□ 賈 先 □ 譚栓斌
西安思源學(xué)院工學(xué)院 西安 710038
機械壓力機因工作平穩(wěn)、操作條件好、生產(chǎn)率高、易于實現(xiàn)機械化與自動化等優(yōu)點,占鍛壓機械比例的80%以上[1-2]。為了提高機械壓力機生產(chǎn)率,必須增加滑塊單位時間內(nèi)的行程次數(shù),但受到?jīng)_壓工藝變形速度和操作可能性的限制,并且滑塊的運動速度應(yīng)滿足沖壓工藝的要求。選用何種機構(gòu)的壓力機,主要根據(jù)成形速度、加速度和慣性力來確定。曲柄壓力機(傳統(tǒng)壓力機最主要的工作機構(gòu)[3])在沖壓時速度和加速度較高,容易造成拉伸件的破裂,廢品率高,并且沖擊振動大、噪聲大,造成機床和模具的壽命降低。為了克服這些缺陷,提高生產(chǎn)率,常使用六連桿機構(gòu)的壓力機。
六連桿機構(gòu)機械壓力機通用性好,是目前肘桿機構(gòu)中用得較多的一種[3],它由6個構(gòu)件組成,機構(gòu)參數(shù)多達8個,每個參數(shù)的變化都會使沖頭(滑塊)的運動規(guī)律發(fā)生變化,控制運動難度很大。筆者采用MATLAB軟件對六連桿機構(gòu)機械壓力機進行仿真,以期找到防止工件產(chǎn)生裂紋的原因,滿足工件拉延的加工要求,提高模具使用壽命[4]。
六連桿機構(gòu)原理如圖1(a)所示,由曲柄OB、拉桿O1A、三角連桿ABC、肘桿CD和滑塊組成,曲柄OB、三角連桿的AB桿和拉桿O1A組成曲柄搖桿機構(gòu),主動曲柄OB勻速轉(zhuǎn)動,帶動連桿AB作平面復(fù)雜運動,該機構(gòu)利用連桿上任意點運動規(guī)律的多樣性,將三角連桿ABC的BC桿作為連桿滑塊機構(gòu)中連桿,通過BC桿和CD桿帶動滑塊上下運動,對加工工件實現(xiàn)沖壓過程。 該機構(gòu)可以通過合理調(diào)整 R、R1、L1、L2、L3的長度,θ角的大小和機架上兩點O、O1之間的相對位置,調(diào)節(jié)滑塊的運動學(xué)特性。
假設(shè)曲柄R以等角速度ω逆時針方向回轉(zhuǎn),為了使機械壓力機在沖壓時的傳力特性良好,要求滑塊在下死點時OB、BC、CD三桿共線,即機構(gòu)的壓力角β=0°,所以O(shè)1A桿長R1不是獨立參數(shù),應(yīng)滿足以下關(guān)系式:
滑塊的位移、速度、加速度均是曲柄轉(zhuǎn)角α的函數(shù),由圖1(b)可以看出,滑塊的導(dǎo)路通過曲柄的回轉(zhuǎn)中心O。由解析法得出該六連桿機構(gòu)的運動學(xué)方程如下。
(1)滑塊位移方程為:
其中設(shè):
則:
▲圖1 機構(gòu)原理圖
(2)滑塊速度方程為:其中:
(3)滑塊加速度方程為:其中:
以滑塊行程為40 mm、公稱壓力行程為4 mm、滑塊行程次數(shù)為200次/min為約束條件,選擇一曲柄壓力機如圖 1(b)所示,曲柄R=20 mm,連桿L=200 mm,在MATLAB中輸出該機構(gòu)2個完整沖壓過程中滑塊位置、速度、加速度曲線如圖2(a)所示。由圖可以看出,曲柄壓力機的位移、速度、加速度曲線是3條相位差分別為90°的正弦曲線。在壓力機進行沖壓工作即滑塊向下運動的最后4 mm(公稱壓力行程)內(nèi),如圖中陰影部分的時段,位移和速度曲線斜率較大,速度和加速度曲線無明顯的平臺存在,滑塊最大速度為261.7 mm/s,最大加速度值為9 650.3 mm/s2。機構(gòu)位移曲線呈對稱形狀,機構(gòu)無急回特性。
在沖壓時,如果變形速度過高,會產(chǎn)生工件破裂,為保證拉伸質(zhì)量,以公稱壓力行程內(nèi)滑塊最大速度最小化為目標,確定六連桿式壓力機的結(jié)構(gòu)尺寸為:R=6.4 mm,L1=19.7 mm,L2=40.6 mm,L3=28 mm,θ=135°,X=25.8 mm,Y=3.5 mm(R1=16.6 mm)。根據(jù)前面推導(dǎo)出的公式,在MATLAB中輸出該機構(gòu)2個完整沖壓過程中滑塊位移、速度、加速度曲線如圖 2(b)。由圖看出,在壓力機沖頭進行沖壓工作的4 mm(公稱壓力行程)內(nèi),如圖中陰影部分的時段,速度曲線在0 mm/s附近和加速度曲線0 mm/s2附近有明顯的平臺存在,滑塊最大速度為105.6 mm/s,最大加速度值為7 278.7 mm/s2。機構(gòu)位移曲線是一條沖壓過程曲線斜率較小、回程曲線斜率較大的不對稱曲線,有明顯的急回特性。
綜上所述,所設(shè)計的六連桿機構(gòu)整個公稱壓力行程在4 mm內(nèi)。
(1)滑塊的最大速度比在相同條件下曲柄滑塊機構(gòu)下降59.6%。工件在拉伸加工時,如果變形速度過快,會產(chǎn)生工件破裂,為了保證拉伸質(zhì)量,拉伸工件時滑塊的速度有一定的限制。降低壓力機公稱壓力行程內(nèi)的最大速度,保證滑塊工作行程速度低而均勻,不但可以滿足板料合理拉延速度的需要,提高拉延零件的質(zhì)量,而且由于工作行程開始時上模接觸下模的速度較低,可以減小傳動系統(tǒng)的動載,減少模具的磨損,提高模具使用壽命,降低沖擊噪聲。
(2)滑塊的最大加速度比相同條件下曲柄滑塊機構(gòu)下降24.5%。沖壓時加速度較高,易造成機身的沖擊振動大、噪聲大,造成機床和模具的使用壽命降低。降低壓力機公稱壓力行程內(nèi)的最大加速度,沖壓時機身產(chǎn)生的沖擊振動減小、噪聲降低,提高了機床和模具的使用壽命。
(3)六連桿機構(gòu)的急回特性因子為1.87,在滿足相同板料合理拉延速度需要時,可增加滑塊行程每分鐘次數(shù),提高生產(chǎn)效率。
(1)六連桿機構(gòu)在整個公稱壓力行程內(nèi),滑塊的最大速度為105.6 mm/s,比相同條件下曲柄滑塊機構(gòu)的261.7 mm/s下降59.6%,可以滿足板料合理拉延速度的需要,提高拉延零件的質(zhì)量。
(2)六連桿機構(gòu)在整個公稱壓力行程4 mm內(nèi),滑塊的最大加速度為7 278.7 mm/s2,比相同條件下曲柄滑塊機構(gòu)的9 650.3 mm/s2下降24.5%,可以減小傳動系統(tǒng)的動載,提高模具使用壽命,降低沖擊噪聲。
(3)滑塊的空程速度高,整個機構(gòu)的急回特性因子為1.87,可以提高滑塊行程每分鐘次數(shù),可以提高生產(chǎn)率。
[1]何德譽.曲柄壓力機[M].北京:機械工業(yè)出版社,1981.
[2]劉海彬.基于ADAMS的多連桿壓力機參數(shù)化設(shè)計與優(yōu)化研究[D].青島:山東科技大學(xué),2011.
[3]趙升噸,張宗元,張貴成,等.回轉(zhuǎn)頭壓力機不同的工作機構(gòu)動態(tài)特性的研究[J].機床與液壓,2014(11):32-37.
[4]楊春峰,張盛,李云鵬,等.機械壓力六連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,2013,53(1):64-70.