虚拟技术的压力机设计

　由于精密成形冷锻件的需求不断增加，目前国内正在开发公称力和公称力行程都相对较大的多连杆机构冷锻压力机，以期改变被国外大压力机公司垄断的局面。虽然国内企业大都感受到增强自主开发新产品核心能力的迫切性，但与国际先进水平相比仍存在差距，因此需要提高自身进行新产品设计开发的能力，以满足国内、国际市场的需求［1］。
　
　冷锻压力机的设计涉及多方面的技术，其中主机的设计始终是设计技术的关键，需要很多工程技术人员在理论和实践中不断的积累和完善。冷锻压力机具有工作载荷大、工作频率高，以及滑块重复精度要求高等特点。特别是采用肘杆机构时，要求其结构设计紧凑，滑块运动平稳，整机在工作过程中振动和冲击小，以达到降低噪声，提高精度的目的。由于压力机有急回特性要求，在回程时滑块在上死点附近受力情况很差，运动不平稳，甚至容易产生自锁［2］。文中采用虚拟样机技术对某12500kN肘杆机构冷锻压力机进行仿真，对平衡缸部件的各种结构设计方案、不同摩擦条件，以及作用的平衡载荷的大小和方向等进行了分析。从而得出了平衡缸部件的设计依据，可为该类压力机的设计提供借鉴。
　
　1冷锻压力机结构及平衡缸设计简介
　
　1．1冷锻压力机结构设计简介根据冷锻成形的工艺特点，12500kN冷锻压力机传动系统中的杆系结构采用广义肘杆机构。在满足滑块总行程300mm，公称力行程不少于25mm设计要求的前提下，初步实现滑块快速下降、慢速成形和快速返回等功能要求。在此基础上，再根据负荷要求计算滑块公称力行程范围内的合理速度值，优化确定各杆尺寸［6］。为12500kN冷锻压力机传动系统中肘杆机构模型。滑块采用负偏置结构，其中L1为曲柄轴，L3为上肘杆，L6为下肘杆，L2，L4，L5组成三角形连杆，e表示偏置距离，A为转动副。12500kN压力机机身结构复杂，尺寸和质量较大，为便于制造和运输采用组合结构。机身由上梁、立柱、底座和拉紧螺栓等结构组成。
　
　1．2平衡缸设计对于多连杆机构的压力机，平衡缸的作用是为了平衡滑块及模具的重力，消除运动部件传动副的间隙，保证滑块在下死点的重复精度［7］。根据需要的平衡载荷及滑块和机身的结构特点确定平衡缸的数量。本设计中，采用2个平衡缸对称布置在机身内，两活塞杆与滑块相连。平衡缸按最大平衡载荷120kN、气体压力0．5MPa设计。平衡缸结构(竖直布置)。分析表明［2］，由于肘杆机构的特点，在空载情况下滑块在下死点附近动态性能较好，而在上死点附近其动态性能较差，这也是滑块在下死点附近可承受较大载荷的原因。压力机在公称力行程范围内，滑块离下死点很近，平衡缸作用的平衡载荷与压力机工作载荷相比很小，可以忽略不计。
　
　也就是说，滑块在下死点附近，平衡缸主要用于消除间隙，提高其重复精度，而对滑块的受力影响较小。因此，对于肘杆机构压力机，在设计平衡缸和分析其对滑块的影响时，应考虑2种情况:当滑块在上死点附近时，主要考虑平衡载荷对其受力和运动平稳性的影响;当滑块在下死点时，主要考虑平衡载荷对其在下死点的重复精度的影响。平衡缸布置的3种方案。平衡缸倾斜布置，活塞不仅可产生竖直方向的平衡力，还会产生一定的侧向力。平衡缸沿竖直方向布置，其对滑块产生的平衡力也是沿竖直方向的。
　

　2虚拟样机仿真分析
　
　借助于虚拟样机技术，使用仿真软件在虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况，在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真不同的设计方案，对整个系统进行改进，直至获得最优方案［8］。当平衡缸采用的布置方案时，即平衡载荷沿竖直方向施加。施加约束和驱动后的压力机仿真模型。为了简单起见，仿真过程中假设将输入转矩直接加在曲柄轴上。取滑块行程次数为40次/min，仿真时间以1．5s为一个周期，仿真步数为300。初步估算滑块部件、模具及其他需要平衡的运动部件重力约为110kN。静、动摩擦因数分别取0．15，0．1，取不同的平衡载荷，分析压力机空载所需的驱动转矩。右侧纵坐标表示压力机空载时所需驱动转矩，左侧纵坐标表示滑块的行程，横坐标表示仿真时间。所示曲线分别为滑块位移曲线、平衡载荷等于0，50，70，90，120kN所对应的驱动转矩曲线。当平衡载荷为90kN时，转矩曲线的2个峰值基本相等，所需的最大驱动转矩较小，传动系统工作平稳。
　
　若平衡载荷太小或者太大，都会使空载所需的驱动转矩增大。为了分析转动副间隙对滑块在下死点重复精度的影响，以下肘杆和连杆连接的转动副A为例进行研究，取销轴直径为300mm，其与孔的间隙为0．2mm。分别在静摩擦因数取0．15，动摩擦因数分别为μ=0．06，0．064，0．07，0．075，0．08不同的工况下，分析有无平衡载荷对滑块在下死点位置精度的影响。纵坐标表示滑块相对位置，横坐标表示仿真时间。是无平衡载荷，平衡载荷为120kN的情况下滑块在下死点附近的行程曲线。可以看出，无平衡载荷时，滑块运动不平稳，行程曲线波动较大，在下死点最大波动值约为0．15mm，滑块在下死点的重复精度较差;可以看出，当不采用平衡载荷和施加平衡载荷但平衡缸采用竖直布置方式时，最大驱动转矩都较大。当平衡缸采用的倾斜布置方式，以及采用适当的结构参数时，可大幅降低最大驱动转矩值，与平衡缸沿竖直方向布置相比最大转矩减少约32．8%，转矩曲线基本接近理想曲线(曲线的两个峰值相同)。
　
　3结论
　
　(1)增加平衡缸设计，可以消除或减小传动系统产生的间隙影响，提高滑块在下死点的重复精度。平衡缸提供的载荷应略大于滑块及其附属零部件的总重力，或取平衡载荷等于需平衡总重力的1．1～1．2倍。(2)当平衡缸采用传统的沿竖直方向布置方式时，肘杆机构压力机滑块在上死点附近运动平稳性较差，空载时驱动轴所需的输入转矩较大。分析表明，平衡缸的布置方式及平衡载荷的大小都影响着滑块的受力和运动平稳性。(3)取平衡载荷等于需平衡总重力1．1～1．2倍时，平衡缸采用倾斜结构布置结构方案，选用适当的结构参数，可显著降低驱动转矩最大值。