机械原理课程设计 自动剪切机的设计

邮电与信息工程学院

机械原理课程设计

课题名称：自动剪切机的设计

学生学号：61021140321

目录

第一章绪论 (3)

§1-1传统剪切机原理（图） (3)

§1-2钢材剪切过程及方式 (3)

§1-3钢材剪切配送现状发展调研 (4)

第二章设计方案的筛选 (6)

§2-1 杠杆机构 (6)

§2-2平面连杆机构 (8)

§2-3 凸轮机构 (9)

§2-4 齿轮机构及齿轮系结构 (10)

第三章机构运动简图 (11)

§3-1 曲柄摇杆机构 (11)

§3-2 机构模型的截图 (12)

§3-3 CAD简图 (15)

第四章机构运动计算 (19)

第五章设计小结 (20)

参考文献 (21)

第一章绪论

§1-1传统剪切机的原理（图）

20世纪70年代发展起来的用于剪切钢板的剪机，它靠圆弧形上剪刃在平直的下剪刃上滚动来完成剪切。由于上剪刃相对钢板切面的滑动量小，上下剪刃重叠量在全剪刃长度上相同，因此钢板切口断面光滑、平直。圆弧滚切式剪切机

与斜刃剪相比，有设备重量轻、剪切频率高、操作事故少的优点。

§1-2 钢材剪切过程及方式

按照被剪金属的温度剪切分为热剪和冷剪(见切断)。根据被剪金属的切断方向分为横剪和纵剪。横剪是为了切去轧件头尾和把轧件切成要求的长度。纵剪用在钢板生产时切去轧件的不规则侧边，或将宽带卷(或宽板)切成若干个窄带卷(或窄板)。

剪切用的剪切机按刀片的形状和配置以及轧件情况可分为平行刀片剪切机、斜刀片剪切机、圆盘式剪切机、飞剪机和滚切式剪切机。

平行刀片剪切机这种剪切机的两片剪刃平行。剪切时可以是下刃固定，剪切动作由上刃完成(上切式剪切机)，也可以是上刃压住轧件，剪切动作由下刃完成(下切式剪切机)。通常用于初轧坯和其他方形、矩形坯以及厚度大于30～60mm 扁坯的热剪。有时也用开有孔槽的刀片冷剪轧件(如管坯和小圆钢等)。孔槽形状应与被剪切的轧件断面形状相同。上切式剪切机结构简单，但需要在剪切机后装设摆动台或摆动辊道，广泛用于剪切小型钢坯或特大型板坯(断面为

350mm×2400mm)。下切式剪切机因在剪切过程中上刃与下刃都运动，所以剪切机本体结构比上切式复杂，但剪切端面整齐，被剪轧件端头不易弯曲，且因剪切时钢材高于辊道面，不需在剪切机后设摆动升降辊道。

斜刀片剪切机斜刀片剪切机剪切机的一个刀片与另一个刀片成一定角度。一般上刀片倾斜，倾斜角为1.5o～6o，剪厚板时为8o～12o，下刀片水平。这类剪机由于刀片与轧件接触面积小和剪切力小，常用于冷剪或热剪钢板、带钢、薄板坯及焊管坯等，也用于剪切成束的小型钢材。斜刀片剪切机也有上切式和下切式之分。近年来液压传动的下切式斜刃剪得到较广泛的使用。这种剪切机有结构简单、紧凑、重量轻、剪切平稳、能自动防止过载等优点，但生产率低，要求电机功率大。

圆盘式剪切机两个刀片做成圆盘状，用于钢板及带钢边部的剪切；将钢板或带钢纵向剪切成窄条时采用多对刀片。圆盘式剪切机一般都布置在钢板精整线上或冷、热带钢的纵切机组作业线上。被剪切板带钢的厚度通常小于20～40mm。为了扩大剪切厚度范围，有的国家采用两台串联布置的圆盘剪以剪切厚度38mm 左右的钢板。第一台圆盘剪切入板厚的5%～10%，紧接着第二台圆盘剪将钢板切断。

飞剪机用于横向剪切运动中的轧件。这种剪机一般都装在连轧机组或冷、热带钢车间的横切机组、镀锡机组作业线上，用来剪切轧件头尾及将轧件剪切成一定长度。

§1-3钢材剪切配送现状发展调研

物流配送是一种新兴产业，也是企业产生利润的第三源泉。对钢铁企业来讲，它最重要的功能就是建立先进的仓储、拉近服务距离、满足用户城需求、追求用户利益、实现双赢。早在90年代初，国内一些主要钢铁企业就开始并借鉴和系统研究国外先进的物流配送乐销售模式，如宝钢等大型钢铁企业率先在华南、华东区地的重点用户中建立物流配送中心。国外一些企业瞄准中国的汽车、家电、电器、电子等庞大的市场纷纷来中国导找合作伙伴，合资和独资建立钢材剪切（加工）配送中心，这一现代营销举措，使国内的一些企业逐肯开始转变过去的传统销售和采购管理模式，也使得物流配送很快的在中国崛起。经过多年钢材剪切（加工）配送的发展，物流配送已成为钢铁企业产品销售向用户延伸、建立稳定供货渠道、形成供应链的重要手段。

国内钢材剪切（加工）配送中心现状

目前我国已经建成了钢材剪切（加工）配送中心已超过300家，从投资和建设的角度看有5种类型：

1、国外企业在我国投资建设钢材剪切（加工）配送中心。近年来，国外钢铁企业在中国建厂，有针对性地设立钢材剪切配送中心，开展个性化、专业化服务，帮助用户降低采购成本。如韩国浦项在华北、华东和华南地区建有板卷加工

中心，加工能力达40万t；日本商社从1993年起在中国建立有29家钢材加工中心，这些钢材加工配送中心的主要服务对象是外资、合资和台资企业及一些较大规模的知名企业。

2、国内大型钢铁企业投资建立钢材配送中心。如宝钢先后投资自建和合资在上海、天津、广州、杭州、青岛、重庆、沈阳、东莞等城市建立了钢材配送中心，年剪切配送能力已达到100万t。宝钢面对国际钢铁业的激烈竞争，选择与国际同行业的战略合作策略，2002年与国际知名公司日本三井物产签订了在中国共同发展钢材加工配送业的总协定和合资合同。据了解，未来5年内，宝钢的加工能力将达到250-300万t，加工配送中心将达到25-30家；鞍钢随着冷轧和硅钢项目的改造和新建，全面实施建立剪切配送战略，先后在上海、广东、山东、沈阳建立了钢材配送中心；攀钢也在广东等地建起剪切配送中心；武钢在90年代与日本三井合资在武汉建立了电工钢加工中心，近几年开始系统制定和实施建立剪切配中心的战略，目前拟在江苏太仓实施新建国内最先进、规模最大、品种齐全的物流配送中心；其它钢厂也正在考虑建立钢材剪切配送中心，见表。

由此可看出，宝钢在国内已经建立了钢材剪切配送网络体系，基本实现了国内稳定的市场营销战略。同时看出，国内大钢所建剪切配送中心以家电、汽车行业配套为主，设备先进，剪切精度高、质量好，与用户形成了供应链。

3、使用厂家自建分条、模切、冲片、套裁、落料生产线。如造船厂、集装箱厂、大型汽车厂以及冰箱、空调、洗衣机、电机厂等自建有钢材加工车间，作为企业产品的前工序，用于落料加工。

4、钢材代理商投资建设钢材剪切配送中心。代理商利用在资金和服务手段上的优势，与钢厂建立了稳定的供货关系，成为供需双方的重要中间桥梁。为了稳定钢厂和使用厂家的关系，代理商主动投资建立仓储和剪切配送中心，这一势头非常之快，设备的档次及加工质量也越来越高，国内一些专业仓库、铁路线已具备了专业仓储和剪切配送功能。还有一些民间自发投资建设钢材配送中心。这主要是在较集中的钢材交易市场附近由民间自发投资建设剪切机组用于在钢材交易时按用户需求进行剪切加工。

5、主要城市社会自建钢材剪切（加工）配送中心。通过调查与分析，近年来，我国自建钢材剪切配送中心发展很快，加工能力已超过1000万t，主要以加工薄规格冷热板、电工钢、镀锌、锡板、彩板为主。

因此，提高剪切效率必要性越来越强，作者就设计这种自动剪切机。

第二章设计方案的筛选

§2-1 杠杆机构

在力的作用下如果能绕着一固定点转动的物体就叫杠杆。在生活中根据需要，杠杆可以做成直的，也可以做成弯的，但必须是物体。

阿基米德在《论平面图形的平衡》一书中最早提出了杠杆原理。他首先把杠杆实际应用中的一些经验知识当作"不证自明的公理"，然后从这些公理出发，运用几何学通过严密的逻辑论证，得出了杠杆原理。这些公理是：⑴在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上相等的重量，它们将平衡；⑵在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上不相等的重量，重的一端将下倾；⑶在无重量的杆的两端离支点不相等距离处挂上相等重量，距离远的一端将下倾；⑷一个重物的作用可以用几个均匀分布的重物的作用来代替，只要重心的位置保持不变。相反，几个均匀分布的重物可以用一个悬挂在它们的重心处的重物来代替；似图形的重心以相似的方式分布……正是从这些公理出发，在"重心"理论的基础上，阿基米德又发现了杠杆原理，即"二重物平衡时，它们离支点的距离与重量成反比。"

杠杆绕着转动的固定点叫做支点

使杠杆转动的力叫做动力，（施力的点叫动力作用点）

阻碍杠杆转动的力叫做阻力，（施力的点叫阻力用力点)

当动力和阻力对杠杆的转动效果相互抵消时，杠杆将处于平衡状态，这种状态叫做杠杆平衡，但是杠杆平衡并不是力的平衡。

注意：在分析杠杆平衡问题时，不能仅仅以力的大小来判断，一定要从基本知识考虑，做到解决问题有根有据，切忌凭主观感觉来解题。

杠杆静止不动或匀速转动都叫做杠杆平衡。

通过力的作用点沿力的方向的直线叫做力的作用线

从支点O到动力F1的作用线的垂直距离L1叫做动力臂

从支点O到阻力F2的作用线的垂直距离L2叫做阻力臂

杠杆平衡的条件（文字表达式）：

动力×动力臂=阻力×阻力臂

公式：

F1×L1=F2×L2

一根硬棒能成为杠杆，不仅要有力的作用，而且必须能绕某固定点转动，缺少任何一个条件，硬棒就不能成为杠杆，例如酒瓶起子在没有使用时，就不能称为杠杆。

动力和阻力是相对的，不论是动力还是阻力，受力物体都是杠杆，作用于杠杆的物体都是施力物体

力臂的关键性概念：1：垂直距离，千万不能理解为支点到力的作用点的长

度。

力臂不一定在杠杆上。

力臂三要素：大括号（或用|→←|表示）、字母、垂直符号

使用杠杆时，如果杠杆静止不动或绕支点匀速转动，那么杠杆就处于平衡状态。

动力臂×动力=阻力臂×阻力，即L1×F1=L2×F2，由此可以演变为F2/F1=L1/L2

杠杆的平衡不仅与动力和阻力有关，还与力的作用点及力的作用方向有关。

假如动力臂为阻力臂的n倍，则动力大小为阻力的1/n"大头沉"

动力臂越长越省力，阻力臂越长越费力.

省力杠杆费距离；费力杠杆省距离。

等臂杠杆既不省力，也不费力。可以用它来称量。例如：天平

许多情况下，杠杆是倾斜静止的，这是因为杠杆受到几个平衡力的作用。

一类：支点在动力点和阻力点的中间。称为第一类杠杆。既可能省力的，也可能费力的，主要由支点的位置决定，或者说由臂的长度决定。动力臂与阻力臂长度一致，所以这类杠杆是等臂杠杆。例：跷跷板、天平等。

二类：阻力点在动力点和支点中间。称为第二类杠杆。由于动力臂总是大于阻力臂，所以它是省力杠杆。例：坚果夹子，门，钉书机，跳水板，扳手，开（啤酒）瓶器，（运水泥、砖的）手推车。

三类：动力点在支点和阻力点之间。称为第三类杠杆。特点是动力臂比阻力臂短，所以这类杠杆是费力杠杆，然而能够节省距离。例：镊子，手臂，鱼竿，皮划艇的桨，下颚，锹、扫帚、球棍，理发剪刀等以一手为支点，一手为动力的器械。

另外，像轮轴这类的工具也属于一种变形杠杆。就拿最简单、相似于第一类杠杆的定滑轮来介绍，滑轮轴心好比支点，两端物体的拉力好比杠杆的两端施力，而如果滑轮是一个完美的圆，施力臂和阻力臂皆将是圆的半径。

根据杠杆模型可知，若L1〉L2，则F1〈F2，这是杠杆可省力；若L1〈L2，则F1〉F2，这时杠杆要费力；若L1=L2，则F1=F2，杠杆既不省力也不费力根据动力臂与阻力臂的不同，我们可以把杠杆分为三类：省力杠杆、费力杠杆和等臂杠杆。

既省力又省距离的杠杆是没有的。

§2-2平面连杆机构

平面连杆机构的运动设计一般可归纳为以下三类基本问题：

1) 实现构件给定位置（亦称刚体导引），即要求连杆机构能引导某构件按规定顺序精确或近似地经过给定的若干位置。

2) 实现已知运动规律（亦称函数生成），即要求主、从动件满足已知的若干组对应位置关系，包括满足一定的急回特性要求，或者在主动件运动规律一定时，从动件能精确或近似地按给定规律运动。

3) 实现已知运动轨迹（亦称轨迹生成），即要求连杆机构中作平面运动的构件上某一点精确或近似地沿着给定的轨迹运动。

在进行平面连杆机构运动设计时，往往是以上述运动要求为主要设计目标，同时还要兼顾一些运动特性和传力特性等方面的要求，如整转副要求、压力角或传动角要求、机构占据空间位置要求等。另外，设计结果还应满足运动连续性要求，即当主动件连续运动时，从动件也能连续地占据预定的各个位置，而不能出现错位或错序等现象。

平面连杆机构运动设计的方法主要是几何法和解析法，此外还有图谱法和模型实验法。几何法是利用机构运动过程中各运动副位置之间的几何关系，通过作图获得有关运动尺寸，所以几何法直观形象，几何关系清晰，对于一些简单设计问题的处理是有效而快捷的，但由于作图误差的存在，所以设计精度较低。解析法是将运动设计问题用数学方程加以描述，通过方程的求解获得有关运动尺寸，故其直观性差，但设计精度高。随着数值计算方法的发展和计算机的普及应用，解析法已成为各类平面连杆机构运动设计的一种有效方法。

四杆机构有两种基本类型。①在满足曲柄存在的前提下，铰链四杆机构取不同的构件作机架，可得到具有不同运动特性的铰链四杆机构：例如曲柄摇杆机构，双曲柄机构和由它们派生出来的平行四边形机构,曲柄滑块机构等。铰链四杆机构中，若a为最短杆，取杆d或杆b为机架，则a为曲柄，c为摇杆，即得曲柄摇杆机构。如取a为机架，则b和d都是曲柄,即得双曲柄机构。②在不满足曲柄存在的前提下,铰链四杆机构的运动链不论哪个杆固定,因无曲柄存在,必为双摇杆机构。例如图2c，取c为机架,b和d都是摇杆。如将曲柄摇杆机构的摇杆长度增加至无穷大，则转动副O B转化为移动副，即得曲柄滑块机构。此外四杆机构还带两个滑块型式的双滑块机构。

动力机的驱动轴一般整周转动，因此机构中被驱动的主动件应是绕机架作整周转动的曲柄在形成铰链四杆机构的运动链中，a、b、c、d既代表各杆长度又是各杆的符号。当满足最短杆和最长杆之和小于或等于其他两杆长度之和时，若将最短杆或其邻杆固定其一，则另一杆即为曲柄。

§2-3 凸轮机构

凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。

由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹簧或施加重力。具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠，因此在自动机床、内燃机、印刷机和纺织机中得到广泛应用。但凸轮机构易磨损，有噪声，高速凸轮的设计比较复杂，制造要求较高。

优点

结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动，因此在机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电一体化装配中大量应用。

缺点

1）点、线接触易磨损；

2）凸轮轮廓加工困难;

3）行程不大.

§2-4 齿轮机构及齿轮系结构

齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，它可以用来传递空间任意两轴间的运动和动力。与其它传动机构相比，齿轮机构的优点是：结构紧凑、工作可靠、传动平稳、效率高、寿命长、能保证恒定的传动比，而且其传递的功率和适用的速度范围大。故齿轮机构广泛用于机械传动中。但是齿轮机构的制造安装费用高、低精度齿轮传动的噪声大。

按照一对齿轮传动的传动比是否恒定，齿轮机构可以分为两大类：其一是定传动比齿轮机构，齿轮是圆形的，又称为圆形齿轮机构，是目前应用最广泛的一种；其二是变传动比齿轮机构，齿轮一般是非圆形的，又称为非圆形齿轮机构，仅在某些特殊机械中适用。

按照一对齿轮在传动时的相对运动是平面运动还是空间运动，圆形齿轮机构又可以分为平面齿轮机构和空间齿轮机构两类。

第三章机构运动简图

经过第二章对常见的几种机构特点分析，我们采用曲柄摇杆机构来设计该剪切机。

§3-1 曲柄摇杆机构

§3-2 机构模型的截图

§3-3 CAD简图

第四章机构运动计算

运动副为周转副的条件：

1）最短杆长度+最长杆长度﹤﹦其余两杆长度之和。杆长条件。2）组成该周转副的两杆必有一杆为最短杆。

当最短杆为连架杆时，机构为曲柄摇杆机构。

a+d≤b+c

根据CAD作图标注数据，有

A=38.84

B=155.32

C=166.79

D=215.76

A+D=38.84+155.32=194.16

B+C=155.32+166.79=322.11

故，满足条件。

通过图推算得到，

K=V2/V1=T1/T2=α1/α2=（180°+θ）/（180°-θ）

传动角γ

γ1=∠B1C1D=arcos(b^2+c^2-(d-a)^2)/2bc

γ2=∠B2C2D= arcos(b^2+c^2-(d+a)^2)/2bc ∠B2C2D＜90°

γ1和γ2中的小者即为γmin

第五章设计小结

机械原理设计课程设计是机械设计制造及其自动化专业教学活动中不可或缺的一个重要环节。通过了课程设计使我从各个方面都受到了机械设计的训练，对机械的有关各个零部件有机的结合在一起得到了深刻的认识。

此次机械原理课程设计题目很有意义考察的知识点也很全面，有凸轮设计及结构分析，还有援助齿轮，圆锥齿轮的设计及电动机的选择等，还有CAD制图，以及各种设计方案的比较，这不仅培养了我综合应用大学四年里所学的理论知识和生产实际知识解决工程实际问题的能力，还培养出了我们的团队合作精神。全体组员共同探讨，解决了许多个人无法解决的问题。同时，我深刻地认识到了自己在知识的理解和接受应用方面的不足。由于这次设计时间紧迫，有很多地方还有不足，有待改进，今后的学习过程中，我会更加认真努力学习！

由于在设计方面我们没有经验，理论知识学的不牢固，在设计中难免会出现这样那样的问题，如：在选择计算齿轮组时可能会出现误差，如果是联系紧密