楊 莉 秦泗吉 謝 談 李江國 閆 興

（①燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004;②北京機(jī)電研究所，北京 100083）

冷鍛是一種精密鍛造成形技術(shù)，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于成形件的尺寸精度高、機(jī)械性能好、材料利用率高，因此冷鍛成形也被稱為凈成形或近凈成形［1］。冷鍛適用于大批量生產(chǎn)，尤其在汽車、航天等工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛。國內(nèi)冷鍛技術(shù)的發(fā)展與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距，到目前為止，我國生產(chǎn)轎車的冷鍛件質(zhì)量不足30 kg［2］，相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家的一半，開發(fā)潛力還很大。

冷鍛壓力機(jī)是實(shí)現(xiàn)冷鍛成形工藝的重要裝備，其剛度和精度等性能直接影響著成形過程和冷鍛件的質(zhì)量［3］。肘桿式冷鍛壓力機(jī)是一種多連桿傳動的壓力機(jī)，采用廣義肘桿機(jī)構(gòu)可擴(kuò)大壓力機(jī)的有效壓力行程和低速行程范圍，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用［4］。

肘桿機(jī)構(gòu)屬多連桿機(jī)構(gòu)，由于運(yùn)動鏈長，對滑塊的運(yùn)動和位置精度的影響因素較多，在設(shè)計過程中應(yīng)予以特別關(guān)注。桿系誤差來源主要有桿件加工制造誤差，運(yùn)動副間隙引起的誤差，以及桿件彈性變形和熱變形引起的誤差?？梢酝ㄟ^潤滑和冷卻等方法控制由于溫度變化引起的桿系誤差，以及提高剛度等措施減小彈性變形引起的誤差。本文主要討論桿系尺寸制造誤差對滑塊下死點(diǎn)位置誤差的影響，運(yùn)動副間隙對滑塊位置和速度的影響。并運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立肘桿式冷鍛壓力機(jī)的仿真模型，分析影響滑塊位置誤差的主要因素，采取合理的工藝保證措施，為壓力機(jī)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 肘桿冷鍛壓力機(jī)傳動原理

目前冷鍛精密成形設(shè)備基本依賴從德國、日本進(jìn)口，而從國外進(jìn)口冷鍛設(shè)備費(fèi)用高、維護(hù)難，因此加強(qiáng)冷鍛設(shè)備開發(fā)與推廣應(yīng)用是一項很迫切的任務(wù)。國內(nèi)自行研制的多連桿式冷鍛壓力機(jī)填補(bǔ)了一個空白，所設(shè)計的肘桿式冷鍛壓力機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

肘桿冷鍛壓力機(jī)的傳動原理如圖1所示。電動機(jī)通過一級皮帶和二級齒輪減速后由廣義肘桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動滑塊實(shí)現(xiàn)加工運(yùn)動。該肘桿機(jī)構(gòu)由一個與上、下肘桿和曲柄13相連的三角形連桿11組成，上肘桿12一端與機(jī)身鉸接，下肘桿10一端與滑塊9相連。壓力機(jī)工作時，滑塊9由肘桿帶動實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動。肘桿機(jī)構(gòu)具有一定的增力作用，有較好的急回特性，在工作區(qū)域有較為理想的速度特性。

表1 冷鍛壓力機(jī)的基本參數(shù)

2 壓力機(jī)滑塊運(yùn)動精度分析基本原理

壓力機(jī)滑塊的運(yùn)動精度是指滑塊下死點(diǎn)的重復(fù)精度，是壓力機(jī)的一個重要性能指標(biāo)。以所設(shè)計壓力機(jī)為例，研究桿長誤差對滑塊下死點(diǎn)位置誤差的影響。

圖2為冷鍛壓力機(jī)肘桿機(jī)構(gòu)簡圖，滑塊的輸出位置y是各桿系尺寸L1、L2、L3、……、Ln的函數(shù)［5］

當(dāng)各桿長分別有尺寸誤差 ΔL1、ΔL2、…、ΔLn時，則滑塊的輸出位置將有誤差Δy為

將式（2）按泰勒級數(shù)展開，誤差ΔLi與桿長Li相比數(shù)值很小，略去高階微量，僅取一階項作近似值:

由式（3）可知，滑塊的位置誤差Δy是各桿長尺寸誤差的線性函數(shù)。式中每一項為各個桿長誤差引起的滑塊運(yùn)動位置誤差，各偏導(dǎo)數(shù)相當(dāng)于各桿長誤差轉(zhuǎn)化到滑塊上的傳動比，反映了對滑塊位置誤差的影響程度，稱為誤差傳遞系數(shù)。誤差傳遞系數(shù)用解析法求解［6］，需要求偏導(dǎo)數(shù)，求導(dǎo)過程繁瑣，計算復(fù)雜，求解也比較困難。

采用數(shù)值法求解，不需求導(dǎo)，比較簡便。由式（3）知，滑塊在下死點(diǎn)的位置誤差Δy與各桿長誤差ΔLi近似成線性關(guān)系。因此，在研究一個桿長誤差時，認(rèn)為其它各個桿長保持常量。例如已知桿長L1的誤差ΔL1，將其余變量設(shè)為定值，可求出滑塊的位置誤差Δy1，進(jìn)而確定桿L1對應(yīng)的誤差傳遞系數(shù)。同樣方法，即可得到其他桿件對滑塊位置的誤差傳遞系數(shù)。

如圖2，已知:L1=150 mm，L2=1 100 mm，L3=560 mm，L4=1 250 mm，L5=561.32 mm，L6=600 mm，L7=20 mm，L8=300 mm，L9=850 mm。求得:

將所有局部位置誤差相加，即可確定滑塊的總位置誤差為:

部分桿長尺寸誤差與滑塊下死點(diǎn)位置關(guān)系見圖3。

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在ADAMS軟件中，建立冷鍛壓力機(jī)的主體結(jié)構(gòu)簡易模型（如圖4），在幾何模型上對各桿的尺寸誤差進(jìn)行仿真測試，桿長L1和L3尺寸誤差對滑塊下死點(diǎn)位置影響的輸出曲線如圖5所示。

理論計算與仿真結(jié)果都表明，各個桿的長度誤差都會對滑塊下死點(diǎn)位置有影響，但影響的程度不同。L5、L6、L7和L9的尺寸誤差對滑塊位置誤差影響較小，L1、L2、L8和L3的尺寸誤差對滑塊在下死點(diǎn)的位置影響較大，L1和L8，L2和L3的影響趨勢相反。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，如果各桿長度按7級精度加工，L1和L8的尺寸公差為0.040 mm和0.052 mm，則桿的尺寸按L1=（150+0.020）mm，L8=（300+0.026）mm 或L1=（150－0.020）mm，L8=（300－0.026）mm 選取，可以減小滑塊的位置誤差，提高運(yùn)動精度。

3 運(yùn)動副間隙對滑塊位置和速度的影響

由于制造、裝配誤差和構(gòu)件磨損，機(jī)構(gòu)中運(yùn)動副的間隙是不可避免的。運(yùn)動副間隙會引起運(yùn)動副元素間的碰撞，這種碰撞會引起機(jī)構(gòu)的沖擊和振動，而影響滑塊的運(yùn)動精度。建立冷鍛壓力機(jī)仿真模型，將組成旋轉(zhuǎn)副的銷軸和連桿孔之間的傳動定義成接觸力傳動［7］，給出鉸接副B的間隙0.1 mm，通過運(yùn)動仿真研究運(yùn)動副間隙對滑塊位置和運(yùn)動速度的影響。

圖6、7分別為仿真分析得到的滑塊位置和速度曲線。由圖6和圖7可以看出，間隙對滑塊的位置影響較小，對速度影響較大。由圖6可見，滑塊移動過程中，間隙的存在，會產(chǎn)生震蕩，影響滑塊的運(yùn)動精度。

圖7中無間隙時速度曲線比較光滑。當(dāng)鉸接副B間隙為0.1 mm時，滑塊的速度曲線波動較大，隨著運(yùn)動副間隙量的增大和壓力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的上升，運(yùn)動副間隙引起的碰撞會使機(jī)器的振動加劇，影響壓力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的精度和平穩(wěn)性。

為減少間隙對壓力機(jī)運(yùn)行的不良影響，采取一些措施:增大運(yùn)動副的連接剛性，適當(dāng)減小表面粗糙度值，以減小間隙。選用耐磨性好的材料及適量潤滑，減小摩擦和磨損，避免間隙增大。為獲得較高的配合精度，可以選用分組選配法，保證最小間隙。

4 結(jié)語

（1）對肘桿機(jī)構(gòu)冷鍛壓力機(jī)，用數(shù)值計算和仿真軟件分析了各桿系尺寸誤差對滑塊下死點(diǎn)位置誤差的影響，兩種方法得到的結(jié)果一致。根據(jù)各桿長尺寸誤差對滑塊位置誤差的影響程度，確定各桿件的尺寸公差。

（2）研究了運(yùn)動副間隙對滑塊位置與速度的影響規(guī)律，間隙對滑塊位置行程的影響很小，對運(yùn)動速度影響較大。給出了減小間隙的一些措施。

［1］何祝斌，初冠南，張吉，等.鍛造技術(shù)的發(fā)展——從前8屆國際塑性加工會議看鍛造技術(shù)的發(fā)展［J］.塑性工程學(xué)報，2008，15（4）:13－18.

［2］伍太賓.精密鍛造成形技術(shù)在我國的應(yīng)用［J］.精密成形工程，2009，1（2）:12－18.

［3］Kru?ic V，Arentoft M，Ma?era S，et al.A combined approach to determine workpiece－tool－press deflections and toolloads in multistage cold－ forging［J］.Journal of Materials Processing Technology，2011，211:35－42.

［4］莫健華，鄭加坤，古閑伸裕，等.伺服壓力機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，42（5）:19 －22.

［5］華大年，華志宏.連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:203－208.

［6］陳春.尺寸誤差對平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動精度的影響［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2005，18（1）:47 －48.

［7］王海軍，王君英.關(guān)節(jié)間隙對并聯(lián)機(jī)床精度的影響規(guī)律研究［J］.中國機(jī)械工程，2007，18（4）:471 －475.