（机械设计及理论专业论文）450t机械式精密冲压机的优化与研究.pdf

垫至 l i l l l lirrl1 1 1 1 1 1iiil l lp l l l l l r l t t ii ii - _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ i _ _ i - _ _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ - _ - - - _ - - _ _ i _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - o - - _ - _ - - _ _ _ - _ _ - _ - _ i _ - _ _ - i - _ _ - _ i - _ - o - - _ o y 18 8 9 3 6 4 摘要 精密冲压是一种无切屑的加工方法，它是在一般冲压加工技术基础上发展而成的精 密加工方法，简称精冲。在单个冲压加工循环中，精冲件比普通冲压件的精度高、横断 面平整、翘曲变形小、互换性好，并且可以用较低的成本改善产品的质量，正是因为精 密冲压技术具有很多优点，使它的应用范围越来越广泛。国内冲压行业不断的发展，促 使着精密冲床需求量不断上涨，近几年来，混合输入冲压机的研发已成为众多机构研究 学者们的焦点，混合驱动机构不但具有传统机构高效率和全伺服驱动机构柔性高的优 点，又很好的回避了两者的缺点，可以很好的解决高效、高速、高负载与高柔性之间的 矛盾，为现代机械创新设计提供了新的思路。 本文立足于无锡晶心精密机械有限公司在生产中遇到的实际问题，以精密冲压机的 性能优化为目标，对机床结构进行创新设计，借以提高加工零件质量，减少模具损坏， 为企业新型机床的研发奠定基础。 文章首先由机构创新法得到适合于混合驱动冲压机的机构类型，l i p - - 自由度混合驱 动i i i 级机构，并对该冲压机构进行运动学分析，在已知输出运动规律的条件下，求得辅 助驱动的位置、速度、加速度规律，为此类冲压机构的运动控制提供了理论基础；本文 还利用分析软件a d a m s 建立了所要研究的新型冲压机构的参数化模型，将冲压机构输 出运动规律作为研究的目标函数，将机构各尺寸参数作为影响目标函数的影响因素，分 别进行研究借以寻求出其中的显著因素，集中优化显著因素，以达到更优的机构输出运 动规律；接着文章运用机械加工仿真分析软件d e f o r m 对优化前后的冲压机构加工效果 进行了仿真分析，验证了经过机构参数优化后，冲压零件内部受力及模具受力情况均得 到了改善；最后，文章根据企业生产要求，对精密冲压机床的主要零部件进行了相关计 算，并设计了精密冲压机床的整体结构。 关键词：精密冲压；混合输入；运动学分析；a d a m s ：参数优化；d e f o r m 仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t p r e c i s i o ns t a m p i n gi sak i n dn oc h i pp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i tc a n g e tg o o dq u a l i t ys t a m p i n g p a r t si nap u n c h i n gs t r o k et h a nt h eg e n e r a ls t a m p i n g ，t h e s ep a r t sc a ng e tc l e a rp u n c h i n g s u r f a c e ，a n dc a na l s oa c h i e v eq u a l i t yi m p r o v e m e n tb yal o w e rc o s t b e c a u s eo fi t sm a n y a d v a n t a g e s ，t h ea p p l i c a t i o no fp r e c i s i o ns t a m p i n gt e c h n o l o g yi sa l s om o r ee x t e n s i v e w i t ht h e n a t i o n a lp r e s si n d u s t r y , p r e c i s i o np r e s su s e rg r o u pr a n k sa r eg r o w i n g i nr e c e n ty e a r s ，t h er & do fh y b r i di n p u tp r e s sh a sb e c o m eah o tr e s e a r c hi np r e s sm e c h a n i s mf i e l d h y b r i ds e c t o ri s n o to n l yc o m p a t i b l ew i t ht h et r a d i t i o n a li n s t i t u t i o n sw h i c hh a sh i g h - s p e e d ，h i g he f f i c i e n c y , l l i 曲c a p a c i t ya d v a n t a g e s ，b u ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so ff l e x i b l es e r v o ，a n dt h i st y p e m e c h a n i s m p r o v i d e sa n e w w a yf o rt h em o d e mi n n o v a t i v ed e s i g n t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o np r o b l e m si nw 缸ij i n g x i np r e c i s i o n m a c h i n i n gc o l t d t h eg o a li st oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fp r e c i s i o ns t a m p i n gm a c h i n e ， s oa st oe n h a n c et h eq u a l i t yo fm a c h i n i n g p a r t sa n dr e d u c et h em o l dd a m a g e t h eb a s i so ft h e r e s e a r c hf o ran e w t y p em a c h i n et o o lh a sb e e nb u i l t t h ea r t i c l ef i r s t l yc r e a t e sah y b r i di n s t i t u t i o nw i t ht w od e g r e e so ff r e e d o mb yt h e i n n o v a t i v em e t h o d s t h e nt h ek i n e m a t i ca n a l y s i so nt h ei n s t i t u t i o nw a sc a r r i e do u to nt h e c o n d i t i o no f t h eg i v e nl a wo f o u t p u t ，t h ev a r i a t i o nl a wo f p o s i t i o n 、s p e e da n da c c e l e r a t i o no f a u x i l i a r yd r i v e nw e r eo b t a i n e d ，t h a tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rl a t e rr e s e a r c h s e c o n d l y , t h i sp a p e re s t a b l i s h e dp a r a m e t r i cm o d e lo ft h en e wp r e s si n s t i t u t i o n b yu s i n ga n a l y s i s s o f t w a r ea d a m s ，w e p u tt h eo u t p u tm o t i o nl a wo ft h es t a m p i n ga sar e s e a r c ho b j e c t i v e f u n c t i o n ，a n dp u tt h e s i z ep a r a m e t e r so ft h ei n s t i t u t i o na st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h e o b j e c t i v ef u n c t i o n ，s t u d i e df o rf i n d i n go u ts i g n i f i c a n tf a c t o r s ，f o c u so ns i g n i f i c a n tf a c t o r s o p t i m i z e dt oa c h i e v em o r ee x c e l l e n to u t p u tm o v e m e n tr u l e s t h e n ，t h ea r t i c l ea n a l y s et h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t sb e f o r ea n da f t e rp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nb yu s e sam e c h a n i c a ls i m u l a t i o n s o f t w a r ed e f o r i l l ，t h ek i n e m a t i cp e r f o r m a n c eo ft h i sm e c h a n i s mh a sb e e ni m p r o v e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt op r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h ea r t i c l ec a l c u l a t e da n dd e s i g n e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r e o fp r e c i s i o ns t a m p i n gm a c h i n e t h u sar e f e r e n c i n gb a s i ci sp r o v i d e df o rt h ea p p l i c a t i o ni n e n g i n e e r i n gp r o j e c to fh y b r i di n p u tm e c h a n i c a lp r e s s k e y w o r d s ：p r e c i s i o ns t a m p i n g ；h y b r i di n p u t ；k i n e m a t i ca n a l y s i s ；a d a m s ； p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ；d e f o r ms i m u l a t i o n i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 课题背景1 1 1 1 精冲加工技术概述1 1 1 2 精冲技术的应用2 1 2 课题意义。3 1 3 混合驱动压力机的研究方法与现状3 1 3 1 混合驱动机构的基本原理：4 1 3 2 混合驱动压力机的研究方法5 1 3 3 混合驱动压力机的研究现状5 1 4 本课题研究内容7 第二章现有精冲机的分析研究9 2 1 现有精冲机的简介9 2 1 1 精冲机的结构9 2 1 2 精冲机的特点1o 2 1 3 现有精冲机主要技术参数1 1 2 1 4 现有精冲机存在的问题。1 l 2 2 传动机构改进方案的提出1 2 2 2 1 新机床的设计参数1 2 2 2 2 不同传动方案的提出1 2 2 3 基于a d a m s 的方案运动仿真分析。1 4 2 3 1a d a m s 软件介绍1 4 2 3 2 虚拟样机模型的建立1 5 2 3 3 方案的可行性分析1 6 2 4 传动结构初设计1 9 2 5 本章小结2 0 第三章传动机构运动学分析2 l 3 1 运动学分析的目的2 1 3 2 运动学分析的方法2 1 3 3 位置分析2 l 3 4 速度分析2 5 3 5 加速度分析2 6 3 6 本章小结2 8 第四章传动机构参数化设计及优化研究2 9 目录 4 1 基于a d a m s 的模型参数化设计2 9 4 1 1 模型参数化的目的2 9 4 1 2 参数化设计的类型2 9 4 1 3 参数化的方式。2 9 4 2 本机构虚拟样机模型的参数化3 0 4 2 1 设计变量的定义3 0 4 2 2 模型关键点的参数化设置3 1 4 2 3 建立构件与设计变量间的关联3 4 4 3 对设计变量的设计研究3 6 4 3 1 设计研究的方法3 7 4 3 2 定义设计研究的目标。3 8 4 3 3 进行设计仿真分析。3 8 4 4 对模型的试验设计4 7 4 5 本章小结5 0 第五章基于d e f o r m 软件的仿真验证分析5 l 5 1d e f o r m 软件的介绍5 1 江猷吐勤色勉型逝鲨掣邕茹_ 二二茹= 二_ ：l = 二：= ：三一一 5 2 1 圆盘零件冲压几何模型的建立5 2 5 2 2 普通冲压f e a 模型的生成5 3 5 2 3 普通冲压模拟结果及讨论5 4 5 - 3 优化前精冲加工的仿真分析5 6 5 3 1 精密冲压几何模型的建立5 6 5 - 3 2 精密冲压f e a 模型的生成5 6 5 3 3 精密冲压模拟结果及讨论5 7 5 4 优化后精冲加工的仿真分析5 9 5 4 1 优化后模型的仿真结果5 9 5 4 2 优化前后的仿真结果综合分析6 1 5 5 本章小结6 2 第六章冲压机主要零部件的设计计算6 3 6 1 确定机床的技术参数6 3 6 1 1 冲压能量图6 3 6 1 2 传动方案的确定6 4 6 2 电动机的计算选择6 5 6 3 飞轮的尺寸计算6 6 6 4v 带的计算6 7 6 5 齿轮的计算6 8 6 6 轴的校核7 l i i i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 精冲加工技术概述 精密冲压是一种无切屑的加工方法，它是由一般冲压加工进化后的一种更为精密的 加工技术【l 】，简称精冲，在单个冲压加工循环中，精冲件比普通冲压件的精度高、横断 面平整、翘曲变形少、互换性好，并且可以用较低的成本改善产品的质量，普通冲压和 精密冲压两种加工方法的具体比较见图1 1 所示【2 1 。 普通冲压 y 图1 1 普通冲压和精冲的区别 f i g 1 1d i f f e r e n c e sb e t w e e no r d i n a r ys t a m p i n g a n dp r e c i s i o ns t a m p i n g 1 落科凸模；2 凹模；3 ，冲孔凸模； 4 顶件板；5 - 顶杆；6 - 压板： 7 - 压杆；8 - 齿圈；9 精冲材料： 1 0 - 精冲件；1 1 内彤废料；c 冲裁间隙 图1 2 精冲过程示意图 f i g 1 - 2p r e c i s i o ns t a m p i n gp r o c e s sd i a g r a m 精密冲压加工是利用塑性剪切原理来实现材料的切断，在专用的压力机上，采用非 传统结构的精冲模，在巨大压力的作用下使待加工材料发生塑性剪切变形。图1 2 所示 的冲压循环中，首先，v 形齿圈8 受到压力f r 的作用，压紧材料到凹模上，这样在v 形齿 的内面会形成横向侧压力，有效的阻止了剪切区内金属材料的撕裂和横向流动；然后落 料凸模1 压紧材料9 ，接着冲孔凸模3 压入金属材料，同时顶件板4 在反压力f g 的作用下压 紧材料，在材料被完全压紧的状态下，利用冲裁力f s 对材料进行冲裁；冲裁区内的材料 受三向压应力作用，这样可以提高材料的塑性，材料就沿着凹模的边缘形状，以纯剪切 的方式被冲裁成型引。精密冲压的主要特点是在精密冲床上采用特殊结构的精冲模具， 对原材料进行强力压边和反顶施压作用的同时进行冲压加工，这样可以同时提高尺寸及 形位精度，获得剪切面光洁、平整的精密冲压零件，经过精密冲压加工的零件一般不需 要开展后续切削加工，已经达到了直接装配的要求，并且采用精密冲压加工的零件，因 为产生了冷作硬化作用，会大幅度提高零件剪切面的硬度、耐磨性、抗蚀性等，从而达 到延长零件使用寿命的目的，实践证明，这种加工方法可以取得很高的经济效益。 纛毯 江南大学硕士学位论文 1 1 2 精冲技术的应用 在各种家电与机电产品中，其结构零件大部分是厚度为0 5 1 6 m m 的板状零件，这 些零件金属材质不同且形状复杂，同时需要较高的尺寸及形位精度，特别要求料厚方向 平直、光洁，一般的加工方法是采用普通冲压提供坯料，然后采用车、铣、刨、磨等方 法进行切削加工，借以达要零件的质量要求1 4 ，这种生产方式缺点很多，如工艺流程长、 工序繁琐，生产效率不高，且零件的互换性差，浪费人力物力，难以适应大量生产需要， 采用精冲加工，则可以解决以上问题。 精冲件具有如下特点： 1 ) 形状多样，尺寸及形位精度高，大部分材料的厚度为3 m m - 1 2 5 m m ，为中厚板 与厚板零件，裁剪面光整、零件质量不输于切削加工零件； 2 ) 精冲零件边缘干净整洁，有些具有特殊形状特征的零件用其他加工工艺难以制 造，如孔边距与孔间距小于料厚的零件，具有压凸、沉孔、盲孔及轮毂凸缘等成形特征 的零件，还有模数很小的渐开线、摆线、三角形、矩形、梯形等形状高精度齿轮。 3 ) 由原材料一次冲压就可以加工完成，不再进行切削加工的零件，如中卡载重汽 车、轿车、摩托车等产品精冲件，这些零件都是需要大批量制造，采用一次冲压成型方 法可以提高产量； 4 ) 采用精密冲压加工的零件裁切面受到冷作硬化的作用，大幅改善了加工表面的 硬度、强度，耐摩擦性能和耐候性，提高了零件的寿命。 图卜3 精密冲压零件 f i g 1 3p r e c i s i o ns t a m p i n gp r o d u c t i o n s 近2 0 年来，人们日常生活中出现了越来越多的精密冲件，例如有用于电子仪器上的 小型精密冲件，还有用于家用电器上的中型精密冲件，可以看出精冲技术的应用范围不 断扩大；7 0 年代，精密冲压可加工的最大料厚达1 5 m m 左右，在加工厚板料的钢结构精 冲件领域取得了巨大进展，由于该技术能将普通冲裁的高效率，低能耗以及切屑加工的 高质量融为一体，已在汽车、摩托车、兵器、航空器、家用电器、计算机、办公机械、 仪器仪表、高低压开关、照相机、工具刀具等各行各业得到广泛的运用。 生产实际情况可以发现，应用精冲技术进行板类零件的大批量生产，不仅可以获得 很高的经济回报，同时还可以较少普通冲压生产中经常发生的各种人身伤害事故，减少 2 第一章绪论 冲压噪声污染，其职业安全性能与环保效益令人满意。 1 2 课题意义 随着国内冲压行业的发展，精密冲床用户群的队伍正不断壮大，2 0 0 8 年我国汽车产 量约为9 3 0 万辆，若平均每辆汽车按使用7 0 件精冲件来计算，精冲件的需求量大约6 5 亿 件，这还不包括其它行业的需求。庞大的工业需求使得精冲压力机的生产研发成为热点， 国内精密冲床市场还处于拓展阶段；据统计，中国台湾地区的高速冲床普及率达百分之 四十，而中国大陆只有百分之四，随着大陆地区经济的快速发展，中国正在成为“世 界工厂 ，国内高速冲床的市场需求量在日益增多，大量的市场需求，不断激励着国内 高速冲床生产厂家的技术进步【5 】。 精密冲压机分为机械式和液压式两种，液压式精冲机结构简单，传动平稳，容易按 照工艺过程的要求实现对滑块运动特性的控制，现在应用比较普遍，但是液压式精冲机 封闭高度的重复精度不如机械式，并且液压系统易泄露的问题难以解决，阀门造价昂贵， 同时机械式精冲机高效率的优点是液压式难以媲美的 6 1 。目前，一些小型的精冲机主传 动都采用的是机械式，而大于3 2 0 吨公称压力的机械式精冲压力机国内外还比较少，所 以，研发大吨位机械式精冲机对提高中厚型板材加工的生产效率具有重要意义。机械式 精冲机的冲压速度难以像液压式那样得到精确控制，这影响着冲压产品的质量以及模具 寿命，如果可以从优化主传动机构参数的方向出发，实现冲压时匀速的话，则可以很大 程度上提高加工零件的质量和模具寿命，降低加工成本。 本课题是结合无锡晶心精密机械有限公司的生产实际状况展开，解决工程生产实际 中的问题，深入研究精冲加工工艺，尤其是针对提高精冲压力机的性能进行研究，对精 冲压力机系统进行深入了解，并在此基础上对精冲机进行改进，以达到提高模具寿命， 改善零件质量的目的。针对企业提出的要求，在原有3 0 0 u 屯机械式精密冲压机基础上， 研发4 5 0 吨新机床，在有效冲压行程中降低冲压速度，改善冲压零件机械性能，降低企 业生产成本，提高经济效益，为企业自主研发新机型提供参考。 1 3 混合驱动压力机的研究方法与现状 通过了解近几年压力机的发展状况，一些压力机借以不同类型的传动机构方式，实 现改善压力机速度特性曲线的要求，目的是顺应不同冲压加工工艺、不同材料和各种厚 度对形变速度的要求，可是一旦压力机的结构形式以及尺寸固定了之后，机床的运动规 律也随之确立，故柔性不高；为了进一步改善压力机的滑块速度特性曲线，越来越多的 研究学者考虑在压力机的驱动系统中引入伺服电机【7 】。 采用伺服电机来驱动压力机的方式有2 种【8 】：第一种是将原有的普通电机替换为伺服 电机直接驱动，大体结构与普通机械压力机类似，只是电机由普通变为伺服，传动机构 的自由度没有变化，通过输入合适的伺服电机驱动模式，优化压力机滑块速度特性和其 他运动力学性能。第二种是通过添加一个伺服电机，与常规电机混合驱动压力机，经过 改变后的机床结构形式与普通压力机完全不同。普通电机与伺服电机的运动经由一个二 江南大学硕士学位论文 自由度机构合成之后，驱动机床滑块往返运动，不仅能够改善滑块的动力学性能，而且 可以优化滑块的运动规律，以适应不同冲压工艺的要求【7 1 。 现在大部分伺服电机被应用与工业机器人和数控机床上，在伺服电机驱动机械压力 机领域的研究仍然不多，参考美国、台湾、日本的研究结果了解到，应用伺服电机驱动 机械式压力机，如可以适当的控制，可以精确控制冲头的速度和位置【9 】，不但大大了提 高生产率，还可以满足加工生产工艺对滑块速度规律性能的不同要求；小型机械压力机 应用伺服电机驱动，具备以下几个特点： i 因为伺服电机的角速度可以调节，所以可以根据待加工材料的性能特点，对滑 块的速度进行调节，从而可以达到加工的要求。 i i 通过调节伺服电机的初始相位角，可以改变压力机滑块的下死点位置，进而可 以改变装模高度，减少了调整装模高度的准备时间，提高了加工效率。 i i i 冲头的运动速度具备闭环控制的特点，这个优点大大改善了冲压件的成形精度。 i v 如果仅仅采用伺服电机驱动小型机械压力机，而没有改变压力机的机械结构， 只是改变了驱动件的性质，所以不论伺服电机的角速度如何调节，压力机的滑块位移曲 线不会发生变化，因此滑块的位移曲线不具有多样性，这就不利于压力机广泛应用【7 j 。 v 由于伺服电机普遍功率较小，所以目前多为小型压力机采用全伺服电机驱动。 1 3 1 混合驱动机构的基本原理 混合驱动机构逐渐成为压力机研究领域的热点，已经有很多国内外学者对这方面做 出了研究【l o 】。如图1 4 所示，混合双驱机构采用普通电机与伺服电机混合输入作为其驱 动源】，普通电机为整个机构提供大部分动力，是主驱动，伺服电机对运动进行调节作 用，是辅助驱动，两种形式的输入驱动经过一个二自由度机构合成后，形成所需要的输 出运动规律，混合驱动机构既继承了传统机构高效率和全伺服驱动机构柔性高的优点， 又摆脱了两者的不足，在理论上能够比较理想地解决高效率、高速化、高承载力与高柔 性化这一对矛盾，在现代机械创新设计领域，设立了一个新的思路。混合驱动机构既具 有传统机械系统高效、高承载力的优点，又具有可调性与可控性，即有柔性，能够输出 多组运动规律，这项优点顺应了产品生产多样化的发展态势，同时扩大了机床的应用范 围。 图l - 4 混合驱动机构基本原理图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fh y b r i d - d r i v e nm e c h a n i s m 4 的柔性化。 混合驱动压力机将普通电机和伺服电机一起输入的运动综合后，生成能够编程的输 出规律，这种驱动系统同时具备普通机械系统和全伺服驱动系统的优点，可以实现输出 运动柔性化，并拥有承载力强、加工效率高、成本低的特点，可以充分适应当今生产的 多品种、小批量、低成本发展的要求，混合驱动压力机除具有伺服驱动压力机的优点外， 还具有以下两个特点： 1 、通过伺服电机运动规律的优化设计，可以不改变普通电机转速和每分钟冲压次 数，就能够对冲头工作行程的速度特性进行调节，达到压力机工作效率提高的目的。 2 、可简化冲压机床的结构，采用混合驱动机构时，因为可以调节伺服电机的运动 规律，为了输出同样的运动规律，无需用多杆机构来降低冲头的速度，从而实现简化冲 压机床结构的目的。 1 3 3 混合驱动压力机的研究现状 近年来，伺服电机生产和控制技术不断发展，应用范围不断扩大，很多国内外研究 人员对采用伺服电机驱动压力机这方面进行了研究：“伺服成型设备a f 系列”是由世 界知名公司共同开发的一种小型但高生产率的由伺服电机带动的压力成型机，这台机器 被用来加工与汽车相关的小型精密零部件、各类引线框架、用于手表机芯的精密齿轮， 这种新型设备智能化程度很高，它能控制冲头的速度，当冲头碰到工件的短暂时间内， 减缓冲头速度，达到了减少振动噪声，提高冲头寿命的目的。此外，日本的一家公司还 研发出了m o t o r u m 一2 0 0 0 转塔式冲床，通过伺服系统来优化机床的性能，冲头由伺 服马达控制工作，在避免振动和噪声的条件下，可以将冲压速度提高到同类机械的1 5 0 ；有学者考虑双肘杆压力机上添加伺服电机驱动，通过尺寸参数的优化设计，开发了 3 0 t 双肘杆式机械压力机，该研究结果证明在加载过程中，压力机的机械增益波动很小， 可以忽略，这个特点有利于薄板金属和拉伸加工的成型工艺，而且随着伺服电机功率的 提高，这种压力机的应用范围会越来越广泛；国内有学者将永磁铁伺服电机运用到曲柄 江南大学硕士学位论文 滑块机构上，利用计算机为工具，采用名为“自适应扭矩控制 的技术来调节伺服电机 的转速，就能实现滑块相对于电机转角位置的精确控制。 国内的一些研究学者也对混合驱动机械压力机做了相应的研究，孟彩芳教授提出了 一种混合输入式曲柄压力机的机构，以伺服电机的跟踪能力为判断依据，优化设计机构 参数，建立了分析目标的数学模型，采用最小二乘极小化方法，在m a t l a b 软件中求得 了机构的最优参数；陆永辉对压力机的混合驱动方案作了理论与仿真研究，以伺服电机 速度波动最小和动力分配比最小为目标函数，优化设计了机构的尺寸参数；李晓芳、葛 正浩等分析了将混合驱动凸轮连杆机构应用于机械压力机的意义，设计出了一种采用凸 轮连杆机构作为传动系统的混合驱动机械压力机的构型，对机构运动原理和机构的逆运 动学方面进行了详细的分析，在特殊的加工要求下，伺服电机的实际运转情况可以被计 算求得，在获得伺服电机转角函数之后，就可以此函数来控制滑块运动，作者还利用了 p r o m e c h a n i s m 模块为工具，在软件中对该机构进行了运动仿真分析研究。 目前国内外对混合驱动式压力机的研究成果可以分为以下几种类型： ( 一) 轮系混合驱动伺服压力机 此类混合驱动压力机是采用差动轮系将来自普通和伺服电机的驱动进行综合，用差 动轮系的输出端带动压力机曲柄转动，从而带动压力机滑块运动，由图1 5 示可见，普 通电机经过一级皮带传动和一对减速齿轮后，为混合驱动系统做恒定驱动，伺服电机经 过两级减速齿轮后，为系统提供可调节的驱动，经过差动轮系综合之后，使压力机曲轴 旋转，就可以调节压力机输出端的运动速度【l 引。 笼秘鲶幕衡轮疆 电魄 图l 一5 轮系混合驱动传动系统结构 f i g 1 - 5t h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r eo ft h eh y b r i dg e a rd r i v e t r a i n ( 二) 杆系混合驱动伺服压力机 近年来较多的学者对杆系混合驱动压力机进行研究，因为这种机构它的结构简单， 可以计算的变量多，分析优化复杂，图1 - 6 为国内知名大学一起研发的杆系混合驱动伺 服压力机，由其驱动示意图1 7 中可以看出，曲柄l 由普通电机以恒速驱动而转动，连杆 3 由伺服电机通过滚珠丝杆的驱动而运动，两个驱动源在复合铰链b 处发生综合，通过连 杆4 带动滑块6 的往复运动i l 2 。 6 第一章绪论 图1 - 6 杆系混合驱动伺服压力机外观 f i g 1 - 6h y b r i d - d r i v e nb a rs y s t e ms e r v op r e s s 图1 7 杆系混合驱动示意图 f i g 1 7p r i n c i p l e so fh y b r i d - d r i v e nb a rs y s t e m 通过比较上面两种混合驱动伺服压力机的传动结构，发现它们有各自的特点，第一 种方案的特点是：在轮系传动结构中，压力机的传动系统会根据差动轮系结构而确定， 设计计算方法简单，采用这种传动结构，系统所设定的调速比会影响伺服电机的功率， 伺服电机所需的功率会随着调速比的增大而增大；第二种方案的特点是：采用这种传动 系统的压力机，普通和伺服电机的输出力矩受到负载大小和机构尺寸参数的影响，文献 【1 2 】中是不同的五杆混合驱动机构几何参数的仿真试验，结论是：在伺服电机采用不同 结构参数时与常规电机的功率比可能为0 1 、1 0 或1 0 ，差异很大，所以设计杆系混合 驱动系统之前，必须先规划轨迹和优化结构的几何参数。 1 4 本课题研究内容 本课题立足于无锡晶心精密机械有限公司在生产中遇到的实际问题，从精密冲压机 的优化设计入手，提高加工零件质量，减少模具损坏，研发新机型，为企业创造更大生 产效益，对企业的发展起到积极作用，研究内容主要可以分为以下几个方面： 1 ) 研究企业现有精冲机的结构、工作原理，发现分析存在的问题。 通过查阅文献资料及进入公司实地参观调查，深入研究企业已有冲压机的结构和 工作原理，并针对企业提出的在保持冲压效率不变的情况下，降低冲压时冲头速度的要 求，提出改进主传动机构的设计思路。 2 ) 针对企业现有机床所存在的问题，对主传动机构进行创新改进，提出不同的传 动方案，分析比较不同方案的优缺点，确定最终设计方案。 运用a d a m s 分析软件【1 3 】，建立主传动机构模型【1 4 】，设定满足加工效率的驱动， 对机构进行运动仿真，测量数据，比较不同方案的优缺点，选定合适的方案。 运用a d a m s 对机构进行优化设计分析【”】。建立目标函数【1 6 】为滑块速度，分别 分析机构的各个参数，找出影响目标函数的主要因素及次要因素，对主要因素进行优化， 选定较好的参数组合l l 7 1 。 3 ) 对提出的二自由度冲压机构进行运动学分析。 7 江南大学硕士学位论文 4 ) 运用有限元分析软件d e f o r m 2 d 分析比较普通冲压与精冲的区别，同时对优化 前后精冲过程进行仿真分析，验证机构优化的有效性。 5 ) 在确定主传动机构方案之后，参考企业现有冲床的结构，设计计算4 5 0 t 精冲机 的主要零部件。 图2 1f g l 3 0 0 冲床三维结构图 f i g 2 - lt h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r eo fp r e s sf g l 3 0 0 2 1 1 精冲机的结构 总体布局 f g l 一3 0 0 是一台立式冲压机，机身主体为铸铁构件，是由多个板件焊 架式结构。床身后部有一齿轮箱，主传动机构位于齿轮箱内，如齿轮，高、 主传动机构与滑块连接，滑块沿床身竖直导轨上下运动，工作台和滑块上 模具，用于冲压不同零件，机床安装自动送料装置。 图2 - 2f g l 3 0 0 冲压机外观图 f i g 2 2a p p e a r a n c eo fp r e s sf g l 一3 0 0 9 江南大学硕十学位论文 ( 多主传动机构 拉杆 摆杆 图2 - 3 传动机构示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t r a n s m i s s i o n 图2 - 4 传动机构三维造型图 f i g 2 - 4t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e lo f t r a n s m i s s i o n 轮 传动机构是本机床的核心部分，由电机经皮带传动至图2 4 中齿轮轴，齿轮轴带动 大齿轮转动，大齿轮中心接有一偏心盘，拉杆被偏心盘带动，摆杆在拉杆的拉力作用下 作摆动，摆杆拉动连杆运动，此时，滑块则沿着床身的导轨做上下滑动，从而完成对零 件的冲压加工。 2 1 2 精冲机的特点 1 能够同时提供冲压力，压边力和反压力 精冲工艺过程是在冲裁力，压边力和反压力三者同时作用下进行的，其中可根据具 体零件精冲工艺的需要，对压边力和冲裁力单独进行无级调节【1 7 1 ，另外还要求压边系统 有无级调节的部分和自动卸压装置【1 8 】，精冲开始时，首先在压边力的作用下v 形齿圈 压入材料，实现压边后，冲压机自动卸压到预先调定的压边保压力，接着对材料进行冲 裁，这样的过程可以充分发挥设备的能力。 2 冲裁速度柔性化 在冲裁过程中，为了防止刃1 2 部位的瞬时温升过高，一方面需要改进润滑条件，另 一方面要求降低冲裁速度；但降低冲裁速度势必会直接影响压机的生产效率，为了应对 这对矛盾，冲压机冲裁速度在额定范围内需要无级可调，以便适应冲裁不同厚度的需要。 3 滑块冲压速度具有快速闭合、慢速冲压和快速回程的特点。 因为工艺过程对冲裁速度具有一定的限制，但是在满足设备生产率要求的条件下， 必须在减低有效冲裁速度的同时尽可能加快空程的速度。 4 滑块的导向精度和刚度很高 精冲模的间隙一般很小，单边间隙为料厚的0 5 ，为了保证精冲过程中，上、下 模能够精确对中，即要求精冲机的滑块有精确的导向性，还要求滑块在承受偏心载荷时 具有足够的刚性，以便保持原来的精度，否则，工件的质量和模具的寿命就会降低。 1 0 第二章现有精冲机的分析研究 5 封闭高度重复精度高，有精确的封闭高度指示 因为精冲技术要求冲模之间的间隙非常小，冲压时凸模不能进入凹模，以防工件毛 刺的高度增加，并且会使模具的寿命缩短。冲压机要求有很高的封闭高度重复精度，同 时要保证压机要有无料不冲的监控机制，以此保证从条料上冲下工件时，凸模不会进入 凹模0 9 。 6 床身刚性好 精冲机床身均采用闭式框架结构，立柱间距小，横截面面积大，以提高床身整体刚 性，尽量减小冲裁时冲裁力、压边力和反压力同时作用下床身产生的纵向弹性变形，吸 收能量，减小振动。 7 模具保护装置性能可靠 精冲压力机已经基本都能实现单机自动化，在冲裁规程中，需要有保护模具的措施， 如当模具空间有废料或者工件时，机器可以进行自动检测，使滑块退回，再次清除工件 或废料，如果能实现，压力机继续自动冲裁，如果工件或废料仍遗留在模具空间，滑块 立即退回停止工作，避免损坏工件，模具和压力机。 2 1 3 现有精冲机主要技术参数 表2 - 1f g l 3 0 0 冲压机的主要技术参数 。 t a b 2 1m a i nt e c h n i c a ld a t ao fp r e s sf g l 3 0 0 名称单位量值 公称压力t3 0 0 压边力 t 1 5 0 反压力 t7 5 。 保压力 t1 5 工作行程m m1 5 0 有效工作行程 n l l n6 工作台尺寸m m 1 2 0 0 工作循环次数 1 m i n4 0 总功率k w 3 7 最高冲裁速度 m m s8 0 2 1 4 现有精冲机存在的问题 在生产过程中，我们发现企业现有的精冲机存在着一些问题： 1 ) 本机床的公称压力为3 0 0 吨，限制了冲裁的板料厚度。 2 ) 在一个冲裁过程中，冲头真正开始接触零件到离开零件的这段时间很短，导致 冲头接触零件的瞬间释放大量的能量，对零件和模具的冲击很大，瞬时的热能无法释放， 从而影响了零件的质量和模具的使用寿命。 江南大学硕士学位论文 一一 针对这些问题，企业迫切想要得到改进。现提出了改进已有冲压机的方案，借以提 高冲压效率，并在有效冲压行程中，控制冲压速度，从而达到改善冲压零件机械性能， 降低企业生产成本，提高经济效益的目的。 2 2 传动机构改进方案的提出 通过对企业现有机床结构的具体分析可知，整台精冲机的运动特性【2 0 】取决于传动机 构的运动规律，因此，如果能够设计出一种合适的传动机构，在保证工作循环次数不变 的情况下，