何彥忠，黃建民，林雅杰，仲 君

（江蘇揚(yáng)力集團(tuán)精密機(jī)床研究所，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和能量按照一定要求傳給曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響到壓力機(jī)的外形尺寸、結(jié)構(gòu)布置、能量損耗以及離合器的工作性能等各方面，所以傳動(dòng)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)非常重要。壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)依據(jù)施力點(diǎn)數(shù)常見的有單點(diǎn)、雙點(diǎn)、四點(diǎn)等幾種類型。對于雙點(diǎn)壓力機(jī)，目前常用的有兩種結(jié)構(gòu)：一種是單軸曲軸橫放，如圖1所示；一種是雙軸曲軸縱放，如圖2所示。圖1中雙點(diǎn)傳動(dòng)形式的優(yōu)點(diǎn)是壓力機(jī)沖壓工件的反作用力由兩個(gè)施力點(diǎn)傳遞給曲軸，曲軸的兩偏心同向同步轉(zhuǎn)動(dòng)。這種傳遞結(jié)構(gòu)只要保證兩端支撐位置在受力情況下?lián)隙茸冃魏娃D(zhuǎn)動(dòng)部件磨損量一致，兩邊受力都是均衡的。其缺點(diǎn)是滑塊在承受公稱力作用時(shí)，雖然對于左右導(dǎo)軌沒有側(cè)向力，但對前后導(dǎo)軌有側(cè)向力，且側(cè)向力無法抵消避免。此外由于連桿擺動(dòng)方向同向，所以當(dāng)壓力機(jī)行程次數(shù)較高時(shí)，擺動(dòng)慣性力將會(huì)很大。所以針對行程次數(shù)相對較高，工作臺(tái)面跨度要求較大，或者用于承受偏載荷級進(jìn)模加工的壓力機(jī)，我們常采用如圖2中所示的雙點(diǎn)傳動(dòng)型式。本文主要討論這類雙曲軸縱放的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖1 單軸曲軸橫放雙點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖2 雙軸曲軸縱放雙點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1 曲軸縱放雙點(diǎn)壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)精度影響分析

對于兩根曲軸縱放的雙點(diǎn)壓力機(jī)，其傳動(dòng)情況又有兩種：一種是曲軸同向旋轉(zhuǎn)，一種是曲軸異向旋轉(zhuǎn)。曲軸同向旋轉(zhuǎn)由于其產(chǎn)生的擺動(dòng)慣性力無法抵消易引起振動(dòng)，且對導(dǎo)軌面的側(cè)向力無法消除，因此連桿一半采用導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)。曲軸異向旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，在適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)下可以平衡部分?jǐn)[動(dòng)慣性力，減少不平衡引起的振動(dòng)，此外也可以適當(dāng)?shù)窒糠謧?cè)向力。但同步性保證是一個(gè)問題，而同步性問題直接影響到滑塊的運(yùn)動(dòng)精度。如圖3所示為雙曲軸縱放結(jié)構(gòu)簡圖，本文僅針對此類傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對其運(yùn)動(dòng)特性及其受力情況做詳細(xì)分析與仿真。

圖3 曲軸縱放雙點(diǎn)壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖

壓力機(jī)滑塊行程為：

式中：R——曲柄半徑；

α——曲柄轉(zhuǎn)角；

L——連桿長度；

λ——連桿系數(shù)，λ=R/L；

e——節(jié)點(diǎn)偏心。

從上式不難看出，對于雙軸雙點(diǎn)壓力機(jī)來說，影響滑塊傾斜度的因素主要有以下4個(gè)：①曲柄轉(zhuǎn)角誤差 Δα=α-α1；②曲柄半徑誤差 ΔR=R-R1；③連桿長度誤差ΔL=L-L1；④偏置值誤差Δe=e-e1。

依據(jù)滑塊行程公式可推出各因素影響下滑塊兩側(cè)垂直高度變化量ΔS。

曲軸轉(zhuǎn)角誤差引起的兩側(cè)高度差：

曲柄半徑誤差引起的兩側(cè)高度差：

連桿長度誤差引起的兩側(cè)高度差：

2 曲軸縱放雙點(diǎn)壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)ADAMS模型創(chuàng)建

根據(jù)以上分析因素，借助仿真分析軟件ADAMS創(chuàng)建模型進(jìn)行仿真分析，給出相應(yīng)因素的影響曲線關(guān)系。

本文根據(jù)以下參數(shù)來創(chuàng)建模型：曲柄半徑R=100，連桿長度 L=1000，連桿系數(shù) λ=R/L=0.1，左右偏置e=0，行程次數(shù)60min-1，模型如圖4所示。圖5是壓力機(jī)理想狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)仿真曲線。可以看出，曲柄機(jī)構(gòu)為等速機(jī)構(gòu)。

圖4 ADAMS仿真模型

圖5 雙點(diǎn)壓力機(jī)理想運(yùn)動(dòng)曲線

3 雙點(diǎn)壓力機(jī)結(jié)構(gòu)誤差引起的滑塊傾斜仿真分析

3.1 曲軸轉(zhuǎn)角誤差引起的滑塊傾斜仿真

當(dāng)左右兩側(cè)曲軸轉(zhuǎn)角每轉(zhuǎn)一周相位差為Δα=α-α1=15°時(shí)，其他參數(shù)不變，如圖6所示為滑塊走完半個(gè)周期時(shí)兩側(cè)行程曲線，橫坐標(biāo)為曲柄轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)為滑塊兩側(cè)豎直方向位移。可以看出，在曲柄轉(zhuǎn)角75°～150°之間，相位差引起的滑塊傾斜較顯著，轉(zhuǎn)角兩端相位差引起的滑塊兩側(cè)傾斜相對較小，兩側(cè)總行程量不變。

3.2 曲柄半徑誤差引起的滑塊傾斜仿真

當(dāng)左右兩側(cè)曲柄半徑差值為ΔR=R-R1=5mm時(shí)，其他參數(shù)不變，如圖7所示為滑塊走完半個(gè)周期時(shí)兩側(cè)行程曲線，橫坐標(biāo)為曲柄轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)為滑塊兩側(cè)豎直方向位移。可以看出，曲柄轉(zhuǎn)角越大引起的滑塊傾斜越顯著，兩側(cè)行程量變化。

圖6 相位差引起滑塊兩側(cè)傾斜曲線關(guān)系

圖7 曲柄半徑差引起的滑塊傾斜曲線關(guān)系

3.3 連桿長度誤差引起的滑塊傾斜仿真

當(dāng)左右兩側(cè)連桿差值為ΔL=L-L1=5mm時(shí)，其他參數(shù)不變，如圖8所示為滑塊走完半個(gè)周期時(shí)兩側(cè)行程曲線，橫坐標(biāo)為曲柄轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)為滑塊兩側(cè)豎直方向位移。可以看出，連桿長度誤差引起的滑塊傾斜不是很大，兩側(cè)行程量不變。

圖8 連桿差引起的滑塊傾斜曲線關(guān)系

3.4 偏置誤差引起的滑塊傾斜仿真

當(dāng)左右兩側(cè)連桿差值為Δe=e-e1=10mm時(shí)，其他參數(shù)不變，如圖9所示為滑塊走完半個(gè)周期時(shí)兩側(cè)行程曲線，橫坐標(biāo)為曲柄轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)為滑塊兩側(cè)豎直方向位移?？梢钥闯觯瑑蓚?cè)施力點(diǎn)偏離壓力中心線的差值，即偏置差值對滑塊兩側(cè)傾斜的影響為在曲柄轉(zhuǎn)角90°附近最顯著，往兩側(cè)影響逐漸減小，即隨著曲柄轉(zhuǎn)角的增大滑塊傾斜先增大后減小，兩側(cè)行程量不變。

圖9 兩側(cè)偏置差值引起滑塊傾斜曲線關(guān)系

3.5 曲軸轉(zhuǎn)角和曲柄半徑誤差引起的滑塊傾斜仿真

當(dāng) Δα=α-α1=15°，ΔR=R-R1=5mm，兩者最常出現(xiàn)誤差影響下的滑塊傾斜曲線關(guān)系如圖10所示?？梢钥闯?，隨著轉(zhuǎn)角的逐漸增大，滑塊傾斜越顯著。

圖10 相位差和偏心差綜合影響曲線

3.6 曲軸轉(zhuǎn)角、曲柄半徑、連桿長度、偏置值誤差引起的滑塊傾斜仿真

當(dāng) Δα=α-α1=15°，ΔR=R-R1=5mm，ΔL=L-L1=5mm，Δe=e-e1=10mm時(shí)，共同影響下的滑塊傾斜曲線關(guān)系如圖11所示。可以看出，綜合因素影響下，在曲柄轉(zhuǎn)角為90°～100°時(shí)，滑塊傾斜影響因素最小，在 10°～50°，130°～180°之間滑塊傾斜最顯著。

圖11 四個(gè)因素綜合影響曲線關(guān)系

4 雙點(diǎn)壓力機(jī)旋向影響下受力仿真分析

雙點(diǎn)壓力機(jī)顧名思義有兩個(gè)施力點(diǎn)，兩個(gè)施力點(diǎn)如果受力不均勻，將會(huì)嚴(yán)重影響沖壓件質(zhì)量和模具使用壽命。此外雙點(diǎn)壓力機(jī)分為同向旋轉(zhuǎn)和異向旋轉(zhuǎn)兩種，同向旋轉(zhuǎn)連桿為導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)受力情況差，一般不常采用，這里不再贅述。異向旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)又細(xì)分為內(nèi)旋和外旋，如圖12所示，12（a）為異向內(nèi)旋，（b）為異向外旋。內(nèi)旋和外旋決定了側(cè)向力受力方向，所以根據(jù)設(shè)計(jì)情況選擇一種最佳旋轉(zhuǎn)方向是非常必要的。下面就在ADAMS中進(jìn)行受力分析。假設(shè)當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角、曲柄半徑、連桿長度、偏置值左右無誤差的情況下，對雙點(diǎn)壓力機(jī)兩種旋向進(jìn)行受力仿真分析。給滑塊底面中心施加F=10000N的作用力，模擬沖壓受力情況。

4.1 雙點(diǎn)壓力機(jī)在無誤差狀態(tài)下異向內(nèi)旋受力情況仿真分析

圖12 曲軸縱放雙點(diǎn)壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)旋向簡圖

雙點(diǎn)壓力機(jī)異向內(nèi)旋受力仿真分析結(jié)果如圖13所示。轉(zhuǎn)角越接近360°時(shí)，表示滑塊越接近下死點(diǎn)?？梢钥闯?，異向內(nèi)旋在滑塊逐漸接近下死點(diǎn)時(shí)，兩施力點(diǎn)處y方向力的大小和方向完全重合，即Fy1=Fy2，且越接近下死點(diǎn)數(shù)值越大，表明兩施力點(diǎn)垂直方向沒有發(fā)生偏載。而在x方向上左側(cè)力Fx1為負(fù)值，且隨著滑塊接近下死點(diǎn)逐漸減小，右側(cè)力Fx2為正值，亦隨著滑塊接近下死點(diǎn)逐漸減小，由此可以看出異向內(nèi)旋，滑塊與連桿連接點(diǎn)處側(cè)向力均指向外側(cè)導(dǎo)軌，如果采用這種旋向就要考慮導(dǎo)軌受側(cè)向力情況，并且當(dāng)壓力機(jī)噸位越大，滑塊的側(cè)向力越大，導(dǎo)軌受力變形將會(huì)影響到滑塊與導(dǎo)軌的平行度和下死點(diǎn)滑塊垂直度，即沖壓精度。

4.2 雙點(diǎn)壓力機(jī)在無誤差狀態(tài)下異向外旋受力情況仿真分析

圖13 曲軸縱放雙點(diǎn)壓力機(jī)異向內(nèi)旋仿真結(jié)果

雙點(diǎn)壓力機(jī)異向外旋受力仿真分析結(jié)果如圖14所示，轉(zhuǎn)角越接近360°時(shí)，表示滑塊越接近下死點(diǎn)。可以看出，異向外旋在滑塊逐漸接近下死點(diǎn)時(shí)，兩施力點(diǎn)處y方向力的大小和方向完全重合，即Fy1=Fy2，且越接近下死點(diǎn)數(shù)值越大，表明兩施力點(diǎn)垂直方向沒有發(fā)生偏載。而在x方向上左側(cè)力Fx1為正值，且隨著滑塊接近下死點(diǎn)逐漸減小，右側(cè)力Fx2為負(fù)值，亦隨著滑塊接近下死點(diǎn)逐漸減小。由此可以看出，異向外旋時(shí)滑塊與連桿連接點(diǎn)處側(cè)向力均指向滑塊中心，因此施力點(diǎn)處產(chǎn)生的x方向的側(cè)向力可相互抵消，不對兩側(cè)導(dǎo)軌產(chǎn)生作用。異向外旋由于沒有產(chǎn)生作用于兩側(cè)導(dǎo)軌的側(cè)向力，導(dǎo)軌面受力情況相對較好，只要滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理，不會(huì)因受到側(cè)向力而變形過大就可以。從受力情況來看，雙點(diǎn)壓力機(jī)常采用異向外旋是更加合理的。

5 雙點(diǎn)壓力機(jī)結(jié)構(gòu)誤差引起的滑塊偏載仿真分析

從上面分析可知，雙點(diǎn)壓力機(jī)旋向以異向外旋為最佳。確定了曲軸旋向，下面就針對異向外旋，給滑塊底面中心施加F=10000N的作用力，分別從曲軸轉(zhuǎn)角誤差 Δα=α-α1、曲柄半徑誤差 ΔR=R-R1、連桿長度誤差ΔL=L-L1、偏置值誤差Δe=e-e1以及綜合因素影響下的滑塊受力偏載情況進(jìn)行仿真分析。

5.1 曲軸轉(zhuǎn)角誤差引起的滑塊兩側(cè)施力點(diǎn)受力仿真

當(dāng)左右兩側(cè)曲軸轉(zhuǎn)角每轉(zhuǎn)一周相位差為Δα=α-α1=15°時(shí)，其他參數(shù)不變，如圖15曲線所示為曲軸轉(zhuǎn)角誤差影響下滑塊施力點(diǎn)受力仿真曲線。可以看出，x方向上的力大小相等方向相反；而在y方向上的力，即兩施力點(diǎn)處力在整個(gè)壓力行程中大小并不是相等的，而且越接近下死點(diǎn)兩者差值也越大，即偏載情況更顯著。

5.2 曲柄半徑誤差引起的滑塊兩側(cè)施力點(diǎn)受力仿真

圖15 轉(zhuǎn)角誤差影響下施力點(diǎn)受力曲線

當(dāng)左右兩側(cè)曲柄半徑差值為ΔR=R-R1=5mm時(shí)，其他參數(shù)不變，如圖16曲線所示為半徑誤差影響下滑塊施力點(diǎn)受力仿真曲線，從曲線中可以看出x方向上影響相對顯著，在逐漸接近下死點(diǎn)時(shí)，左側(cè)力大于右側(cè)力，相差數(shù)值過大則會(huì)對右側(cè)導(dǎo)軌產(chǎn)生側(cè)向擠壓力；而y方向上影響不大，在接近下死點(diǎn)時(shí)，曲線略微變化，即兩施力點(diǎn)的沖壓力稍有不同，對于精密沖壓則要考慮兩側(cè)力差值的大小是否影響到?jīng)_裁精度。

圖16 曲柄半徑誤差影響下施力點(diǎn)受力曲線

5.3 連桿長度誤差引起的滑塊兩側(cè)施力點(diǎn)受力仿真

當(dāng)左右兩側(cè)連桿差值為ΔL=L-L1=5mm時(shí)，其他參數(shù)不變，如圖17曲線所示為連桿誤差影響下滑塊施力點(diǎn)受力仿真曲線，從曲線中可以看出，在x方向和y方向上兩施力點(diǎn)的曲線差別都不是很大，則兩側(cè)受力影響較其他情況不大。

5.4 偏置誤差引起的滑塊兩側(cè)施力點(diǎn)受力仿真

圖17 連桿誤差影響下施力點(diǎn)受力曲線

當(dāng)左右兩側(cè)連桿差值為Δe=e-e1=10mm時(shí)，其他參數(shù)不變，如圖18曲線所示為施力點(diǎn)偏置值誤差值影響下施力點(diǎn)受力仿真曲線，從曲線中可以看出，在x方向上，兩側(cè)受力大小有所差別，即要考慮一側(cè)導(dǎo)軌面的受壓力情況；在y方向上，兩側(cè)受力數(shù)值差別不大，影響較小。

圖18 兩側(cè)偏置誤差影響下施力點(diǎn)受力曲線

5.5 曲軸轉(zhuǎn)角和曲柄半徑誤差引起的滑塊兩側(cè)施力點(diǎn)受力仿真

當(dāng) Δα=α-α1=15°，ΔR=R-R1=5mm，兩者最常出現(xiàn)誤差影響下的滑塊兩施力點(diǎn)受力仿真曲線如圖19所示。可以看出，滑塊逐漸接近下死點(diǎn)時(shí)，在x方向上兩施力點(diǎn)受力差值較顯著；在y方向上兩施力點(diǎn)的受力差值逐漸增大，即兩施力點(diǎn)受力不平衡。

圖19 相位差和偏心差綜合影響曲線

5.6 曲軸轉(zhuǎn)角、曲柄半徑、連桿長度、偏置值誤差引起的滑塊兩側(cè)施力點(diǎn)受力仿真

當(dāng) Δα=α-α1=15°，ΔR=R-R1=5mm，ΔL=L-L1=5mm，Δe=e-e1=10mm時(shí)，共同影響下的滑塊兩側(cè)施力點(diǎn)受力仿真曲線如圖20所示。可以看出，滑塊逐漸接近下死點(diǎn)時(shí)，在x方向上兩施力點(diǎn)受力差值顯著；在y方向上兩施力點(diǎn)的受力差值逐漸增大，即兩施力點(diǎn)受力不平衡。

在生產(chǎn)制造、裝配中零件的尺寸加工誤差和裝配誤差是不可避免的，從以上受力仿真曲線中可以看出，所有因素都會(huì)從不同的方面影響到兩側(cè)施力點(diǎn)的受力變化，可以合理的利用四個(gè)因素差值的變化來彌補(bǔ)某個(gè)誤差引起的受力不均衡現(xiàn)象，盡量縮小受力差值，這對提高機(jī)床精度是非常有意義的。

圖20 四個(gè)因素綜合影響曲線

6 結(jié)論

（1）詳細(xì)闡述了雙點(diǎn)壓力機(jī)兩種傳動(dòng)形式的特點(diǎn)，對比了其優(yōu)缺點(diǎn)，得出了分析結(jié)論。具體分析了曲軸縱放雙點(diǎn)壓力機(jī)傳動(dòng)形式滑塊在沖壓過程中兩側(cè)施力點(diǎn)位移差與偏載差的影響因素。

（2）在ADAMS中創(chuàng)建了雙點(diǎn)壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)連桿分析模型，仿真了雙點(diǎn)壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)理想狀態(tài)下的行程、速度、加速度曲線。

（3）仿真分析了雙點(diǎn)壓力機(jī)由于曲軸轉(zhuǎn)角誤差、曲柄半徑誤差、連桿長度誤差、偏置值誤差引起的滑塊兩側(cè)位移差影響曲線，較直觀地給出了各因素對于滑塊傾斜影響程度和影響位置，最后給出了分析結(jié)論。

（4）仿真分析了雙點(diǎn)壓力機(jī)由于曲軸轉(zhuǎn)角誤差、曲柄半徑誤差、連桿長度誤差、偏置值誤差引起的滑塊兩施力點(diǎn)受力曲線，較直觀地給出了各因素對于滑塊兩側(cè)受力情況的影響，最后給出了分析結(jié)論。

（5）為曲軸縱放雙點(diǎn)壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的精度分析提供了分析方法，為精度補(bǔ)償調(diào)節(jié)提供了參考依據(jù)，并且可作為雙點(diǎn)壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)精度的設(shè)計(jì)理論依據(jù)。

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