閉式高速精密壓力機(jī)剛度測(cè)量方法探討

陳泉?jiǎng)?，陳汝昌，陳孝海，馬娟娟，馮常華

（1.寧波精達(dá)成形裝備股份有限公司，浙江寧波315033；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南250022）

0 引言

閉式高速精密壓力機(jī)具備自動(dòng)、高速、精密三個(gè)基本特征，由于剛性好、抗偏載能力強(qiáng)、精度高、工作臺(tái)面大、加工范圍廣，已成為國(guó)際公認(rèn)的高速?zèng)_床總體最佳結(jié)構(gòu)，代表了高速精密數(shù)控壓力機(jī)發(fā)展的水平和方向?？赏瓿砂宀牡淖詣?dòng)輸送和板料的高效、精密加工，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、發(fā)電設(shè)備、信息、家電等高科技領(lǐng)域，是保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全而必須自主研發(fā)的重大裝備之一。

在沖壓過(guò)程中，由于承受高頻沖擊載荷作用，壓力機(jī)剛度直接影響了機(jī)床的工作效率、精度穩(wěn)定性、制件精度、模具壽命及可靠性。隨著現(xiàn)代沖壓技術(shù)的飛速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了不同規(guī)格、不同結(jié)構(gòu)、不同型式的各類(lèi)高速精密壓力機(jī)，以滿(mǎn)足不同產(chǎn)品沖制的特殊要求。因此，為保證壓力機(jī)的整機(jī)性能和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，正確、科學(xué)地測(cè)定壓力機(jī)的靜載變形顯得尤為重要。對(duì)于新穎的單軸四點(diǎn)壓力機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其施力方式與傳統(tǒng)壓力機(jī)相比有很大的區(qū)別，因此其靜載變形的測(cè)量和計(jì)算方法，也與現(xiàn)行的四點(diǎn)壓力機(jī)有明顯不同。下面就剛度測(cè)量過(guò)程中的加載方式、測(cè)量與計(jì)算方法作一介紹。

1 靜載變形測(cè)量時(shí)的載荷分布

1.1 加載范圍

對(duì)于采用單軸四點(diǎn)這種創(chuàng)新施力方式的壓力機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其寬臺(tái)面、超精密、高精度的性能特點(diǎn)和適合沖制大型、復(fù)雜、較薄電機(jī)鐵芯的特殊要求，將其加載范圍確定為在長(zhǎng)度方向上為工作臺(tái)長(zhǎng)度的四分之三、寬度方向?yàn)樽畲笏土蠈挾?，是比較切合生產(chǎn)實(shí)際的，如圖 1、2 所示。

1.2 載荷分布

現(xiàn)行的閉式壓力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行靜載變形測(cè)量時(shí)，無(wú)論是單點(diǎn)、雙點(diǎn)還是四點(diǎn)壓力機(jī)，其加載力均由液壓加載器提供。受液壓加載器外形尺寸的限制，加載時(shí)液壓加載器在壓力機(jī)工作臺(tái)面上同時(shí)配置的數(shù)量極為有限，視壓力機(jī)噸位和工作臺(tái)面尺寸大小的不同，一般為4～8 個(gè)。由于加載點(diǎn)偏少，盡管測(cè)量時(shí)在液壓加載器上襯有墊板，但其實(shí)際加載載荷的分布是極不均勻的，與測(cè)量時(shí)所要求的均布載荷有較大差距，直接影響到測(cè)量的精度和測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

而我公司研發(fā)的單軸雙驅(qū)四點(diǎn)壓力機(jī)，其加載力由均布載荷發(fā)生器提供。該均布載荷發(fā)生器具有對(duì)均布載荷加載以及進(jìn)行壓力機(jī)能力發(fā)生點(diǎn)測(cè)試兩種功能，主要由油缸集成板、包括各類(lèi)控制閥、蓄能器的液壓站、電氣控制柜等部件組成。該均布載荷發(fā)生器為一集成油缸群，由多個(gè)油缸組成，每個(gè)油缸之間的中心距為80mm，每個(gè)油缸的對(duì)應(yīng)施力區(qū)域?yàn)?0mm×80mm，在主板上均布。液壓控制系統(tǒng)的工作壓力可調(diào)，在加載時(shí)其最大加載力為被測(cè)壓力機(jī)的公稱(chēng)壓力。主板分為左、中、右三個(gè)區(qū)域，中間區(qū)域由一個(gè)閥門(mén)同時(shí)控制多個(gè)油缸的加載和卸載；左、右兩個(gè)區(qū)域互相對(duì)稱(chēng)，每列為一組，每?jī)山M（左右各一）可由一個(gè)閥門(mén)控制單獨(dú)加載和卸載,因此可根據(jù)不同壓力機(jī)噸位的測(cè)試范圍要求實(shí)現(xiàn)梯度加載。由此可見(jiàn)，在長(zhǎng)度方向上為工作臺(tái)長(zhǎng)度的四分之三、寬度方向?yàn)樽畲笏土蠈挾燃虞d范圍內(nèi),該均布載荷發(fā)生器能很好地模擬均布載荷加載狀態(tài),近似實(shí)現(xiàn)載荷分布的均勻性,足以滿(mǎn)足壓力機(jī)靜載變形的測(cè)試要求。

2 靜載變形的測(cè)量和計(jì)算方法

2.1 壓力機(jī)整機(jī)剛度的測(cè)量和計(jì)算方法

單軸四點(diǎn)壓力機(jī)整機(jī)剛度的測(cè)量和計(jì)算方法為（圖1）：均布載荷發(fā)生器置于工作臺(tái)面中心處，距滑塊邊緣約100mm 處放置四個(gè)指示器①、②、③、④（四角），當(dāng)均布載荷逐漸加至壓力機(jī)公稱(chēng)力Pg的40%時(shí)，四個(gè)指示器對(duì)零，繼續(xù)緩慢加載，分五次加載至100%Pg，每次加載增量均為12%Pg，分段記錄四個(gè)指示器的讀數(shù)，記錄數(shù)值如表1 所示，并分別計(jì)算每段四個(gè)指示器讀數(shù)的平均值δi（i=1～5）；按式

表1 指示器讀數(shù)表

（1）求得被測(cè)壓力機(jī)的整機(jī)剛度：

式中：C1——壓力機(jī)整機(jī)剛度，kN/mm；

Pg——壓力機(jī)公稱(chēng)力，kN；

δ5——加載至100%Pg時(shí)，四個(gè)指示器①、②、③、④讀數(shù)的平均值，mm。

由此可見(jiàn)，由于液壓加載器的加載范圍和放置位置不同，指示器的數(shù)量和測(cè)量位置不同，特別是指示器讀數(shù)平均值的計(jì)算方法不同。

2.2 滑塊撓度的測(cè)量和計(jì)算方法

單軸四點(diǎn)壓力機(jī)滑塊撓度的測(cè)量和計(jì)算方法為（圖2）：均布載荷發(fā)生器置于工作臺(tái)面中心處，七個(gè)指示器⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩、?置于測(cè)量臺(tái)架上，臺(tái)架中心位置距工作臺(tái)邊緣150mm 左右，加載前指示器對(duì)零，將液壓加載器緩慢加載，分五次加載至100%Pg，每次加載增量為20%Pg，分段記錄七個(gè)指示器的讀數(shù)，記錄數(shù)值見(jiàn)表 2，按下式（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）分別計(jì)算滑塊各段單位長(zhǎng)度的撓度，取其最小值為滑塊單位長(zhǎng)度的撓度：

表2 指示器讀數(shù)表

式中：δ6～δ12——加載至 100%Pg時(shí)，七個(gè)指示器⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩、?的讀數(shù)，mm；

L1～L3——分別為各連桿之間中心距離，mm；

Δ1～Δ6——分別為滑塊各段單位長(zhǎng)度的撓度。

根據(jù)材料力學(xué)的基本理論，撓度為構(gòu)件受力時(shí)產(chǎn)生的變形量，其單位為mm，因此上述各計(jì)算式中的△其本質(zhì)為單位長(zhǎng)度的撓度，無(wú)量綱，下述的工作臺(tái)單位長(zhǎng)度的撓度也與此相同。從均布載荷加載使得滑塊產(chǎn)生變形的整個(gè)作用過(guò)程來(lái)說(shuō)，滑塊單位長(zhǎng)度的撓度計(jì)算時(shí)支距選擇為連桿的中心距是比較合適的。因此對(duì)單軸四點(diǎn)壓力機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其多施力點(diǎn)的特性，有必要對(duì)滑塊單位長(zhǎng)度的撓度按各點(diǎn)位置（各連桿間的中心距）進(jìn)行分段計(jì)算，并最終取其值最小者為該被測(cè)壓力機(jī)的滑塊單位長(zhǎng)度的撓度。

2.3 工作臺(tái)撓度的測(cè)量和計(jì)算方法

單軸四點(diǎn)壓力機(jī)工作臺(tái)撓度的測(cè)量和計(jì)算方法為（圖2）：均布載荷發(fā)生器置于工作臺(tái)面中心處，指示器12 置于測(cè)量臺(tái)架中間下方，臺(tái)架中心位置距工作臺(tái)邊緣150mm 左右，加載前指示器對(duì)零，將液壓加載器緩慢加載，分五次加載至100%Pg，每次加載增量為20%Pg，分段記錄指示器的讀數(shù)，記錄數(shù)值見(jiàn)表2，按下式（8）求得被測(cè)壓力機(jī)的工作臺(tái)撓度：

式中：δ13——指示器12 的讀數(shù)，mm；

L4——測(cè)量臺(tái)架支腳中心距，mm；

Δ7——工作臺(tái)單位長(zhǎng)度的撓度。

對(duì)單軸四點(diǎn)壓力機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其寬臺(tái)面的特性，將測(cè)量臺(tái)架支腳中心距規(guī)定為工作臺(tái)長(zhǎng)度減去200 mm（左右各100mm），是比較合理的。

3 結(jié)論

目前，國(guó)內(nèi)閉式高速精密壓力機(jī)剛度測(cè)試無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依，造成了由于定義和計(jì)量單位不同，液壓加載器的加載范圍和放置位置不同，指示器的數(shù)量和測(cè)量位置不同，指示器讀數(shù)平均值的計(jì)算方法不同，撓度計(jì)算選用的支距不同等原因，造成同一臺(tái)被測(cè)壓力機(jī)單位長(zhǎng)度的撓度值的測(cè)量和計(jì)算結(jié)果不一致，剛度測(cè)試的結(jié)果差異很大。結(jié)合我公司承擔(dān)的國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（04 專(zhuān)項(xiàng))“3000kN 寬臺(tái)面超精密高速壓力機(jī)（SK201201A28-01）”，采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的主軸雙邊驅(qū)動(dòng)、滑塊單排四點(diǎn)施力結(jié)構(gòu)技術(shù)，配以高效、長(zhǎng)壽、精密多列級(jí)進(jìn)模具，能有效滿(mǎn)足寬臺(tái)面、超精密、滑塊下死點(diǎn)高精度、滑塊高剛度及輕量化等特殊要求?？紤]到新型雙驅(qū)四點(diǎn)壓力機(jī)與傳統(tǒng)的雙（四）點(diǎn)壓力機(jī)在結(jié)構(gòu)、施力方式、適配模具、臺(tái)面寬度、高精度等方面的區(qū)別，在進(jìn)行壓力機(jī)靜載變形測(cè)試時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際確定其加載范圍為在長(zhǎng)度方向上為工作臺(tái)長(zhǎng)度的四分之三、寬度方向?yàn)樽畲笏土蠈挾?加載載荷選用均布載荷發(fā)生器替代液壓加載器以實(shí)現(xiàn)載荷分布的均勻性,能更精確地貼合實(shí)際沖壓過(guò)程,最大程度地滿(mǎn)足壓力機(jī)靜載變形的測(cè)試要求。

按上述剛度測(cè)量方法，我們對(duì)國(guó)際上最先進(jìn)閉式高速精密壓力機(jī)剛度測(cè)試了兩臺(tái)，對(duì)我公司相同結(jié)構(gòu)的機(jī)床也進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)檢測(cè)結(jié)果比對(duì)，找出了差距，為機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析優(yōu)化提供了可靠依據(jù)，同時(shí)為完成國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題奠定了良好基礎(chǔ)。

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