高速精密壓力機(jī)動(dòng)態(tài)精度影響因素分析

何燦焜

（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州225128）

0 引言

壓力機(jī)作為鍛壓機(jī)床的代表，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、交通運(yùn)輸、冶金化工等重點(diǎn)領(lǐng)域。近年來，大規(guī)模集成電路和電器元件、計(jì)算機(jī)和通訊設(shè)備以及微電機(jī)芯片的生產(chǎn)有力地推進(jìn)了高速精密沖床的發(fā)展，高速、高精密沖床作為一種精密、高效的壓力加工裝備，在高速條件下的超精密加工達(dá)到了前所未有的水平（下死點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制精度±0.005mm）。而影響壓力機(jī)動(dòng)態(tài)精度的因素包括：運(yùn)動(dòng)副間隙、機(jī)構(gòu)的彈性變形、機(jī)床熱變形等[1]。

1 運(yùn)動(dòng)副間隙

機(jī)床運(yùn)動(dòng)副間隙是影響高速精密壓力機(jī)動(dòng)態(tài)精度的重要因素，目前國(guó)內(nèi)外在這方面的研究還不夠完善。間隙及其特性對(duì)壓力機(jī)動(dòng)態(tài)精度的影響程度以及影響方式還處于探索階段，其周期性高速?zèng)_擊載荷特性對(duì)研究的進(jìn)一步展開帶來了困難。Flores P采用三太模型研究了不同參數(shù)對(duì)含間隙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響；Imed Khemili 采用基于沖擊函數(shù)的碰撞模型研究了含間隙彈性曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性；Selcuk Erkaya 建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過測(cè)量振動(dòng)和噪聲研究了含間隙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；陳樹新等利用Lee、Wang 提出的非線性彈簧阻尼模型描述間隙處的碰撞接觸，采用修正的Coulomb摩擦模型描述間隙處的摩擦，建立了周期性沖擊工況下含間隙高速精密壓力機(jī)的虛擬樣機(jī)模型。許立新等基于多體動(dòng)力學(xué)理論及Hertz 接觸理論，提出一種計(jì)及軸承間隙與柔性特征影響的多體系統(tǒng)建模方法[2][3][4]。

1.1 運(yùn)動(dòng)副間隙模型

如圖1、2 所示，在連桿跟主軸之間的旋轉(zhuǎn)副中，Rj和Ri分別為軸銷和軸套（軸承內(nèi)外圈）的半徑，間隙大小e 可以表示為：e=Ri-Rj。如圖3 所示，軸和軸套（軸承內(nèi)外圈）的中心距在水平和豎直方向的投影分別為ex和ey，則法向穿透深度δ 為：

圖1 軸承偏心與載荷分布

圖2 滑動(dòng)軸承間隙

圖3 運(yùn)動(dòng)副間隙矢量模型示意圖

1.2 碰撞接觸力模型

在接觸和分離狀態(tài)下，定義接觸力F 如下：

式中:FN、FT——分別表示法向和切向接觸力，如圖3所示。

FN=Kδn+Dδ

式中:FN——法向接觸力；

δ——法向穿透深度；

n——指數(shù)，n≥1。金屬材料通常取1.5；

K、D——分別為等效接觸剛度和阻尼系數(shù)。

1.3 摩擦力模型（圖4）

圖4 摩擦力模型圖

式中：v——兩物體在碰撞點(diǎn)的相對(duì)滑移速度，即切線方向的速度分量；

Ld——滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

Ls——靜摩擦系數(shù)；

vs——靜摩擦與動(dòng)摩擦的臨界速度；

Vd——最大動(dòng)摩擦系數(shù)的對(duì)應(yīng)速度[3]。

1.4 含間隙壓力機(jī)動(dòng)力學(xué)模型（圖5、6）

基于以上理論模型，一些研究者得出：①間隙的存在影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置與速度，誤差大小會(huì)隨曲柄轉(zhuǎn)角位置不同而變化；②間隙越大，滑塊位移、速度、加速度的振蕩幅度越大，而且速度和加速度對(duì)打擊力的響應(yīng)峰值增大；打擊力越大，滑塊的速度和加速度響應(yīng)峰值越大，振蕩越劇烈，而打擊力對(duì)滑塊位移的影響較小[5]。

目前在間隙影響方面的研究大多數(shù)是定性的研究，可以得出間隙會(huì)對(duì)壓力機(jī)動(dòng)態(tài)精度產(chǎn)生影響，但具體影響的量級(jí)是多少，影響的方式如何，還有待進(jìn)一步研究。

圖5 含間隙高速精密壓力機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 機(jī)床的彈性變形

隨著現(xiàn)代加工業(yè)對(duì)壓力機(jī)的工作效率（即轉(zhuǎn)速）和動(dòng)態(tài)精度要求越來越高，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中把機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為剛性和切運(yùn)動(dòng)副視為剛體的方法在分析高速、高精密壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性時(shí)顯然具有很大的局限性。由于運(yùn)動(dòng)速度高，急劇增大的慣性載荷使機(jī)構(gòu)的構(gòu)件產(chǎn)生彈性變形和振動(dòng)，某些運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的彈性變形無法忽略不計(jì)。

在此背景下，用來分析機(jī)構(gòu)特性的傳統(tǒng)剛體動(dòng)力學(xué)已不能滿足實(shí)際需要，因此彈性動(dòng)力學(xué)作為機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的一個(gè)新的分支和發(fā)展方向應(yīng)運(yùn)而生。

彈性動(dòng)力學(xué)分析一般基于以下兩點(diǎn)假設(shè)：

（1）相對(duì)于剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到的機(jī)構(gòu)名義運(yùn)動(dòng)位移，構(gòu)件彈性變形引起的彈性位移很小，不會(huì)影響機(jī)構(gòu)的名義運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

（2）剛體運(yùn)動(dòng)和彈性運(yùn)動(dòng)之間存在一定的耦合，但對(duì)柔性不是很大的機(jī)構(gòu)而言，其耦合項(xiàng)的影響一般可以忽略。

在彈性動(dòng)力學(xué)分析中，機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)可以看作是名義運(yùn)動(dòng)與彈性運(yùn)動(dòng)的疊加。在具體分析中，一般需要考慮各構(gòu)件的質(zhì)量和剛度分布特性，想要建立精確的分析模型，需要求解非常復(fù)雜的偏微分方程組，難以獲得解析解。分析人員一般采用有限元方法，將機(jī)構(gòu)中的彈性構(gòu)件用合適的單元模型進(jìn)行等效，通過求解系統(tǒng)的特征方程以及彈性動(dòng)力學(xué)方程，在剛體理想運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步求解出彈性變形，得到彈性機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

如圖7 所示，為某型號(hào)壓力機(jī)的有限元模型，曾梁斌等在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了該壓力機(jī)的固有特性以及在運(yùn)動(dòng)過程中受迫振動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響情況的研究[6]。

目前在這方面的研究比較少，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員只是通過ANSYS 等有限元分析軟件對(duì)受力較大的構(gòu)件進(jìn)行靜態(tài)受力與變形分析，還有部分研究者將受力構(gòu)件柔性化后在ADMAS 中建立剛?cè)狁詈夏Ｐ蛠砟M實(shí)際的動(dòng)態(tài)特性。從理論上通過建立彈性動(dòng)力學(xué)模型，并用數(shù)值解法來求得壓力機(jī)下死點(diǎn)動(dòng)態(tài)精度特性是研究此類問題的趨勢(shì)。

圖6 含間隙高速精密壓力機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

3 機(jī)床發(fā)熱

圖7 某多連桿壓力機(jī)有限元模型

在機(jī)械壓力機(jī)運(yùn)行過程中存在很多發(fā)熱源，當(dāng)溫度過高、產(chǎn)生較大的熱變形就會(huì)影響其動(dòng)態(tài)精度。其中最主要的熱源在曲軸處，由于曲軸要傳遞很大的扭矩，其支撐處要承受很大的載荷，因此，在曲軸支撐以及連桿處的運(yùn)動(dòng)副（滑動(dòng)軸承或者滾動(dòng)軸承）會(huì)產(chǎn)生很大熱量。

3.1 軸承發(fā)熱原因

（1）軸承發(fā)熱主要是軸承的散熱速度低于軸承產(chǎn)生熱量的速度，打破了軸承的熱平衡而使軸承升溫。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是按軸承單位面積上所受的壓力來設(shè)計(jì)的，但是實(shí)際上滑動(dòng)軸承的[p]由于材料成分、制造工藝及使用場(chǎng)合的差異，并非為常量而為隨機(jī)變量，作用到滑動(dòng)軸承上的壓力P 也因工藝不同、加工誤差的影響而為一變量。按照傳統(tǒng)方法計(jì)算，即使是“合格”的滑動(dòng)軸承，在一定環(huán)境溫度和速度下，隨著時(shí)間的推移，溫度也有可能會(huì)逐漸升高，直至突破許用溫度（圖1），影響機(jī)床的正常使用。傳統(tǒng)的實(shí)際方法適合轉(zhuǎn)速較低的情況，但隨著壓力機(jī)轉(zhuǎn)速要求越來越高，傳統(tǒng)方法計(jì)算就得不出正確的數(shù)值。

（2）軸承間隙過大，沖擊則更為明顯，在對(duì)高速壓力機(jī)滑動(dòng)軸承進(jìn)行條件性計(jì)算時(shí)需要考慮到?jīng)_擊載荷的影響。但間隙選擇過小，滑動(dòng)軸承加工和裝配精度要求就很高，否則反而更容易引起軸承發(fā)熱。國(guó)外某些高速壓力機(jī)滑動(dòng)軸承與軸的配合間隙較小，一般需對(duì)滑動(dòng)副進(jìn)行特殊處理，保證滑動(dòng)副材料合理的硬度差，并使其在具備良好耐疲勞性能的同時(shí)，兼顧良好的抗咬合性、順應(yīng)性和嵌藏性等[7][8]。

3.2 解決方案

（1）對(duì)滑動(dòng)軸承進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，充分考慮滑動(dòng)軸承的[p]、P 及A 的離散性和隨機(jī)性。控制合理的軸承間隙，根據(jù)實(shí)際的工藝情況和使用部位而定。

（2）選用合理的軸承軸瓦材料。目前從生產(chǎn)和實(shí)際使用以及理論研究來看，高速壓力機(jī)上的軸承都會(huì)選擇錫青銅和鉛青銅。

（3）改變機(jī)床的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。包括：①通過改善機(jī)床的散熱條件來對(duì)滑動(dòng)軸承的熱平衡進(jìn)行干預(yù)；②增加潤(rùn)滑油冷卻裝置，可以吸收滑動(dòng)軸承產(chǎn)生的摩擦熱，降低潤(rùn)滑油溫度，減輕運(yùn)動(dòng)部件因熱量產(chǎn)生的變形，有利于機(jī)床下死點(diǎn)的穩(wěn)定；③打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，如圖8 所示，采用滾動(dòng)軸承滑動(dòng)軸承組合使用的方案。通過合理選擇滾動(dòng)軸承游隙和滑動(dòng)軸承間隙，使滑動(dòng)軸承僅在部分工作時(shí)間內(nèi)受力，其余時(shí)間由滾動(dòng)軸承受力，從而減小滑動(dòng)軸承摩擦產(chǎn)生的熱量，充分發(fā)揮滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承各自的優(yōu)點(diǎn)。④根據(jù)滑動(dòng)軸承的承載能力，結(jié)構(gòu)許可的話更改為滾動(dòng)軸承。其摩擦系數(shù)更小，產(chǎn)生的熱量也就很小。使用滾動(dòng)軸承，可以通過合理選擇軸承游隙達(dá)到更高的精度。⑤打破傳統(tǒng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思維，設(shè)計(jì)多桿壓力機(jī)，減小曲軸軸承處的承載力，從而減小其發(fā)熱量，設(shè)計(jì)出速度更高、精度更好，符合現(xiàn)代制造加工要求的高速、高精密壓力機(jī)。

圖8 某高速壓力機(jī)連桿與曲軸裝配圖

4 結(jié)束語

運(yùn)動(dòng)副間隙、構(gòu)件彈性變形，機(jī)床熱變形都是影響高速、高精密壓力機(jī)的重要因素。想要在壓力機(jī)生產(chǎn)水平上有較大突破，制造出精度更高、速度更快的壓力機(jī)，必須對(duì)這些影響因素有更深入的理論研究與探索。本文對(duì)這幾個(gè)因素的研究進(jìn)展作了簡(jiǎn)要說明與介紹，希望對(duì)今后的研究與突破有一定的幫助。

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