張 寒,張冰蔚
(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)
氣動壓力機(jī)是一種通用的壓力機(jī)械,廣泛應(yīng)用于電器、儀器儀表、家電、五金等行業(yè),可對薄板進(jìn)行剪切、沖孔、落料、成形、彎曲、鉚合等工序,適合有色金屬、塑料件等的加工。
氣動壓力機(jī)一般采用壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體,通過管道將壓縮氣體輸送至電磁閥,通過控制電磁閥的動作來控制氣缸的工作和返回,實(shí)現(xiàn)各種工藝動作。壓縮空氣也可以存儲在儲氣罐中,隨時取用。
若直接將氣缸的輸出力作為工作壓力,當(dāng)需要大的公稱輸出力時,只能通過增加活塞面積而采用結(jié)構(gòu)尺寸龐大的大缸徑氣缸,不僅氣缸昂貴,而且耗氣量較大,也增大了設(shè)備體積,不符合美觀要求。即便如此,設(shè)備的工作輸出力提高也非常有限。為此,考慮將氣缸和增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)組合,使設(shè)備的工作輸出力顯著提高。
如圖1所示為氣缸與連桿機(jī)構(gòu)組成的氣動壓力機(jī),擺動氣缸固定在機(jī)身上同時與兩鉸桿相連,上端的鉸桿與機(jī)身鉸接,下端的鉸桿與壓頭鉸接形成連桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)氣缸活塞向左運(yùn)動時,由連桿推動壓頭沿機(jī)身導(dǎo)軌向下運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)壓制動作,輸出力P隨α的減小而增大,當(dāng)達(dá)到設(shè)定的最小α值時,該加工過程結(jié)束,氣缸活塞向右運(yùn)動,壓頭回程,完成一個循環(huán)。α值大小可以通過機(jī)械限位裝置微調(diào)來控制氣缸行程下限來實(shí)現(xiàn)。
圖1 氣缸與連桿機(jī)構(gòu)組合
建立的力學(xué)模型如圖2所示,F(xiàn)是氣缸活塞桿對圓柱銷A的拉力,P是工件給壓頭的反力。如不計摩擦力和零件重量,進(jìn)行如下受力分析,如圖3所示,分別取圓柱銷A、連桿AC和壓頭為研究對象,在平面匯交力系作用下平衡,分別列出下列方程:
圖2 力學(xué)模型
圖3 受力分析
由以上各式可推出P=0.5Fcotα,增力比P/F=0.5cotα。如取 α=15°,增力比為 1.866;如取α=10°,增力比為2.836。當(dāng)α很小時,壓力P急劇增大,會使連桿產(chǎn)生過大變形,設(shè)計時建議一般不小于5°。
當(dāng)滿足壓頭工作行程時需知所用氣缸的行程,現(xiàn)推導(dǎo)如下。
如圖4所示,連桿AC的長度為L0,當(dāng)壓頭在上死點(diǎn)時,連桿機(jī)構(gòu)為雙點(diǎn)劃線BA′C′所在的位置,氣缸與機(jī)身鉸接點(diǎn)O與銷A的距離OA′,當(dāng)工作下行行程H時,壓頭在下死點(diǎn)位置,連桿機(jī)構(gòu)為BAC所在的位置,氣缸與機(jī)身鉸接點(diǎn)O與銷A的距離為OA=L1,故所需氣缸行程為OA′-OA。
圖4 氣缸行程計算
現(xiàn)設(shè)計一氣動壓力機(jī),要求壓力機(jī)公程力P=5噸,系統(tǒng)空氣最高壓力0.6MPa,壓頭工作行程40mm,連桿長度L0=150mm,壓頭在下死點(diǎn)時α=15°,氣缸與機(jī)身鉸接點(diǎn)O與銷AD的距離L1=250mm。
所需氣缸力F=P/(0.5cot15°)=2.68噸,根據(jù)系統(tǒng)空氣最高壓力0.6MPa,可很方便地計算出氣缸活塞的直徑,在此不再進(jìn)行詳細(xì)計算。
所需氣缸行程由式(5)計算得:
采用上述氣動-機(jī)械增力機(jī)構(gòu)組成的壓力機(jī),可彌補(bǔ)單純氣壓傳動壓力機(jī)的不足,在氣缸壓力不變的情況下,只需在下死點(diǎn)取不同的α角,即可實(shí)現(xiàn)不同的增力要求。而且只需對各鉸接點(diǎn)軸承和連桿強(qiáng)度進(jìn)行校核即可,為壓力機(jī)的設(shè)計帶來了便捷。
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