少，但是，這種方案仍用了壓塊和楔塊兩個裝置，且需要人機共同作業(yè)，沒有實現(xiàn)完全的自動化。不是最佳方案。
圖3-4 楔塊夾緊
方案三：具有棱柱止動桿的單向機構(gòu) 在壓塊的周向設(shè)計由彈簧和止動塊，在夾具桿上的壓緊高度段上設(shè)計一段棱柱齒，這樣，壓塊能向下運動反向不能。但是，該壓塊的加工相對較復(fù)雜，對于大批量的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性較查差，方案可行性差。
方案四：螺旋槽夾緊 在夾緊桿上面設(shè)計道矩形的L型螺旋槽，其一段是直槽，末端是4-5度的螺旋槽。在壓塊的下端面處設(shè)計一個卡齒，壓塊沿著螺旋槽先向下直線運動，再旋轉(zhuǎn)卡住螺旋槽，從而夾緊。該壓塊可通過鑄造成型，但鑄造成型的零件工藝性較差。壓塊如圖3-5
圖3-5 壓塊
方案五：方案四的改進(jìn)。為解決鑄造壓塊的工藝性問題，可在壓塊上面開對稱孔，孔內(nèi)安裝銷，以起到卡齒的作用?？尚行院?。
圖3-6 螺旋槽夾緊
經(jīng)過比較最終采用方案五——螺旋槽夾緊。如圖3-6所示，在夾緊桿上面巧妙地設(shè)計了一道矩形螺旋槽，其一段是直槽，螺旋角取4-5度，螺距4mm。在壓塊上面安裝了一根銷，直徑為6mm，在壓力機工位的前一工位，由工人裝配上蓋等零件的同時把壓塊放上去，使銷恰好放在直槽內(nèi)，這時銷與螺旋槽起點還有一定的距離，當(dāng)壓力機壓頭把冷卻器上蓋壓下時，銷隨壓塊在重力的作用下自動落到螺旋槽的起點處，這時利用一個擺動氣缸將壓塊轉(zhuǎn)動一個角度，銷帶動壓塊隨螺旋槽下移，從而將機油冷卻器夾緊。這種方法取消了套筒，只用一個簡單的壓塊就實現(xiàn)了冷卻器的完全自動夾緊。
3.3抽頭的設(shè)計
如圖所示，在壓塊轉(zhuǎn)動以前，定位銷頂端有一部分露在外面，顯然會妨礙壓塊的轉(zhuǎn)動，為此需要先將定位銷（隨行夾具）拔除，然后再夾緊。抽銷的動作采用氣缸驅(qū)動。這一部分關(guān)鍵是抽桿和導(dǎo)軌的設(shè)計。
我采用T形槽結(jié)構(gòu)，及從隨行夾具的一端開個T形槽（不通，在另一端留有10mm的厚度，并且開口端與裝配線的流線方向一致。）；相對T形槽的形狀設(shè)計一個抽頭；同時在冷卻器壓緊工位處的導(dǎo)軌為了讓隨行夾具從下抽出，導(dǎo)軌在寬度上要向外闊出，大于隨行夾具的寬度。同時導(dǎo)軌的臺面也要上升，上升到底座的高度（底座的直徑要大于隨行夾具的寬度）來做底座的支撐臺面，好進(jìn)行壓緊與夾緊。
抽頭設(shè)置在T形槽同一高度，隨著工件輸送到位，隨行夾具已經(jīng)套入抽頭，然后氣缸驅(qū)動將銷隨隨行夾具一起拔出。如圖3-7：
圖3-7 抽桿示意圖
3.4壓力機的設(shè)計
3.4.1方案設(shè)計
前面闡述了機油冷卻器在整條線上的定位問題，以及最后壓力機工位的夾緊方案，在此基礎(chǔ)上，我們才得到了壓力機的總體設(shè)計方案。如圖所示,壓力氣缸驅(qū)動懸臂壓桿先將裝配完所有零件的機油冷卻器壓緊，隨后另一氣缸驅(qū)動抽桿將定位銷隨隨行夾具拔除，然后一個擺動氣缸驅(qū)動一個裝了撥銷的轉(zhuǎn)塊，撥銷帶動壓塊旋轉(zhuǎn)一個角度，將工件夾緊。最后懸臂壓桿臺回擺動氣缸轉(zhuǎn)回。 如圖3-8所示。
圖3-8 壓緊方案示意
3.4.2氣缸的選擇與設(shè)計
3.4.2.1壓緊氣缸的選擇與設(shè)計
（1）氣缸的布置位置：氣缸的布置位置大體上有以下兩種，如圖3-9所示。
圖3-9 汽缸布置示意
第一種布置形式是正對懸掛式，氣缸的活塞桿不受徑向力，對導(dǎo)向裝置的要求比較低；但是活塞桿受壓力，輸出力比較大時需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗算；氣缸采用腳架式安裝，需要制造很高的支架；安裝螺栓受剪力；壓頭與活塞桿正對機油冷卻器，由于機油冷卻器的結(jié)構(gòu)特點，這種結(jié)構(gòu)會妨礙擺動氣缸的安裝。因此不予采用。
第二種布置形勢是旁置落地式，氣缸安裝位置很低，低于導(dǎo)軌面，采用圖示后置法蘭式安裝，雖然要求懸臂壓桿有很高的剛度和強度，氣缸法蘭處螺栓和地腳螺栓會受較大的拉力，活塞桿導(dǎo)套會受很大的徑向力，但是如果采用較大的地腳螺栓，在壓下位置讓導(dǎo)套盡量靠近懸臂壓桿，這種力是可以降低到可接受的程度的；由于不需要很高的支架；活塞桿受拉，不存在穩(wěn)定性問題；落地式安裝穩(wěn)固；壓塊活動空間很大；這些都是明顯優(yōu)于前者的，所以決定采用這種布置方案。（2）缸徑的選擇
?根據(jù)工作機構(gòu)所需力的大小，考慮氣缸載荷率確定活塞桿上的推力和拉力，從而確定氣缸內(nèi)徑。
氣缸由于其工作壓力較?。?.4～0.6MPa），其輸出力不會很大，一般在10000N（不超過20000N）左右，輸出力過大其體積（直徑）會太大。通洋機油冷卻器廠目前這類產(chǎn)品的人工裝配線所用的氣缸缸徑為250mm，極限輸出力為5t（工作壓力為1.0MPa時），據(jù)車間的技術(shù)員介紹機油冷卻器的壓緊需要1噸左右的力。據(jù)我們現(xiàn)場所見，平時作業(yè)中工作壓力為0.2MPa，工人師傅根據(jù)經(jīng)驗適當(dāng)?shù)卦黾樱苌俪^0.3MPa，我想這主要是根據(jù)廠里氣壓站提供的氣源壓力設(shè)定的，該廠的氣源壓力本來就比較低。廠里的氣源壓力如果很高，使壓力機工作在0.4MPa以上，那么氣缸的直徑還可以進(jìn)一步減小。但是由于氣壓站氣源壓力不高，經(jīng)過減壓閥以及各級管路損失，該廠壓力機工作在0.2MPa比較適宜，因此我的計算仍采用這一參數(shù)選擇氣缸直徑。
氣缸在0.2MPa工作時，不考慮效率因素所能提供的壓緊力為
求得：
可見，選擇原缸徑D=250mm時比較理想的，只要保持在0.2MPa以上的工作壓力，就可以保證1t的壓緊力，并且壓縮空氣的利用率比較高。因此，壓緊氣缸缸徑選擇250mm。
（3）氣缸行程
氣缸（活塞）行程與其使用場合及工作機構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用來夾緊的機構(gòu)，為保證夾緊效果，必須按計算行程多加10～20mm的行程余量。在本設(shè)計中，壓緊氣缸的行程主要需要考慮兩個問題：
行程太長，會造成壓力機高度尺寸過大，與導(dǎo)軌的高度不協(xié)調(diào)，與壓頭導(dǎo)柱相配合的導(dǎo)套高度相應(yīng)增加，其剛度難以保證，因此導(dǎo)套乃至整個氣缸支架的受力條件都會惡化，這就間接的需要增加其結(jié)構(gòu)尺寸；并且，壓頭導(dǎo)柱過長，也會影響其剛度和裝配效率。
行程過短，不利于從導(dǎo)軌面上將機油冷卻器的零件或者連同其隨行的夾緊桿，抽頭方塊等一起取出，也不利于在線檢查和維修時（如機器調(diào)試檢查或中途出現(xiàn)故障時）的操作。為此根據(jù)卸取物品人通常所需的空間，我們小組三人通過統(tǒng)計與協(xié)商，最后確定壓緊氣缸的行程為200mm。并且壓頭底端行程下限在壓緊時也留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以適應(yīng)將來可能裝配其他高度尺寸比較小的冷卻器產(chǎn)品（如6片式）的要求。具體尺寸見裝配圖。
（4）安裝形式的選擇
安裝形式由安裝位置、使用目的等因素決定。在一般場合下，多用固定式安裝方式：軸向支座（MS1式）前法蘭（MF1式）、后法蘭（MF2式）等；在要求活塞直線往復(fù)運動的同時又要缸體作較大圓弧擺動時，可選用尾部耳軸（MP4或MP2式）和中間軸銷（MT4式）等安裝方式；如需要在回轉(zhuǎn)中輸出直線往復(fù)運動，可采用回轉(zhuǎn)氣缸。有特殊要求時，可選用特殊氣缸。具體的安裝形式及其特點見表3-1。
表3-1 氣缸的安裝形式
分 類
簡 圖
說 明
固
定
式
氣
缸
支座式
軸向支座MS1式
軸向支座，支座上承受力矩，氣缸直徑越大，力矩越大
切向支座式
法蘭式
前法蘭MF1式
前法蘭緊固，安裝螺釘受拉力較大
后法蘭MF2式
? 后法蘭緊固，安裝螺釘受拉力較小
自配法蘭式
法蘭由使用單位視安裝條件現(xiàn)配
軸
銷
式
氣
缸
尾部軸銷式
單耳軸銷MP4式
氣缸可繞尾軸擺動
雙耳軸銷MP2式
頭部軸銷式
氣缸可繞頭部軸擺動
中間軸銷MT4式
氣缸可繞中間軸擺動
根據(jù)上面對氣缸布置位置的分析可知，采用后法蘭式安裝是最好的選擇，這種安裝，螺栓的安裝位置最低，最可靠穩(wěn)固，安裝方便美觀，制作的支架結(jié)構(gòu)簡單。由于氣缸的安裝螺栓強度不需要校核，所以，地腳螺栓與安裝螺栓性能等級相等的情況下，只要其直徑比安裝螺栓大，那么就不需要進(jìn)行強度校核。在此，地腳螺栓直徑選24mm，地腳角鋼選10號，厚度為12mm，即b=100mm,d=12mm。
壓緊氣缸的型號選擇為QGBZMF2-250-250。
3.4.2.2抽頭氣缸的選擇與設(shè)計
如圖3-10所示，氣缸的缸徑和行程選擇應(yīng)參考以下的結(jié)構(gòu)尺寸。
圖3-10 抽銷氣缸行程示意
缸徑參數(shù)由于沒有實驗條件，只能粗略地估算。氣缸主要克服的是定位銷與冷卻器定位孔之間的摩擦力，這個力不會很大，選取缸徑初定在80mm以內(nèi)。由于隨行夾具的高度為156mm,考慮到抽到下限時，定位銷頂端離支架底面還應(yīng)有一定的距離，整個氣缸的有效行程為186mm。為了氣缸的安全不能使用氣缸的滿行程，為此選取氣缸的標(biāo)定行程為200mm。由于氣缸的行程較長，為了使其有較好的導(dǎo)向剛度，氣缸的直徑不能太小，為此最終選取缸徑為100mm。氣缸型號為QGBZMF2-200-100。
壓緊氣缸和抽頭氣缸都是選用的QGBZ系列，它是QGA，QGB系列的改進(jìn)型號，由優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制造，堅固耐用。其外形如圖3-11：
圖3-11氣缸外形
3.4.2.3旋轉(zhuǎn)氣缸的選擇
擺動氣缸有葉片式和齒輪齒條式，葉片式結(jié)構(gòu)比較緊湊，但是由于輸出扭矩較小，受到?jīng)_擊葉片容易損壞等缺點。實際生產(chǎn)中廣泛采用齒輪齒條式。這種氣缸的工作原理是：氣體推動活塞的直線運動帶動齒條直線運動，齒條與齒輪嚙合，使齒輪輸出回轉(zhuǎn)運動。擺轉(zhuǎn)角度一般有90、180、270度三種。這種氣缸克服了葉片式的一些缺點，但是其不足之處是結(jié)構(gòu)尺寸比較大，由于齒條的存在，擺動氣缸外形很長，如圖3-12所示：
圖3-12 齒輪齒條擺動氣缸 圖3-13 方形擺動氣缸
我們到廠里沒有得到具體的鎖緊螺母所需的扭矩數(shù)據(jù)，但是我們實地觀察了工人的操作，并且嘗試了自己鎖緊的過程。我們用的是一個250mm左右長度的扳手，扭轉(zhuǎn)了1/4圈左右，并且力度不大，大約50N。由此算出扭矩
M=50*0.25= 12.5Nm。
我們最終選用了煙臺未來自動設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LTA系列方形擺動氣缸。這種氣缸比一般的齒輪齒條式擺動氣缸長度尺寸縮短了一半。我采用的型號為LTA63-270。主要技術(shù)參數(shù)為缸徑63mm，擺動角度270度，在0.4Mpa壓力下輸出扭矩30NM。如圖3-13。
3.4.3壓緊工位支架的設(shè)計
導(dǎo)軌支架支撐角鋼的設(shè)計選用：
根據(jù)材料力學(xué)知識，這四根角鋼承受的是壓力，對于壓桿，只要進(jìn)行了穩(wěn)定性計算，就不必進(jìn)行強度校核。
本設(shè)計的四根桿沒有鉆孔等局部削弱，只是在距離地面約758mm（約為桿長的3/4）處焊接了支撐抽頭導(dǎo)套鋼板的角鋼鋼板，導(dǎo)套受力很小，焊接深度和焊縫長度都不大，對桿的削弱很小。所以只需進(jìn)行穩(wěn)定性計算，選用合適的角鋼即可。
由本設(shè)計的結(jié)構(gòu)和受力條件，取四根角鋼之一研究，按照選用氣缸的最大壓力5噸（即工作在1.0MPa時的極限情況下所能達(dá)到的壓力），每一根角鋼都可看作兩端固定結(jié)構(gòu)，因此長度系數(shù)=0.5。受軸向壓力為12.5KN,長度為L=1.5m,Q235鋼材料的許用應(yīng)力為=150MPa。
由經(jīng)驗壓力機工位的導(dǎo)軌支架立柱采用其他工位用的4#角鋼，即b=40mm,d=4mm遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足穩(wěn)定性要求，從而根據(jù)材料力學(xué)知識，也一定滿足強度要求，可放心采用。
另外，Q235鋼材在任何普通生產(chǎn)條件下都能焊接，沒有工藝限制，對于焊接前后的熱處理及焊接熱規(guī)范沒有特殊要求。焊接后的變形容易矯正。厚度大于20mm，結(jié)構(gòu)剛度很大時才要預(yù)熱，而通常用的35、40、45號鋼在一般情況下，
焊接時有形成裂紋的傾向，焊前應(yīng)預(yù)熱，焊后應(yīng)熱處理，只有有限的焊接熱規(guī)
范可能獲得較好的焊接性能。所以采用Q235材質(zhì)的角鋼焊接支架的主體結(jié)構(gòu)是
不錯的選擇。兩個氣缸和兩個導(dǎo)套都安裝在Q235鋼板上，鋼板與角架焊接成型。
最終確定結(jié)構(gòu)如圖3-14所示：
圖3-14 支架焊接結(jié)構(gòu)
3.4.4壓力機壓頭的設(shè)計
3.4.4.1懸臂壓桿的設(shè)計
懸臂壓桿是壓力機中受力較大的零件，它把機油冷卻器壓緊的同時會受機油冷卻器的反作用力。在實際工作壓力下，我用WolidWorks2004中的應(yīng)力分析工具進(jìn)行了設(shè)計嘗試，反復(fù)修改方案，最終獲得了比較滿意的結(jié)果。
圖3-15 懸臂壓桿及其受力示意
如圖3-15，我的應(yīng)力分析條件是：在A、B兩面施加約束，其中圓柱面A上的約束相當(dāng)于導(dǎo)柱外表面給的約束，B面的約束相當(dāng)于壓力機壓下時導(dǎo)柱頂端的臺階面限制其軸向位置。然后在D面上施加一個均布載荷F=10000N，相當(dāng)于壓緊位置機油冷卻器在1t的工作壓力下給懸臂壓桿的反力也是一噸。然后我分別在不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)下做應(yīng)力分析。得出了以下結(jié)果：
懸臂壓桿厚度b=35，加強筋C厚度取d=10mm。其余的結(jié)構(gòu)參數(shù)在幾次應(yīng)力分析中保持不變（具體見零件圖）。材料選擇普通鑄造碳鋼，進(jìn)行應(yīng)力分析。如圖3-16。
結(jié)果可知最大應(yīng)力在加強筋邊緣為175MPa。
這時的安全系數(shù)只有1.41。
按照軟件提供的建議，安全系數(shù)在工作壓力下應(yīng)不小于1.5。所以存在隱患，須要更完善的設(shè)計。有兩種方法：或改進(jìn)材料，或改進(jìn)結(jié)構(gòu)。
圖3-16 應(yīng)力分析圖一
圖3-17 應(yīng)力分析圖二
（1）考慮用可鍛鑄鐵代替鑄造碳鋼
其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和加載條件不變，再次進(jìn)行應(yīng)力分析，得到圖3-17結(jié)果。顯然，最大應(yīng)力為177MPa，安全系數(shù)達(dá)到了1.56，滿足條件，生產(chǎn)中也比較通用。
（2）仍然選用普通碳鋼，鑄造毛坯，但是加強筋的厚度改為d=20mm。
加載條件和約束條件不變。得到如圖3-18結(jié)果?
圖3-18 應(yīng)力分析圖三
可見最大應(yīng)力變?yōu)?09MPa，安全系數(shù)也升到了2.28。這也保證了在工作壓力下安全工作。
兩種方案都可行，在這里我選用可鍛鑄鐵。
3.4.4.2擺動支架的設(shè)計
擺動氣缸受力不大，可用普通鋼板焊接而成，也可以用鋼板彎制而成。但是不宜用鑄造和鍛造。因為裝配線零件屬單件生產(chǎn)，力求制造工藝簡單。鑄鍛件工藝過程復(fù)雜，表面需進(jìn)行機械加工，還要制造模具，很不經(jīng)濟(jì)。所以我采用焊接件。具體見零件圖。
圖3-19支撐架
3.4.4.3轉(zhuǎn)塊的設(shè)計
轉(zhuǎn)塊是把擺動氣缸的轉(zhuǎn)動傳遞給壓塊的機構(gòu)。轉(zhuǎn)塊與壓塊的周向傳動依靠裝配在轉(zhuǎn)塊上的兩根長銷帶動（壓塊也在軸向打兩個銷孔，壓頭下壓時長銷插入銷孔，帶動壓塊轉(zhuǎn)動），為了增大轉(zhuǎn)距，兩長銷中心軸應(yīng)設(shè)計的盡量大。在轉(zhuǎn)塊與氣缸輸出軸之間的周轉(zhuǎn)傳遞可用鍵或銷，由于軸是向下豎直安裝的，轉(zhuǎn)塊在用鍵連接時，豎直方向還需要軸端擋圈來定位。但是基于轉(zhuǎn)塊的結(jié)構(gòu)局限無法安裝軸端擋圈。所以在徑向用對稱的銷連接，既軸向定位又可周向轉(zhuǎn)動（這里徑向與軸向的受力都不大，故可用銷）。
圖3-20轉(zhuǎn)頭
3.4.4.4壓塊的設(shè)計
前面在機油冷卻器夾緊方案、轉(zhuǎn)塊的設(shè)計中都有說到壓塊的設(shè)計，就不重復(fù)了。由于隨行夾具上的定位銷比產(chǎn)品的高度高，裝配之后會有一段銷露在冷卻器外面，在放上壓塊時會頂住壓塊，給壓塊在徑向造成不穩(wěn)定。因此，還必須在塊
的軸向打兩個孔，以便壓塊的裝配。
圖3-21壓頭
3.4.5導(dǎo)套的設(shè)計
兩個導(dǎo)套的作用是保證導(dǎo)桿和抽桿的徑向位置精度，運動中的剛度。一般把導(dǎo)套通過螺栓聯(lián)接在安裝板上，安裝板再聯(lián)接或者焊接在支架上，而不是直接焊接在支架上。這就要求導(dǎo)套不僅要有導(dǎo)向的內(nèi)圓柱面，還應(yīng)該有安裝螺栓的翼板部分。可以把導(dǎo)套和翼板鑄造成一體，也可以把導(dǎo)套焊接在鋼板做成的翼板上。這里我采用了后者，主要是考慮導(dǎo)套比較細(xì)長，而翼板又要求有一定的寬度，鑄造成一體工藝上要求比較高。但是采用焊接不足之處就是焊接容易變形，導(dǎo)向的內(nèi)圓柱面焊接后精度不容易保證。
3.4.5.1抽頭導(dǎo)套的設(shè)計
在本設(shè)計中氣缸輸出軸在軸向是不希望其轉(zhuǎn)動的，因此我們在抽桿上沿軸向設(shè)計了一個導(dǎo)向槽，導(dǎo)套上開一個銷孔，裝配好抽頭與導(dǎo)套之后，插入銷，使抽頭可以軸向滑動，周向不可轉(zhuǎn)動。
圖3-22抽頭導(dǎo)套
3.4.5.2導(dǎo)桿導(dǎo)套的設(shè)計
設(shè)計原理與上相同，不過由于壓力機導(dǎo)桿比抽桿長，為了保證導(dǎo)桿的軸向精度，因此導(dǎo)套的高度應(yīng)設(shè)計的高一些。
圖3-23導(dǎo)桿導(dǎo)套
3.4.6氣缸連接件的選用
氣缸活塞桿接頭的選用，這屬于氣缸附件，不同氣缸的接頭有不同的要求和形式，對本設(shè)計的氣缸接頭，選圖3-24所示Y形。
圖3-24 Y形接頭
3.4.7夾緊工位結(jié)構(gòu)的確定
最終設(shè)計的壓力機結(jié)構(gòu)示意如3-25所示，具體尺寸參數(shù)見附錄零件圖和裝配圖。
圖3-25壓力機結(jié)構(gòu)簡圖 第四章 總 結(jié)
這次設(shè)計我的主要任務(wù)是壓緊工位裝備設(shè)計，重點是壓力機的設(shè)計。雖然是最后一個工位，但是跟其他的設(shè)計內(nèi)容又密不可分。無論是從方案的構(gòu)思選定，還是從某一機構(gòu)的設(shè)計，甚至零部件的選用，尺寸的確定，論文的成文，都精心討論。自我學(xué)習(xí)是我這次設(shè)計的一大收獲，當(dāng)然在專業(yè)技術(shù)上的收獲也不小。通過設(shè)計我對氣動技術(shù)有了更深的了解，例如氣缸驅(qū)動的原理、形式、控制和計算。支架部分是用角鋼焊接成的，通過查閱資料，我對焊接技術(shù)有了新的認(rèn)識，也復(fù)習(xí)了材料力學(xué)等知識，并使之應(yīng)用于我的具體設(shè)計。在繪圖上，學(xué)習(xí)掌握了CAXA軟件，復(fù)習(xí)加深了CAD軟件和SolidWorks軟件。
當(dāng)然設(shè)計中還存在許多不足。一、在方案上 ：（1）夾緊后的機油冷卻器的處理——怎樣轉(zhuǎn)運到成品區(qū)。我現(xiàn)有的設(shè)計方案是壓緊在壓頭臺回之后人工卸下冷卻器放到成品區(qū)，這邊雖然勞動強度很低，但卻需要一個人力在這，與手工相比自動化程度并不是很高。（2）隨行夾具的返回——把定位銷隨隨行夾具抽出后怎么讓其返回。（3）由于采用的螺旋槽的高度——由于螺旋槽的高度確定是基于對大量冷卻器在壓緊后的高度的平均值來確定的，這就使得它在實踐中對于每個冷卻器的夾緊沒有調(diào)劑能力。二、在經(jīng)驗和數(shù)據(jù)上：有的東西沒有實驗數(shù)據(jù)的支撐，尚需推敲。體現(xiàn)在一些參數(shù)由于條件所限，我們無法在參考書或者在廠里得到，也沒有做實驗的條件。例如，壓塊中跟螺旋槽配合的夾緊用的銷到底工作中受的力是多大；機油冷卻器在壓緊之前和壓緊之后的具體高度是多少，對不同工件其變動公差是多大；壓緊氣缸法蘭安裝家是用腳鋼焊接的，須承受較大的力，那么焊縫具體能承受多大的應(yīng)力，是否能承受這個剪切力，等等。這些問題只能根據(jù)經(jīng)驗估算，沒有實驗數(shù)據(jù)的支撐，這是以后的設(shè)計改進(jìn)中需要注意的問題。
這次設(shè)計讓我學(xué)到了一個設(shè)計課題的設(shè)計過程：方案的構(gòu)思、比較與選定，課題的分部——整體分成主要個體進(jìn)行設(shè)計，具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，零件的設(shè)計，力學(xué)校算等。
致 謝
轉(zhuǎn)眼之間四月快過去了，在俞云強老師的帶領(lǐng)和指導(dǎo)下，我的畢業(yè)設(shè)計也接近尾聲。
我們今年的設(shè)計內(nèi)容是新課題，在設(shè)計過程中，常常會遇到疑難問題。在設(shè)計的最初階段，俞云強老師提供了大量的資料供我們參考，我通過看資料對工藝裝配的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r有了一定的了解，參照期刊上登載的有關(guān)論文，對自己要設(shè)計的內(nèi)容有了進(jìn)一步的認(rèn)識。在掌握了大量的材料之后才進(jìn)行設(shè)計，而設(shè)計對我來說硬件電路部分比較煩瑣，在百思不得其解的時候，總是有老師很耐心地為我們解答問題。遇到問題他總會及時的為我們解答，排除我們的困惑。在我們畫圖的過程中，俞云強老師還會細(xì)心地指出我們的不足之處，使我們的設(shè)計得以順利地進(jìn)行。整個設(shè)計的過程中，俞云強老師對我們的要求嚴(yán)格，才能使我們對設(shè)計的課程更充分地了解。從根本上說，如果沒有老師的指導(dǎo)，我們就不可能這么順利的完成設(shè)計任務(wù)。
這次畢業(yè)設(shè)計，是對我們?nèi)陙硭鶎W(xué)知識的綜合運用，并加以鞏固和加深，受益非淺。雖然這次設(shè)計時間緊迫，難度較大，讓人覺得很累，即使在休息時也還在想著設(shè)計，但我卻從中學(xué)到了很多東西，這些時間過的很充實，使我學(xué)會了獨立思考問題，自己解決問題的方法，為以后工作中提供了一次很好的鍛煉機會。
此次設(shè)計使我對工藝裝配有了很大的了解。俞云強老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，令我深深地佩服，在以后的工作中要時刻向他學(xué)習(xí)。
總之，這次畢業(yè)設(shè)計是三年來所學(xué)的知識回顧和總結(jié)，使我們在設(shè)計中提高了獨立工作能力，端正了工作態(tài)度，在此感謝俞云強老師的悉心指導(dǎo)，使我們順利完成設(shè)計任務(wù)，同時知識水平也上了一個新臺階。
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