含間隙運動副的高速壓力機下死點精度影響分析

鄭申專，丁武學，李存折

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

含間隙運動副的高速壓力機下死點精度影響分析

鄭申專，丁武學，李存折

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

摘要：采用solidworks建立高速精密壓力機樣機的實體模型，導入adams中建立虛擬樣機剛體模型。采用hertz接觸剛度理論并考慮阻尼效應建立間隙接觸碰撞模型，對主連桿進行柔性化后建立參數化的含間隙的剛柔耦合虛擬樣機模型。設置適當的仿真參數后，對樣機模型進行動力學仿真分析，得出不同間隙、轉速、載荷對壓力機下死點動態(tài)精度的影響規(guī)律，可為獲得最優(yōu)下死點精度的參數組合提供參考。

關鍵詞：高速精密壓力機；間隙；剛柔耦合；下死點精度

Dead Point Accuracy Analysis of High-speed Presses Contained Kinematic Pairs with Clearance

ZHENG Shenzhuan, DING Wuxue, LI Cunzhe

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology Nanjing 210094，China)

Abstract:The 3D model of the high-speed precision presses is built by using Solidworks, and then the Rigid Body Model of the virtual prototype is established in adams. Hertz Contact stiffness theory is used and the damping effect is taken into account to establish the contact collision model with gap. The impact of gap, speed and load on the lower dead point accuracy of the press is analyzed in order to improve the dead point accuracy of the high-speed presses.

Keywords:high-speed presses；clearance；rigid- flexible coupling; lower dead point accuracy

0引言

高速精密壓力機是以連續(xù)高速沖壓精密件為目的，它具有自動、高速、精密三個基本特征，可完成板料的自動輸送和高效率精密加工，廣泛應用于機械、電子、冶金、化工、汽車、軍工、航空、航天等重要工業(yè)領域[2]。下死點精度是高速壓力機最為關鍵的性能指標, 它關系到加工件的精度和模具壽命, 是評定產品技術水平、制造水平的一項重要指標。

瑞士的BRUDERER公司根據沖壓行業(yè)對精密沖壓件的高速生產需求,在1953年研制出了世界上第一臺高速精密新概念沖床，引發(fā)高速精密壓力機迅速發(fā)展。國外著名鍛壓生產企業(yè)如瑞士 BRUDERER、美國MINSTER、德國舒勒、日本電產京利株式會社(KYORI)等，在壓力機的沖壓速度、下死點精度上都達到了很高的技術水平，并以此獲取巨大的壟斷利潤。

由于國內材料技術和機械加工技術與國外先進技術存在差距，國內高速壓力機的發(fā)展也受到了相應的制約[7]。目前國內對高速壓力機下死點的研究，大多是通過改善高速壓力機動平衡機構、減輕工作過程中的振動對下死點的影響以及進行下死點精度補償。

1含間隙的剛柔耦合高速精密壓力機虛擬樣機模型的建立

1.1間隙模型

由于零件加工誤差、裝配誤差或使用磨損等原因,壓力機的運動副存在不同程度的間隙。在理想的多體系統(tǒng)模型中，由于完美的球鉸副約束連接的球頭和球窩連結點是完全重合，而間隙的引入使球頭和球窩連接點不在同一位置,產生偏心距，如圖1。

圖1　含間隙的實際球鉸副模型

在球頭和球窩之間的球鉸副中，r和R分別為球頭和球窩的半徑，間隙大小e1可以表示為：

e1=R-r

(1)

球頭和球窩中心距在總體坐標系的三方向的投影分別為x1、y1和z1，則由于球頭與球窩相互接觸碰撞導致的法向穿透深度可以表示為：

(2)

則當δ1=0時,球頭和球窩處于分離狀態(tài),無約束和力的作用，當δ1>0時,球頭和球窩處于接觸碰撞狀態(tài),產生碰撞力。

同樣，對于旋轉副約束而言，間隙的引入使軸套和軸連接點不在同一位置,產生偏心距，如圖2。在曲軸與軸套之間的旋轉副中，r和R分別為曲軸和軸套的半徑,間隙大小e2可以表示為：

e2=R-r

(3)

軸和軸套的中心距在水平和豎直方向的投影分別為x和y,如圖2所示。令法向穿透深度為：

(4)

則當δ2=0時,軸與軸套處于分離狀態(tài),無約束和力的作用時,當δ2>0時，軸與軸套處于接觸狀態(tài),產生碰撞力。

圖2　含間隙的實際旋轉副模型

1.2碰撞接觸力模型

針對二狀態(tài)運動模型，基于沖擊函數(IMPACT-function-basedcontact)，運用Hunt 和crossley、lankarani 和nikravesh基于非線性粘彈性hertz力-位移接觸理論發(fā)展的非線性滯后阻尼接觸碰撞力模型。 ADAMS/Solver能夠利用庫函數中現(xiàn)有的IMPACT函數計算出仿真模型中接觸力,其法向接觸力通?？梢员硎緸閇10-11]：

(5)

(6)

(7)

式中：Ri和Rj分別是碰撞構件的接觸半徑;νk和Ek分別是碰撞構件材料的泊松比和彈性模量；ce為恢復系數；δ0為初始碰撞速度。

1.3摩擦力模型

在ADAMS中采用Centea和Haessig提出的修正的連續(xù)庫倫摩擦力模型，其模型如圖3所示。

圖3　修正摩擦系數與相對速度的關系

(8)

式中：v為運動副間兩構件在碰撞點的切線方向相對滑動速度；μd是動摩擦系數；μs是靜摩擦系數；vs為靜滑移速度，靜摩擦與動摩擦轉換的臨界速度；vd為動滑移速度，最大動摩擦系數時對應的相對滑動速度。

1.4傳動機構的運動學模型

圖4為含間隙高速精密壓力機傳動機構簡圖。主連桿與曲軸的旋轉副之間的徑向間隙為e2，主連桿球頭與主滑塊球窩之間的間隙為e1,高速壓力機傳動機構的主要參數如表1。

表1　傳動機構參數

圖4　傳動機構簡圖

1.5剛柔耦合模型

對于一些精度要求較高的機械系統(tǒng)，要很好地體現(xiàn)其真實的運動性能，需要對主要的構件進行柔性化處理。這樣，建立起來的工作機構虛擬樣機模型更加貼合物理樣機，可高效地進行運動仿真，獲得準確有效的試驗數據。

文中在ADAMS/AutoFlex模塊中生成球頭連桿的模態(tài)中性文件并柔性化，用柔性化的球頭連桿替代剛性連桿。在曲軸的旋轉副上創(chuàng)建驅動，在滑塊上加載用step函數擬合的沖裁力函數，建立壓力機的剛柔耦合模型如圖5。

2仿真分析

2.1仿真參數設置

在ADAMS中確定的法向接觸力參數為：等效剛度系按公式(6)計算，等效阻尼系數取剛度系數的1%，力的非線性指數取1.5，最大法向穿透深度取0.01mm；確定的切向摩擦力參數為：靜摩擦系數為0.08，滑動摩擦系數為0.05，靜滑移速度為0.1mm/s， 動滑移速度為10mm/s。

圖5　剛柔耦合模型

本課題最大沖裁速度指標為800m/s，故在100～800m/s內分析；最大沖裁力指標為800kN，取其 50%～100%，即4e5N～8e5N；機床總間隙指標為小于0.3mm，根據實際加工和裝配情況在0.04mm～0.1mm范圍分析。

2.2沖裁速度對下死點精度的影響

按照沖裁力F=4e5N、間隙e1=0.1mm、間隙e2=0.1mm,分別取不同沖裁速度得到表2。

表2　沖裁速度分析

通過仿真分析可知，隨著沖裁速度的提高，在100～300m/s區(qū)間，下死點位置標準差減小，下死點精度提高；在300～600m/s區(qū)間，下死點位置標準差增大，下死點精度降低；在超過600m/s后，下死點位置標準差減小，下死點精度提高。沖裁速度在400m/s附近，有較高的下死點精度。

2.3沖裁力對下死點精度的影響

取間隙e1=0.1mm、e2=0.1mm、沖裁速度v=600m/s，分別取不同沖裁力F得到表3。

表3　沖裁力分析

通過仿真分析可知，隨著沖裁力增大，下死點位置標準差增大，下死點精度下降。在沖裁力較小時有較高的下死點精度，但是沖裁力是由負載決定的，故在較小負載時有較高的下死點精度。

2.4間隙對下死點精度的影響

取間隙e2=0.1mm、沖裁速度v=600m/s、沖裁力F=4e5N，分別取不同間隙e1得到表4。

表4　球鉸副間隙分析

通過仿真分析可知，隨著球鉸副間隙的增大，下死點位置標準差先減小后增大，下死點精度先提高后下降，在0.06mm附近取值可獲得較高的下死點精度。

2.5間隙對下死點精度的影響

取間隙e1=0.1mm、沖裁速度v=600m/s、沖裁力F=4e5N，分別取不同間隙e2得到表5。

表5　轉動副間隙分析

通過仿真分析可知，隨著轉動副間隙的增大，下死點標準差先減小一段之后再增大，下死點精度先提高后下降，在0.09mm附近取值時下死點精度較高。

3結論

運用虛擬樣機技術，在ADAMS中創(chuàng)建精密高速壓力機的剛柔耦合模型，進行動力學仿真分析，得出沖裁速度、沖裁力、球鉸副間隙、轉動副間隙對下死點豎直方向的動態(tài)重復精度的影響規(guī)律，為提高其下死點動態(tài)重復精度提高依據，也為物理樣機的試制及實驗分析提供指導。由于時間、精力及條件有限，未解決多因素對下死點豎直方向的動態(tài)重復精度的優(yōu)化分析問題，找到提高下死點豎直方向的動態(tài)重復精度的切實方案。

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收稿日期：2014-03-14

中圖分類號：TG385

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0014-03

作者簡介：鄭申專(1990-)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要研究方向為先進制造工藝與裝備。

基金項目：國家自然科學基金(51275243)