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    梅花狀徑向鉚接機(jī)的設(shè)計分析

    2012-10-23 07:52:06
    制造技術(shù)與機(jī)床 2012年9期
    關(guān)鍵詞:鉚釘軸心壓軸

    梅 怡

    (貴陽學(xué)院機(jī)電系,貴州 貴陽 550003)

    在儀器儀表、電器通訊、五金及汽車零配件等制造行業(yè)中,金屬結(jié)構(gòu)零件多以鉚接形式相互聯(lián)結(jié)。擺動式圓周運(yùn)動鉚接法是目前廣泛使用的鉚接技術(shù),在鉚接過程中鉚釘變形主要在切向,垂直方向作用力大而徑向作用力較小,使鉚接出的工件變形較大,表面粗糙度差,鉚接質(zhì)量不高。

    徑向變形鉚接技術(shù)是當(dāng)前最先進(jìn)的鉚接技術(shù)。其鉚接方法是鉚沖頭在鉚接時,以相切于圓周的梅花狀的R軌道“徑向運(yùn)動”,每個梅花狀的R軌道都在圓周中心相交,鉚釘端部材料受到較小的軸向力,使鉚頭和鉚釘之間很小的接觸區(qū)域內(nèi)的鉚接達(dá)到屈服點,使被鉚材料沿徑向流動,使其徑向變形大于切向變形。鉚釘在徑向向外、向內(nèi)和切向垂直3個方向膨脹,這種膨脹符合金屬變形的自然方向。鉚釘接觸面在鉚接金屬上完成一個類似滾壓的運(yùn)動,在鉚接件和鉚釘之間產(chǎn)生一個理論上的點接觸層,當(dāng)有鉚接力作用時,這種點接觸部分轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|,因此只需一個很小的作用力作用在鉚釘上,就能使鉚接質(zhì)量得到提高。該鉚接機(jī)運(yùn)動巧妙獨(dú)特,可使用于各種型號規(guī)格的空心及空鉚釘、翻邊等工序中,鉚接陶瓷器皿不易破碎,可提高被鉚接件的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度及表面質(zhì)量,鉚接點質(zhì)量可通過視覺檢查。該鉚接機(jī)可使用各種材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)鉚釘,可使用各種標(biāo)準(zhǔn)化鉚沖頭進(jìn)行鉚接,還可使用不同型式的特殊鉚沖頭鉚接零件。圖1為兩種特殊鉚接沖頭類型。該機(jī)在垂直軸向上的壓力可由氣壓與液壓來實現(xiàn),壓緊力可精確地?zé)o級調(diào)節(jié),因此可開發(fā)成氣動或液動鉚接機(jī);同時可根據(jù)鉚接零件的大小,整機(jī)可做成臺式或立式。其運(yùn)動原理見圖2。

    1 平面運(yùn)動分析

    1.1 鉚接機(jī)結(jié)構(gòu)特點

    梅花狀徑向鉚接機(jī)的具體結(jié)構(gòu)如圖3。外嚙合小齒輪Z1的軸心線為O1O1,內(nèi)齒輪Z2的軸心線為O2O2,軸心線O1O1和O2O2之間的距離為e1。外齒輪Z1與圖中偏心軸1為一體,偏心軸軸心線與外齒輪Z1的軸心線之間的距離為e2。偏心軸1軸心線與鉚壓軸4軸心線交于點M。外齒輪Z1除繞內(nèi)齒輪Z2的軸心公轉(zhuǎn)外,自身也在自轉(zhuǎn)。鉚壓軸4在凹球面塊2的圓弧面上滑動,凸球面塊3在彈簧5的作用下緊貼凹球面塊2。氣壓或油壓產(chǎn)生的軸向力通過活塞推動凹球面塊2作用在凸球面塊3上,再傳遞到鉚壓軸4上,從而作用在鉚接工件上。

    1.2 平面運(yùn)動軌跡分析

    上述結(jié)構(gòu)中要使鉚沖頭按梅花狀R型運(yùn)動軌跡運(yùn)動,M點的運(yùn)動分析是關(guān)鍵,M點的運(yùn)動軌跡用X,Y來表示。將外齒輪Z1與內(nèi)齒輪Z2的內(nèi)嚙合運(yùn)動簡化為圖4。外齒輪Z1的節(jié)圓半徑為r,內(nèi)齒輪Z2的節(jié)圓半徑為R,設(shè)計取R-r=e1=e2=e;外齒輪Z1不僅自轉(zhuǎn),同時與內(nèi)齒輪Z2內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)動。M點是鉚壓軸4的軸心線與偏心軸1的軸心線的交點。根據(jù)內(nèi)擺線(玫瑰葉線)運(yùn)動軌跡方程:

    M點的軌跡總是在以O(shè)2為圓心,以4e為直徑的圓中。若想使M點的軌跡過軸線O2O2,應(yīng)滿足e1=e2=R-r=e,因此式(1)化簡為

    式中:ω為外齒輪Z1繞內(nèi)齒輪Z2轉(zhuǎn)動的角速度;t為運(yùn)動時間;ωt=θ(θ為外齒輪Z1繞內(nèi)齒輪Z2轉(zhuǎn)動的角度)。

    1.3 實現(xiàn)梅花狀R型軌跡的參數(shù)選擇

    鉚頭要實現(xiàn)R型梅花狀運(yùn)動軌跡需滿足其外齒輪Z1節(jié)圓直徑大于內(nèi)齒輪Z2節(jié)圓半徑R,該運(yùn)動軌跡才能實現(xiàn)并有可能通過圓心O2。故偏心距需e1≤r。故取M點為鉚接點,保證e1=e2=e。

    由圖3可知,M點的坐標(biāo)(X,Y)在該位置時有X2+Y2=(2e)2的關(guān)系式,且初始位置要求M點在直徑為4e的圓周上。

    外齒輪Z1與內(nèi)齒輪Z2內(nèi)嚙合實現(xiàn)內(nèi)擺線運(yùn)動,外齒輪Z1自轉(zhuǎn)的圓弧線與外齒輪Z1與內(nèi)齒輪Z2內(nèi)嚙合的圓弧線重合,故滿足

    式中:β為外齒輪Z1繞軸心線O1O1自轉(zhuǎn)的角度。

    由內(nèi)擺線的運(yùn)動條件分析知,外齒輪Z1每自轉(zhuǎn)一周,M點走到軌跡最外端一次,即外齒輪Z1每自轉(zhuǎn)一周就得到一葉R型玫瑰曲線。當(dāng)外齒輪Z1自轉(zhuǎn)了k圈后,M點走了k片R型葉片。則:由式(4)知

    若要求R型曲線為j片(R型曲線葉片的片數(shù)(整數(shù)),k=j),即外齒輪Z1自轉(zhuǎn)了j(β=2πj)圈時又回到了其始點,同時應(yīng)有外齒輪Z1與內(nèi)齒輪Z2內(nèi)嚙合,繞軸線O2O2公轉(zhuǎn)整數(shù)p圈(p<j),才能形成封閉的j片R型曲線,滿足設(shè)計要求,即外齒輪Z1自轉(zhuǎn)了j圈,同時外齒輪Z1繞內(nèi)齒輪Z2軸心線O2O2公轉(zhuǎn)整數(shù)p圈。

    式中:p為外齒輪Z1繞內(nèi)齒輪Z2公轉(zhuǎn)的圈數(shù)(即小齒輪自轉(zhuǎn)角度),p<j;j為R型曲線葉片的片數(shù)(整數(shù));R、r分別為內(nèi)齒輪Z2與外齒輪Z1的節(jié)圓半徑;Z1、Z2分別為外齒輪Z1和內(nèi)齒輪Z2的齒數(shù)。

    對內(nèi)齒輪傳動需滿足:Z2-Z1>4(一般取Z2-Z1=6)

    外齒輪的齒數(shù)避免根切的條件是:Z1>17,則有Z2>23。

    在實際設(shè)計計算中,需先選定葉片數(shù)j,再選取模數(shù)m,計算出e值。式(5)也可以為

    進(jìn)一步算出Z1、Z2的具體取值。

    在鉚接過程中以鉚接軌跡是11瓣R型梅花軌跡為例,因外齒輪Z1在內(nèi)齒輪Z2上滾動時,共有11次X2+Y2=(2e)2的情況,經(jīng)過整數(shù)倍2π后,第12個M點與最初開始的M點重合,同時當(dāng)外齒輪Z1繞內(nèi)齒輪Z2的軸心線公轉(zhuǎn)9圈時,M點與圖3上最初的M點重合,即M點轉(zhuǎn)了11個R型梅花葉片。

    則:取k=11 時,θ=2π·(r/R)·11。

    經(jīng)過以上分析,在設(shè)計中選取:R=41.25 mm,r=33.75 mm。

    故:β=2π·9。得到的設(shè)計參數(shù)為:j=11,p=9,Z1=27,Z2=33,R=41.25 mm,r=33.75 mm,e=7.5 mm,m=2.5。

    運(yùn)動軌跡方程為:

    2 鉚接頭球面空間運(yùn)動分析

    以上分析是在平面上的內(nèi)擺線運(yùn)動,但實際鉚接中還有鉚接頭在凹、凸球面塊上的滑動運(yùn)動,因此在鉚接過程中實際上是一種空間球面運(yùn)動,由鉚壓軸4繞O點的空間球面轉(zhuǎn)動,該運(yùn)動是剛體繞定點O的運(yùn)動。

    根據(jù)理論力學(xué)中的歐拉運(yùn)動學(xué)方程,建立以軸心線O2O2為Z軸,鉚壓軸上的O點所在平面為XY平面的OXYZ固定坐標(biāo)系,以圖3中的凸球面塊3固連一個動坐標(biāo)系OX'Y'Z',將凸球面塊3和鉚壓軸4視為同一剛體,Z'軸是鉚壓軸4的軸心線。由于凸球面塊3繞O點擺動,故XOY平面與X'OY'的交線稱為節(jié)線。

    由歐拉運(yùn)動學(xué)方程有:

    式中:ω為球面剛體的瞬時角速度;α為章動角,是Z'軸繞節(jié)線的運(yùn)動角度;γ為進(jìn)動角,是Z'軸繞Z軸的運(yùn)動角度;δ為自轉(zhuǎn)動角,是節(jié)線與X'軸的夾角角度;˙α為章動角速度;˙γ為進(jìn)動角速度;˙δ為自轉(zhuǎn)角速度;ωx'、ωy'、ωz'為角速度ω在坐標(biāo)軸上的分量。

    在鉚接過程中,由于鉚壓軸4不存在自轉(zhuǎn),故˙δ=0,式(6)可化簡為

    將式(1)改寫為極坐標(biāo)方程為

    式(8)中的θ就是式(6)中的γ。對式(8)中的θ求導(dǎo)可得:

    對式(2)求導(dǎo)可得:

    偏心軸1上M點在鉚接中的速度為vm,由分析知vm=˙α|OM|cosα。由于章動角α就是鉚壓頭繞O點的擺動角度,α值很小,設(shè)計中一般不超過10°,即cosα≈1,得:

    將式(10)式代入式(11)可得(下式中只考慮大小,不考慮方向):

    設(shè)計中使sinψ=2e/OM,即OM=2e/sinψ,則:

    將式(9)和(12)代入式(7)中:

    在圖3若取凸球面塊3上的任意一點為i與偏心軸(即M點上)是在同一剛體上,其轉(zhuǎn)動角速度ωi與整個剛體的轉(zhuǎn)動角速度是一致的,其速度為

    式中:Ri為i點矢徑。

    3 應(yīng)用

    在電器制作行業(yè)中,接觸頭的鉚接點非常多,這些部位的加工費(fèi)時費(fèi)事。在長征電器廠低壓開關(guān)生產(chǎn)線上將該鉚接機(jī)作為組裝沖鉚壓工序的沖鉚配套設(shè)備,在生產(chǎn)線上臺式布置,可鉚接鉚釘直徑在10 mm以內(nèi)的各種接觸頭部位的鉚接,鉚接出的工件質(zhì)量符合產(chǎn)品工藝要求,生產(chǎn)效率得到較大提高。配套鉚接機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為:最大壓鉚力為3.5 kN;鉚頭轉(zhuǎn)速為639 r/min;鉚頭斜度為6.86°;最大油壓為6.3 MPa;電動機(jī)功率為2.2 kW;鉚接時間為2~4 s;梅花狀葉瓣為11葉;內(nèi)齒輪齒數(shù)為33;外齒輪齒數(shù)為27;偏心距為7.5 mm。

    4 結(jié)語

    本文通過對梅花狀徑向鉚接機(jī)的運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析,推導(dǎo)出適用于該類徑向鉚接運(yùn)動要求的參數(shù)方程,對該類運(yùn)動的設(shè)計提供參考。該鉚接機(jī)作為組裝沖鉚壓工序的沖鉚配套設(shè)備在低壓開關(guān)生產(chǎn)線上應(yīng)用,提高了產(chǎn)品工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率。該設(shè)備可根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需要開發(fā)成臺式或立式,使該技術(shù)在企業(yè)廣泛普及應(yīng)用,提高機(jī)械加工工裝技術(shù)水平。

    [1]田文明.翻邊鉚接頭的設(shè)計改進(jìn)[J].機(jī)械制造,2006(9):24-27.

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    [6]朱友民,江裕金.機(jī)械原理[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1985.

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