一． 明确设计任务
一、设计要求：
1.原料为成卷铝线，生产率为 100~120 个/min； 2.实心铆钉直径 5mm，长度 20~50mm，材料 ML2； 二、设计内容：
1、选择并设计动力装置；
2、设计脱模装置、支承结构及相应的主要传动装置； 3、撰写有关内容的设计说明书。
二． 冷镦机脱模装置设计的功能分解
冷镦机脱模装置设计要完成自动间歇送料， 截料并运料， 预镦和终镦， 顶料四个
动作。图1所示为冷镦机脱模装置设计的树状功能图。
图 1
冷镦机脱模装置设计的树状功能图
三．冷镦机脱模装置设计的运动转换功能图
由树状功能图，分析找出各功能元所要求的运动形式。选择电动机形式，通过减速或轴 线平移，运动再传递，把转动转换成各功能元所需的运动形式。图 2 即为根据上述分析 所画出的冷镦机脱模装置设计的运动转换功能图。
图2 冷镦机脱模装置设计的运动转换功能图
四. 冷镦机脱模装置设计的形态学矩阵
表 1 冷镦机脱模装置设计的形态学矩阵
式，然后，根据这些运动形式，匹配相应的执行机构。把功能元作为列，功能元解(即匹 配的执行机构) 作为行，可获得表1所示的冷镦机脱模装置设计的形态学矩阵。
对该形态学矩阵求解， 即把实现每一功能的任一解法进行组合，可得到多种运动方 案。理论上求得的组合方案数为
N=4*4*6*4*4*8=12288 个方案。
在这些运动方案中，必须剔除那些有明显缺点和不能实现的方案。有的方案，就单个 执行机构来说能实现执行动作，但把这些机构组合成系统后，就会发现在结构安排上是 不可行的，整个机器太庞杂，制造成本太高。这些方案可以先加以否定，然后列出一批 可行的方案，从中优选出好的运动方案。下列三种方案经分析讨论是较好的方案。
方案一 方案二 方案三
A1+B3+ H1+D2+E4+F2+H2 A1+B3+C4+D2+E2+F2+G3 A1+B3+C3+ D2+E4+F2+G3
五. 冷镦机脱模装置设计的运动方案示意图及运动方案的工作原理 和特点
图3所示为冷镦机脱模装置设计方案一的运动示意图。
图3 冷镦机脱模装置设计方案一的运动示意图
1. 方案一以机械执行机构为主，液气机构辅之，其工作原理及特点如下：
送料机构(1)： 利用凸轮廓线推动滚子推杆，使滚子推杆实现往复直线运动，并且将 水平轴的转动转换为铅垂方向的往复直线移动，且有近修和远修轮廓线，从而完成间歇 送料。
凸轮机构传动精度高，运行可靠。但是制造困难，噪音大且易磨损。
截料，运料机构(2)：由电磁阀控制气缸，与气缸相连的连杆带动齿轮做水平往复直线 运动，经齿轮带动齿条亦做水平往复直线运动，从而完成截料与运料工艺动作。
该机构省去了传动机构，使得机构简单紧凑，反向时运动平稳，易于调节移动速度。 预镦，终镦机构(3)：曲柄滑块机构实现运动大小变换功能，而且实现了将水平轴运动 变换为铅垂方向的往复直线移动。
经过一次运动大小变换，有一定的冲击力，而且重量轻，制造简单，结构亦简单。但 是系统的刚度较差。
顶料机构(4)：通过液压机构将水平轴运动变换为铅垂方向的往复直线运动，并且实现 运动大小变换功能。
速度和力可调，运动平稳，且结构简单。
图4所示为冷镦机脱模装置设计方案二的运动示意图。
图4 冷镦机脱模装置设计方案二的运动示意图
2. 方案二完全由机械执行机构组成，其工作原理及特点如下：
送料机构(1)：棘轮机构与摩擦轮机构共轴，通过棘轮机构实现转动可调，带动摩擦轮 间歇转动。同时摩擦轮采用挂轮，这样可以实现摩擦轮转过的弧长可调，通过棘轮与摩 擦轮二者的可调，从而实现了运送料的长度调节。
棘轮机构具有结构简单，制造方便，运动角可在工作过程中，并可在较大范围内调整 等特点。但是传动精度较差，且棘爪在齿表面滑行时引起噪音，冲击齿尖易磨损而不易 用于高速。
截料，运料机构(2)：采用移动从动件圆柱凸轮机构，通过圆柱凸轮的廓线推动连杆和 刀具实现往复直线运动，并且实现的运动方向转换功能。这样就可以完成截料与运料工 艺动作。
圆柱凸轮可以通过设计凸轮廓线使得推杆实现预期的运动规律，而且响应快速，机构 简单紧凑。但是易磨损，制造较困难。
预镦，终镦机构(3)：先由曲柄滑块机构实现运动大小变换功能，再采用摆杆滑块机构 将水平轴运动变换为铅垂方向的往复直线移动并实现运动大小变换功能。
经过两次运动大小变换，具有较大的冲击力，相比方案一中(3)的四杆机构来说，六杆
机构受力好，其中的摆杆机构能起到增力的作用，具有很大的机械利益，以满足镦压工 作的需要。
顶料机构(4)：利用凸轮廓线推动滚子推杆，使滚子推杆实现往复直线运动， 并且将 水平轴的转动转换为铅垂方向的往复直线移动从而完成顶料。
凸轮机构传动精度高，运行可靠。但是制造困难，噪音大且易磨损
3. 方案三亦完全由机械执行机构组成，其工作原理及特点如下：
送料机构(1)： 利用凸轮廓线推动滚子推杆，使滚子推杆实现往复直线运动，并且将 水平轴的转动转换为铅垂方向的往复直线移动，且有近修和远修轮廓线，从而完成间歇 送料。
凸轮机构传动精度高，运行可靠。但是制造困难，噪音大且易磨损。
截料，运料机构(2)： 利用凸轮廓线推动滚子推杆，使滚子推杆实现往复直线运动， 并且将水平轴的转动转换为水平往复直线移动，从而完成截料和运料。
凸轮机构传动精度高，运行可靠。但是制造困难，噪音大且易磨损。 预镦，终镦机构(3)：曲柄滑块机构实现运动大小变换功能，而且实现了将水平轴运动 变换为铅垂方向的往复直线移动。
经过一次运动大小变换，有一定的冲击力，而且重量轻，制造简单，结构亦简单。但 是系统的刚度较差。
顶料机构(4)： 曲柄滑块机构实现运动大小变换功能，而且实现了将水平轴运动变换 为铅垂方向的往复直线移动，再通过磁铁将螺钉从模中吸出。
经过一次运动大小变换，可产生较大的反力，而且重量轻，制造简单，结构亦简单。 但是系统的刚度较差。
图5所示为方案三的运动示意图。
图5 冷镦机脱模装置设计方案三的运动示意图
六. 方案比较
上面已经展示了冷镦机脱模装置设计的三种可行方案。方案一以机械执行机构为主， 液气机构辅之， 方案二和方案三完全由机械执行机构组成。其中对镦头来说， 方案二 采用了六杆机构，而方案一和方案三均采用的是四杆机构。 六杆机构相对于四杆机构来 说，受力好，其中的摆杆机构能起到增力的作用，具有很大的机械利益，以满足镦压工 作的需要。 另外，方案二仅需一个电动机，而且各机构之间安装较为紧凑，节约空间。 另外，只有方案二中的间歇送料机构能满足设计的要求运送长度可调，但是需要人工 换摩擦轮，尽管如此， 因为方案二与方案一和方案三相比，实用性与经济性以及可靠性 的要求要要一些，因此，选择方案二为最优方案。
七. 方案二的运动循环图
图6所示为方案二的运动循环图。 度数/˚ 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 时间 ，s
0 h 56mm
预镦，终镦 165
上升
下降
六杆机构 上升
0.125
0.25
0.375
0.5
顶料
30
150
间歇送料
截料，运料30
120
模膛转动
转动
240 被切阶段 210
330 圆柱凸轮
停止 槽轮
图 6 方案二的运动循环图
P (δ)(˚) 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 s (mm) 0.00 1.73 11.73 30.00 48.27 58.27 60.00 60.00 60.00 60.00 60.00 58.27 48.27 v (m/s) 0.00 0.24 0.72 0.96 0.72 0.24 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.24 0.72 a(m/s/s) b(α压力角/˚) 0.00 7.18 20.89 7.04 20.90 6.30 0.00 5.26 20.89 4.51 20.90 4.16 0.00 4.10 0.00 4.10 0.00 4.10 0.00 4.10 0.00 4.10 20.89 4.15 20.90 4.45
195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360
30.00 0.96 0.00 11.73 0.72 20.89 1.73 0.24 20.90 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
vmax=0.96(最大速度) amax=24.12（最大加速度）
5.18 6.23 7.12 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18
根据上面的程序可以完成绘制轮廓曲线图，详见程序运行结果。根据上表做出位移， 速度，加速度曲线图。
根据加速度曲线图可得，正弦加速度运动规律无刚性冲击也无柔性冲击。适用于中高 速轻载。 由表知压力角αmax=7.18˚， 这样γmin=90˚7.19˚=82.81˚， 满足了γmin>=40˚~50˚， 而且传动角比较大，机构传力效果好。
图7 平面凸轮轮廓曲线图
图8 平面凸轮位移曲线图
图9 平面凸轮速度曲线图
图10 平面凸轮加速度曲线图
根据加速度曲线图可得，正弦加速度运动规律(推程) 无刚性冲击也无柔性冲击，适用 于中高速轻载。正弦加速度运动规律(回程) 加速度有突变，不过这一突变为有限值，因而 引起的冲击很小， 为柔性冲击。 由表知压力角 αmax=33.69˚所以， γmin=90˚33.69˚=56.31˚ 满足了γmin>=40˚~50˚，传力性能良好。
根据上表做出圆柱凸轮轮廓曲线展开图。（速度，加速度曲线图与平面凸轮的速度， 加速度曲线图作法类似）。
图 11 圆柱凸轮轮廓曲线展开图
十一. 电动机的选择
曲柄OA 的角加速度ω1=2π/T=2π/0.5 =12.566rad/s 转速 n1=60/T=120r/min
因此选择同步转速为 n0=750 r/min(8 级) ，50Hz ，380V 的电动机即可。这样， 曲柄 OA 每转一周，镦头完成两次镦压(预镦和终镦) ；顶料机构转一周顶料一次，ω2=2π/T=2π/0.5 =12.566rad/s 转速n2=60/T=120r/min， 截料与运料机构转一周， 完成一次循环， 送料一次， ω3=2π/T=2π/0.5 =12.566rad/s 转速n3=60/T=120r/min，这样使得 n1= n2= n3，传动比ί=1。 整个系统完成一次循环，生产一件成品。满足了生产率为120只/分的要求。
十二 脱模机构分类
塑件顶出方法受塑件材料及形状等影响，由于塑件复杂多变，要求不一，导致胶件的脱 模机构也多种多样。
按动力来源分，脱模机构可分为三类：
（1）手动推出机构 指当模具分开后，用人工操纵脱模机构使塑件脱出,它可分为模内手 工推出和模外手工推出两种。这类结构多用于形状复杂不能设置推出机构的模具或塑件 结构简单、产量小的情况，目前很少采用。
（2）机动推出机构 依靠注射机的开模动作驱动模具上的推出机构，实现塑件自动脱模。 这类模具结构复杂，多用于生产批量大的情况，是目前应用最广泛的一种推出机构，也 是本章的重点。它包括顶针类脱模，司筒脱模，推板类脱模，气动脱模，内螺纹脱模及 复合脱模。
（3）液压和气动推出机构 一般是指在注射机或模具上设有专用液压或气动装置，将塑 件通过模具上的推出机构推出模外或将塑件吹出模外。
按照模具的结构特征分,脱模机构可分为：
一次脱模机构、定模脱模机构、二次或多次脱模机构、浇注系统水口料的脱模机构、带 螺纹塑件的脱模机构等。
3. 对脱模机构的要求
模具打开时，塑件必须留在有顶出机构的半模上。
由于注射机的推杆在安装后模的一侧，所以注射模的顶出机构一般在后模。这种模具结 构简单，动作稳定可靠。（特殊情况也用倒推模，此时塑件开模后必须留在前模。 顶出行程合理，制品可自由落下
顶出机构必须将塑件完全推出，完全推出是指制品在重力作用下可自由落下。顶出行程 取决于制品的形状。对于锥度很小或没有锥度的制品，顶出行程等于后模型芯的最大高
度加 5～10mm 的安全距离。对于锥度很大的制品，顶出行程可以小些，一般取后模型芯 高度的1/2～2/3之间即可。
顶出行程受到模胚方铁高度的限制，方铁高度已随模胚标准化。如果顶出行程很大，方 铁不够高时，应在订购模胚时加高方铁高度，并在技术要求中写明。
4. 脱模机构的设计原则
制品顶出是注射成型过程中的最后一个环节,顶出质量好坏将直接影响制品的质量,设计 时应遵循以下原则。
1) 顶针位置设计的一般原则：
1、顶出要平衡，顶针必须均匀布置，以防顶出后胶件变形。
2、应注意塑件的美观性,尽量将顶针布置在产品装配后看不到的部位的地方，这一点对 于透明制品尤其重要。要知道，任何顶针都会在胶件上留下痕迹，而且随着顶针在生产 过程中的不断磨损，这种痕迹会越来越明显。
3、顶针应落在最有利于成品出模，即脱模力最大的地方；顶出力必须施加于胶件的最底 点，将胶件推出，而不是拉出。见下图：
4、 顶出力必须作用在制品能承受最大顶出力的部位,即刚性好， 强度最大的部位.如壁边， 骨位、柱位下面，壳体侧壁，作用面积也尽可能大一些（即尽可能选直径大的顶针），以 防塑件变形或损坏。尽量避免受力点作用于制品薄平面上，防止制品破裂,穿孔,顶白等。 如筒形制品弃用顶针顶出而选择推板顶出。
5、为防止制品变形,受力点应尽量靠近型芯或难于脱模部位,如细小的柱位与骨位。
7、顶针尽量布置于胶件的拐角处。
8、顶针应尽可能对称布置。
9．在有滑块侧抽芯和斜滑块的模具中，顶针尽量布置于侧抽芯或斜滑块在分模面的投影 面之外。如无法避免，则要加顶针先复位机构。顶针先复位机构图详见本章第节。
10、为方便水口脱落，在水口转角处应落水口顶针。
11、啤PP 料及K 料可采用垃圾钉顶出。啤ABS 等其它塑胶，当顶出力很小且成品上不允 许留有顶针痕迹时，也可以采用垃圾钉顶出。
12、顶针应尽量落在较平的地方，如果落顶针处斜度较大，顶针应磨成阶梯状以增大顶 出力，或在不影响功能的情况下加大箭脚或顶针柱。
13、局部胶位较深时，由于脱模力大，轻易顶白或顶穿，在不影响功能的前提下，顶针 应傍骨，加头箭脚或出顶针柱。傍骨或出顶针柱时，顶针一般用Φ3/32”或Φ7/64”， 大件成品且胶位较厚时亦可采用Φ1/8”顶针。
14、成品上有较深凹位时，一般在内骨底落 Φ7/64”或 Φ1/8”顶针出顶针柱或跟客户 要求主骨两测傍骨出顶针柱。
15、螺丝柱、定位柱等深孔部位一般落司筒或在柱两侧傍骨出顶针柱。实心柱底要落顶 针，可以防止困气，也可以防止火花加工（EDM ）时积碳。
16、顶针边离胶位边一般应有1—2mm距离，当顶针傍柱位骨位顶出时，顶针边离胶位边 不应超过 2mm 距良，当顶针位钢料低于周边钢料时，顶针边离胶位边可以作到 0.5mm 距 离;
17、PVC 料不宜顶垃圾钉及分流道不能直冲型腔。但 PVC 等软胶的公仔模(铍铜模、雕刻 模)一律采用顶垃圾钉的方式出模，顶针大小为 Φ5/32”或 Φ3/16”。垃圾钉应落在公 仔较平整无花纹的部位，方便披水口，且顶出要平衡垃圾针要离开胶位边2mm 以上。
18、顶针与撑头及运水之间最少要保证有3—4mm的钢位。
19、顶针图的标数采用坐标标注法，基准要和模具排位图的基准一致。顶针标数要准确 且要拿整数，最多可给一位小数。要小心顶针破边，一般顶针边离胶位边应有1—2mm距 离。
2) 顶针大小设计的一般原则：
1．因为下列理由，顶针外径应尽量取较大值:
1）防止因射出压力而弯曲。
2）防止因脱模阻力而弯曲、破损。
3）防止白化。
2．在大平面上不宜用小顶针。
3．在不影响制品脱模和位置足够时应尽量采用同一型号大小顶针, 以方便开料,加 工.(如 5mm舆 6mm,可以的话选用其中一种)。
4．顶出零件和型芯的配合为间隙配合，配合公差为H7/f7。配合长度10～20mm。
5. 每一套模具顶针直径尺寸不宜太多种，否则加工时需频频换刀，既浪费时间也容易出 错。
3) 顶针数量设计的一般原则：
顶针的数量往往取决于经验。一般情况下，顶针数量越多，顶出效果就越好，但不必要 的顶针会提高模具的制作成本。因此在保证胶件能可靠顶出的情况下，应尽可能减少顶 针的数量。但对于经验不足的工程师，本人建议，在不影响外观及运水布置的情况下， 顶针宁多勿少。因为如果在试模时发现胶件顶白或变形，再增加顶针会非常麻烦。但宁 多勿少并非滥用，而是当你在X 根和X+1根之间犹豫不决时，你就用X+1根。
4) 顶针设计的其它原则：
1、能用顶针则不用司筒，能用圆顶针则不用扁顶针。原因很简单，司筒和扁顶针制造成 本高，且易磨损，寿命不如圆顶针，维修也不便。
2、当塑件上不允许有顶针印时，可在产品周边适当位置加辅助垃圾钉顶出（6-9所示）。
3、顶针与后模镶件的间隙应小于所啤塑料的溢边值。各种塑料的溢边值见第一章《塑料 及其注塑成型工艺》。
4、注意整体布局均匀,特殊情况要考虑采用多种顶出装置.如:斜顶,司筒针,推板,二次强 行脱模,油缸拉动,气体顶出等复合脱模。
5、顶出件不能兼作型芯。
6、有方向性要求的顶针，司筒头要做（磨）单边或双边管位以防止转动。
7、当在斜面或曲面上配置时，顶针必须防转，且顶针顶端要加胶线防止出现顶滑现象。
8、避免因真空吸附而使胶件产生顶白、变形，可采用复合脱模或用透气钢排气，如顶杆 与推板或顶杆与顶块脱模，顶杆适当加大配合间隙排气，必要时还可设置进气阀。
5. 顶针脱模
顶针包括圆顶针，扁顶针及异形顶针。其中圆顶针推出时运动阻力小，推出动作灵活可 靠，损坏后也便于更换，因此在生产中广泛应用。圆顶针推出机构是整个推出机构中最 简单、最常见的一种形式。扁顶针截面是长方形，加工成本高，易磨损，维修不方便。 异形顶针是根据胶件推出位的形状而设计的，如三角形，弧形，半圆形等，因加工复杂， 很少采用，此处不作探讨。
1) 圆顶针
圆顶针是最简单,最普通的顶出装置.圆顶针与顶针孔都易于加工,因此已被作为标准件 广泛使用。圆顶针有无托顶针和有托顶针二种。顶针直径在 φ2.5 以下而且位置足够时 要做有托顶针，大于φ2.5都做无托顶针。见图。
1、圆顶针优点是：
（1）制造加工方便，成本底。圆孔钻削加工，比起其它形状的线切割或电火花加工，要 快捷方便得多。另外，圆形顶针是标准件，购买很方便，相对于其它顶针，它的价钱最 便宜。
（2）阻力小。可以证明，面积相同的截面，以圆形截面的周长最短，因此摩擦阻力最小， 磨损也最小。
（3）维修方便。圆形顶针尺寸规格多，有备件，更换方便。
2、圆顶针缺点：
顶出位置有一定的局限性。对于骨位，胶件边缘，及狭小的槽，布置圆顶针有较困难， 若用小顶针，几乎没有作用。
3、圆顶针位置设计
（1）顶针布置顺序: 四周、加强筋、Boss孔(套筒或 两支顶针)。顶针不能太靠边,要保 持1.2mm 以上的钢位。
（2）对于表面不能有顶针印的产品，可在产品周边适当位置加辅助垃圾钉顶出（6-9 所 示）
（3） 顶针尽可能避免设置在高低面过渡的地方；顶针尽量不要放在镶件拼接处，若无 法避免，可将顶针对半做于二个镶件上，或在二镶件间镶圆套。如下图。
（4）顶针可以顶螺丝柱（Boss）：低于20mm 以下的螺丝柱，如果旁边能够下顶针的话可 以不用司筒,而在其附近对称加两支顶针。见图。
（5）顶针可以顶骨位：顶骨位的顶针一般用直径 3/32“或者 7/64”，但这样的话，骨 位二边会增加一些胶位，须征得客户同意，且要保证：①不影响产品的装配和使用功能； ②不能导致制品表面缩水，如图6-7所示图加顶针。
（6）顶针可以顶边：顶边有二种方法，一是边外部加胶，顶针全部顶胶位（见图），由 于要多出胶位，须征得客户同意。二是顶针顶部分胶位（见图），因为有一部分要顶前模 内模，易将前模内模顶出凹陷而出披风。
4、圆顶针大小设计
（1）除非特殊情况,模具应避免使用 1/16"( 1.5mm)以下的顶针,因细长顶针易弯易断。 细顶针要经淬火加硬,使其具有足够强度与耐磨性。直径1/8“～1/4”的顶针用的较多。
（2）直身顶针规格：顶针直径×顶针长度，如：￠3/16“×120mm。。
（3）顶针过长或顶针偏小时,要用有托顶针。使用有托顶针开料时,应注明托长。如：
1.5mm ×( 3× 90托长)×（200总长）
（4）顶针标准件长度系列： 50,100,150，200，......
（5）直身圆顶针：3/64” ～1”,长度可达630mm；加托圆顶针最长14”(315mm)，托长 1/2”～2”。
（6）落顶针时应视胶件大小尽可能落大一些的顶针。一般Φ3/16”—Φ5/32” 为常用， 成品特别大时可落Φ1/2”，或视需要落更大的顶针。
5、顶针的固定形式
顶杆固定在顶针固定板上，如果顶胶件的面是斜面的话，固定部位要加防转销。见下图 所示。
6、设计顶针的注意事项：
（1） 顶针在距型芯表面一段距离后要避空, 以减少与模具的接触面积,避免发生磨损烧 死（咬蚀）。有效配合长度=（2.5～3）D，最小不得小于8mm，尺寸（图6-3示）：
（2）对于顶针顶出面为斜面的场合，为防止产品跟斜顶滑行，斜顶附近的顶针面要磨 “+”形或平行的槽位（图6-8）。若顶针面是斜面或其它异形面，头部须加防转销（管位） 防转。
（3） 一般场合顶针面应高于呵（CORE）平面，在不影响功能与使用的情况下,顶针一般 高出开模面0.05～0.08mm。对于胶位平面有要求的场合可考虑在顶针周边加沉台， 十三. 参考资料
1. 邹慧君主编 机械原理课程设计手册 高等教育出版社
2. 赵匀主编 机构数值分析与综合 机械工业出版社
3. 阿尔托包列夫斯基等著作 孙可宗 陈兆雄 张世民 译
平面机构综合 上册 人民教育出版社
4. 葛文杰 陈作模等主编 机械原理 高等教育出版社
5. 申永胜主编 机械原理教程 清华大学出版社
6. 杨路明主编 C 语言程序设计 北京邮电大学大学出版社
7. 杨裕根主编 现代工程图学 北京邮电大学大学出版社
一． 明确设计任务
一、设计要求：
1.原料为成卷铝线，生产率为 100~120 个/min； 2.实心铆钉直径 5mm，长度 20~50mm，材料 ML2； 二、设计内容：
1、选择并设计动力装置；
2、设计脱模装置、支承结构及相应的主要传动装置； 3、撰写有关内容的设计说明书。
二． 冷镦机脱模装置设计的功能分解
冷镦机脱模装置设计要完成自动间歇送料， 截料并运料， 预镦和终镦， 顶料四个
动作。图1所示为冷镦机脱模装置设计的树状功能图。
图 1
冷镦机脱模装置设计的树状功能图
三．冷镦机脱模装置设计的运动转换功能图
由树状功能图，分析找出各功能元所要求的运动形式。选择电动机形式，通过减速或轴 线平移，运动再传递，把转动转换成各功能元所需的运动形式。图 2 即为根据上述分析 所画出的冷镦机脱模装置设计的运动转换功能图。
图2 冷镦机脱模装置设计的运动转换功能图
四. 冷镦机脱模装置设计的形态学矩阵
表 1 冷镦机脱模装置设计的形态学矩阵
式，然后，根据这些运动形式，匹配相应的执行机构。把功能元作为列，功能元解(即匹 配的执行机构) 作为行，可获得表1所示的冷镦机脱模装置设计的形态学矩阵。
对该形态学矩阵求解， 即把实现每一功能的任一解法进行组合，可得到多种运动方 案。理论上求得的组合方案数为
N=4*4*6*4*4*8=12288 个方案。
在这些运动方案中，必须剔除那些有明显缺点和不能实现的方案。有的方案，就单个 执行机构来说能实现执行动作，但把这些机构组合成系统后，就会发现在结构安排上是 不可行的，整个机器太庞杂，制造成本太高。这些方案可以先加以否定，然后列出一批 可行的方案，从中优选出好的运动方案。下列三种方案经分析讨论是较好的方案。
方案一 方案二 方案三
A1+B3+ H1+D2+E4+F2+H2 A1+B3+C4+D2+E2+F2+G3 A1+B3+C3+ D2+E4+F2+G3
五. 冷镦机脱模装置设计的运动方案示意图及运动方案的工作原理 和特点
图3所示为冷镦机脱模装置设计方案一的运动示意图。
图3 冷镦机脱模装置设计方案一的运动示意图
1. 方案一以机械执行机构为主，液气机构辅之，其工作原理及特点如下：
送料机构(1)： 利用凸轮廓线推动滚子推杆，使滚子推杆实现往复直线运动，并且将 水平轴的转动转换为铅垂方向的往复直线移动，且有近修和远修轮廓线，从而完成间歇 送料。
凸轮机构传动精度高，运行可靠。但是制造困难，噪音大且易磨损。
截料，运料机构(2)：由电磁阀控制气缸，与气缸相连的连杆带动齿轮做水平往复直线 运动，经齿轮带动齿条亦做水平往复直线运动，从而完成截料与运料工艺动作。
该机构省去了传动机构，使得机构简单紧凑，反向时运动平稳，易于调节移动速度。 预镦，终镦机构(3)：曲柄滑块机构实现运动大小变换功能，而且实现了将水平轴运动 变换为铅垂方向的往复直线移动。
经过一次运动大小变换，有一定的冲击力，而且重量轻，制造简单，结构亦简单。但 是系统的刚度较差。
顶料机构(4)：通过液压机构将水平轴运动变换为铅垂方向的往复直线运动，并且实现 运动大小变换功能。
速度和力可调，运动平稳，且结构简单。
图4所示为冷镦机脱模装置设计方案二的运动示意图。
图4 冷镦机脱模装置设计方案二的运动示意图
2. 方案二完全由机械执行机构组成，其工作原理及特点如下：
送料机构(1)：棘轮机构与摩擦轮机构共轴，通过棘轮机构实现转动可调，带动摩擦轮 间歇转动。同时摩擦轮采用挂轮，这样可以实现摩擦轮转过的弧长可调，通过棘轮与摩 擦轮二者的可调，从而实现了运送料的长度调节。
棘轮机构具有结构简单，制造方便，运动角可在工作过程中，并可在较大范围内调整 等特点。但是传动精度较差，且棘爪在齿表面滑行时引起噪音，冲击齿尖易磨损而不易 用于高速。
截料，运料机构(2)：采用移动从动件圆柱凸轮机构，通过圆柱凸轮的廓线推动连杆和 刀具实现往复直线运动，并且实现的运动方向转换功能。这样就可以完成截料与运料工 艺动作。
圆柱凸轮可以通过设计凸轮廓线使得推杆实现预期的运动规律，而且响应快速，机构 简单紧凑。但是易磨损，制造较困难。
预镦，终镦机构(3)：先由曲柄滑块机构实现运动大小变换功能，再采用摆杆滑块机构 将水平轴运动变换为铅垂方向的往复直线移动并实现运动大小变换功能。
经过两次运动大小变换，具有较大的冲击力，相比方案一中(3)的四杆机构来说，六杆
机构受力好，其中的摆杆机构能起到增力的作用，具有很大的机械利益，以满足镦压工 作的需要。
顶料机构(4)：利用凸轮廓线推动滚子推杆，使滚子推杆实现往复直线运动， 并且将 水平轴的转动转换为铅垂方向的往复直线移动从而完成顶料。
凸轮机构传动精度高，运行可靠。但是制造困难，噪音大且易磨损
3. 方案三亦完全由机械执行机构组成，其工作原理及特点如下：
送料机构(1)： 利用凸轮廓线推动滚子推杆，使滚子推杆实现往复直线运动，并且将 水平轴的转动转换为铅垂方向的往复直线移动，且有近修和远修轮廓线，从而完成间歇 送料。
凸轮机构传动精度高，运行可靠。但是制造困难，噪音大且易磨损。
截料，运料机构(2)： 利用凸轮廓线推动滚子推杆，使滚子推杆实现往复直线运动， 并且将水平轴的转动转换为水平往复直线移动，从而完成截料和运料。
凸轮机构传动精度高，运行可靠。但是制造困难，噪音大且易磨损。 预镦，终镦机构(3)：曲柄滑块机构实现运动大小变换功能，而且实现了将水平轴运动 变换为铅垂方向的往复直线移动。
经过一次运动大小变换，有一定的冲击力，而且重量轻，制造简单，结构亦简单。但 是系统的刚度较差。
顶料机构(4)： 曲柄滑块机构实现运动大小变换功能，而且实现了将水平轴运动变换 为铅垂方向的往复直线移动，再通过磁铁将螺钉从模中吸出。
经过一次运动大小变换，可产生较大的反力，而且重量轻，制造简单，结构亦简单。 但是系统的刚度较差。
图5所示为方案三的运动示意图。
图5 冷镦机脱模装置设计方案三的运动示意图
六. 方案比较
上面已经展示了冷镦机脱模装置设计的三种可行方案。方案一以机械执行机构为主， 液气机构辅之， 方案二和方案三完全由机械执行机构组成。其中对镦头来说， 方案二 采用了六杆机构，而方案一和方案三均采用的是四杆机构。 六杆机构相对于四杆机构来 说，受力好，其中的摆杆机构能起到增力的作用，具有很大的机械利益，以满足镦压工 作的需要。 另外，方案二仅需一个电动机，而且各机构之间安装较为紧凑，节约空间。 另外，只有方案二中的间歇送料机构能满足设计的要求运送长度可调，但是需要人工 换摩擦轮，尽管如此， 因为方案二与方案一和方案三相比，实用性与经济性以及可靠性 的要求要要一些，因此，选择方案二为最优方案。
七. 方案二的运动循环图
图6所示为方案二的运动循环图。 度数/˚ 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 时间 ，s
0 h 56mm
预镦，终镦 165
上升
下降
六杆机构 上升
0.125
0.25
0.375
0.5
顶料
30
150
间歇送料
截料，运料30
120
模膛转动
转动
240 被切阶段 210
330 圆柱凸轮
停止 槽轮
图 6 方案二的运动循环图
P (δ)(˚) 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 s (mm) 0.00 1.73 11.73 30.00 48.27 58.27 60.00 60.00 60.00 60.00 60.00 58.27 48.27 v (m/s) 0.00 0.24 0.72 0.96 0.72 0.24 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.24 0.72 a(m/s/s) b(α压力角/˚) 0.00 7.18 20.89 7.04 20.90 6.30 0.00 5.26 20.89 4.51 20.90 4.16 0.00 4.10 0.00 4.10 0.00 4.10 0.00 4.10 0.00 4.10 20.89 4.15 20.90 4.45
195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360
30.00 0.96 0.00 11.73 0.72 20.89 1.73 0.24 20.90 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
vmax=0.96(最大速度) amax=24.12（最大加速度）
5.18 6.23 7.12 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18 7.18
根据上面的程序可以完成绘制轮廓曲线图，详见程序运行结果。根据上表做出位移， 速度，加速度曲线图。
根据加速度曲线图可得，正弦加速度运动规律无刚性冲击也无柔性冲击。适用于中高 速轻载。 由表知压力角αmax=7.18˚， 这样γmin=90˚7.19˚=82.81˚， 满足了γmin>=40˚~50˚， 而且传动角比较大，机构传力效果好。
图7 平面凸轮轮廓曲线图
图8 平面凸轮位移曲线图
图9 平面凸轮速度曲线图
图10 平面凸轮加速度曲线图
根据加速度曲线图可得，正弦加速度运动规律(推程) 无刚性冲击也无柔性冲击，适用 于中高速轻载。正弦加速度运动规律(回程) 加速度有突变，不过这一突变为有限值，因而 引起的冲击很小， 为柔性冲击。 由表知压力角 αmax=33.69˚所以， γmin=90˚33.69˚=56.31˚ 满足了γmin>=40˚~50˚，传力性能良好。
根据上表做出圆柱凸轮轮廓曲线展开图。（速度，加速度曲线图与平面凸轮的速度， 加速度曲线图作法类似）。
图 11 圆柱凸轮轮廓曲线展开图
十一. 电动机的选择
曲柄OA 的角加速度ω1=2π/T=2π/0.5 =12.566rad/s 转速 n1=60/T=120r/min
因此选择同步转速为 n0=750 r/min(8 级) ，50Hz ，380V 的电动机即可。这样， 曲柄 OA 每转一周，镦头完成两次镦压(预镦和终镦) ；顶料机构转一周顶料一次，ω2=2π/T=2π/0.5 =12.566rad/s 转速n2=60/T=120r/min， 截料与运料机构转一周， 完成一次循环， 送料一次， ω3=2π/T=2π/0.5 =12.566rad/s 转速n3=60/T=120r/min，这样使得 n1= n2= n3，传动比ί=1。 整个系统完成一次循环，生产一件成品。满足了生产率为120只/分的要求。
十二 脱模机构分类
塑件顶出方法受塑件材料及形状等影响，由于塑件复杂多变，要求不一，导致胶件的脱 模机构也多种多样。
按动力来源分，脱模机构可分为三类：
（1）手动推出机构 指当模具分开后，用人工操纵脱模机构使塑件脱出,它可分为模内手 工推出和模外手工推出两种。这类结构多用于形状复杂不能设置推出机构的模具或塑件 结构简单、产量小的情况，目前很少采用。
（2）机动推出机构 依靠注射机的开模动作驱动模具上的推出机构，实现塑件自动脱模。 这类模具结构复杂，多用于生产批量大的情况，是目前应用最广泛的一种推出机构，也 是本章的重点。它包括顶针类脱模，司筒脱模，推板类脱模，气动脱模，内螺纹脱模及 复合脱模。
（3）液压和气动推出机构 一般是指在注射机或模具上设有专用液压或气动装置，将塑 件通过模具上的推出机构推出模外或将塑件吹出模外。
按照模具的结构特征分,脱模机构可分为：
一次脱模机构、定模脱模机构、二次或多次脱模机构、浇注系统水口料的脱模机构、带 螺纹塑件的脱模机构等。
3. 对脱模机构的要求
模具打开时，塑件必须留在有顶出机构的半模上。
由于注射机的推杆在安装后模的一侧，所以注射模的顶出机构一般在后模。这种模具结 构简单，动作稳定可靠。（特殊情况也用倒推模，此时塑件开模后必须留在前模。 顶出行程合理，制品可自由落下
顶出机构必须将塑件完全推出，完全推出是指制品在重力作用下可自由落下。顶出行程 取决于制品的形状。对于锥度很小或没有锥度的制品，顶出行程等于后模型芯的最大高
度加 5～10mm 的安全距离。对于锥度很大的制品，顶出行程可以小些，一般取后模型芯 高度的1/2～2/3之间即可。
顶出行程受到模胚方铁高度的限制，方铁高度已随模胚标准化。如果顶出行程很大，方 铁不够高时，应在订购模胚时加高方铁高度，并在技术要求中写明。
4. 脱模机构的设计原则
制品顶出是注射成型过程中的最后一个环节,顶出质量好坏将直接影响制品的质量,设计 时应遵循以下原则。
1) 顶针位置设计的一般原则：
1、顶出要平衡，顶针必须均匀布置，以防顶出后胶件变形。
2、应注意塑件的美观性,尽量将顶针布置在产品装配后看不到的部位的地方，这一点对 于透明制品尤其重要。要知道，任何顶针都会在胶件上留下痕迹，而且随着顶针在生产 过程中的不断磨损，这种痕迹会越来越明显。
3、顶针应落在最有利于成品出模，即脱模力最大的地方；顶出力必须施加于胶件的最底 点，将胶件推出，而不是拉出。见下图：
4、 顶出力必须作用在制品能承受最大顶出力的部位,即刚性好， 强度最大的部位.如壁边， 骨位、柱位下面，壳体侧壁，作用面积也尽可能大一些（即尽可能选直径大的顶针），以 防塑件变形或损坏。尽量避免受力点作用于制品薄平面上，防止制品破裂,穿孔,顶白等。 如筒形制品弃用顶针顶出而选择推板顶出。
5、为防止制品变形,受力点应尽量靠近型芯或难于脱模部位,如细小的柱位与骨位。
7、顶针尽量布置于胶件的拐角处。
8、顶针应尽可能对称布置。
9．在有滑块侧抽芯和斜滑块的模具中，顶针尽量布置于侧抽芯或斜滑块在分模面的投影 面之外。如无法避免，则要加顶针先复位机构。顶针先复位机构图详见本章第节。
10、为方便水口脱落，在水口转角处应落水口顶针。
11、啤PP 料及K 料可采用垃圾钉顶出。啤ABS 等其它塑胶，当顶出力很小且成品上不允 许留有顶针痕迹时，也可以采用垃圾钉顶出。
12、顶针应尽量落在较平的地方，如果落顶针处斜度较大，顶针应磨成阶梯状以增大顶 出力，或在不影响功能的情况下加大箭脚或顶针柱。
13、局部胶位较深时，由于脱模力大，轻易顶白或顶穿，在不影响功能的前提下，顶针 应傍骨，加头箭脚或出顶针柱。傍骨或出顶针柱时，顶针一般用Φ3/32”或Φ7/64”， 大件成品且胶位较厚时亦可采用Φ1/8”顶针。
14、成品上有较深凹位时，一般在内骨底落 Φ7/64”或 Φ1/8”顶针出顶针柱或跟客户 要求主骨两测傍骨出顶针柱。
15、螺丝柱、定位柱等深孔部位一般落司筒或在柱两侧傍骨出顶针柱。实心柱底要落顶 针，可以防止困气，也可以防止火花加工（EDM ）时积碳。
16、顶针边离胶位边一般应有1—2mm距离，当顶针傍柱位骨位顶出时，顶针边离胶位边 不应超过 2mm 距良，当顶针位钢料低于周边钢料时，顶针边离胶位边可以作到 0.5mm 距 离;
17、PVC 料不宜顶垃圾钉及分流道不能直冲型腔。但 PVC 等软胶的公仔模(铍铜模、雕刻 模)一律采用顶垃圾钉的方式出模，顶针大小为 Φ5/32”或 Φ3/16”。垃圾钉应落在公 仔较平整无花纹的部位，方便披水口，且顶出要平衡垃圾针要离开胶位边2mm 以上。
18、顶针与撑头及运水之间最少要保证有3—4mm的钢位。
19、顶针图的标数采用坐标标注法，基准要和模具排位图的基准一致。顶针标数要准确 且要拿整数，最多可给一位小数。要小心顶针破边，一般顶针边离胶位边应有1—2mm距 离。
2) 顶针大小设计的一般原则：
1．因为下列理由，顶针外径应尽量取较大值:
1）防止因射出压力而弯曲。
2）防止因脱模阻力而弯曲、破损。
3）防止白化。
2．在大平面上不宜用小顶针。
3．在不影响制品脱模和位置足够时应尽量采用同一型号大小顶针, 以方便开料,加 工.(如 5mm舆 6mm,可以的话选用其中一种)。
4．顶出零件和型芯的配合为间隙配合，配合公差为H7/f7。配合长度10～20mm。
5. 每一套模具顶针直径尺寸不宜太多种，否则加工时需频频换刀，既浪费时间也容易出 错。
3) 顶针数量设计的一般原则：
顶针的数量往往取决于经验。一般情况下，顶针数量越多，顶出效果就越好，但不必要 的顶针会提高模具的制作成本。因此在保证胶件能可靠顶出的情况下，应尽可能减少顶 针的数量。但对于经验不足的工程师，本人建议，在不影响外观及运水布置的情况下， 顶针宁多勿少。因为如果在试模时发现胶件顶白或变形，再增加顶针会非常麻烦。但宁 多勿少并非滥用，而是当你在X 根和X+1根之间犹豫不决时，你就用X+1根。
4) 顶针设计的其它原则：
1、能用顶针则不用司筒，能用圆顶针则不用扁顶针。原因很简单，司筒和扁顶针制造成 本高，且易磨损，寿命不如圆顶针，维修也不便。
2、当塑件上不允许有顶针印时，可在产品周边适当位置加辅助垃圾钉顶出（6-9所示）。
3、顶针与后模镶件的间隙应小于所啤塑料的溢边值。各种塑料的溢边值见第一章《塑料 及其注塑成型工艺》。
4、注意整体布局均匀,特殊情况要考虑采用多种顶出装置.如:斜顶,司筒针,推板,二次强 行脱模,油缸拉动,气体顶出等复合脱模。
5、顶出件不能兼作型芯。
6、有方向性要求的顶针，司筒头要做（磨）单边或双边管位以防止转动。
7、当在斜面或曲面上配置时，顶针必须防转，且顶针顶端要加胶线防止出现顶滑现象。
8、避免因真空吸附而使胶件产生顶白、变形，可采用复合脱模或用透气钢排气，如顶杆 与推板或顶杆与顶块脱模，顶杆适当加大配合间隙排气，必要时还可设置进气阀。
5. 顶针脱模
顶针包括圆顶针，扁顶针及异形顶针。其中圆顶针推出时运动阻力小，推出动作灵活可 靠，损坏后也便于更换，因此在生产中广泛应用。圆顶针推出机构是整个推出机构中最 简单、最常见的一种形式。扁顶针截面是长方形，加工成本高，易磨损，维修不方便。 异形顶针是根据胶件推出位的形状而设计的，如三角形，弧形，半圆形等，因加工复杂， 很少采用，此处不作探讨。
1) 圆顶针
圆顶针是最简单,最普通的顶出装置.圆顶针与顶针孔都易于加工,因此已被作为标准件 广泛使用。圆顶针有无托顶针和有托顶针二种。顶针直径在 φ2.5 以下而且位置足够时 要做有托顶针，大于φ2.5都做无托顶针。见图。
1、圆顶针优点是：
（1）制造加工方便，成本底。圆孔钻削加工，比起其它形状的线切割或电火花加工，要 快捷方便得多。另外，圆形顶针是标准件，购买很方便，相对于其它顶针，它的价钱最 便宜。
（2）阻力小。可以证明，面积相同的截面，以圆形截面的周长最短，因此摩擦阻力最小， 磨损也最小。
（3）维修方便。圆形顶针尺寸规格多，有备件，更换方便。
2、圆顶针缺点：
顶出位置有一定的局限性。对于骨位，胶件边缘，及狭小的槽，布置圆顶针有较困难， 若用小顶针，几乎没有作用。
3、圆顶针位置设计
（1）顶针布置顺序: 四周、加强筋、Boss孔(套筒或 两支顶针)。顶针不能太靠边,要保 持1.2mm 以上的钢位。
（2）对于表面不能有顶针印的产品，可在产品周边适当位置加辅助垃圾钉顶出（6-9 所 示）
（3） 顶针尽可能避免设置在高低面过渡的地方；顶针尽量不要放在镶件拼接处，若无 法避免，可将顶针对半做于二个镶件上，或在二镶件间镶圆套。如下图。
（4）顶针可以顶螺丝柱（Boss）：低于20mm 以下的螺丝柱，如果旁边能够下顶针的话可 以不用司筒,而在其附近对称加两支顶针。见图。
（5）顶针可以顶骨位：顶骨位的顶针一般用直径 3/32“或者 7/64”，但这样的话，骨 位二边会增加一些胶位，须征得客户同意，且要保证：①不影响产品的装配和使用功能； ②不能导致制品表面缩水，如图6-7所示图加顶针。
（6）顶针可以顶边：顶边有二种方法，一是边外部加胶，顶针全部顶胶位（见图），由 于要多出胶位，须征得客户同意。二是顶针顶部分胶位（见图），因为有一部分要顶前模 内模，易将前模内模顶出凹陷而出披风。
4、圆顶针大小设计
（1）除非特殊情况,模具应避免使用 1/16"( 1.5mm)以下的顶针,因细长顶针易弯易断。 细顶针要经淬火加硬,使其具有足够强度与耐磨性。直径1/8“～1/4”的顶针用的较多。
（2）直身顶针规格：顶针直径×顶针长度，如：￠3/16“×120mm。。
（3）顶针过长或顶针偏小时,要用有托顶针。使用有托顶针开料时,应注明托长。如：
1.5mm ×( 3× 90托长)×（200总长）
（4）顶针标准件长度系列： 50,100,150，200，......
（5）直身圆顶针：3/64” ～1”,长度可达630mm；加托圆顶针最长14”(315mm)，托长 1/2”～2”。
（6）落顶针时应视胶件大小尽可能落大一些的顶针。一般Φ3/16”—Φ5/32” 为常用， 成品特别大时可落Φ1/2”，或视需要落更大的顶针。
5、顶针的固定形式
顶杆固定在顶针固定板上，如果顶胶件的面是斜面的话，固定部位要加防转销。见下图 所示。
6、设计顶针的注意事项：
（1） 顶针在距型芯表面一段距离后要避空, 以减少与模具的接触面积,避免发生磨损烧 死（咬蚀）。有效配合长度=（2.5～3）D，最小不得小于8mm，尺寸（图6-3示）：
（2）对于顶针顶出面为斜面的场合，为防止产品跟斜顶滑行，斜顶附近的顶针面要磨 “+”形或平行的槽位（图6-8）。若顶针面是斜面或其它异形面，头部须加防转销（管位） 防转。
（3） 一般场合顶针面应高于呵（CORE）平面，在不影响功能与使用的情况下,顶针一般 高出开模面0.05～0.08mm。对于胶位平面有要求的场合可考虑在顶针周边加沉台， 十三. 参考资料
1. 邹慧君主编 机械原理课程设计手册 高等教育出版社
2. 赵匀主编 机构数值分析与综合 机械工业出版社
3. 阿尔托包列夫斯基等著作 孙可宗 陈兆雄 张世民 译
平面机构综合 上册 人民教育出版社
4. 葛文杰 陈作模等主编 机械原理 高等教育出版社
5. 申永胜主编 机械原理教程 清华大学出版社
6. 杨路明主编 C 语言程序设计 北京邮电大学大学出版社
7. 杨裕根主编 现代工程图学 北京邮电大学大学出版社