（材料加工工程专业论文）液压机冲裁主动减振技术研究.pdf

摘要 摘要 冲裁是最重要的冲压工艺之一，它不仅可作为其它复杂冲压加工的准备工序， 还可以直接获得具有一定精度要求的制件。由于在板料的冲裁加工过程中，变形 集中在很小的区域内，且以断裂方式告终，使得其研究存在很多困难。 板料的冲裁过程随着板料的断裂分离而结束，在液压机上冲裁时，冲裁过程 中积蓄在液压油和液压机机身的弹性变形能在断裂时瞬时释放，引起强烈的振动， 产生较大的噪音，损坏模具。同时强烈的液压冲击，还可能危及液压机的液压系 统。长期以来，普通液压机上不能进行冲裁工作。 目前，对冲压生产中的振动治理主要采用被动减振的方法，如在液压机工作 台上安装缓冲油缸和减振弹簧，这虽然可以减少部分振动和噪音，但存在结构复 杂、体积大、能耗高的缺点。本文拟采用主动减振方法对液压机进行改造，通过 改变液压机的进出口油的流量，控制滑块速度，使冲裁过程积蓄在液压油及液压 机机身的弹性变形能量在工件断裂前基本释放出来，最大限度地减轻液压机冲裁 引起的振动，从根本上解决冲裁振动问题。 本文分析了冲裁工艺的塑性变形及断裂的过程，应用d e f o i t n 2 d 商业有限元 分析软件，对不同材料不同厚度的板料冲裁过程进行模拟计算，获得冲裁过程各 阶段应力、应变状态，冲裁工艺参数对板料裂纹产生及断裂位置的影响，以及整 个过程冲裁力的变化，可作为减轻冲裁振动、降低冲裁噪声的基础。研究结果表 明，冲裁时，低碳钢和弹簧钢的断裂方式不同，弹簧钢是裂纹产生并扩展引起的 脆性断裂，低碳钢是韧性断裂；随着板料厚度的增加，材料产生裂纹时的凸模行 程相对增加，材料断裂分离所需的凸模行程同样增加；在一定范围内，随着冲模 间隙的增加，断裂时的凸模行程随着间隙的增大而有所增加。 分析了液压机的液压系统，按照主动减振原理，提出了进口节流、出口节流、 旁路节流等各种方案。按照y a 3 4 4 0 0 液压机结构，就不同的减振方案，分别建立 了冲裁过程数学模型，并依此建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 软件的仿真模型，并 根据样机实验参数进行了数值仿真。 设计了液压机冲裁减振试验系统，进行了几种方案的冲裁实验，记录了滑块 的动态位移，由冲断时冲头的振动幅值判别振动的大小。由仿真结果及样机实验 广东工业大学工学硕 学位论文 结果表明： 1 、滑块的绝对振动由机架振动和滑块相对油缸的振动合成，后者是主要的， 后者的振幅大小约是前者的3 5 倍。解决油液压缩引起的振动是液压机冲裁减振 的主要矛盾。 2 适当减小工作时压缩液压油的体积，即提高模具高度，可以减小振动。 3 加大机架的等效刚度只能减小机架的振动，对滑块的振动没有明显效果。 4 通过进油口节流，控制滑块的速度，裂纹产生后利用已经蓄积的弹性变形 能完成冲裁，通过消耗部分弹性变形能来减振的方案，效果不理想。 5 通过出油口节流，控制出油量，减缓高压液压油释放过程以减振的方法可 行，但有下腔压力过大的危险，必须加装蓄能器。 6 计算所得结果中最适合的蓄能器容积5 5 l ，工作压力8 m p a ，减速阀需选型 为工作压力3 1 5 m p a ，流量8 0 l m i n ，此时机架变形u 的振幅减小为原振幅的 5 6 1 7 ，滑块相对于机架的位移x 振幅减小为原振幅的4 5 31 ，滑块相对于地的 位移x 的振幅减小为原振幅的4 4 3 1 。 本项目的研究为实现主动减振，研制新型冲压机奠定了基础。 关键词：冲裁；有限元分析；液压机；振动；仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t b l a n k i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts t a m p i n gp r o c e s s e s i tc a nn o to n l yb et h e p r e p a r a t i o nf o rf u r t h e rs t a m p i n gp r o c e s s e s ，b u ta l s og e tw o r kp i e c e sw i t hac e r t a i n a c c u r a c yd i r e c t l y t h e r ea r el o t so fd i f f i c u l t i e st os t u d ys h e e tm e t a lb l a n k i n gp r o c e s s s i n c et h ed e f o r m a t i o ni sl i m i t e di nat i n ya r e ao fs h e e tm e t a la n de n d sw i t hf r a c t u r e s h e e tm e t a l b l a n k i n ge n d s w i t ht h ef r a c t u r e ，a n dt h u s t h ee l a s t i c e n e r g y a c c u m u l a t e di nt h ep r e s sb o d ya n dt h eo i lr e l e a s e ss u d d e n l y w i t ht h ef r a c t u r e ，b r i n g i n g s e v e r ev i b r a t i o n ，g r e a tn o i s ea n dd a m a g i n gt h e d i e ，e q u i p m e n t s a n dh y d r a u l i c s y s t e m g e n e r a l i z e dh y d r a u l i cp r e s s e sc a nn o tb eu s e df o rb l a n k i n g u pt on o w ，p a s s i v ed a m p i n g ，f o re x a m p l e ，a d d i n gv i b r a t i o n r e d u c i n gc o m p o n e n t s b e t w e e nt h ew o r k i n gp l a t ea n dt h es l i d e r ，h a sm a i n l yb e e na d o p t e d t h o u g ht h i sm e t h o d i se f f e c t i v et or e d u c et h ev i b r a t i o na n dn o i s e ，b u tt h es t r u c t u r ei sc o m p l e x ，w i ml a r g e s p a c ea n de n e r g yw a s t e s t h ea c t i v ev i b r a t i o nr e d u c i n gm e t h o di sp u tf o r w a r di nt h i s p a p e r t h es l i d e rv e l o c i t i e sw o u l db ec o n t r o l l e db ya d j u s t i n gt h ef l o wr a t ei n t oo ro u tt h e c y l i n d e ra ts o m et y p i c a lp o s i t i o n s t h ea c c u m u l a t e de l a s t i ce n e r g yc o u l db ec o m p l e t e l y r e l e a s e db e f o r et h ef r a c t u r es oa st or e d u c et h ev i b r a t i o nm a x i m a l l y t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，f r a c t u r ep r o c e s s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di nb l a n k i n g d e f o r m - 2 dw a su s e dt os i m u l a t eb l a n k i n g p r o c e s so fs h e e tm e t a lw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s e sa c c o r d i n gt ot h en o r m a lc o c k r o f t & l a t h a mf r a c t u r ep r i n c i p l e t h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n s ，b l a n k i n gp a r a m e t e r s e f f e c t so nt h ec r a c k sa n dt h ef o r c e s t r o k ec u r v e so ft h ee n t i r eb l a n k i n gp r o c e s s e sw e r e o b t a i n e d ，s e t t i n gaf o u n d a t i o nf o rr e d u c i n gb l a n k i n gv i b r a t i o na n dn o i s e s s i m u l a t i o n s h o w e dt h a tl o w c a r b o ns t e e l sw e r ed i f f e r e n tf r o mh a r ds t e e l si nb l a n k i n g h a r ds t e e l s h a db r i t t l ef r a c t u r e sw h i l el o w - c a r b o ns t e e l sh a dd u c t i l ef r a c t u r e s w i t ht h ei n c r e a s i n g i nt h i c k n e s sa n db l a n k i n gc l e a r a n c e ，p u n c hs t r o k e si n c r e a s e di nc r a c k s o nt h eb a s i so fa n a l y z i n go ft h e h y d r a u l i cs y s t e m ，s e v e r a la p p r o a c h e sw e r e p r o p o s e d ，i n c l u d i n gm e t e r - i nc o n t r o l ，m e t e r - o u tc o n t r o la n db l e e d o f fc o n t r o l ，e t c a c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r eo ft h em o d e lh y d r a u l i cp r e s sa n dt h ed i f f e r e n t a p p r o a c h e s ，t h em a t h e m a t i cm o d e l sw e r es e tu p w i t ht h em a t h e m a t i c sm o d e l ，t h e i i i 广东工业大学1 = 学硕j ：学位论文 s i m u l a t i o nm o d e l sb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ew e r es e tu pa n dt h e s i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ep r o t o t y p a le x p e r i m e n tp a r a m e t e r so ft h e m o d e l p r e s s b l a n k i n ge x p e r i m e n t sw e r ed o n e ，a n dt h ed y n a m i cd i s p l a c e m e n t so ft h es l i d e r w e r er e c o r d e d t h ep r e s sv i b r a t i o nc a nb ej u d g e db a s e do nt h ea m p l i t u d e s t h er e s u l t s o ft h es i m u l a t i o n se x p e r i m e n t sw e r ei n d i c a t e da sf o l l o w i n g ： 1 t h es l i d e ra b s o l u t ev i b r a t i o ni st h ec o m b i n a t i o no fr a c kv i b r a t i o na n dt h e r e l a t i v ev i b r a t i o n ，t h el a t t e ri s3 5 t i m e so ft h ef o r m e r r e d u c i n gt h ev i b r a t i o nc a u s e db y h y d r a u l i co i lc o m p r e s s i o ni st h ek e yf o rv i b r a t i o nr e d u c i n g 2 r e d u c i n gt h ev o l u m eo fc o m p r e s s i o no i lo ri n c r e a s i n gt h ed i ec a nr e d u c e st h e v i b r a t i o n 3 i n c r e a s i n gt h es t i f f n e s so fp r e s sb o d yc a nr e d u c et h ev i b r a t i o no ft h er a c k ，b u t h a sn os i g n i f i c a n te f f e c tt os l i d e rv i b r a t i o n 4 m e t e r - i nc o n t r o lc a nc o n t r o ls l i d e rs p e e d s t h er e l e a s i n gt i m eo fe l a s t i ce n e r g y a c c u m u l a t e dd u r i n gt h eb l a n k i n gc o u l db ea l t e r e dt og u a r a n t e ep a r to ft h ee l a s t i ce n e r g y t ob er e l e a s e db e f o r et h ef r a c t u r e b u ti ti si n e f f e c t i v e 5 m e t e r - o u tc o n t r o lc a nc o n t r o lt h es l i d e rs p e e d st o o t h er e l e a s i n gt i m eo fe l a s t i c e n e r g ya c c u m u l a t e dd u r i n gt h eb l a n k i n gc o u l db ee x t e n d e d ，r e d u c i n gv i b r a t i o n b u tt h e p r e s s u r ei nt h el o wc h a m b e rm i g h t b et o oh i 曲a n da na c c u m u l a t o rw o u l db e n e e d e d 。 6 t h es u i t a b l ep a r a m e t e r so ft h ea c c u m u l a t o rf o rt h es i m u l a t e dc o n d i t i o nw o u l db e ： v o l u m ei s5 5 l ，w o r k i n gp r e s s u r ei s8 m p a t h en o m i n a lp r e s s u r eo ft h r o t t l i n gv a l v ei s 31 5 m p a ，t h em a x i m u mc o n s t a n tf l o wi s8 0 l m i n r a c kv i b r a t i o nuc a nr e d u c et o 5 6 1 7 ，r e l a t i v es l i d e rv i b r a t i o nxc a nb er e d u c e dt o4 5 3 1 ，t h ea b s o l u t es l i d e r v i b r a t i o nxc a nb er e d u c e dt o4 4 31 。 t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fa c t i v e v i b r a t i o nr e d u c i n ga n dt h en e w p r e s s k e y w o r d s ：b l a n k i n g ；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 cp r e s s ；v i b r a t i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i v 广东工业大学工学硕上学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 7 6 忽 9饥吖、 艳 、 l吣， y 0 未 1 _ ： ： 日 字 字 。 替 辩 上 师 者 月 教 作 莎 导 文 指 论 年 8 渺 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题来源、背景及研究意义 本课题来源于广东省佛山市顺德区科技计划项目：编号：2 0 0 7 k j 0 4 4 ，目的是研 究液压机冲裁振动机理，通过对冲裁工艺过程和液压系统的理论分析、数值模拟 和试验研究，制订减振方案，改造y a 3 4 - 4 0 0 型四柱下移式油压机使普通液压机也 能应用于板材冲裁加工。 1 1 1 液压机冲裁振动 液压机在受力过程中，除了床身产生弹性变形外，油缸内油的体积也产生弹 性压缩变形。冲裁时，当板料中的应力达到或超过极限应力时，金属就产生分离， 积蓄在床身和油液中的弹性变形能瞬时得到释放，引起很大的冲击振动，有时甚 至造成机件的损坏或管道破裂【1 】。因此长期以来液压机不能用于冲孔和落料工序。 液压机冲裁过程中引起振动的主要因素可以细分为三个部分。 1 在冲裁过程中由于冲裁力的影响，油缸及管道中的液压油的流速及压力发 生阶跃变化，油缸和管道中的液体的压力产生急剧交替升降的阻尼波动过程，即 压力冲击现象的产生。压力冲击现象将使流体中产生附加的压力，可能导致元件 和系统振动甚至破坏。 2 液压机的系统中，由于机械结构存在柔度，在一定范围内，将系统等效为 相应的质量一弹簧系统，由于外负载力的影响，就会使系统振动【2 】。 3 在板料冲裁过程中，冲模加工所引起的振动，属于机械振动，其大小与冲 模冲头间的间隙、工件材料的种类所引起的断裂特性、冲裁板料的厚度、冲裁截 面积、冲裁力的大小、以及冲裁力随时间变化的特性等有关【3 】。 1 1 2 液压机冲裁减振的意义 冲裁时，板材的突然断裂使冲头突然失荷，液压油和机身等积累的弹性变形能 在极短时间内释放出来，将激起机身及各部件的振动，使液压机各部件间产生冲 击，与此同时，滑块以相当大的速度下冲，引起滑块周围空气的压力扰动，从而辐 射噪声。前者激发的噪声称振鸣噪声，后者引起的噪声为加速度噪声一】。 液压机的噪声来源于液压油的压力脉动和液压机的振动，因此，减轻或者抑 广东工业大学工学硕士学位论文 制液压机振动可间接的降低液压机工作噪音。 在冲裁板材的断裂瞬间，引起滑块和机床各部位的强烈冲击，加剧了模具的 磨损，大大降低了模具的使用寿命及冲裁制件的质量，部分能量还将通过床身直 接传给基础，导致地面和建筑物的振动，使车间的嘈杂声增加，影响操作工人的 身体健康，对周围环境造成严重的噪声污染。 振动和噪音是冲裁中的一个亟待解决的重大问题，它不但恶化生产环境，影 响工人健康，而且损坏设备和模具，增加生产成本【5 】。本研究的目的在于深入研究 冲裁过程、冲裁过程中振动和噪音产生的机理和规律，提出可适用于液压机的减 振措施。它不仅可以丰富液压机冲裁加工的工艺和理论，而且对于改善冲压工作 环境、提高设备和模具寿命、降低生产成本具有十分重要的意义。 1 2 国内外相关课题研究现状 1 2 1 冲裁工艺理论研究现状 2 0 世纪以来，金属塑性成形技术已经取得了长足的进展。主要体现在：( 1 ) 塑性成形的基础理论已基本形成，包括位错理论、t r e s c a 、m i s e s 屈服准则、滑移 线理论、主应力法、上限元法以及大变形弹塑性和刚塑性有限元理论等；( 2 ) 以有 限元为核心的塑性成形数值仿真技术日趋成熟，为人们认识金属塑性成形过程的 本质规律提供了新途径，为实现塑性成形领域的虚拟制造提供了强有力的技术支 持；( 3 ) 计算机辅助技术( c a d c a e c a m ) 在塑性成形领域的应用不断深入，使制件 质量提高，制造周期下降；( 4 ) 新的成形方法不断出现并得到成功应用【6 1 。 冲裁加工技术属于板料成形技术，板材成形过程的计算机模拟( 仿真) 技术又 称为板材成形过程的计算机辅助工程( c a e ) 分析技术，是一种把计算机、数值方法、 力学、材料与工艺等集于一体的先进技术，能用计算机虚拟出成形过程进行分析， 对可能出现的成形缺陷做出预测，使问题在工艺和模具设计阶段就得到解决，能 有效地缩短调试周期，降低生产成本【7 】。板材成形模拟的核心是有限元法，常用的 软件有d e f o r m ，d y n a f o r m ，l s - d y n a 3 d 等，利用板料塑性模拟仿真，来确定适应于 液压机的最佳工艺曲线。 计算机数控技术的出现极大的提高了控制的可靠性，数控技术是微电子技术、 计算机技术、监测控制技术和传统机加工技术深度结合的产物，近2 0 年来，数控 技术在塑性加工设备中的应用也有了飞速的发展【s 】。数控技术结合最佳工艺曲线共 2 第一章绪论 同打造小振动板料冲压液压机。 1 2 2 液压系统动态特性研究 液压系统动态特性是其在失去原来平衡状态到达新的平衡状态这一过程中， 所表现出来的特性，引起此动态过程的原因归结起来有两个：一个是传动与控制 系统的过程变化；另一个是外界干扰。 研究液压系统动态特性的主要问题有两方面：一方面是稳定性问题，即高压 系统( 管道或容腔) 中压力瞬间峰值与波动情况，主要分析液压系统是否会因为 峰值过高而产生压力冲击，或系统经过动态过程后，是很快达到新的平衡状态， 还是形成较持续的振荡；另一方面是过渡过程品质问题，即执行机构和控制机构 ( 如负载和液压元件) 的响应品质和响应速度，主要研究系统达到新的稳定状态 所经历的过渡时间，达到压力峰值的时间以及速度、位移等参数随时间的变化等。 研究液压系统动态特性的主要方法有传递函数分析法、模拟仿真法、实验研 究法和数字仿真法等。 传递函数分析法是基于经典的控制理论的一种研究方法。用经典的控制理论 对液压系统进行动态特性分析通常只局限于单输入、单输出的线性系统，一般先 建立系统的数学模型，写出其增量形式，然后进行拉普拉斯变换，从而写出传递 函数，再将传递函数用波德图表示。通过相频曲线或幅频曲线分析其响应特性， 或是进行拉氏逆变换。遇到非线性的问题，通常不考虑其非线性或简化成线性系 统。 模拟计算机是一种连续计算装置，它把实际系统物理量用电压量表示，通过 连续计算，求解描述系统动态特性的微分方程。该方法具有接近实际情况、系统 参数调整和调试简单以及运算速度快等优点，但最大的缺点是运算精度低。 通过实验研究可以直观地、真实地了解液压系统的动态特性和参数变化，但 是用这种方法分析系统周期长、费用大，且往往不具有通用性。如今，实验研究 法常常作为对重要的液压系统动态特性的数字仿真或对其他理论研究结果进行验 证的手段，或是作为对液压系统动态建模与仿真方法、对所建模型与仿真结果进 行验证的方法与手段。 数字仿真法是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种新方法。首先建 立液压系统动态过程的数学模型状态方程，然后在计算机上求出系统中各种 广东工业大学t 学硕七学位论文 主要变量在动态过程的时域解。数字仿真法既适用于线性系统，又适用于非线性 系统，可以模拟出任何输入函数作用下系统中各参变量的变化情况，从而获得对 系统动态过程直接的全面地了解，使得设计人员在设计阶段就可以预测液压系统 动态特性，以便能及时对设计结果进行验证和改进，以保证系统的工作性能和可 靠性。与其他研究系统动态性能的手段和方法相比，数字仿真技术具有精确、可 靠、适应性强、周期短和费用低等优点。 自从数字仿真技术问世并应用于实践以后，便将液压系统动态特性研究带入 了一个新阶段。对液压元件、回路及液压系统动态特性进行数字仿真便成了一项 方便、可行而且必要的工作。研究人员更是在这方面投入了大量的精力。有关液 压系统建模理论与方法、仿真方法、仿真软件、仿真精度以及液压系统参数优化 和动态性能改进等方面的研究论文、成果层出不穷。再建模理论与方法上形成了 传递函数法、状态空间法和功率键合图等建模方法【9 1 。 1 2 3 液压机冲裁减振方法研究 液压机冲裁减振早在上世纪就引起了人们的注意，液压机冲裁振动的根本原 因是由于机架和液压油存储的压缩弹性能的瞬间释放，这一振动机理也早已为人 们所认识。为了使液压机能够用于冲孔和落料工序，除了通过减振材料和改进机 床结构来加固机身外，人们对液压减振问题还进行了深入的研究。在上世纪末， 已有各种带缓冲减振的液压机问世。 目前占主流的减振技术是采用缓冲元件( 液压缸或弹性元件) 抵消液压机滑 块的振动，消耗振动能量，如国外德国笛芬巴赫( d i e f f e n b a c h e r ) 公司的产品为 代表，国内浙江大学【1 0 】、济南铸锻所在上世纪8 0 9 0 年代亦开展过类似的研究。 这类技术减振效果好( 可降低噪声近3 0 分贝，台面跳动9 0 以上) ，工作可靠。 缺点是，需要另外附加液压系统，占用较多的空间，如果调整不当，还会增加能 耗。由于这类技术采用另外的被动元件抵消振动，我们不妨称之为被动减振。 另一种方法是，控制滑块运动的速度，在冲头进入工件并超过冲裁负荷峰值 后，尽量降低滑块速度，使机架和油液压缩能在工件冲透前基本释放完毕，从而 减少振动。这种方法的优点是不增加能耗，不占用多余的空间；缺点是控制比较 复杂，临界点不易掌握。由于是主动控制滑块运动速度，达到减振目的，不妨称 之为主动减振。目前关于主动减振的研究报道甚少，国内尚未见有产品问世。 4 第一章绪论 1 2 3 1 被动减振技术实例 被动减振技术的基本原理是在板料断裂时，由缓冲油缸或其他方式提供反向 力作用在滑块上，以代替冲裁时板料作用在液压机滑块上的载荷，此时液压机由 冲裁工艺载荷平稳过渡到缓冲油缸载荷，使主油缸内积聚的液压能与机身的弹性 变形能受控释放，使液压机在工作工程中无突然失荷现象，也就消除了由此产生 的冲击与振动。绝大部分液压机的缓冲系统都属于被动减振技术，技术上很成熟， 应用很广泛。 被动减振技术按照反压力产生的方法可以分为缓冲油缸缓冲、弹性垫块缓冲 等多种形式。 1 缓冲油缸 很多冲裁液压油都是利用缓冲油缸来实现缓冲的，按照缓冲缸的位置和液压 节流缓冲系统又各有不同，如图1 1 所示。 德国笛芬巴赫( d i e f f e n b a c h e r ) 公司采用的冲裁缓冲系统，对于小台面的液 压机，采用成排的小缓冲缸和带斜楔调节的限程结构；而对于大台面液压机，采 用四轴同步的调节机构，在液压机的正面设有同步驱动调节的显示装置。 南通机床锻压厂的y b 3 2 i o o b 型1 0 0 0 k n 四柱液压机采用的缓冲方法是旁置 液压节流缓冲缸方式，缓冲缸的液压系统可以是独立的供液节流缓冲系统，也可 以与液压机主机的液压系统相连通，另外附加节流阀使缓冲油缸建立反压力】。 比利时l v d 公司的液压缓冲装置，安装在液压机立柱内部在液压机滑块的两 侧装有支撑杆，滑块下行，支撑杆碰到缓冲缸的压垫，并压迫缓冲活塞下行，此 时活塞腔中的油通过活塞头中的节流孔排入活塞杆腔，由于冲裁速度很低，排油 背压也低，此时缓冲缸中产生的反压力与冲裁力相比很小，板料突然冲断后，滑 块急速冲下，排油背压迅速提高，反压力自动增大，从而限制滑块冲下速度，使 一个短而强烈的卸荷冲击转变为平稳的卸荷过程，当缓冲活塞碰到缸底时，滑块 停止运动，缓冲缸活塞杆腔与压缩空气源相接，滑块回程，缓冲活塞便自动复位。 缓冲油缸应用得非常广泛，利用缓冲油缸进行减振具有可靠、有效等优点； 其缺点为缓冲油缸需要在原机液压系统上附加节流缓冲系统，使液压系统复杂化， 缓冲油缸一般都是安装在工作台上，使得机构复杂，工作台的有效面积大大减小， 能量没有得到有效的利用，冲裁过程中蓄积的能量被缓慢消耗掉。 广东- t 业大学工学硕。1 ：学位论文 l刊 l r i ，l i i i _ f ? v ，! ，? ，乙r j 疆料 罗矽矿夥哆扩 lj 、 感r 烈：蹲羽溶；蔓怼 ( a ) 缀i 哮瓿均布工作台l ： l 槽块 2 驻程装置 3 缓冲缸 4 1 = 作台 缓净 油驻 ( b ) 缓；i p 袖瓤分稚馔具嚣铡 ( e ) 缓狰满靛在立秘l 勾郛 图1 - 1 缓冲油缸图 f i g 1 1h y d r a u l i cc u s h i o nc y l i n d e r 2 反压力腔 反压力腔缓冲方式安全、可靠，利用限程块调节系统可以对限程块的位置进 行精确控制，对液压系统无影响，但机械结构较为复杂，液压缸结构过于复杂， 在普通液压机上难以实现。 德国劳费尔( l a u f f e r ) 公司中央配置的主要用于小型液压机的冲裁缓冲系统， 采用反压力腔，反压力腔结构如图1 2 所示，滑块下行时，高压油同时进入压力 腔和反压腔，随着冲裁行程的增加，压力腔和反压腔内的压力同步增大，当液压 机的刚性撞块碰到可调限程块，板料产生断裂，此时在反压腔中产生与冲裁力等 大的反压力以进行缓冲，并阻止滑块急速冲下，同时行程开关控制系统中的换向 阀，使反压腔中的压力实现有控制的减压，液压机滑块产生超程动作直至停止。 6 第一章绪论 图1 2 反压力腔缓冲 f i g 。1 - 2 b a c kp r e s s u r ec h a m b e rc u s h i o n 图1 - 3 弹簧缓冲 f i g 1 - 3s p r i n gc u s h i o n 3 弹簧 利用弹簧缓冲，结构简单易行，但不易控制，且液压油的弹性能和机架的弹 性变形能转换为弹簧的弹性变形能，能量逐渐减弱。 图1 3 为意大利埃马努尔公司的机械缓冲装置，即利用碟形弹簧进行缓冲。 4 弹性垫块， 在凹模中设置有弹性的反顶 装置，增加对冲头的限制，以抑制 冲头的弹性变形能的释放程度，使 其逐步释放，达到减小振动的目的 【1 2 】o 只在凹模中设置垫块，简单易 行，易于更换，可以有效减振，但 垫块长期受高压容易疲劳受损，但 容易影响冲裁加工成品质量等。 1 2 3 2主动减振技术实例 。1 挣燕 爨澎鬣 2 种蠢 3z 件 l ，孵镶 5 藏铥绣垫块 图1 4 冲裁模结构 f i g 1 4s t r u c t u r eo fs t a m p i n gd i e 主动减振措施，即设法减缓凸模切入材料时的速度或者在材料被切断的瞬间 7 广东工业大学工学硕十学位论文 降低滑块的下行速度，避免板坯冲断时大量弹性能的突然释放，从根本上实现减 振。主要实现方法有伺服控制系统、电液比例阀等，通常通过压力或者位移信号 来控制伺服阀，技术上也很成熟，已经得到广泛应用。国内也有研究报道通过控 制流量控制阀来控制滑块速度，但还没有广泛应用【1 3 】【t 】【l s 】。 德国瓦格纳( w a g n e r ) 公司制造的e x p u l s o rs h p 6 3 0 0 型冲裁液压机直接用伺服 控制系统实现冲裁缓冲，不需附带缓冲和限程装置，通过伺服阀控制油缸的运动， 由位置检测装置反馈信号，将实测值与给定值进行比较，控制伺服阀，使油缸根 据工艺要求实现闭环自动控制。冲裁时，当达到所需最大冲裁力时，液压机便停 止加压，以后的变形则利用机身系统释放的能量来完成，而在板料断裂瞬间的剩 余能量由系统中的蓄能器吸收，从而实现冲裁无冲击，无振动【1 6 】。 利用伺服液压系统，有精度高、效果好等优点，但价格较贵，且不适于简单 的液压系统改进。 1 3 液压机冲栽主动减振技术原理及可行性分析 1 3 1 液压机冲裁主动减振技术原理 液压机在冲裁过程中在液压油和机架中积蓄了大量的弹性变形能，当板料中 的应力达到或超过极限应力时，金属就产生分离，积蓄在床身和油液中的弹性变 形能瞬时得到释放，引起很大的冲击振动。 为了减小振动，可以从三个方面来考虑。 1 加大机架的等效刚度，则机架弹性变形会变小，则由于弹性变形所引起的 机架的弹性变形能也会减小。 2 从进油口控制进油量，特别是在裂纹已经产生后，进油量减小，进油只需 能够促使活塞下行即可，裂纹的扩展可以依靠压缩液压油蓄积的弹性变形能，在 板料断裂过程中消耗部分弹性变形能以减小振动。 3 在出油口控制出油量，延缓板料断裂瞬间高压油的快速释放，减缓液压油 中弹性变形能的释放过程以减小振动。 1 3 2 液压机冲裁主动减振技术的可行性分析 从主动减振的机理分析可知，要实现主动减振，必须全面掌握冲裁工艺过程 负荷的变化、机架变形机理、液压系统的动态变化规律，进行准确的检测和控制。 第一章绪论 目前主动减振之所以应用不广，就是由于缺乏对以上问题的全面研究。目前由于 塑性成形理论、流体传动、数值模拟、计算机控制等技术的发展，为全面分析和 研究液压机冲裁动态过程，实现主动减振创造了条件。 本研究所应用的软件主要是d e f o r m ，m a t l a b s i m u l i n k 和a n s y s ，其中 d e f o r m 软件用于板料塑性成形过程的动态模拟，m a t l a b s i m u l i n k 软件用于 液压系统的动态模拟，a n s y s 软件用于液压机机架的结构分析，都具有可行性。 1 4 本课题主要研究内容 本文采用数值模拟的方法，研究基于液压机的冲裁减振过程，探讨实现冲裁 减振的有效方案。主要研究内容为： 1 利用d e f o r m 有限元分析软件对板料的冲裁加工模型进行模拟仿真分析， 掌握板料冲裁过程的应力、应变情况及冲裁力的变化规律。 2 利用a n s y s 软件对液压机机身建立实体模型，并进行强度，获得机身的等 效刚度及变形情况。 3 建立液压机冲裁过程的动态数学模型，为实现m a t l a b s i m u l i n k 仿真提供 基础。 4 利用m a t l a b 工程计算仿真软件对压力机冲裁过程引起的振动进行仿真， 研究液压机冲裁过程中对其振动有影响作用的参数。优化工艺曲线。 5 安装液压阀在方案所指定位置，通过样机实验，使用位移传感器采集振动 的数据，分析数据，总结振动规律，在此基础上改进方案，调整试验系数。 9 广东工业大学t 学硕士学位论文 第二章冲裁工艺及其有限元模拟 2 1 冲裁工艺原理 冲裁加工是指利用板料的剪切变形，利用模具按照期望的形状、尺寸使板料 产生切断分离的加工工序，主要包括：落料、冲孔。 冲裁时，由于板料弯曲的影响，其剪切区的应力状态是复杂的，且与变形过 程有关，对于无卸料板压紧材料的冲裁， 其剪切区应力状态如图2 1 所示，其中： a 点凸模下压引起轴向拉应力 仃，板料弯曲与凸模侧压力引起径向压应 力矾，而切向应力d ，为板料弯曲引起的 压应力与侧压力引起的拉应力的合成应 力。 b 点凸模下压及板料弯曲引起的 三向压缩应力。 c 点沿纤维方向为拉应力矾，垂 直予纤维方向为压应力盯，。 图2 - 1 冲裁应力状态图 f i g 2 1s t a t eo fb l a n k i n gs t r e s s d 点凹模挤压板料产生轴向压应力仃，板料弯曲引起径向拉应力q 和切 向拉应力仃，。 e 点凸模下压引起轴向拉应力仃，由板料弯曲引起的拉应力与凹模侧压 力引起的压应力合成产生应力矾与d ，该合成应力可能是拉应力，也可能是压应 力，与间隙大小有关”1 。 冲头继续挤入坯料，材料加工硬化加剧，冲裁力继续增加，直至在材料表面 刃口处出现龟裂( 细小裂纹) 。裂纹迅速扩展并交汇，使材料沿减切面破断。 2 2 冲裁过程塑性变形 冲裁变形分离过程大致可以分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶 段。 l o 第二章冲裁工艺及其有限元模拟 凸楱行程 图2 - 2 冲裁过程图2 3 冲裁力一凸模行程曲线 f i g 2 - 2b l a n k i n gp r o c e s sf i g 2 - 3b l a n k i n gf o r c e - - s t r o k ec u r v e 冲裁过程中，冲裁力的大小是不断变化的，图2 3 所示为冲裁时冲裁力 凸模行程曲线，图中a b 段相当于冲裁的弹性变形阶段，凸模接触材料后，载荷 急剧上升，但当凸模刃口一旦挤入材料，即进入塑性变形阶段以后，载荷的上升 就缓慢下来，如b c 段所示。虽然由于凸模挤入材料使承受冲裁力的材料面积减 小，但只要是材料加工硬化的影响超过受减面积减小的影响，冲裁力就继续上升， 当两者达到相当影响的瞬间，冲裁力达到最大值，即c 点，此后，受剪面积的减 少超过加工硬化的影响，冲裁力下降。凸模继续下压，材料内部产生裂纹并迅速 扩张，冲裁力急剧下降，如图中c d 段所示，此为冲裁的断裂阶段u s 。 可以得出，在冲裁过程中，当凸模进入板料一定深度使板料产生微裂纹后， 只需要保持足够的冲裁力以实现裂纹的扩展即可，实验证明当凸模进入板料厚度 的1 3 1 2 时，板料会断裂，为减少断裂引起的压机的振动和噪音，甚至可以使 滑块在板料断裂之前的某一位置滞留一段时间。 由于冲裁件的冲裁轮廓线多为封闭曲线，在板料的冲裁过程中，沿此封闭曲 线的切线方向，变形受到板料的相互牵制，故可近似地认为板料切向方向的变形 为零。因为曲线上的任一微段都可以近似地看做一微段圆弧，直线可以近似地看 做半径无限大的圆弧，所以用圆形冲裁件为例进行冲裁机理分析与试验研究所得 到的结论，可以推广应用于任意形状的冲裁件。 2 3 冲裁加工的特点 冲裁加工不仅在被加工材料的很小区域内产生很大的塑性变形，而且以破坏 分离为最终目的f 1 9 】。 审胡 ， 卑单 刀 刀 7 7 广东工业大学丁学硕士学位论文 冲裁时板料的变形与破坏，都集中于一个很狭窄的范围里，应力与应变的变 化梯度大，变形过程复杂，经历弹性变形、塑性变形阶段之后最终要以断裂告终， 使得对冲裁加工的研究工作十分困难1 2 0 1 。 冲裁加工的主要特点： 1 凸、凹模刃口切入被加工材料，刃口尖端出现畸异点，这就给有限元模拟 和理论分析带来很大困难； 2 变形集中在一个狭小的区域内，被加工材料的大部分都为弹性区，因为变 形大变形区域小，用有限元模拟时要适时对变形网格进行重新划分，才能保证收 敛性和计算精度； 3 变形过程中出现被加工材料纤维切断现象，且以断裂方式告终。由于很难 建立与实际情况相符的判据。 近年来，随着弹塑性力学、断裂力学、计算力学、有限元方法和计算机技术 的发展，针对冲裁加工工艺的有限元模拟技术有了较大的发展【2 l 】【：扪。 2 4 冲裁变形过程的有限元分析基础 板料的冲裁加工是分离工序的基础和主要加工方式，是一个既有变形又有分 离的极其复杂的塑性加工问题。这种加工方式在刃口附近产生变形的剧烈程度， 及在断裂前产生的极限塑性应变值远高于其他塑性加工，变形和断裂过程中出现 的一些复杂现象，至今未能得到很好的解释。对成形工序进行分析时，通常可在 一些假设的条件的基础上，用理论分析的方法，对