□張 應(yīng)□劉彩霞□晉心斌

1.蕪湖起重運輸機器股份有限公司 安徽蕪湖 241000

2.安徽工程大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院 安徽蕪湖 241000

1 設(shè)計背景

自動化設(shè)備能夠在保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的同時提升產(chǎn)能，為企業(yè)帶來較大的利潤空間[1]。三元乙丙材質(zhì)橡膠密封條擁有良好的彈性，具有抗壓縮變形、耐老化、耐高低溫等優(yōu)點，應(yīng)用于密封系統(tǒng)中，具有良好的密封防護作用[2]。由于橡膠密封條具有柔韌的特性，因此利用鉆床進行孔加工時，很難保證孔的外觀與精度，嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的沖裁加工一般采用普通沖床，安全性差，能耗大，效率低。

針對橡膠密封條鉆孔加工工藝中存在的不足，設(shè)計了一種基于雙平行四邊形連桿機構(gòu)的自動沖裁設(shè)備。這一橡膠密封條自動沖裁設(shè)備由傳動裝置、模具固定裝置、沖裁模具、控制系統(tǒng)等部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)一體化沖裁，結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，安全性高，具有噪聲小、能耗低、體積小、易于進行工位布置等優(yōu)點，可以大幅提升企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量及效率。同時，對企業(yè)而言，這一自動沖裁設(shè)備可以使產(chǎn)品具備一定的競爭力，并帶來更好的經(jīng)濟效益。

2 自動沖裁設(shè)備結(jié)構(gòu)

橡膠密封條自動沖裁設(shè)備合模狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機架、防護門、控制系統(tǒng)、傳動裝置、模具固定裝置、沖裁模等部分組成。傳動裝置由雙平行四邊形連桿機構(gòu)[3]、導(dǎo)向裝置、拉升氣缸、上模安裝板、平衡氣缸、傳動銷軸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 自動沖裁設(shè)備合模狀態(tài)結(jié)構(gòu)

圖2 傳動裝置

3 自動沖裁設(shè)備工作原理

橡膠密封條自動沖裁設(shè)備基于雙平行四邊形連桿機構(gòu)原理，通過由拉升氣缸與平衡氣缸組成的沖裁傳動裝置驅(qū)動上模上下往復(fù)運動。沖裁模的上、下模通過模具固定裝置分別安裝于上模安裝板與機架平臺上，通過沖裁模的定位裝置，將橡膠條放置于沖裁模的下模上。平衡氣缸在開模時對機構(gòu)進行動力補充，若設(shè)備突然斷氣，也可防止機構(gòu)墜落。

雙平行四邊形連桿機構(gòu)具有平行升降的穩(wěn)定性，可以降低對氣缸行程的定位要求。當雙平行四邊形連桿機構(gòu)達到最大行程時，模具運動方向就會由原來的下降變?yōu)樯仙?，能夠提高系統(tǒng)的剛度及運動平穩(wěn)性。導(dǎo)向裝置能夠保證模具升降的精度，消除沖裁的振動力。設(shè)備的沖裁力由傳動裝置提供，采用雙氣缸作為動力源。雙平行四邊形連桿機構(gòu)在運動過程中會遇到死點狀態(tài)，通過設(shè)置調(diào)速閥，雙氣缸可以打破相互之間的死點，確保設(shè)備正常運行。設(shè)置雙氣缸同時滿足用戶的安全要求，通過增加蓄能器，可以避免因氣源故障出現(xiàn)的設(shè)備墜落，確保設(shè)備安全性。

4 加工件

橡膠密封條自動沖裁設(shè)備能夠?qū)ο鹉z密封條進行沖孔、裁切加工，具體為沖裁六處直徑為4 mm的孔，裁切最大長度為876 mm。以加工某汽車車門下密封條為例，加工件尺寸如圖3所示，三元乙丙材料橡膠密封條具體參數(shù)見表1。

圖3 加工件尺寸

表1 橡膠密封條參數(shù)

5 沖裁模設(shè)計

5.1 凸凹模尺寸

依據(jù)橡膠密封條產(chǎn)品參數(shù)可知，沖裁孔的直徑為4 mm，按產(chǎn)品尺寸均布，孔的公差要求為±0.5 mm，材料厚度t為2.6 mm，抗拉強度σb為12 MPa，切口要求美觀無毛刺。由于橡膠具有彈性，用普通沖壓模沖裁橡膠密封條時，加工后橡膠密封條的孔徑會小于產(chǎn)品要求的尺寸。另一方面，在加工過程中，影響孔收縮量的因素較多。因此，在設(shè)計凸模時，通常采取試模后修正的方法來確定尺寸。

查機械設(shè)計手冊，當沖模間隙為4%～5%時，孔的收縮量Δd為[4]：

式中：k 為沖裁系數(shù)，t＜2 mm 時，k=0.1 mm-1，t≥2 mm時，k=0.07～0.08 mm-1。

沖裁系數(shù)k取0.07 mm-1，代入式（1）得Δd=0.47 mm，則凸模沖頭直徑的基本尺寸d1為4.47 mm。

橡膠密封條沖裁的雙邊間隙Z可取08號鋼的25%,查閱沖壓模設(shè)計指導(dǎo)資料，可知08號鋼的相關(guān)參數(shù)為t=2.6 mm，Zmin=0.36 mm[5]。該橡膠密封條沖裁模凹模雙邊間隙Z=0.36×25%=0.09 mm，計算得凹模內(nèi)徑d2為4.56 mm。

5.2 沖裁力計算

（1）理論沖裁力F0。平刃口模具沖裁時，理論沖裁力 F0為[5]：

式中：n為孔數(shù)。

結(jié)合表1參數(shù)，將數(shù)據(jù)代入式（2），經(jīng)計算得F0=2 351 N。

（2）卸料力 Ft。卸料力 Ft可取沖裁力的 4%[5]，于是有Ft=0.04F0=94 N。

（3）總沖裁力Fz?？倹_裁力Fz=F0+Ft=2 351+94=2 445 N。

5.3 凸模校驗

（1）凸模承壓應(yīng)力校驗。沖裁時，凸模承受的壓應(yīng)力σp需小于凸模材料強度允許的壓應(yīng)力。對于圓形凸模，有 σp=F/A＜[σp]，F(xiàn) 為沖裁力，取 F0，A 為凸模最小面積。經(jīng)計算，σp=150 MPa＜[σp]=300 MPa，因此凸模承壓應(yīng)力合格。

（2）凸模失穩(wěn)彎曲應(yīng)力檢驗。失穩(wěn)彎曲應(yīng)力采用桿件受軸向壓力的歐拉公式進行校驗[5]，凸模不發(fā)生失穩(wěn)彎曲的最大長度Lmax為：

式中：E為凸模材料的彈性模量，MPa，一般模具鋼為220 GPa；I為凸模最小橫截面的最小慣性矩，mm4，直徑為d的圓形凸模一般取0.05d4；n1為穩(wěn)定安全因數(shù)，一般取2～3；F為沖裁力，取F0。

將設(shè)備凸模直徑d=4.47 mm、n1=3代入式（3），得凸模長度Lmax=40 mm，可見設(shè)計的凸模長度應(yīng)小于40 mm，才不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

6 傳動裝置設(shè)計

6.1 雙平行四邊形連桿機構(gòu)布置

根據(jù)加工件尺寸，可確定雙平行四邊形連桿機構(gòu)的尺寸，鉸鏈橫向尺寸為1 000 mm，連桿長度為200 mm，通過計算得升降行程為155 mm。由以上尺寸組成的雙平行四邊形連桿機構(gòu)可以滿足開模行程的要求，連桿機構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙平行四邊形連桿機構(gòu)

6.2 傳動力計算

（1）動力與負載確定。總沖裁力Fz為2445N，模具附件重力Gm為690N，連桿機構(gòu)重力Gg為1060N，當機構(gòu)向下運動進行沖裁時，F(xiàn)z=Gm+Gg+FLd。經(jīng)計算，需外部提供的沖裁動力FLd為695 N。當沖裁完畢向上運動時，開模負載Fu=Gm+Gg=1 750 N。

（2）初選氣缸驗算。初選拉升氣缸缸徑為100 mm，行程為180 mm，現(xiàn)場工作氣壓為0.8 MPa，經(jīng)計算，拉升氣缸輸出最大力FLmax為6280N。當模具處于向下運動時，合模，α=9°，具體受力分析如圖5所示。

圖5 合模運動受力分析

拉升氣缸理論輸出沖裁力FLdmax=FLmaxsinα=982N，F(xiàn)Lmax分解為水平方向力Fx1和豎直方向力FLdmax，由FLdmax＞FLd可知，在沖裁時初選拉升氣缸提供的沖裁力滿足工藝需求。

當模具處于向上運動時，開模，β=2.8°，具體受力分析如圖6所示。此時拉升氣缸為開模所提供的向上拉力FLu=FLmaxsin β=306 N，開模負載Fu為1 750 N，因此拉升氣缸在開模時，開模力不足，需要平衡氣缸提供部分動力，以彌補拉升氣缸開模力不足。

圖6 開模運動受力分析

初選平衡氣缸缸徑為80 mm，行程為200 mm，現(xiàn)場工作氣壓為0.8 MPa，得平衡氣缸輸出最大力FPumax=4 019 N，需平衡氣缸提供向上的開模力FPu=Fu-FLu=1 444 N，由于 FPumax＞FPu，因此可知初選平衡氣缸滿足工藝需求。

7 系統(tǒng)動力學(xué)仿真

7.1 理論分析

橡膠密封條自動沖裁設(shè)備為單自由度多剛體系統(tǒng)[6]，其機構(gòu)簡圖如圖7所示。

對于單自由度多剛體系統(tǒng)，宜采用動能定理建立系統(tǒng)的運動微分方程[7-8]。

以整個系統(tǒng)為研究對象，各連桿中：1號連桿為定軸運動，角速度為ω1，轉(zhuǎn)動慣量為JA；2號連桿為定軸運動，角速度為ω2，轉(zhuǎn)動慣量為JB；3號連桿為平面運動，質(zhì)心速度為V3，角速度為ω3，轉(zhuǎn)動慣量為JC；4號連桿為平面運動，質(zhì)心速度為V4，角速度為ω4，轉(zhuǎn)動慣量為JD；5號連桿為平動，質(zhì)心速度為V5；6號連桿為平動，質(zhì)心速度為V6；7號連桿為平面運動，質(zhì)心速度為 V7，角速度為 ω7，轉(zhuǎn)動慣量為 JE；8號連桿為平動，質(zhì)心速度為V8。

圖7 單自由度多剛體系統(tǒng)機構(gòu)簡圖

根據(jù)質(zhì)點系動能定理公式[9]，能夠得到系統(tǒng)動能T和橡膠厚度t之間的關(guān)系式：

系統(tǒng)的主動功率之和∑Ni為：

式中：M為轉(zhuǎn)矩。

系統(tǒng)的運動微分方程為：

7.2 動力學(xué)仿真

在整個傳動裝置中，傳動銷軸起至關(guān)重要的作用，應(yīng)用仿真軟件對整臺設(shè)備進行運動仿真[10]，得出傳動銷軸的動態(tài)載荷，并根據(jù)分析結(jié)果對傳動銷軸進行驗證。橡膠密封條自動沖裁設(shè)備中，連接雙平行四邊形連桿機構(gòu)的傳動銷軸共有六處，如圖2中所指示位置的傳動銷軸工況最為不利，是傳遞動力的源頭，因此對該處傳動銷軸進行校核。若該處傳動銷軸滿足要求，則其它處傳動銷軸均可滿足要求。所驗證的傳動銷軸尺寸如圖8所示。

圖8 傳動銷軸尺寸

系統(tǒng)動力學(xué)仿真步驟如下：①對各個連桿賦予相應(yīng)材料；②定義固定機架和各連桿；③添加運動副，氣缸為滑動副，其它均為轉(zhuǎn)動副；④對運動副添加阻尼。

根據(jù)步驟完成系統(tǒng)的運動仿真，得到傳動銷軸的動態(tài)載荷，如圖9所示。在開模至最高位置時，傳動銷軸的綜合載荷為4 985 N，拉升氣缸的縱向分力Fy=4 985×sin 2.8°=244 N，所選拉升氣缸在該工況時的最大分力FLu為306 N，由于FLu＞Fy，因此拉升氣缸的選型符合設(shè)計要求。

圖9 傳動銷軸動態(tài)載荷

7.3 有限元分析

根據(jù)動力學(xué)仿真分析，可知傳動銷軸的最大綜合載荷為4 985 N。應(yīng)用Nastran軟件將該載荷添加于傳動銷軸模型中，傳動銷軸應(yīng)力、應(yīng)變云圖分別如圖10、圖11所示。

圖10 傳動銷軸應(yīng)力云圖

圖11 傳動銷軸應(yīng)變云圖

由有限元分析可知，傳動銷軸在最大載荷為4 985 N時，最大應(yīng)變量為0.001 963 mm，最大應(yīng)力為16.64 MPa?？梢?，傳動銷軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求。

8 結(jié)論

基于雙平行四邊形連桿機構(gòu)上下往復(fù)運動的原理，設(shè)計了橡膠密封條自動沖裁設(shè)備。通過理論計算與分析，確定了凸凹模尺寸及總沖裁力，并對凸模尺寸設(shè)計進行了校驗，得出不發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象的條件為凸模長度應(yīng)不大于40 mm。對升降氣缸的傳動力進行理論計算，確定了拉升氣缸選型參數(shù)，缸徑為100 mm，行程為180 mm，同時確定了平衡氣缸選型參數(shù)，缸徑為80 mm，行程為200 mm。根據(jù)動力學(xué)理論知識，對關(guān)鍵部件傳動銷軸進行動態(tài)仿真分析，得出傳動銷軸的最大載荷為4 985 N。應(yīng)用Nastran軟件分析，得出傳動銷軸的最大應(yīng)變量為0.001 963 mm，最大應(yīng)力為16.64 MPa，進一步驗證了設(shè)備設(shè)計的合理性。

這一橡膠密封條自動沖裁設(shè)備經(jīng)實際使用，得到了較好的反饋效果。