曲柄伺服壓力機(jī)設(shè)計(jì)及有限元分析

山東魯南機(jī)床有限公司 （滕州 277500） 孫彥旭 王紹存 李 鶴

1.壓力機(jī)的技術(shù)規(guī)格

本設(shè)計(jì)參照國家開式壓力機(jī)基本參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 14347—1993》和日本AMADA公司的SDE系列數(shù)控電動(dòng)伺服壓力機(jī)SDE－2025 C型壓力機(jī)的技術(shù)參數(shù)，結(jié)合西門子公司伺服電動(dòng)機(jī)的技術(shù)特性，擬定了技術(shù)參數(shù)。

2.壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)特性

本設(shè)計(jì)為曲柄連桿伺服壓力機(jī)，其滑塊的運(yùn)動(dòng)特性符合如式（1）的正弦規(guī)律，式（2）為滑塊速度，式（3）為滑塊加速度，計(jì)算公式如下

圖1為滑塊位移s、速度v和加速度a與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線圖。

圖1

3.壓力機(jī)動(dòng)力特性

本壓力機(jī)設(shè)定，當(dāng)滑塊向下位移到距下死點(diǎn)6mm處時(shí)，公稱壓力Fg為2000kN，即當(dāng)曲柄與垂線的夾角為20.2°時(shí)，滑塊上受到最大的作用力（公稱力Fg）。此時(shí)曲柄上受到的轉(zhuǎn)矩為

式中，F(xiàn)為工件變形力（N）；dA為曲柄頸直徑（m）；dB為連桿球頭直徑（m）；d0為支承頸直徑（m）；μ為摩擦系數(shù)。

根據(jù)擬定的技術(shù)參數(shù)，選西門子某型轉(zhuǎn)矩伺服電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)的特性如圖2所示。

圖2 伺服電動(dòng)機(jī)特性曲線

依據(jù)圖2所示的電動(dòng)機(jī)特性，計(jì)算出如圖3所示的壓力機(jī)載荷與滑塊位移關(guān)系圖。圖3中線1是電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為Mmax=8150N·m時(shí)，轉(zhuǎn)速為n=160 r/min；線3是電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為nmax=440r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩為M=2000N·m；線2是電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nn=250r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩為Mn=4950N·m。

圖3 壓力機(jī)載荷與滑塊位移關(guān)系曲線

本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)速（nmax=440r/min）時(shí)，滑塊行程速度為44次/min；當(dāng)電動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩（Mmax=8150N·m）輸出時(shí)，滑塊行程速度為16次/min。即，當(dāng)滑塊行程速度在1 ～16次/min內(nèi)，電動(dòng)機(jī)均可以輸出轉(zhuǎn)矩Mmax=8150N·m。因此，在空行程時(shí)，滑塊可以44次/min的速度運(yùn)動(dòng)，在工作時(shí)滑塊可以在1 ～16次/min的速度內(nèi)運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。

圖4 滑塊的位移-時(shí)間和載荷-時(shí)間曲線

圖4中滑塊在整個(gè)周期受載荷的狀況，其中實(shí)線為滑塊位移，虛線為模擬工作載荷。伺服壓力機(jī)工作過程中采用的“快-慢-快”模式，即滑塊空程快速下降，然后慢速接近工件，并低速工作，回程時(shí)快速上升。

4.傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選擇的西門子伺服電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速250r/min，最大允許轉(zhuǎn)速440r/min，額定功率50kW。齒輪的傳動(dòng)比為i=10.1；選擇材料：小齒輪：45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為217 ～255HBW；大齒輪：45鋼，正火處理，硬度為169 ～217 HBW。

傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由轉(zhuǎn)矩伺服電動(dòng)機(jī)、小齒輪軸、大齒輪、曲軸、連桿和滑塊組成。滑塊的封閉高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用蝸桿蝸輪組件，由控制系統(tǒng)監(jiān)測和控制過載狀況。軸與電動(dòng)機(jī)、齒輪的連接均采用脹套結(jié)構(gòu)。

5.機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）初步設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)綜合考慮，得到框架側(cè)板的具體尺寸如圖6所示。

圖5 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 壓力機(jī)側(cè)板尺寸

（2）有限元分析 建立整機(jī)有限元模型（見圖7a），利用ANASYS-Workbench軟件進(jìn)行整機(jī)和零部件的剛度及強(qiáng)度分析。主要分析公稱壓力2000kN時(shí)，整機(jī)的變形和受力情況。圖7b、圖7c、圖7d為在X、Y、Z軸的變形。

圖7 壓力機(jī)機(jī)身整機(jī)剛度分析

壓力機(jī)的整體變形主要包含兩個(gè)方面：一是角變形，即滑塊下平面與工作臺(tái)平面間產(chǎn)生夾角的變形；二是使滑塊下平面發(fā)生垂直變形（見圖8）。

計(jì)算得到的角變形：Δα= 2.57′；垂直方向變形：Δh= 1.72mm。

對曲軸的剛度和強(qiáng)度分析：如圖9所示，曲軸的圓角處發(fā)生應(yīng)力集中（見圖9中支撐軸柄與曲柄連接處的所示區(qū)域A），應(yīng)力達(dá)到333MPa。但由主應(yīng)力方向分析可知，該處主要為壓應(yīng)力，不易造成斷裂。另外曲軸有些變形。

圖8 滑塊的傾斜與垂直方向的變形

圖9 曲軸的剛度與強(qiáng)度分析

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 根據(jù)上述分析，增加曲軸相關(guān)尺寸、機(jī)身側(cè)板尺寸，結(jié)合其他處理，改進(jìn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 改進(jìn)后的機(jī)身結(jié)構(gòu)

改進(jìn)設(shè)計(jì)后得到以下結(jié)果：

工作臺(tái)角變形和垂直變形：Δα1=0.89′，Δh1=0.063mm。

滑塊角變形和垂直變形：Δα2=1.49′，Δh2=1.469mm。

對于整機(jī)總體變形為：

角變形：Δα=Δα1+Δα2=2.38′。

垂直變形 ：Δh=Δh1+Δh2=1.53mm。

曲軸最大應(yīng)力降低為：250MPa。

6.本伺服壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

（1）提高了壓力機(jī)的通用型和智能化水平 由于其伺服功能，滑塊運(yùn)動(dòng)曲線不再僅僅是正弦曲線，而是可以根據(jù)工藝要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的任意曲線。

（2）提高了滑塊的運(yùn)動(dòng)精度 由于采用位置全閉環(huán)控制，在曲軸和滑塊上分別裝有測量曲軸位置和滑塊位置的傳感器，滑塊在整個(gè)壓力機(jī)工作全程都具有高的運(yùn)動(dòng)控制精度。

（3）提高了壓力機(jī)生產(chǎn)效率 由于其保留了曲柄壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是生產(chǎn)率遠(yuǎn)高于液壓機(jī)，體現(xiàn)了液壓機(jī)的加工質(zhì)量，機(jī)械壓力機(jī)的生產(chǎn)效率。不僅如此，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)還可以根據(jù)工件的不同，調(diào)整滑塊行程，在一個(gè)工作循環(huán)中無須完成360°旋轉(zhuǎn)，而只進(jìn)行一定角度的擺動(dòng)來完成沖壓工作，這就進(jìn)一步縮短了循環(huán)時(shí)間。

（4）節(jié)能 伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)，完全靠電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩工作，電動(dòng)機(jī)在沖壓時(shí)才旋轉(zhuǎn)，普通曲柄壓力機(jī)的電動(dòng)機(jī)和飛輪空轉(zhuǎn)耗能得以節(jié)省。又由于沒有了離合器，也減少了離合器的能耗。這種壓力機(jī)較普通曲柄壓力機(jī)節(jié)能30%以上。

（5）減少噪聲、提高模具壽命 伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控壓力機(jī)的沖裁噪聲較常規(guī)曲柄壓力機(jī)降低了40dB。同時(shí)，由于沒有電動(dòng)機(jī)和飛輪的空轉(zhuǎn)，不沖裁時(shí)，可以完全沒有噪聲。由于可以設(shè)計(jì)特殊的工作特性曲線，控制沖裁時(shí)的沖頭速度，從而減少?zèng)_裁的振動(dòng)和噪聲，提高模具使用壽命。