特薄異型件新式瓶蓋襯墊組合壓裝過程中的運(yùn)動學(xué)分析

0組合成分配裝置的研制到目前為止，這種新的圓形封面已上市。由于其設(shè)計(jì)精、結(jié)構(gòu)緊湊、拆卸、預(yù)防性、酒核、環(huán)境保護(hù)等特點(diǎn)和功效，適用于當(dāng)前的裝配和生產(chǎn)，將其取代了已有300多年歷史的皇冠覆。這種組合形狀的粘合劑包含一個(gè)重要的支撐。直徑28mm，壁厚0.2mm，馬口鐵材料，邊緣開放，壓板，形成完整的瓶蓋，壓板的定位和外部運(yùn)動狀態(tài)直接影響到壓板的質(zhì)量，已成為該領(lǐng)域的中心技術(shù)問題。應(yīng)詳細(xì)分析和系統(tǒng)研究，為設(shè)計(jì)和制造一體化的密封工藝設(shè)備提供可靠的技術(shù)保證。1襯墊的定位方式零件能否在機(jī)床或夾具上正確定位是保證加工質(zhì)量的重要手段.為了保證外體與襯墊壓裝時(shí)的正確配合,必須保證其在壓裝機(jī)上可靠定位.由于襯墊屬于特輕薄異型件,不僅輕、薄,而且異型,其定位方式有別于其它零件,應(yīng)給予特殊考慮.目前能夠?qū)崿F(xiàn)這類零件定位的方式有限,且現(xiàn)有的定位方式也不完全適于襯墊的定位.按組合式易拉蓋生產(chǎn)要求,襯墊能在運(yùn)動的過程中自動定位,從而順利地與外體配合.從這一具體要求出發(fā),我們確定了襯墊定位方式,如圖1所示.這種定位方式是借助于在襯墊沿下料落料孔下滑的過程中,襯墊上的止口始終與導(dǎo)向鍵配合,從而保證襯墊沿落料孔自由下滑后,仍能保證其止口的朝向,即實(shí)現(xiàn)定位.定位的原理實(shí)質(zhì)上是限制物體的自由度,以保證其具有正確的位置.襯墊的定位方式屬于不完全定位.在圖1所示的主視圖上,假設(shè)水平方向?yàn)閄坐標(biāo),垂直方向?yàn)閅坐標(biāo),垂直與紙面的方向?yàn)閆坐標(biāo).那么當(dāng)采用導(dǎo)向鍵時(shí)限制了襯墊沿Y軸運(yùn)動,同時(shí)下料孔限制了襯墊沿X軸與Z軸方向移動.至于襯墊沿X軸和Z軸的轉(zhuǎn)動可以通過下料口的高度來調(diào)節(jié),當(dāng)高度低于一定數(shù)值時(shí),襯墊即使轉(zhuǎn)動,也只會轉(zhuǎn)動很小的角度即落下,不會影響其正確位置,也不會產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象.Y方向的轉(zhuǎn)動是不必限制的自由度.從以上分析可以看出,這樣定位方式可以實(shí)現(xiàn)襯墊在運(yùn)動過程中的可靠定位.2表內(nèi)緩沖開口與導(dǎo)向鍵配置過程的運(yùn)動學(xué)分析2.1襯墊轉(zhuǎn)動時(shí)間的確定當(dāng)襯墊由滑道運(yùn)動至圖1所示的位置時(shí),襯墊的邊緣頂住導(dǎo)向鍵的邊緣,使襯墊無法向前移動,導(dǎo)致止口也無法與導(dǎo)向鍵配合.為了避免這種情況,實(shí)現(xiàn)止口與導(dǎo)向鍵的正確配合及定位,可在圖1中所示由襯墊軸線的位置加一摩擦輪,讓摩擦輪帶動其轉(zhuǎn)動.摩擦輪帶動襯墊轉(zhuǎn)動時(shí),襯墊止口的方位隨時(shí)間和襯墊位置而不同,可能正對著導(dǎo)向鍵,也可能在圓周上的任意位置,但無論在任何位置都需要襯墊轉(zhuǎn)動一定的角度.最大轉(zhuǎn)動角度出現(xiàn)在襯墊止口剛好轉(zhuǎn)過導(dǎo)向鍵,約為一周角.所以,必須確保襯墊能轉(zhuǎn)動一周.由于襯墊與摩擦輪接觸后產(chǎn)生相對運(yùn)動,有一定的彈性滑動——即速度損失,為保證摩擦輪轉(zhuǎn)動一定時(shí)間后,能帶動襯墊轉(zhuǎn)一周,設(shè)摩擦輪轉(zhuǎn)動1/3周時(shí),襯墊轉(zhuǎn)一周.這樣即使在轉(zhuǎn)動中存在彈性滑動,也可充分保證轉(zhuǎn)動的可靠性.其傳動關(guān)系可表示為:i=n1n2=D2(1-ε)D1≈D2D1i=n1n2=D2(1?ε)D1≈D2D1(1)式中:i—傳動比;n1,n2—分別為摩擦輪,襯墊的轉(zhuǎn)速(r/min);D1,D2—分別為摩擦輪,襯墊的直徑(min);ε—速度損失率,取1%從上面公式可知由襯墊直徑D2及傳動比即可確定摩擦輪的直徑,同時(shí)取定摩擦輪轉(zhuǎn)速,也能求出襯墊的轉(zhuǎn)速,從而得出襯墊轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所需的時(shí)間,即襯墊需多長時(shí)間才能使止口與導(dǎo)向鍵接觸.2.2導(dǎo)向鍵與襯墊c點(diǎn)位置的確定當(dāng)止口與導(dǎo)向鍵接觸后,由于摩擦輪的帶動,襯墊與導(dǎo)向鍵進(jìn)行類似于輪齒嚙合運(yùn)動.襯墊在滑道中不同位置時(shí)及止口與導(dǎo)向鍵的接觸狀況如圖2所示.在圖2中可以看出,當(dāng)襯墊運(yùn)動到一定位置后,止口的右側(cè)開始與導(dǎo)向鍵接觸,這時(shí)導(dǎo)向鍵的一角將阻礙襯墊的繼續(xù)運(yùn)動.為排除阻礙現(xiàn)象的發(fā)生,須切去導(dǎo)向鍵的一角,切去的尺寸及角度需根據(jù)極限位置求得,這一極限位置可保證襯墊的止口能順利的進(jìn)入到導(dǎo)向鍵.由圖2可知,當(dāng)襯墊的中心線與導(dǎo)向鍵左側(cè)共線,即O2位置時(shí),襯墊與導(dǎo)向鍵的接觸點(diǎn)為最高接觸點(diǎn),也就是說當(dāng)襯墊中心線位于其他位置時(shí),襯墊與導(dǎo)向鍵的接觸點(diǎn)都低于這個(gè)最高接觸點(diǎn).如果襯墊上的止口在此位置時(shí)能進(jìn)入導(dǎo)向鍵,那么在此前的一切位置都可進(jìn)入導(dǎo)向鍵,而且在此后的一切位置可借助于止口與導(dǎo)向鍵的左側(cè)接觸長度的減小而順利進(jìn)入導(dǎo)向鍵.通過分析可知,在襯墊與導(dǎo)向鍵相對運(yùn)動和配合過程中,當(dāng)襯墊處于O2軸位置時(shí),為其極限位置,襯墊與導(dǎo)向鍵的右側(cè)接觸點(diǎn)為C,若沿DC線切下,則可保證襯墊介入導(dǎo)向鍵中.C點(diǎn)位置及相關(guān)參數(shù)如下:∠CDΜ=arctant-b?sin(arccosb2R)b∠CDM=arctant?b?sin(arccosb2R)b(2)式中:t—止口的深度,mm;b—止口的寬度,mm;R—襯墊的半徑,mm.將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入上式,即可確定C點(diǎn)的位置;沿DC線切去即可獲得應(yīng)有的導(dǎo)向鍵傾角.3沿導(dǎo)向鍵的旋轉(zhuǎn)分析由于襯墊屬于特輕薄異型鍵,其下落過程同其它物質(zhì)的下落狀態(tài)存在差異;其止口對下落過程有特殊影響.下面就兩種情況進(jìn)行分析.3.1襯墊兩面時(shí)間的區(qū)域首先,假設(shè)襯墊無止口,則其可視為薄圓板件.在襯墊下落過程中,希望其周邊不與下料孔內(nèi)壁接觸.但實(shí)際上,襯墊的邊緣會與內(nèi)壁接觸,不接觸的幾率極小.下面從兩種情況分析下落狀態(tài).3.1.1襯墊全空氣密度的自由落體空氣密度當(dāng)處于這種理想狀態(tài),襯墊會受到重力G和空氣對其產(chǎn)生的浮力F作用,因?yàn)橐r墊重量輕,浮力對其影響不能忽略.由于襯墊下落時(shí)的初始速度為零,所以在兩個(gè)力的作用下,將作自由落體運(yùn)動.其下落過程的運(yùn)動方程如下:S=12?(ρ1-ρ2)ρ1gt2S=12?(ρ1?ρ2)ρ1gt2(3)式中:ρ1,ρ2——分別為馬口鐵、空氣的密度,kg/m2;g——重力加速度,m/s2.將數(shù)據(jù)帶入式中,可得到其下落過程的運(yùn)動方程為:S=4.895t2(4)3.1.2剛體轉(zhuǎn)動微分方程下落過程襯墊與下落孔的接觸為點(diǎn)接觸,且接觸點(diǎn)的位置是隨機(jī)的,可能是圓周方向的任意一點(diǎn).此點(diǎn)可以看成是襯墊繞其轉(zhuǎn)動的支點(diǎn),而且由于重力作用襯墊又向下移動,在接觸點(diǎn)處襯墊與下落孔壁有相對運(yùn)動,并存在一定的摩擦力.所以襯墊共受三個(gè)作用力.重力的作用點(diǎn)在圓心,且方向垂直向下.浮力也作用于圓心,方向垂直向上.摩擦力在接觸點(diǎn)處垂直向上.這樣,摩擦力與重力中的一部分形成力矩,使圓板轉(zhuǎn)動.其余力的矢量和使圓板轉(zhuǎn)動.所以圓板邊下落邊轉(zhuǎn)動.根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動微分方程有:Ιd2φdt2=Μ=fId2φdt2=M=f摩·R(5)式中:I—轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;R—圓板半徑,m;φ—轉(zhuǎn)動的角度,rad;f—摩擦力,N將圓板的轉(zhuǎn)動慣量Ι=14mR2I=14mR2代入上式得到d2φdt2=4f摩mR將上式積分,得到轉(zhuǎn)角與下落時(shí)間的函數(shù)關(guān)系φ=∫4fmR?t?dt=2ft2mR將有關(guān)數(shù)據(jù)代入,可得到在此情況下落過程中轉(zhuǎn)角φ與時(shí)間t的關(guān)系式φ=47.33t2除轉(zhuǎn)動外,物體還做下落運(yùn)動,其作用力大小為重力減去空氣浮力及摩擦力,方向垂直向下.在此力作用下該圓板的運(yùn)動方程為S=12G-f浮-f摩mt2(6)將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得到S=3.46t2(7)從以上分析可以看出,在下落過程中襯墊與內(nèi)壁有接觸時(shí),它的運(yùn)動狀況是邊下落邊轉(zhuǎn)動,隨著下落時(shí)間的加長,其轉(zhuǎn)動的角度也將相應(yīng)增大,當(dāng)大到一定數(shù)值時(shí),圓板會發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,這樣就會影響定位的可靠性,須采取措施加以預(yù)防.3.2襯墊的止口在第一種情況中,對假設(shè)襯墊上無止口,進(jìn)行了分析,但實(shí)際上,襯墊具有止口.那么由于止口的存在會使襯墊的形心和質(zhì)心發(fā)生改變,止口對襯墊運(yùn)動狀態(tài)的影響需經(jīng)分析加以確定.3.2.1帶止口襯墊的形心和質(zhì)心首先求形心的位置.由材料力學(xué)可知薄片圓形形心的坐標(biāo)(xc,yc,zc),可由下式得到xc=∫sxdss;yc=∫sydss;zc=∫szds由于對稱xc=0,并取圓形厚度中心過Z軸,則有zc=0.而yc=2.65mm從上面所求的結(jié)果,可看出帶止口同無止口的薄板相比形心發(fā)生了變化.由于該薄圓板均質(zhì)對稱,其形心與質(zhì)心重合,這樣我們就得到了質(zhì)心.3.2.2襯墊的4.1移動這時(shí)雖然因止口形心發(fā)生改變,但其在下落過程中受力不變,仍受到重力和浮力的作用.由于是均質(zhì)的薄板,重力和浮力的作用點(diǎn)都在形心,但方向相反,所以襯墊的下落運(yùn)動仍是自由落體運(yùn)動.運(yùn)動方程為S=12(ρ1-ρ2)ρ1gt2(8)式中:ρ1、ρ2—分別為馬口鐵、空氣的密度,kg/m2由此可見,在這種情況下,同無止口的薄板的下落過程相同,即S=9.79t23.2.3襯墊轉(zhuǎn)動情況的討論在襯墊下落過程中,其周邊與內(nèi)壁接觸,產(chǎn)生摩擦力,且接觸點(diǎn)的位置也是隨機(jī)的,可能是圓周上的任一方向,其位置決定了襯墊轉(zhuǎn)動方向,由于止口的存在形心有所改變,摩擦力與重力中的一部分所構(gòu)成的力偶的力臂也將改變.當(dāng)接觸點(diǎn)不同時(shí),力臂的長短也不一樣,導(dǎo)致轉(zhuǎn)角不同.但通過計(jì)算得知形心改變不大,仍在d/2處.所以可以把這時(shí)的轉(zhuǎn)動情況近似地看成與無止口并存在摩擦力似的情況相近.另外,襯墊的下落是在止口處沿導(dǎo)向鍵下落,這時(shí)止口的側(cè)面與導(dǎo)向鍵的側(cè)面也必然存在摩擦力,也會產(chǎn)生使圓板轉(zhuǎn)動的力矩.也就是說襯墊的轉(zhuǎn)動是以上兩個(gè)轉(zhuǎn)動的合成,但是由于摩擦力的作用點(diǎn)隨機(jī)不定,所以合成結(jié)果也各不相同.為了簡化問題,取兩個(gè)極限位置來研究問題.第一種情況是當(dāng)兩個(gè)作用點(diǎn)的位置接近在一條直線上時(shí),這時(shí)兩個(gè)摩擦力與重力構(gòu)成的力矩產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角可認(rèn)為相互抵消,即轉(zhuǎn)角為零或很小.這是極小值.另一種情況是當(dāng)兩作用點(diǎn)接近的重合位置,這時(shí)摩擦力可以為無止口時(shí)的2倍,轉(zhuǎn)角為最大值.這時(shí)前面推導(dǎo)的公式仍然適用,只是摩擦力取前者的2倍,則轉(zhuǎn)角與下落時(shí)間的關(guān)系為:φ=94.66t2(9)同時(shí),下落的位移與時(shí)間的關(guān)系變?yōu)镾=2.02t2(10)4襯墊結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定至此,我們討論了組合式瓶蓋襯墊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并根據(jù)生產(chǎn)要求在分析其定位條件的基礎(chǔ)上確定了它的不完全定位方式.基于襯墊止口與導(dǎo)向鍵配合過程的運(yùn)動學(xué)分析,確定了導(dǎo)向鍵的合理傾角.基于襯墊在下落過程的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析,確定了襯墊受力和運(yùn)動狀態(tài).同時(shí),將其抽象為一質(zhì)量為m,質(zhì)心為O(a,b)的自由落體基本運(yùn)動和繞一固定點(diǎn)回轉(zhuǎn)的自由轉(zhuǎn)動的牽連運(yùn)動,為確定襯墊準(zhǔn)確