鄭申專，丁武學(xué)，李存折

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

含間隙運(yùn)動(dòng)副的高速壓力機(jī)下死點(diǎn)精度影響分析

鄭申專，丁武學(xué)，李存折

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：采用solidworks建立高速精密壓力機(jī)樣機(jī)的實(shí)體模型，導(dǎo)入adams中建立虛擬樣機(jī)剛體模型。采用hertz接觸剛度理論并考慮阻尼效應(yīng)建立間隙接觸碰撞模型，對(duì)主連桿進(jìn)行柔性化后建立參數(shù)化的含間隙的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型。設(shè)置適當(dāng)?shù)姆抡鎱?shù)后，對(duì)樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出不同間隙、轉(zhuǎn)速、載荷對(duì)壓力機(jī)下死點(diǎn)動(dòng)態(tài)精度的影響規(guī)律，可為獲得最優(yōu)下死點(diǎn)精度的參數(shù)組合提供參考。

關(guān)鍵詞：高速精密壓力機(jī)；間隙；剛?cè)狁詈?；下死點(diǎn)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(jī)是以連續(xù)高速?zèng)_壓精密件為目的，它具有自動(dòng)、高速、精密三個(gè)基本特征，可完成板料的自動(dòng)輸送和高效率精密加工，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、冶金、化工、汽車、軍工、航空、航天等重要工業(yè)領(lǐng)域[2]。下死點(diǎn)精度是高速壓力機(jī)最為關(guān)鍵的性能指標(biāo), 它關(guān)系到加工件的精度和模具壽命, 是評(píng)定產(chǎn)品技術(shù)水平、制造水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

瑞士的BRUDERER公司根據(jù)沖壓行業(yè)對(duì)精密沖壓件的高速生產(chǎn)需求,在1953年研制出了世界上第一臺(tái)高速精密新概念沖床，引發(fā)高速精密壓力機(jī)迅速發(fā)展。國(guó)外著名鍛壓生產(chǎn)企業(yè)如瑞士 BRUDERER、美國(guó)MINSTER、德國(guó)舒勒、日本電產(chǎn)京利株式會(huì)社(KYORI)等，在壓力機(jī)的沖壓速度、下死點(diǎn)精度上都達(dá)到了很高的技術(shù)水平，并以此獲取巨大的壟斷利潤(rùn)。

由于國(guó)內(nèi)材料技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)存在差距，國(guó)內(nèi)高速壓力機(jī)的發(fā)展也受到了相應(yīng)的制約[7]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)高速壓力機(jī)下死點(diǎn)的研究，大多是通過(guò)改善高速壓力機(jī)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)、減輕工作過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)下死點(diǎn)的影響以及進(jìn)行下死點(diǎn)精度補(bǔ)償。

1含間隙的剛?cè)狁詈细咚倬軌毫C(jī)虛擬樣機(jī)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(jī)的運(yùn)動(dòng)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(jié)點(diǎn)是完全重合，而間隙的引入使球頭和球窩連接點(diǎn)不在同一位置,產(chǎn)生偏心距，如圖1。

圖1　含間隙的實(shí)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(biāo)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(dǎo)致的法向穿透深度可以表示為：

(2)

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

同樣，對(duì)于旋轉(zhuǎn)副約束而言，間隙的引入使軸套和軸連接點(diǎn)不在同一位置,產(chǎn)生偏心距，如圖2。在曲軸與軸套之間的旋轉(zhuǎn)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(dāng)δ2=0時(shí),軸與軸套處于分離狀態(tài),無(wú)約束和力的作用時(shí),當(dāng)δ2>0時(shí)，軸與軸套處于接觸狀態(tài),產(chǎn)生碰撞力。

圖2　含間隙的實(shí)際旋轉(zhuǎn)副模型

1.2碰撞接觸力模型

針對(duì)二狀態(tài)運(yùn)動(dòng)模型，基于沖擊函數(shù)(IMPACT-function-basedcontact)，運(yùn)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(kù)函數(shù)中現(xiàn)有的IMPACT函數(shù)計(jì)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(gòu)件的接觸半徑;νk和Ek分別是碰撞構(gòu)件材料的泊松比和彈性模量；ce為恢復(fù)系數(shù)；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(kù)倫摩擦力模型，其模型如圖3所示。

圖3　修正摩擦系數(shù)與相對(duì)速度的關(guān)系

(8)

式中：v為運(yùn)動(dòng)副間兩構(gòu)件在碰撞點(diǎn)的切線方向相對(duì)滑動(dòng)速度；μd是動(dòng)摩擦系數(shù)；μs是靜摩擦系數(shù)；vs為靜滑移速度，靜摩擦與動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換的臨界速度；vd為動(dòng)滑移速度，最大動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)對(duì)應(yīng)的相對(duì)滑動(dòng)速度。

1.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

圖4為含間隙高速精密壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。主連桿與曲軸的旋轉(zhuǎn)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(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)如表1。

表1　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)

圖4　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.5剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

對(duì)于一些精度要求較高的機(jī)械系統(tǒng)，要很好地體現(xiàn)其真實(shí)的運(yùn)動(dòng)性能，需要對(duì)主要的構(gòu)件進(jìn)行柔性化處理。這樣，建立起來(lái)的工作機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型更加貼合物理樣機(jī)，可高效地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，獲得準(zhǔn)確有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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(zhuǎn)副上創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)，在滑塊上加載用step函數(shù)擬合的沖裁力函數(shù)，建立壓力機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D5。

2仿真分析

2.1仿真參數(shù)設(shè)置

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

圖5　剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

本課題最大沖裁速度指標(biāo)為800m/s，故在100～800m/s內(nèi)分析；最大沖裁力指標(biāo)為800kN，取其 50%～100%，即4e5N～8e5N；機(jī)床總間隙指標(biāo)為小于0.3mm，根據(jù)實(shí)際加工和裝配情況在0.04mm～0.1mm范圍分析。

2.2沖裁速度對(duì)下死點(diǎn)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(guò)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(diǎn)位置標(biāo)準(zhǔn)差減小，下死點(diǎn)精度提高；在300～600m/s區(qū)間，下死點(diǎn)位置標(biāo)準(zhǔn)差增大，下死點(diǎn)精度降低；在超過(guò)600m/s后，下死點(diǎn)位置標(biāo)準(zhǔn)差減小，下死點(diǎn)精度提高。沖裁速度在400m/s附近，有較高的下死點(diǎn)精度。

2.3沖裁力對(duì)下死點(diǎn)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(guò)仿真分析可知，隨著沖裁力增大，下死點(diǎn)位置標(biāo)準(zhǔn)差增大，下死點(diǎn)精度下降。在沖裁力較小時(shí)有較高的下死點(diǎn)精度，但是沖裁力是由負(fù)載決定的，故在較小負(fù)載時(shí)有較高的下死點(diǎn)精度。

2.4間隙對(duì)下死點(diǎn)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(guò)仿真分析可知，隨著球鉸副間隙的增大，下死點(diǎn)位置標(biāo)準(zhǔn)差先減小后增大，下死點(diǎn)精度先提高后下降，在0.06mm附近取值可獲得較高的下死點(diǎn)精度。

2.5間隙對(duì)下死點(diǎn)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(zhuǎn)動(dòng)副間隙分析

通過(guò)仿真分析可知，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)副間隙的增大，下死點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差先減小一段之后再增大，下死點(diǎn)精度先提高后下降，在0.09mm附近取值時(shí)下死點(diǎn)精度較高。

3結(jié)論

運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在ADAMS中創(chuàng)建精密高速壓力機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出沖裁速度、沖裁力、球鉸副間隙、轉(zhuǎn)動(dòng)副間隙對(duì)下死點(diǎn)豎直方向的動(dòng)態(tài)重復(fù)精度的影響規(guī)律，為提高其下死點(diǎn)動(dòng)態(tài)重復(fù)精度提高依據(jù)，也為物理樣機(jī)的試制及實(shí)驗(yàn)分析提供指導(dǎo)。由于時(shí)間、精力及條件有限，未解決多因素對(duì)下死點(diǎn)豎直方向的動(dòng)態(tài)重復(fù)精度的優(yōu)化分析問(wèn)題，找到提高下死點(diǎn)豎直方向的動(dòng)態(tài)重復(fù)精度的切實(shí)方案。

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收稿日期：2014-03-14

中圖分類號(hào)：TG385

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0014-03

作者簡(jiǎn)介：鄭申專(1990-)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造工藝與裝備。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51275243)