一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器

1.本发明涉及机械冲孔设备领域，尤其涉及一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器。


背景技术：

2.冲孔设备被广泛地应用到机械零件生产等制造业当中。在目前的制造业中越来越提倡自动化和现代化，各大加工厂的加工设备也在不停地更新换代，提高了生产效率。冲孔设备的不断进步使得其种类繁多功能全面，但是同时也提高了生产成本。对于小规模的生产商家则不适合采用这类生产设备。比如五金店铺、广告牌制作等小成本自营门面，他们往往需要在钢板上冲出一定数量的小孔，通常他们的生产批量小，加工对象灵活多变，在这些加工场合不宜采用成本过高或体积过大的加工设备。并且这些工作场合是手动冲孔，通常需要有很大的力放大系数。市面上现有的手动冲孔器通常采用了杠杆作为力放大机构，因此在获得较大力放大系数的前提下，手柄张开尺寸较大，不适合使用者单手操作。并且其底座部分容易变形，在冲裁力的作用下使得冲头和凹模的轴线出现偏差，从而加大了冲裁力并且影响冲孔质量。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决上述技术问题而提出的一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器，采用铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构以获得更大的力放大系数，并保证结构尺寸不会过大，输入力依次通过铰杆、杠杆、铰杆进行三次放大，通过推杆将力输出以完成所需要的冲孔动作，操作人员单手即可完成冲孔作业。
4.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
5.一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器，包括冲孔器主体、底座和压杆，所述底座内设置有用于冲孔的冲头和凹模，还包括有三级力放大机构，所述压杆通过三级力放大机构推送所述压头向所述凹模方向移动。
6.优选的，所述三级力放大机构包括有一组对称设置的杠杆以及分别铰接于其两端的第一铰杆和第二铰杆，两个所述杠杆的中部均铰接于所述冲孔器主体上，两个所述第二铰杆的另一端共同与铰接于冲孔器主体上的所述压杆的阻力臂铰接，两个所述第一铰杆的另一端分别铰接于推杆的两端。
7.优选的，所述第一铰杆、杠杆和第二铰杆的铰接处均采用销钉连接，并且所述销钉上插接有开口销；所述第二铰杆与所述压杆的铰接处采用六角头螺栓和六角螺母相配合连接。
8.优选的，所述冲头通过冲头固定螺钉相对于垂直固定于所述推杆的中部，并且所述冲头的外部套设有复位弹簧；所述冲头与通过凹模固定螺钉固定在底座上的凹模间隙配合。
9.优选的，所述底座内沿垂直于冲头的轴线方向上通过定位块固定螺钉安装有定位
块。
10.优选的，所述底座采用工字形截面，不仅可以减轻冲孔器的重量，而且能使底座依然保持足够的强度。
11.优选的，所述压杆压杆采用杠杆结构，起到一定的力放大作用，其动力臂长度为100mm，所述压杆的阻力臂长度为42-44mm，因此压杆可实现大于2的放大倍数。冲孔器底座承受较大的冲裁力载荷，容易变形，因此需要对底座进行优化。本发明通过三维软件creo中的simulate静力分析底座截面各尺寸对底座变形的影响，从而获较优的尺寸方案使得底座变形尽量减小。在钢板为1mm厚304不锈钢的前提下，冲裁力约为6172n，依次设置各尺寸的范围，随着尺寸的增加得出底座变形情况，通过分析结果选出较优的尺寸方案。分析中设置合理的尺寸范围：h＝10-20mm，a＝0-8mm，b＝3-10mm，l＝10-20mm。并分别在这些尺寸范围里得出底座最大变形量的敏感度曲线。通过观察静力分析曲线图可明显的得出当h在10mm-20mm的范围内变动，在冲裁力作用下，底座最大变形量的大小随着尺寸的增大而减小。同理，随着的l增大、a的减小、b的增大，底座最大变形量也会增大。
12.优选的，所述压杆的动力臂长度为100mm；所述杠杆的动力臂和阻力臂长度各为50mm；所述第一铰杆长度为70mm，所述第二铰杆的长度为50mm。通过对敏感度图分析可知h的曲线呈下降趋势并逐渐趋于平稳，其对底座变形的影响逐渐变小；l的曲线同样呈现下降趋势，在l值大于17mm时变形量基本不变；a的曲线总体呈上升趋势，但其对变形量的影响很小，从0增加到8mm，底座的最大变形量仅增加了0.03mm；b的曲线呈现下降趋势，同样对底座变形量的影响很小，b由3mm逐渐增加至10mm，对应的底座最大变形量由0.292mm降低到0.274mm。由上述分析结果选出合理的尺寸h＝20mm、l＝17mm、a＝5mm、b＝5mm。
13.优选的，利用底座的三维建模，通过静力分析得出：所述底座内所述冲头和所述凹模的同轴度偏差为0.0143mm。
14.本发明的有益效果为：
15.(1)本发明中冲孔器的主要结构采用7075铝合金，在保证结构强度的前提下能够有效地降低设备质量，操作方便且便于携带。
16.(2)本发明采用铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构以获得更大的力放大系数，并保证结构尺寸不会过大，三级力放大机构由铰杆、杠杆、铰杆依次串联得到的，输入力依次通过铰杆、杠杆、铰杆进行三次放大，通过推杆将力输出以完成所需要的冲孔动作，操作人员单手即可完成冲孔作业。
17.(3)本发明还对底座结构进行优化，采用工字形截面，在减轻整个冲孔器质量的同时又能使其满足强度要求，并且其形变较小，保证冲头与凹模的轴线同轴度小于0.05mm，从而保障了冲孔质量。
附图说明
18.图1为本发明提出的一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器整体结构示意图；
19.图2为本发明提出的一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器力放大机构的结构示意图；
20.图3为本发明提出的一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器中压
杆的结构示意图；
21.图4为本发明提出的一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器底座部分结构示意图；
22.图5为本发明提出的一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器力放大机构初始位置与结束位置示意图；
23.图6为本发明提出的一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器中底座横截面示意图；
24.图7-10分别为本发明底座变形分别对横截面尺寸h、l、a、b的敏感度图。
25.图中：1、冲孔器主体；2、推杆；3、第一铰杆；4、杠杆；5、第二铰杆；6、压杆；7、销钉；8、开口销；9、六角头螺栓；10、六角螺母；11、冲头固定螺钉；12、复位弹簧；13、冲头；14、定位块；15、定位块固定螺钉；16、凹模；17、凹模固定螺钉；18、底座。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
27.实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释发明型，而不能理解为对发明型的限制。
28.在发明型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明型的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在发明型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.在发明型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在发明型中的具体含义。
31.实施例一
32.本发明提出一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器，包括冲孔器主体1、底座18和压杆6，底座18内设置有用于冲孔的冲头13和凹模16，为了不影响使用者单手操作，本发明在不改变冲孔器结构大小的基础上，通过利用三级放大机构来增加冲孔器的力放大系数，压杆6通过三级力放大机构推送压头13向凹模16方向移动，从而完成对钢板的冲孔作业。
33.具体的，如图1-2所示，本发明中的三级力放大机构包括有一组对称设置的杠杆4
以及分别铰接于其两端的第一铰杆3和第二铰杆5，两个杠杆4的中部均铰接于冲孔器主体1上，两个第二铰杆5的另一端共同与铰接于冲孔器主体1上的压杆6的阻力臂铰接，两个第一铰杆3的另一端分别铰接于推杆2的两端，工作人员通过压杆6施加压力，经过由第二铰杆5、杠杆4、第一铰杆3组成的三级力放大机构放大传递到底座18。
34.为了方便安装与拆卸，第一铰杆3、杠杆4和第二铰杆5的铰接处均采用销钉7连接，并且销钉7上插接有开口销8；而压杆6存在长圆孔，不便于使用开口销8，因此压杆6第二铰杆5与压杆6的铰接处采用六角头螺栓9和六角螺母10相配合连接。
35.如图4所示，冲头13通过冲头固定螺钉11相对于垂直固定于推杆2的中部，并且冲头13的外部套设有复位弹簧12，冲头13通过冲头固定螺钉11固定在推杆2上，随着推杆2的运动进行冲孔工作，完成一次冲孔后通过复位弹簧12恢复原始位置，提高了冲孔效率。冲头13与通过凹模固定螺钉17固定在底座18上的凹模16间隙配合，底座18内沿垂直于冲头13的轴线方向上通过定位块固定螺钉15安装有定位块14，凹模16由定位块固定螺钉15固定，防止在冲头13复位时被带出底座18，松开定位块固定螺钉15可以调整定位块14的位置。
36.本发明中底座18以及三级力放大机构采用7075铝合金，其强度高有良好的机械性能，并且密度较小，在保证结构强度的前提下能够有效地降低设备质量。
37.为了兼顾底座18的强度和重量，本实施例中底座18采用工字形截面，底座18截面的各个尺寸为：h＝18mm，a＝3mm，b＝3mm，l＝10mm；组成本发明冲孔器的其它各个结构的尺寸分别为：压杆6的动力臂长度为100mm，压杆6的阻力臂长度为42mm，杠杆4的动力臂和阻力臂长度各为50mm；第一铰杆3长度为70mm，第二铰杆5的长度为50mm。
38.本发明利用有限元得出冲孔器底部18变形量对底部各尺寸的敏感度，根据这些数据设计底座尺寸，合理减小了冲孔器的质量，并且保证底座18的变形在合适的范围内，从而保证了冲头16与凹模16的同轴度偏差为0.0143mm。
39.底座18的横截面的各个尺寸为：h＝20mm、l＝17mm、a＝5mm、b＝5mm；杠杆4的动力臂和阻力臂长度各为50mm；第一铰杆3长度为70mm，第二铰杆5的长度为50mm。
40.实施例二
41.本实施例中底座18截面的各个尺寸为：h＝20mm，a＝5mm，b＝5mm，l＝17mm；组成本发明冲孔器的其它各个结构的尺寸分别为：压杆6的动力臂长度为100mm，压杆6的阻力臂长度为43mm，杠杆4的动力臂和阻力臂长度各为50mm；第一铰杆3长度为70mm，第二铰杆5的长度为50mm。
42.实施例三
43.本实施例中底座18截面的各个尺寸为：h＝10mm，a＝8mm，b＝10mm，l＝20mm；组成本发明冲孔器的其它各个结构的尺寸分别为：压杆6的动力臂长度为100mm，压杆6的阻力臂长度为44mm，杠杆4的动力臂和阻力臂长度各为50mm；第一铰杆3长度为70mm，第二铰杆5的长度为50mm。
44.本发明提出一种基于铰杆-杠杆-铰杆三级力放大机构的手动冲孔器，使用时，工作人员通过压杆6施加压力，经过由第二铰杆5、杠杆4、第一铰杆3组成的三级力放大机构放大传递到底座18，三级力放大机构的动作状态如图5所示，其中abocd为三级力放大机构的初始位置，abocd为三级力放大机构的结束位置，α为10
°
，β为8
°
。冲头13通过冲头固定螺钉11固定在推杆2上，随着推杆2的运动进行冲孔工作，完成一次冲孔后通过复位弹簧12恢复
原始位置。
45.另外，为了验证本发明中三级力放大机构可以取得较大的力放大系数，现根据组成三级力放大机构各个结构的数据结合附图5中记载的内容通过计算进行分析：
46.根据铰杆-杠杆-铰杆三级力放大系数公式：
[0047][0048]
其中l
ob
、l
oc
分为杠杆4的动力臂和阻力臂，设计中动力臂取为50mm，阻力臂同样取为50mm。α为行程结束时铰杆ab与水平方向的夹角,β为行程结束时铰杆cd与竖直方向的夹角，由公式可知这两个夹角越小，力的放大倍数越大，在本设计中α取为10
°
，β取为8
°
。
[0049]
分别为铰杆5与杠杆4的摩擦角、杠杆4与铰杆3的摩擦角，
[0050]
根据摩擦角计算公式：
[0051]
式中r为销钉7的半径，f为铰链副摩擦系数。本设计方案中销钉半径r＝6，铰杆l
ab
长度为50，铰杆l
cd
长度为70，摩擦系数f＝0.47。代入公式得到摩擦角分别为：将所得参数带入i
p
中，得出三级力放大机构的放大系数为14.7。除此之外压杆6也具有力的放大效果，放大倍数iq为动力臂除以阻力臂：
[0052][0053]
因此整体机构的放大倍数i为：
[0054]
i＝i
p
×iq
≈14.7
×
2.3＝33.8
[0055]
配合压杆6大于2的放大系数，得出整体机构的放大系数约为33.8。
[0056]
通过上述计算分析可得出，本发明中的三级力放大机构相较于传统的杠杆结构可显著提高力放大系数，在不改变手动冲孔器的尺寸基础上，人员单手操作就能完成对钢板的冲孔作业。
[0057]
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。