（机械设计及理论专业论文）行程可控压力机传动系统构型设计及其工作性能研究.pdfVIP

摘要 1 1 1 111 1i ii l ll i i ! iiiiii 1 y 2 0 4 9 3 8 9 针对不同的工艺需求，有各种类型的压力机。普通机械压力机通常可以完成 板料冲裁、弯曲、浅拉伸、精整及模锻等工艺，能够满足大部分情况下的工艺需 求。在薄板深拉伸的工艺过程中，若采用传统的曲柄连杆式压力机，拉伸件的合 格率低，造成的废品较多。针对传统压力机在这方面的不足，通过对比分析机械 压力机和液压机的优缺点，结合多杆机构的特点，提出了一种行程可控压力机构 型，该行程可控压力机对于这类特殊的冲压工艺，不仅适用性好，公称力行程较 大，而且压力行程按照工艺需求在一定范围内可调节，行程次数相对较高。 首先对现有压力机的运动特性和工艺性进行了分析，针对这类特殊工艺，指 出了现有压力机的不足之处，然后提出一种新构型压力机。从新构型压力机的结 构入手，阐述了工作原理，建立了传动系统数学模型，对传动系统进行了运动学 分析，得出了传动系统中各构件输入输出的关系，以及各构件之间的运动特性。 此外，对构件进行了动态静力学分析，动力学分析，根据达朗贝原理，列出了各 构件的力和力矩平衡方程，最后得出了各构件铰链处的受力线性方程组。通过等 效构件模型法，对传动系统的各个构件进行了动力学分析，建立了传动系统构件 的等效力学模型，并求解了等效力学模型运动方程，得出了q 啪和t - ( o 的关系式。 设定了传动系统各构件具体的杆长参数和运动参数，应用a d a m s 软件对其传动 系统进行了运动仿真分析，验证了传动系统输入与输出的关系，并进行了误差分 析。给出了各构件摆动角度及角速度的仿真曲线。 用m a t l a b 对工艺行程路线进行图形学分析，同时应用s o l i d w o r k s 建立该构型 的虚拟样机三维模型，并利用a d a m s 软件对虚拟样机模型进行了仿真分析，获 得了冲压工艺能力曲线，滑块行程行程曲线、速度曲线、加速度曲线。应用 a u t o m a t i o ns t u d i o 液压仿真软件对液压传动系统进行了仿真分析，并对液压元件进 行了选型。创建了液压系统的拓扑结构模型，建立了各子系统的数学模型。根据 液压控制回路以及工艺动作路线，确定了液压系统的p l c 控制方案。应用a n s y s 软件对机身体进行了有限元分析，计算出机身的角变形及其最大应力。 基于本文的研究工作，该行程可控压力机的物理样机已经研制成功。根据物 理样机测试结果，并结合行程可控压力机的特点，给出了该类机床的优缺点以及 工艺适用范围。 关键词：传动系统；运动学分析；动力学分析；仿真分析：有限元分析；液压传 动 i i a b s t r a c t d u et ot h ev a r i o u sp r o c e s sr e q u i r e m e n t s ，t h e r ei saw i d er a n g eo fp r e s s u s u a l l y ， c o m m o nm e c h a n i c a lp r e s sc a nf o l l o wt h er e q u e s t so fg e n e r a lp r o c e s sa n dp e r f o r m m a n yt a s k s ，s u c ha ss h e e tm e t a lp u n c h i n g ，b e n d i n g ，s h a l l o wd r a w i n g ，f i n i s h i n ga n d f o r g i n g ，e t c i nt e r m so ft h et h i ns h e e ts t r e t c h i n g ，t h et r a d i t i o n a lc r a n kc o n n e c t i n gt y p e p r e s sc o u l dd e c r e a s et h et e n s i l es t r e n g t ho fp r o d u c t sa n dc a u s em o r ew a s t e 。f o rs e t t i n g o f ft h i sd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp r e s s ，a t y p eo fs t r o k ec o n t r o l l a b l ep r e s s c o n f i g u r a t i o n sh a s b e e nd e s i g n e db ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt h eb e n e f i t sa n d l i m i t a t i o n so ft h em e c h a n i c a lp r e s sa n dh y d r a u l i c p r e s s ，w h i c ha l s o a d di nt h e a d v a n t a g e so fm u l t i p l es t e mi n s t i t u t i o n s i nt h er e s p e c to f t h i ss p e c i a ls t a m p i n gp r o c e s s ， t h es t r o k ec o n t r o l l a b l ep r e s sh a sb e t t e ra p p l i c a b i l i t ya n di t sn o m i n a la b i l i t yt r a v e li s b i g g e r f u r t h e r m o r e ，i t sp r e s s u r es t r o k ec a nb ea d j u s t e dw i t h i ni nc e r t a i ns c o p eb y f o l l o w i n gt h er e q u e s to fp r o c e s s ，a n dt h et r a v e lt i m e sa r er e l a t i v e l yh i g h t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe x i s t i n gp r e s s ，m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n df o r m a b i l i t y ， t h ed i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n gp r e s sc a nb ep o i n t e do u t t h u s ，an e wc o n f i g u r a t i o n p r e s sc a nb ep r o p o s e db ys t u d y i n ge x i s t i n gp r e s s t h es t u d yo ft h i sp a p e rs t a r t sw i t h t h es t r u c t u r eo ft h en e wc o n f i g u r a t i o np r e s s ，e x p o u n d st h ep r i n c i p l eo fw o r ka n d e s t a b l i s h e st r a n s m i s s i o ns y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hk i n e m a t i c a la n a l y s i st ot h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h r o u g hw h i c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne v e r yi n p u ta n do u t p u t c o m p o n e n to f t r a n s m i s s i o n s y s t e m a n dt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e n c o m p o n e n t sa r eg o t t e n i na d d i t i o n ，t h es t r e s so ft h eh i n g ec o m p o n e n t si n l i n e a r e q u a t i o n si sc o n c l u d e dw i t hd y n a m i c sa n ds t a t i c sa n a l y s i st oc o m p o n e n ta s w e l la s c o m p o n e n t sf o r c ea n dm o m e n tb a l a n c ee q u a t i o nl i s t e d a sp e rd a l e m b e r tp r i n c i p l e d y n a m i ca n a l y s i st o t h ec o m p o n e n t so ft r a n s m i s s i o ns y s t e ma sp e rt h ee q u i v a l e n t c o m p o n e n tm o d e lm e t h o d w i t he s t a b l i s h m e n t o fe q u i v a l e n tm e c h a n i e a lm o d e lt o t r a n s m i s s i o ns y s t e mc o m p o n e n t sa n ds o l u t i o nt ot h ee q u a t i o no fe q u i v a l e n tm o t i o n ，t h e e q u i v a l e n t o - 0 3a n dt - t oi so b t a i n e d t r a n s m i s s i o ns y s t e mc o m p o n e n t ss p e c i f i cl e n g t h p a r a m e t e r sa n dt h em o v e m e n tp a r a m e t e r sa r es e tw i t ht h eh e l po fa d a m s s o f t w a r ef o r t h em o t i o ns i m u l a t i o n a n a l y s i s t oi t st r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h er e l a t i o n s h i po f t r a n s m i s s i o ns y s t e mb e t w e e ni n p u ta n do u t p u ti sv e r i f i e d ，a n dt h ee r r o rs o u r c e si s a n a l y z e d s w i n ga n g l ea n dv e l o c i t ys i m u l a t i o nc u r v eo f e a c hc o m p o n e n ti so b t a i n e d w i t hg r a p h i c sa n a l y s i st oc r a f tp r o c e s st r i pb ym a t l a ba n dv i r t u a lp r o t o t y p e3d m o d e lb u i l d u pt ot h ec o n f i g u r a t i o no ft h ea p p l i c a t i o nb ys o l i d w o r k s ，a sw e l la s v i r t u a l p r o t o t y p i n gm o d e ls i m u l a t i o na n a l y s i sb ya d a m ss o f t w a r e ，t h es t a m p i n g p r o c e s sc a p a c i t yc u r v e ，t h es l i d e rt r i pi t i n e r a r yc u r v e ，s p e e dc u r v ea n da c c e l e r a t i o n c u r v ea r eg a i n e d w i t ht h eh e l po fa u t o m a t i o ns t u d i o ，s i m u l a t i o na n a l y s i s t o i l l h y d r a u l i c d r i v e s y s t e ma n dt h es e l e c t i o no fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sa r eg a i n e d ； t o p o l o g i c a ls t r u c t u r em o d e lt oh y d r a u l i cs y s t e mi sc r e a t e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fe a c hs u b s y s t e mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h eh y d r a u l i cc o n t r o lc i r c u i ta n dc r a f t o p e r a t i n gr o u t e s ，t h ep l cc o n t r o ls c h e m et ot h eh y d r a u l i cs y s t e mi sd e c i d e d f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i st om a c h i n eb o d yb ya n s y ss o f t w a r eh e l p sc a l c u l a t i n gt h em a c h i n e b o d ya n g u l a rd i s t o r t i o na n di t sm a x i m u ms t r e s s b a s e do nt h e p a p e r ，p h y s i c a lp r o t o t y p et oc o n t r o l l a b l ep r e s st r i ph a sb e e n d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lt e s tr e s u l t s ，c o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o l l e dp r e s st r i p ，t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa n dt h e p r o c e s s i n gr a n g eo ft h em a c h i n ei sg i v e n k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o n ；k i n e m a t i ca n a l y s i s ；d y n a m i ca n a l y s i s ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；h y d r a u l i c 何彦忠：行程可控压力机传动系统构型设计及其工作性能研究 第一章绪论 1 1 课题提出背景及研究意义 压力机就是使用上、下模具，依靠对工具施加的关联运动使工件受力，从而 完成所要做的功，做功时产生的反作用力，由机械本身承受。压力机根据产生 压力的机制而分类。使用液体传动压力的称为“液压压力机”，使用机械传动压 力的称为“机械压力机”。液压压力机行程较长，压力可调节，加工速度稳定， 不会产生超负荷等等，这些都是它的特征。因此，由不同的加工内容来看，更能 显示出液压压力机比机械压力机有更多的优点。但是，机械压力机比液压压力机 效率高，维修容易，所以现在的板料加工大都使用机械压力机1 2 j 。机械压力机又 主要有：开式压力机，闭式压力机，高速精密压力机，高性能压力机，深喉口压 力机，专用及变形压力机等，而这些压力机根据其行程是否变化又主要有行程固 定式压力机和行程可调式压力机，行程固定式压力机，行程是不可调的，压力机 的加工工艺受到限制，满足不了一些用户的要求，因此出现了行程可调式压力机。 目前的行程可调压力机主要是轴颈部位装有偏心套式手动调节机构，该结构由于 是在轴颈部分调节偏心，因此由于传动时发热涨紧，不便调节，又因为结构限制， 调节级数很少，不能很好的满足可调行程的需要，而且由于是人力调节，极大的 限制了调节的自动化程度1 3 j 。此外，人们在长期的使用过程中，特别是在中厚板 冲压的工艺过程中，发现采用曲柄连杆机构的机械压力机，其滑块在冲压工艺过 程中的运行速度、加速度较大，使冲压成型中的零件易撕裂或起皱，冲压件的合 格率低，造成的废品较多；且压力机使用的模具在上、下模合模的瞬时冲击力较 大，容易使主机、模具的零、部件损坏，从而造成主机、模具的使用寿命降低； 而且曲柄连杆压力机负荷工作区域的滑块行程较短不适合中厚板冲压工艺的负 荷工作区域较长的要求。继传统的曲柄连杆压力机之后又出现了多杆压力机、液 压压力机和伺服驱动压力机，它们改进了传统的曲柄连杆压力机在性能方面的不 足之处。可是这种三种压力机不能从根本上满足对压力机设备的要求：低成本、 低费品率、高效、高精度、多样化生产。因此设计一种新的行程可调的、适应于 这类特殊冲压工艺的压力机构型具有很重要的意义。 针对目前机械曲柄压力机公称压力行程较小，压力行程不可调以及液压机在 中厚板冲压、拉伸时行程次数较低等问题，通过比较分析曲柄压力机与液压机的 特点，结合机械多杆压力机与液压机的优点，经过多次机械运动仿真分析、液压 传动仿真分析，以及尺寸优化计算，提出了一种新型行程可调压力机构型，从而 为这一特殊的冲压工艺行业弥补了空缺，并为今后这类新构型行程可控压力机的 设计提供了参考依据。 由于构型的改变，导致整个机床的各个部分的参数和布局发生变化，为了能 够使设计的结构更具有合理性和科学性，能够切实的投入生产使用，因此对传动 系统结构的静力学分析、动力学分析、静态动力学分析以及运动学分析以及参数 2 扬州大学硕士学位论文 优化分析是非常必要的【4 1 8 1 。 1 2 目前压力机床的发展趋势及市场需求分析 锻压机床是工业基础装备的重要组成部分之一，在航空航天、汽车制造、交 通运输、冶金化工等重要工业部门得到广泛应用。任何一个工业发达国家，其锻 压机床的技术水平和拥有量，是其工业发达水平的重要标志之一。迄今为止，我 国锻压机床经半个多世纪的发展，通过国家经济建设“七五”、“八五”、“九五”、 “十五”规划的实施，已经从只能生产单机( 诸如各种普通、专用压力机、液压 机、锤) 发展到能够生产装备机械化、半自动化和自动化锻压生产线，大重型锻 压机和具有各种特殊功能的先进特种锻压机床。改革开放以来，在引进国际先进 技术和合作生产的基础上，极大地提高了锻压机床的设计开发能力和制造水平。 目前市场上常见的锻压机械主要由：机械曲柄滑块压力机，机械多杆压力机，多 杆伺服压力机，机械液压混合驱动压力机等。 1 2 1 机械压力机 锻压生产在工业生产中的地位越来越重要，锻压机械在机床中所占的比重也 越来越大。近年来，锻压机械的拥有量日本为3 4 ，美国为3 2 4 。在锻压机械 中，又以曲柄压力机最多，占一半以上。用曲柄压力机可以进行冲压和模锻等工 艺生产，它广泛应用于汽车、农业机械、电器仪表、国防工业以及日用品等生产 部门。随着工业的发展，曲柄压力机的品种和数虽越来越多，质量要求越来越高， 压力越来越大。它在机械制造工业以及其它工业的锻压生产中的作用越来越显著。 例如，在汽车拖拉机工厂中，用热模锻压力机代替模锻锤生产模锻件已经成为一 个发展趋势。日本已有数条热模锻压力机生产线，其中一条1 1 0 0 0 0 k n 热模锻压力 机生产线是在1 9 7 1 年建成的，可以生产重达1 4 0 k g ，长达1 3 m 的曲轴以及重达 ，1 0 0 k g ，长达2 m 的汽车前梁，生产效率为每小时6 0 件。从装料、预热、剪切、锻 造、检验到包装、发送全部自动进行，全线仅用2 4 人，比模锻锤的生产效率高很 多，劳动条件大为改善。德国已经制造了若干条1 2 0 0 0 0 k n 的热模锻压力机自动生 产线，供应世界各国。我国也购置一条生产线对汽车锻件的生产起着良好的作用。 又如，冷挤压工艺是一种新兴的工艺，用冷挤压生产的零件表面粗糙度小，尺寸 精度高，直径为2 0 3 0 m m 的零件其公差范围可控制在0 0 1 5 m m 以内，因此，所生 产的零件不需要进行或少量进行切削加工即可使用。大大提高了生产率，并节约 了原材料。随着冷挤压工艺的发展，各种类型的挤压机应运而生，正在使加工行 业产生巨大的变化。再如，在日用品及家用电器生产中，如果不采用高速冲压自 动机，产品的成本与质量在国际市场上将失去竞争能力。因此大量制造和使用曲 柄压力机，已成为工业先进国家的发展方向之一【9 】。 近年来，曲柄压力机正向着高速度和高精度的方向发展，并努力降低噪音、 提高安全和扩大自动化程度，改善劳动条件。特别是采用微型计算机控制的曲柄 压力机，更具有先进的水平，现在用计算机控制压力机的数控压力机已经在市场 上得到广泛应用。随着工业的发展，对于锻压机械的发展也不断提出了新的课题， 何彦忠：行程可控压力机传动系统构型设计及其工作性能研究 3 就机械压力机目前的发展趋势主要表现为：高速，自动化化，智能化，高精度， 高效率，低噪音，柔性化，轻量化，低成本，多工位，市场需求多样化等。 如图1 1 所示为一台高速精密压力机，其滑块行程为3 0 m m ，公称压力行程为 3 m m ，滑块行程次数可达2 0 0 5 5 0 次分。分体螺柱预紧结构，整机具有较高的强 度和刚度，角刚度变形在2 角分之内；进口滚动导轨保证了导轨的冲压精度较高； 电动调模，数字显示；电子凸轮装置，智能上死点停止及多项安全功能；可配置 级进模；可搭配开卷、校平、自动送料装置，实现压力机自动化作业。 高速精密压力机主要表现为以下特点：床身材料采用高牌号、高强度铸铁并 经去应力回火及自然时效处理，确保其变形系数小，精度稳定；润滑系统采用全 封闭强制润滑，独创的工业风道设计，使冲压过程中的主体冷却更快、更自然； 机构的动摩擦系数 0 0 3 ；高压自动锁固系统，方便操作并保证锁固力，牢固精确； 配备标准反向动态平衡装置，实现高速运转的工作平稳性，提高主要零件的使用 寿命；微电脑控制系统直接显示冲床工作状态和故障情况，上死点停止控制， 便于模架与系统自检，方便了解与排除故障；空气压力系统全部采用s m c 标 准元器件，保证系统工作的稳定性；校模操作控制系统，结构设置分离，功能相 互自锁，提高操作的安全性，校模的可靠性与准确性；对冲床主要系统( 空气、 润滑、压力锁固) 采用了压力显示，压力开关保护等措施，提高系统的稳定性； 导向装置采用三圆柱定位导向，精度准确、稳定，检测维修方便。 图1 2 所示为一台多工位压力机，其最大行程5 0 m m ，行程次数5 0 2 0 0 次分。 采用变频器进行调速，使调速准确、可靠，扩大了工艺范围；采用组合式气动摩 擦离合制动器系统，使滑块能在行程的任意位置停止；滑块是由凸轮驱动的，在 上死点和下死点，可以横向加工。配置有整体式模架；各工位模具安装在模架上， 各个模具封闭高度单独可调，并且安装、调整方便；工位间由凸轮驱动传动，传 送平稳，重复定位精度高；具有独特的空气管路系统，并能对机器起过载保护作 用：p l c 电气控制系统，配有各种显示仪表和检测装置。机器运行出现异常时， 能自动报警、停车。 一jtsg-125 擎f l 图i i 高速精密压力机 4 扬州大学硕士学位论文 图卜2 多工位压力机 图1 3 柔性自动化锻压生产系统 图1 3 为一台柔性自动化锻压生产系统，其锻压机械配置有三坐标自动送料装 置。 机械式曲柄压力机结构简单，方便维护，整体结构刚度大，满足没有特殊运 动学要求冲孔，切边，整形，局部成型等冲压工艺。但其运动特性为正弦曲线， 滑块的运行速度在下死点附近为最小，工作行程不均匀，这类压力机有以下缺点： 滑块在拉伸过程中运行的速度、加速度较大，使拉伸成型中的零件易撕裂或起皱， 产品合格率低，废品较多；上、下模合模的瞬时冲击力较大，造成主机、模具的 使用寿命降低；负荷工作区域的行程较短，不适应深拉伸工艺的要求。这类压力 机结构上的缺陷极大地限制了深拉伸工艺的发展，因此对于拉伸压力机的研究就 显得非常重要。 我国济南第二机床厂从19 6 8 年久开始采用多连杆机构，特别是近年来为了适 应现代汽车工业的发展，满足生产线对双动、单动压力机提高生产率的要求，先 后研制了多种多连杆机构，并成功运用在产品上。如j 2 17 d 专用拉伸机，j b 4 6 315 闭式双动双点拉伸机，l d 4 8 0 0 6 0 0 、l d 4 12 5 0 7 5 0 闭式双动死点拉伸压力机及 何彦忠：行程可控压力机传动系统构犁设计及其_ l ：作性能研究5 l s 6 0 0 、l s 8 0 0 、l s 1 2 0 0 、l s 一1 5 0 0 闭式单动死点压力机均采用多杆机构。德国 舒勒( s h u l e r ) 公司生产的双动拉伸机上的内、外滑块均采用多连杆机构。 对拉伸、成形等精度要求比较高的冲压，比如：冲压工作行程需要较低速度 或较大的冲压力，往往采用多杆或多曲柄驱动压力机。早在7 0 年代，德国制造 的“g r a b e n e r ”肘杆压力机，能实现较低输入功率产生较大冲头压力，而且冲头速 度在下死点明显较小。同年代，法国“b l i s s ”公司设计的“p o w e r b a rp r e s s ”六杆 压力机具有长行程，特别适合于深拉伸，锻压和铸造。为了满足高速发展的汽车、 轻工等工业中薄板冲压成型、深拉伸等工艺的需要，更为复杂的滑块运动规律可 能采用双肘杆，八杆，九杆，十杆等多杆机构，按构型对单自由度多连杆压力机 进行分类有曲柄滑块机构，双曲柄机构和肘杆机构。 如图1 4 所示为德国舒勒公司生产的双动拉伸多杆压力机，其特点是增加了滑 块前进和返回的速度，所以有更多的时间用于拉伸工作，在工作区域内的低速和 空程的快速移动是用多杆机构产生的，不同速度之间的变换坡度小并且平滑，速 度变换期间的特性优于双速离合器传动，这不仅保证了良好的拉伸而且延长了传 动齿轮和连杆的寿命，避免了高的加速度和高的动力载荷。 1 2 2 液压机 此外，随着我国以汽车为龙头的制造业的飞速发展，大大刺激了锻压生产的 进步，新型的锻压装备不仅能确保通用产品的性能、质量和可靠性，且国产大型 精密高效的成套设备、自动化生产线、f m c 、f m s 等高新技术、高附加值的锻压 生产装备正在装各着我国的制造业，与国外公司竞争市场。而液压机作为飞机、 汽车和拖拉机制造的重要加工设备，它在锻压制造业占有重要地位。尤其是粉末 冶金工艺和飞机、汽车、船舶制造业中一些中厚板冲压工艺在机械加工中占得份 量越来越大，这就要求针对这一类特殊的冲压工艺，提高机床的冲压速度和生产 率，来降低机械加工成本显得极为重要。 图1 5 所示为电液伺服数控精密高速液压机，该机主机结构类同y l 3 4 型框架 式单动薄板拉伸( 冲压) 液压机，具有更高的机床刚性和精度。选用进口液压伺 服器阀和比例压力阀控制，机床运行速度极高，平衡无冲击，滑块和液压垫行程 定位精度高。专用液压机监控软件具有曲线图表和数字显示，工作循环时间、压 力设定、滑块位置设定、泄压时间设定、行程速度设定、行程设定、完整i o 信息、 单段或多段数据设定，操作错误报警等功能。 1 2 3 伺服压力机 随着可控电机和控制技术的飞速发展，把伺服电机做为动力源，可使在同一 种机械结构压力机条件下实现多种运动输出，能够满足不同的冲压工艺需求，这 类数控伺服驱动的压力机具有高速、节能和可控性好的优点，可大大提高设备的 智能化水平。就国内而言，目前伺服压力机和混合驱动多杆压力机的研究成为压 力机床研究的主流方向。新型冲压设备的伺服驱动系统最突出的特点是：电动机 直接与偏心曲柄齿轮相互连接，没有离合器，没有飞轮。由于电动机的转速可以 任意调节，从而可以任意地调节曲柄机构的运动速度，加快或减慢冲压速度。毫 6扬州大学硕士学位论文 无疑问，这种新一代的冲压设备用最简单的方法调节压力机的行程，不仅具有针 对不同用户、不同生产任务的灵活性，提高了机器的适用性，提高了压力机的生 产能力。由于新型压力机的电动机转速是可以无级调节的，因此有可能在冲压过 程中实现冲压运动和冲裁力的无级调节，使压力机的工作曲线与各种不同的应用 要求相匹配。为了保证曲柄有着精确的运动位置关系，用户可以通过减速拉延加 工实现，或者保持恒定的冲压运动速度，这样不仅可以提高板材加工的质量，而 且也可延长模具的使用寿命。由于可以任意编写曲柄机构的运动控制程序，因此 用户可以实现压力机与电动机之间非常精确的同步，当然，也可以使压力机曲柄 反向运动( 摆动运动) ，从而用最简单的方法就可以取代传统机械压力机的功能。 将来，这种伺服压力机也可被当作试验设备使用，因为在手轮的调节下，该机可 以使模具运动实现微调和准确定位，冲压曲柄的运动也可以在任何一个位置进行 微量调节。图1 6 所示为一台全伺服压力机，主要是通过伺服马达驱动，这种压力 机由于采用伺服马达驱动，压力机可根据不同的生产需要设定不同的行程长度和 速度：通过伺服压力机标准的线性光栅尺，能够始终保持下死点的成型精度，可 达到微米级，有效抑制了产品的毛刺及其他不合格品的出现；可超低速运行；磨 具振动小，大大提高了磨具的使用寿命；没有离合器，制动器部分，节省了电力 和润滑油，降低了运转成本，伺服压力机有复合性，高效性，高精度，高柔度， 低噪音等，充分体现了锻压机床的发展趋势。它完全突破了传统的压力机感念， 它的出现必将引起一场机械压力机的革命。但是由于伺服压力机的成本远超过一 般压力机的生产成本，就目前而言全伺服压力机市场适应性、推广性还不是很乐 观。图1 7 所示为开式混合驱动伺服压力机，该机柔性可控、节能( 使用飞轮节省 动力) 、精密( 光栅检测回馈控制) 、高速、设计简洁，造价低廉等特点。图1 8 是3 0 0 0 k n 门式混合驱动伺服压力机，能实现“自由运动”和理想滑块轨迹，两级 增力机有效地降低了伺服电机的功率。此外具有大行程，高精度，节能价廉的特 点。 壁 举 z 带机械驱动的压力机带液压驱动的压力机 图1 - 4 舒勒公司高速深拉伸压力机结构 鬣列剿塑。f曩曩霹文ek一_j 何彦忠：行程可控压力机传动系统构型设计及其工作性能研究 7 n t 氍“ 四蟊函函 昭l ；j 睡；别 ok 竺篓：童i 罄- ； 图1 5 电液伺服数控精密高速液压机 鼬一 图卜7 开式混合驱动伺服压力机图1 - 83 0 0 0 k n 门式混合驱动压力机 1 3 国内锻压机械发展现状及冲压工艺在汽车制造业中的应用 1 3 1 国内大型锻压机械的发展状况 机械压力机品种繁多，能代表其技术水平和技术进步的，当首推大型机械压 力机及其组成的大型冲压生产线。大型冲压生产线通常以大型双动拉深压力机、 大型多工位压力机和大型单动压力机为主机，济南二机床集团有限公司和齐齐哈 尔二机床集团有限公司是国内的主要生产企业。“八五”以来，这些企业通过技 术攻关、自行设计，以及引进德国舒勒、美国维尔森、日本小松等著名公司的设 计制造技术，或采取与国外厂商合作生产的方式，将国内大型机械压力机的技术 水平提升到了国际先进水平。 济南二机床集团有限公司开发的闭式四点单动压力机、闭式四点双动压力 机、闭式四点多连杆压力机等，普遍采用了自动换模控制技术、装模高度和气垫 固 8扬州大学硕士学位论文 行程检测技术、多功能p l c 控制技术、隔膜式离合器制动器及滑块调整预加载 装置等多项先进技术，成为大型机械压力机技术进步的代表。 1 3 2 国内大型冲压生产线的发展状况 在突破单机设计制造技术的基础上，成功开发生产了数十条大型冲压生产 线，装备了国内近1 0 家汽车制造企业。典型的大型冲压生产线，由一台双动压 力机与数台单动压力机串联布置。双动压力机之前是上料装置，由上料车、液压 顶升器、磁力分层器、真空吸盘提升器、双料检测器、磁力辊道、双料排除器、 清洗涂油装置和送料装置组成；双动压力机与单动压力机之间的上下料装置由下 料器、翻转装置、传送装置和上料器组成；单动压力机之间的上下料装置与之相 同，只是无翻转装置；最后一台单动压力机之后是码垛装置，由下料器、传送装 置和码垛车组成。此外，大型冲压生产线还配备自动快速换模系统、自动快速调 整系统、故障检测系统以及废料排除与运输系统。 随着大型多工位压力机的技术成熟和实用化，大型多工位压力机开始替代单 动压力机进入自动冲压生产线，代表了先进的组合方式。大型多工位压力机自动 冲压生产线，经历了三个阶段的完善与发展。较原始的组合是，一台双动拉深压 力机与一台单动大型多工位压力机为主机，二者之间配备一套翻转装置和同步装 置，提高了生产节拍，减少了占地面积。此后，带双动拉深工位的多工位压力机 问世，催生了第二代自动冲压生产线。第二代生产线仅以一台带双动拉深工位的 多工位压力机为主机，在其前后分别配备拆垛装置和码垛装置，便组成了一条自 动冲压生产线，配置大为简化。此类多工位压力机多为四柱三滑块结构，第一工 位是双动拉深工位，其余工位为单动冲压工位。由于拉深工位采取了反向拉深的 方式，从而避免了工件的翻转，因此不需要翻转装置，使生产率进一步提高，占 地面积进一步减小。第三阶段，出现了带数控液压气垫的大型多工位压力机，抛 弃了传统的双动拉深工艺理念，真正将拉深与其他冲压工艺组合到一台压力机上 完成。自动冲压生产线的主机是带数控液压气垫的多工位压力机，主机前后配备 拆垛装置和码垛装置。数控液压气垫是该类生产线的技术核心，气垫通过四角控 制，可调节拉深工件的压边力，从而实现单动深拉深。由于采用数控液压气垫使 单动压力机代替了传统的双动压力机，简化了压力机的结构，取消了生产线中的 翻转装置，实现了压边力的优化控制，提高了拉深件的质量，降低了工件的废品 率。从技术角度上讲，带数控液压气垫的大型多工位压力机自动冲压生产线，代 表了自动冲压生产线的最高水平。但是，由于造价、技术及应用等诸多方面的因 素，大型冲压生产线多样化组合的局面还将长期存在。 “十五”期间，济南二机床集团有限公司在轿车制造企业的国际招标中多次 中标，在装备我国汽车行业数十条冲压生产线的同时，还向国外著名汽车制造企 业提供了数条大型冲压生产线，标志着我国大型机械压力机及大型冲压生产线已 跨出国门。 如下图1 9 所示为a p l 2 1 2 型汽车纵梁平板数控冲孔自动生产线，公称压力 1 2 0 0 k n ，加工板料厚度4 一1 2 m m ，是加工汽车架纵梁平板的专用设备，该设备由 何彦忠：行程可控压力机传动系统构型设计及其一r 作性能研究9 三柱闭式机身数控直线模冲孔机、自动边定位系统、销孔边定位系统( 选件) 、 上料机构、下料机构、废料排出装置及数控提供等部分组成。 图1 9a p l 2 1 2 型汽车纵梁平板数控冲孔自动生产线 1 3 3 冲压工艺在汽车制造业中的应用现状 汽车制造中有6 0 7 0 的金属零部件需经塑性加工成形，冲压加工是完成金 属塑性成形的一种重要手段，它是最基本、最传统、最重要的金属加工方法之一。 汽车制造中有6 0 7 0 的金属零部件需经塑性加工成形，冲压加工是完成金属塑 性成形的一种重要手段，它是最基本、最传统、最重要的金属加工方法之一。如 车身上的各种覆盖件、车内支撑件、结构加强件，还有大量的汽车零部件，如发 动机的排气弯管及消声器、空心凸轮轴、油底壳、发动机支架、框架结构件、横 纵梁等等，都是经冲压成形技术正向精密、多功能、高效节能、安全清洁的生产 方向发展，冲压工件的制造工艺水平及质量，在较大程度上对汽车制造质量和成 本有直接的影响。 汽车冲压件都应具有良好的工艺品性和经济性，衡量其水平的重要标志有冲 压件的工序数、车身总成的分块数量和尺寸大小、冲压件的结构等因素。减少冲 压过程的工序数，意味着减少冲压件数、节省工装数量、简化冲压过程的传送装 置，缩减操作人员和冲压占地面积，是节约投资额和能耗的极好措施，所以冲压 制造商都能把冲压工序数设计作为降低汽车制造成本的重要途径，甚至不惜改进 产品设计来满足制造工艺方面的要求。同时，还应采用尽量大尺寸的合理的车身 总成分块，如整块式车身左右侧板及车顶盖板，既可使汽车外形美观。空气阻力 减少，又可减少冲压件数量及焊点，能有效地降低成本。而且现代汽车制造大量 使用卷料、薄壳式整体车身结构的高强度钢板与镀锌钢板，都要求应用冲压新工 艺。 现代冲压成形发展和研究的重大课题包括有：模块式冲压及其控制；新材料 及复合材料冲压加工新工艺；特种冲压成形技术；计算机模拟冲压成形及虚拟试 模技术；模具制造技术；冲压成形过程自动监控及失稳机理分析等。 1 4 本论文主要内容 本论文针对这一特殊的工艺需求，通过比较分析曲柄压力机与液压机的特点， 结合机械多杆压力机与液压机的优点，经过多次机械运动仿真分析、液压传动仿 真分析，以及尺寸优化计算，提出了一种新型行程可控压力机构型。应用三维软 1 0扬州大学硕十学位论文 件构件了结构的三维实体参数化模型，从运动学、静力学、动力学等方面对传动 结构的性能特征进行了分析比较，结合物理样机的测试结果给出了其机床的工艺 适用范围，其具体内容如下： 1 ) 第一章论述了本课题提出的背景，分析了国内外锻压机械目前的发展趋势 和现状，特别分析了冲压工艺在汽车制造业中的应用及拉伸压力机的发展现状， 结合市场需求和中厚板冲压工艺需要，提出了本文研究的课题，并阐述了课题的 研究目的、意义和主要研究内容。 2 ) 第二章对现有锻压机械的传动系统的运动特性进行分析，并研究了其构型 特点。结合m a t l a b 图形分析和a d a m s 仿真分析，从运动学和动力学角度分析了目 前锻压机械的输入输出特性，以及速度加速度特性以及工艺性。 3 ) 第三章结合特殊的工艺需求，提出一种新型的传动系统构型，并建立其结 构的参数化模型。对提出的新型压力机构型进行原理分析和性能分析，从构型的 结构和工作原理入手，建立了构型的参数化模型，对传动系统进行了运动学分析， 动态静力学分析，动力学分析。并借助a d a m s 软件对构型进行了仿真分析，并确 定了其杆长关系，角度关系。 4 ) 第四章根据数学模型分析提供的杆件参数初始值，以公称力为i 0 0 0 压力 机床为例，借助s o l i d w o r k s 三维实体建模软件，创建了机床的三维实体装配模型 以及关键零部件三维实体结构模型。并举例针对机床的技术参数，对于新构型机 床的传动系做了详细的技术分析，为物理样机的研制提供可靠依据。应用a d a m s 仿真软件对机床的多杆传动系进行了虚拟样机仿真分析，得出了其运动特性曲线 以及个关键零部件之间的动态受力曲线，为评价零部件的受力情况提供参考依据。 借助a n s y s 有限元分析软件，对公称力为1 0 0 0 k n 的机床机身体进行了静力校核 分析，主要分析了机身体的应力与变形情况，并对导轨处的角变形做了详细分析。 5 ) 第五章根据传动系统要实现的功能，本章主要从机床冲压工艺，液压传动 系统，电器控制部分等三个方面入手，对整个机床的控制系统做了研究与设计。 针对1 0 0 0 k n 机床的基本技术参数，并结合a u t o m a t i o ns t u d i o 液压仿真软件对系统 回路进行了分析，给出了系统主要的液压参数和液压元件。应用“灰箱 建模法 原理创建了机床液压系统的参数化数学模型。最后结合液压原理图及分析结果， 给出了液压系统的p l c 控制方案。 6 ) 第六章总结了课题的主要研究成果、主要创新点、完成的技术关键以及机 床达到的性能指标，综合给出该类机床的优缺点以及其适用的工艺范围，并对今 后进一步的研究工作提出了建议和展望。 1 5 本章小结 本章详细介绍了国内外锻压机械目前的发展趋势和现状，特别分析了冲压工 艺在汽车制造业中的应用及拉伸压力机的发展现状，结合市场需求和中厚板冲压 工艺需要，提出了本文研究的课题，并阐述了课题的研究目的、意义和主要研究 内容。 何彦忠：行程可控压力机传动系统构璎设计及其工作性能研究 1 1 第二章现有压力机传动系统特性及工艺性 在金属成型加工领域，特别是在冲裁、板料成型、薄板拉伸工艺中，机械式 曲柄压力机得到了广泛的应用。冲压加工工艺不同，加工材料的厚度和要求的塑 性变形速度不同，要求机械式压力机应具有不同的运动输出特性。随着市场经济 的发展，市场需求要求产品花样多、变化快、批量小，这就要求现代压力机不仅 能够高速度、高精度、大负载地运转，而且应具有更大的柔性，能迅速、方便地 改变输出运动规律。而普通的机械曲柄滑块压力机或多