【正文】 8—方孔凸模 9—圓凸模 10—導(dǎo)釘 11—斜楔 12—前壓料爪 13—拉簧 14—螺釘15—后壓料爪 16—扭簧 17—送料架 18—限位塊 19—送料座 20—拉簧 21—彈簧22—杠桿 23—導(dǎo)軌 24—滾輪 25—底座 26—導(dǎo)尺 27—導(dǎo)尺 28—墊板 29—聯(lián)板30—頂桿 31—彎曲凸模 32—墊板 33—凹模 34—限位塊 35—卸料板 36—固定板37—方凸模 38—墊板 41 模具裝配圖第五章 專題論述—基于拉伸彈簧的可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)采用的確定應(yīng)力法和安全系數(shù)法研究、設(shè)計(jì)機(jī)械零件和簡單的機(jī)械系統(tǒng)的不足，可靠性設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上把設(shè)計(jì)變量看成為隨機(jī)的和非確定的變量來進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)的零件或系統(tǒng)更加符合實(shí)際。 拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)及載荷－ 圖51 拉伸彈簧載荷－變形圖：d──彈簧絲直徑（mm）。D、DD2──彈簧的中、內(nèi)、外徑（mm）。Fs──試驗(yàn)載荷。FF2…Fn──彈簧的工作載荷（N）。為了保證指定高度時的載荷，彈簧變形量應(yīng)在試驗(yàn)載荷下變形量之間，即要求： 。H0──自由高度（mm）。F0──初拉力（N）。初拉力可按下列公式計(jì)算： （5—1）式中： 為初切應(yīng)力，可按下列公式計(jì)算： 。 圖1中： ──在FF…、Fn、Fs作用下的彈簧變形量（mm）。HH…、Hn、Hs──在FF…、Fn、Fs作用下的彈簧高度（長度）（mm）。p──彈簧的節(jié)距（mm）。拉伸彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算： 圓柱拉伸彈簧是螺旋彈簧的一種，螺旋彈簧簧絲的軸線是一條空間螺旋線()，其應(yīng)力和變形比較復(fù)雜，但當(dāng)螺旋角較小時,可以省略的影響近似地認(rèn)為，簧絲橫截面與彈簧軸線在同一平面內(nèi)。 (a) (b) (c) (d)圖52彈簧橫截面上的應(yīng)力：，可以認(rèn)為壓力F與簧絲橫截面在同一平面內(nèi)。為保持取出部分的平衡，要求切面上有一個與切面相切的內(nèi)力系。這個內(nèi)力系簡化為一個通過截面形心的力和一力偶矩T。根據(jù)平衡方程：=F，T= (5—2)這里是橫切面上的剪力；T為 橫切面上的扭矩。與剪力對應(yīng)的切應(yīng)力，即： (5—3)與扭矩T對應(yīng)的切應(yīng)力，其最大值為： (5—4) 簧絲橫截面上任意點(diǎn)的總應(yīng)力，應(yīng)是剪切和扭轉(zhuǎn)兩種切應(yīng)力的矢量和。在靠近軸線的內(nèi)切點(diǎn)A處，總應(yīng)力達(dá)到最大值，且： (5—5)式中括號內(nèi)的第一項(xiàng)代表剪切的影響，當(dāng)值較大時，可以省略。不考慮剪切的影響，只考慮扭轉(zhuǎn)的影響。上式轉(zhuǎn)換為 (5—6)在以上分析中，用直桿的扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算應(yīng)力，沒考慮簧絲實(shí)際上是一個直桿，這在值較 小時，即簧絲曲率較大時，自然會引起較大的誤差。此外，認(rèn)為剪切引起的切應(yīng)力均勻分布于切面上，也是一個假定計(jì)算。在考慮了簧絲曲率和并費(fèi)均勻分布等兩個因素后，求得計(jì)算最大切應(yīng)力的修正公式如下 (5—7)式中：， (5—8) c為旋繞比，K為曲度系數(shù)。由此推得簧絲的強(qiáng)度條件 (5—9)—彈簧的許用切應(yīng)力。彈簧的變形 彈簧在軸向拉力作用下，軸線方向的伸長量。在彈性范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)表明，壓力F與變形成正比。當(dāng)外力從零增加到最終值時，它的功等于斜直線下的面積，即： (5—10) （a） （b）圖53在加力的過程中，彈簧內(nèi)部蓄積了變形能，如不 計(jì)及能量損耗，則外力所做的功將全部轉(zhuǎn)化為彈簧內(nèi)部的變形能，所蓄積的這一能量可通過簧絲的變形拉計(jì)算。 簧絲的變形主要由T產(chǎn)生，剪力的影響可忽略不記，設(shè)彈簧的圈數(shù)為n，則簧絲的總長度為，當(dāng)簧絲的 曲率可以忽略時，可將簧絲視為等值圓桿。由此可得彈簧的變形能為， (5—11)外力完成的功等于存儲于彈簧的變形能，即,于是 (5—12)由此得到 (5—13) 由上述公式可導(dǎo)出計(jì)算材料直徑的公式： （5—14）可導(dǎo)出計(jì)算彈簧有效圈數(shù)的公式： （5—15）試驗(yàn)載荷為彈簧允許承受的最大載荷，取K＝1，其計(jì)算公式： （5—16）彈簧剛度計(jì)算公式為： （5—17）5．2彈簧性能校核 彈簧特性校核彈簧的變形量應(yīng)在試驗(yàn)載荷作用下變形量的20%～80%之間。即：試驗(yàn)載荷 (N) （5—18）試驗(yàn)變形量 (mm) （5—19）彈簧特性應(yīng)滿足： ≤ 、 ≤ （5—20）拉伸彈簧鉤環(huán)強(qiáng)度驗(yàn)算拉伸彈簧在承受拉伸載荷時，在圖5中的A、B處將承受較大的彎曲應(yīng)力 和切應(yīng)力 。建議鉤環(huán)的折彎曲率半徑r2和r4應(yīng)大于等于2d。對于重要的彈簧，可按下式驗(yàn)算： （5—21） （5—22）式中：rrrr4──見圖54。圖545．3拉伸彈簧的模糊可靠性模型拉伸彈簧是機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛的彈性元件，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便等優(yōu)點(diǎn)．在彈簧的常規(guī)設(shè)計(jì)中，將剪切應(yīng)力、材料性能(許用剪切應(yīng)力)都視為常量，未考慮其數(shù)據(jù)的分散性，并按定的強(qiáng)度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)或驗(yàn)算，用安全系數(shù)來滿足其可靠性． 實(shí)際上，工作應(yīng)力和許用應(yīng)力都非常量，而是隨機(jī)變量或模糊變量． 一方面，由于載荷的偏差、鋼絲直徑的偏差、簧圈中徑的偏差等因素，使工作應(yīng)力的數(shù)值具有隨機(jī)性；另一方面，由于受客觀條件的限制，彈簧的許用剪切應(yīng)力也不可能為定值，而是存在著相當(dāng)大的取值范圍，即彈簧從完全不許用到完全許用之間有一個中介過渡過程，當(dāng)考慮這一中介過程時，許甩剪切應(yīng)力就不僅存在著隨機(jī)性，而且具有模糊性，這種變量稱為模糊變量，它可以用模糊集合與隸屬函數(shù)來表示．彈簧的模糊可靠性設(shè)計(jì)，是將剪切應(yīng)力作為服從某種分布規(guī)律的隨機(jī)變量，將許用剪切應(yīng)力作為具有某種連續(xù)性隸屬函數(shù)的模糊變量，根據(jù)模糊可靠性定義．求出彈簧在工作應(yīng)力作用下不失效的概率．在論域X中，對任意，指定了一個數(shù)，這時我們說確定了一個X的模糊子集A，稱為x的A的隸屬度，稱A的隸屬函數(shù)。如果模糊子集A是一個隨機(jī)變量，則稱A為一個模糊事件。在論域X上對于連續(xù)的模糊隨機(jī)事件A，若隸屬函數(shù)為，概率密度函數(shù)，則模糊可靠度為： （5—23） 剪切應(yīng)力分布據(jù)一階矩原理，對于下述函數(shù)的隨機(jī)變量函數(shù)： （5—24）式中：的均值分別為，標(biāo)準(zhǔn)差分別為，則該函數(shù)均值 （5—25）標(biāo)準(zhǔn)差： （5—26）式中：，稱為隨機(jī)變量的變異系數(shù)。本文中討論常用的圓柱螺旋彈簧的剪應(yīng)力分布，在外力F作用下，拉伸彈簧的鋼絲內(nèi)側(cè)剪應(yīng)力具有最大值： （5—27）式中：k為曲度系數(shù)： （5—28）其中：F為外力，D為彈簧中徑，d為鋼絲直徑。圓柱螺旋彈簧在受壓縮（拉伸）時的最大剪應(yīng)力與曲度系數(shù)、載荷、彈簧中徑、鋼絲直徑等隨機(jī)變量有關(guān)。由于彈簧剪應(yīng)力函數(shù)表達(dá)式（5—24）與（5—27）相似，由式（5—25）、（5—26）可得均值和標(biāo)準(zhǔn)差： （5—29）式中：分別為各變量相對應(yīng)的均值。 （5—30）式中：分別為個變量相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。剪切應(yīng)力的變異系數(shù)： （5—31）式中：分別為各變量相對應(yīng)的變異系數(shù)。各變量的均值，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)可以如下確定：1）曲度系數(shù)K：其均值按（5—28）計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)差可根據(jù)彈簧鋼絲直徑d和彈簧中徑D的公差估算，其平均為。2）軸向載荷F 其均值可按名義工作載荷取值，標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)可按載荷的允許偏差確定，即。 （5—32）3） 彈簧中徑D其均值可按名義尺寸取值。標(biāo)準(zhǔn)差的估算值見表6—1表5—1 彈簧中徑D的標(biāo)準(zhǔn)差精度彈簧中徑D等級123彈簧指數(shù)D/d4～80．003 3D0．005 D0．006 6D8～160．005 D0．006 6D0．01 D4）彈簧鋼絲直徑d其均值可按名義尺寸取值，標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)，見表5—2。表5—2 彈簧鋼絲直徑d的及彈簧鋼絲直徑d/mm0．7～～～68～12/mm～～～～若已知各變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)值,由式(5—29)、(5—30)、(5—31)可求出彈簧剪切應(yīng)力的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。c) 許用剪切應(yīng)力的隸屬函數(shù) 彈簧的許用剪切應(yīng)力為模糊變量，其模糊子集為隸屬函數(shù)所刻劃。由于許用剪切應(yīng)力從許用值過渡到不許用值是一個漸進(jìn)的衰減過程，因而取值應(yīng)該有一定范圍的過渡，對于此類問題，可用偏小型的隸屬函數(shù)來表示，如降半矩形分布、降半分布、降半正態(tài)分布、降半梯形分布等，其中常用的有降半正態(tài)分布：當(dāng) 當(dāng)xa （5—33）其中: 為應(yīng)力對許用值的隸屬度,a、k為分布系數(shù)。d) 模糊可靠度的計(jì)算 設(shè)彈簧的剪切應(yīng)力服從正態(tài)分布，其概率密度數(shù)為： （5—34）式中：為剪切應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差，為剪切應(yīng)力的均值。 將式（5—32）、（5—33）代入式（5—23），可得到彈簧不失效的模糊可靠度。 （5—35）式中：為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，其值由正態(tài)函數(shù)表獲得。結(jié)論該文提出的拉簧設(shè)計(jì)方法考慮的變量的非確定性和模糊性，因此設(shè)計(jì)的結(jié)果更符合實(shí)際。所推導(dǎo)的公式僅實(shí)用與小變形密圈彈簧，不適應(yīng)大變行的彈簧，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在某些情況下任不能滿足在實(shí)際應(yīng)用中彈簧的設(shè)計(jì)要求。該文的可靠性模型，可以適用于其他彈簧的設(shè)計(jì)，特別是圓柱壓縮彈簧的設(shè)計(jì)。 結(jié) 論 壓簧級進(jìn)自動模（自動送料）是針對大批量生產(chǎn)壓簧片的公司而設(shè)計(jì)的。通過對壓簧件進(jìn)行詳細(xì)的工藝分析，通過分析和比較各種模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用并設(shè)計(jì)了七工位級進(jìn)自動送料模具，這樣不僅保證了工件的精度要求，而且也降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工人操作的安全性。減少了因單工序模操作而花費(fèi)的時間，提高了生產(chǎn)效率，降低了模具設(shè)計(jì)和制造的成本。該模具在設(shè)計(jì)的過程中，綜合運(yùn)用了冷沖壓工藝和機(jī)械設(shè)計(jì)的知識，因此該模具設(shè)計(jì)主要包括兩個部分。 第一、 模具設(shè)計(jì)，通過對零件的工藝分析，確定工藝方案、進(jìn)行工藝計(jì)算、模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選擇沖壓設(shè)備、繪制模具總圖、校核圖紙、打印說明書等。進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握了機(jī)械制圖的標(biāo)準(zhǔn)和配合公差在設(shè)計(jì)中的使用方法。并且把模具制造的加工方法結(jié)合在設(shè)計(jì)的過程中，進(jìn)一步掌握了模具的制造方法和加工設(shè)備的原理和應(yīng)用。第二、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法包括機(jī)構(gòu)的類型選擇、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的尺寸確定、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和動力分析、機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)。在機(jī)構(gòu)分析的過程中用逆向思維的方法運(yùn)用斜滑塊的力學(xué)分析成功的推導(dǎo)了送料座與上滑塊的力學(xué)關(guān)系。運(yùn)用理論力學(xué)，平面匯交力系合成與平衡的解析法進(jìn)行了上滑塊的受力分析，推導(dǎo)出了拉簧拉力與滑塊作用力之間的關(guān)系。運(yùn)用材料力學(xué)圓柱形密圈螺旋彈簧的應(yīng)力和變形推導(dǎo)了拉簧，扭簧的設(shè)計(jì)公式和校核公式。通過查詢