虛擬技術的壓力機設計

虛擬技術的壓力機設計

　由于精密成形冷鍛件的需求不斷增加，目前國內(nèi)正在開發(fā)公稱力和公稱力行程都相對較大的多連桿機構冷鍛壓力機，以期改變被國外大壓力機公司壟斷的局面。雖然國內(nèi)企業(yè)大都感受到增強自主開發(fā)新產(chǎn)品核心能力的迫切性，但與國際先進水平相比仍存在差距，因此需要提高自身進行新產(chǎn)品設計開發(fā)的能力，以滿足國內(nèi)、國際市場的需求［1］。
　
　冷鍛壓力機的設計涉及多方面的技術，其中主機的設計始終是設計技術的關鍵，需要很多工程技術人員在理論和實踐中不斷的積累和完善。冷鍛壓力機具有工作載荷大、工作頻率高，以及滑塊重復精度要求高等特點。特別是采用肘桿機構時，要求其結構設計緊湊，滑塊運動平穩(wěn)，整機在工作過程中振動和沖擊小，以達到降低噪聲，提高精度的目的。由于壓力機有急回特性要求，在回程時滑塊在上死點附近受力情況很差，運動不平穩(wěn)，甚至容易產(chǎn)生自鎖［2］。文中采用虛擬樣機技術對某12500kN肘桿機構冷鍛壓力機進行仿真，對平衡缸部件的各種結構設計方案、不同摩擦條件，以及作用的平衡載荷的大小和方向等進行了分析。從而得出了平衡缸部件的設計依據(jù)，可為該類壓力機的設計提供借鑒。
　
　1冷鍛壓力機結構及平衡缸設計簡介
　
　1．1冷鍛壓力機結構設計簡介根據(jù)冷鍛成形的工藝特點，12500kN冷鍛壓力機傳動系統(tǒng)中的桿系結構采用廣義肘桿機構。在滿足滑塊總行程300mm，公稱力行程不少于25mm設計要求的前提下，初步實現(xiàn)滑塊快速下降、慢速成形和快速返回等功能要求。在此基礎上，再根據(jù)負荷要求計算滑塊公稱力行程范圍內(nèi)的合理速度值，優(yōu)化確定各桿尺寸［6］。為12500kN冷鍛壓力機傳動系統(tǒng)中肘桿機構模型?；瑝K采用負偏置結構，其中L1為曲柄軸，L3為上肘桿，L6為下肘桿，L2，L4，L5組成三角形連桿，e表示偏置距離，A為轉動副。12500kN壓力機機身結構復雜，尺寸和質(zhì)量較大，為便于制造和運輸采用組合結構。機身由上梁、立柱、底座和拉緊螺栓等結構組成。
　
　1．2平衡缸設計對于多連桿機構的壓力機，平衡缸的作用是為了平衡滑塊及模具的重力，消除運動部件傳動副的間隙，保證滑塊在下死點的重復精度［7］。根據(jù)需要的平衡載荷及滑塊和機身的結構特點確定平衡缸的數(shù)量。本設計中，采用2個平衡缸對稱布置在機身內(nèi)，兩活塞桿與滑塊相連。平衡缸按最大平衡載荷120kN、氣體壓力0．5MPa設計。平衡缸結構(豎直布置)。分析表明［2］，由于肘桿機構的特點，在空載情況下滑塊在下死點附近動態(tài)性能較好，而在上死點附近其動態(tài)性能較差，這也是滑塊在下死點附近可承受較大載荷的原因。壓力機在公稱力行程范圍內(nèi)，滑塊離下死點很近，平衡缸作用的平衡載荷與壓力機工作載荷相比很小，可以忽略不計。
　
　也就是說，滑塊在下死點附近，平衡缸主要用于消除間隙，提高其重復精度，而對滑塊的受力影響較小。因此，對于肘桿機構壓力機，在設計平衡缸和分析其對滑塊的影響時，應考慮2種情況:當滑塊在上死點附近時，主要考慮平衡載荷對其受力和運動平穩(wěn)性的影響;當滑塊在下死點時，主要考慮平衡載荷對其在下死點的重復精度的影響。平衡缸布置的3種方案。平衡缸傾斜布置，活塞不僅可產(chǎn)生豎直方向的平衡力，還會產(chǎn)生一定的側向力。平衡缸沿豎直方向布置，其對滑塊產(chǎn)生的平衡力也是沿豎直方向的。
　

　2虛擬樣機仿真分析
　
　借助于虛擬樣機技術，使用仿真軟件在虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，并對其在各種工況下的運動和受力情況進行仿真分析，觀察并試驗各組成部件的相互運動情況，在計算機上方便地修改設計缺陷，仿真不同的設計方案，對整個系統(tǒng)進行改進，直至獲得最優(yōu)方案［8］。當平衡缸采用的布置方案時，即平衡載荷沿豎直方向施加。施加約束和驅(qū)動后的壓力機仿真模型。為了簡單起見，仿真過程中假設將輸入轉矩直接加在曲柄軸上。取滑塊行程次數(shù)為40次/min，仿真時間以1．5s為一個周期，仿真步數(shù)為300。初步估算滑塊部件、模具及其他需要平衡的運動部件重力約為110kN。靜、動摩擦因數(shù)分別取0．15，0．1，取不同的平衡載荷，分析壓力機空載所需的驅(qū)動轉矩。右側縱坐標表示壓力機空載時所需驅(qū)動轉矩，左側縱坐標表示滑塊的行程，橫坐標表示仿真時間。所示曲線分別為滑塊位移曲線、平衡載荷等于0，50，70，90，120kN所對應的驅(qū)動轉矩曲線。當平衡載荷為90kN時，轉矩曲線的2個峰值基本相等，所需的最大驅(qū)動轉矩較小，傳動系統(tǒng)工作平穩(wěn)。
　
　若平衡載荷太小或者太大，都會使空載所需的驅(qū)動轉矩增大。為了分析轉動副間隙對滑塊在下死點重復精度的影響，以下肘桿和連桿連接的轉動副A為例進行研究，取銷軸直徑為?300mm，其與孔的間隙為0．2mm。分別在靜摩擦因數(shù)取0．15，動摩擦因數(shù)分別為μ=0．06，0．064，0．07，0．075，0．08不同的工況下，分析有無平衡載荷對滑塊在下死點位置精度的影響。縱坐標表示滑塊相對位置，橫坐標表示仿真時間。是無平衡載荷，平衡載荷為120kN的情況下滑塊在下死點附近的行程曲線。可以看出，無平衡載荷時，滑塊運動不平穩(wěn)，行程曲線波動較大，在下死點最大波動值約為0．15mm，滑塊在下死點的重復精度較差;可以看出，當不采用平衡載荷和施加平衡載荷但平衡缸采用豎直布置方式時，最大驅(qū)動轉矩都較大。當平衡缸采用的傾斜布置方式，以及采用適當?shù)慕Y構參數(shù)時，可大幅降低最大驅(qū)動轉矩值，與平衡缸沿豎直方向布置相比最大轉矩減少約32．8%，轉矩曲線基本接近理想曲線(曲線的兩個峰值相同)。
　
　3結論
　
　(1)增加平衡缸設計，可以消除或減小傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙影響，提高滑塊在下死點的重復精度。平衡缸提供的載荷應略大于滑塊及其附屬零部件的總重力，或取平衡載荷等于需平衡總重力的1．1～1．2倍。(2)當平衡缸采用傳統(tǒng)的沿豎直方向布置方式時，肘桿機構壓力機滑塊在上死點附近運動平穩(wěn)性較差，空載時驅(qū)動軸所需的輸入轉矩較大。分析表明，平衡缸的布置方式及平衡載荷的大小都影響著滑塊的受力和運動平穩(wěn)性。(3)取平衡載荷等于需平衡總重力1．1～1．2倍時，平衡缸采用傾斜結構布置結構方案，選用適當?shù)慕Y構參數(shù)，可顯著降低驅(qū)動轉矩最大值。