论文部分内容阅读
摘?要 利用精密冲压机来实现材料的精密加工是当前材料加工中的主流，提高冲压机的运行效率能够有效的提高加工的效果。本文在原有冲压机床的基础上进行改进，并利用Deform仿真软件对改进后的冲压机参数进行优化设计，为冲压机的优化设计提供了一条可行的途径。
关键词 冲压机；优化设计；Deform仿真
中图分类号 TH133 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)062-0210-02
1 精密冲压加工特点概述
目前冲压机加工技术主要有普通冲压和精密冲压两大类型。其中精密冲压是一种无切屑的加工方法，加工过程要求更高，具有精度高、横断面平整、翘曲变形少等优点。精密冲压加工所采用的模具和传统的模具有所不同，采用的是结构特殊的精冲模具，其力学原理也不一样，精密冲压加工是借助强力压边和反顶施压力，利用塑性剪切原理来实现对材料的裁切。经过精密冲压加工后的零件可以刀刀直接装备的要求，而不需要再进行切削。同时由于在精密冲压加工过程中材料的冷作硬化作用，能够间接的提高零件加工后的剪切面的强度。鉴于以上精密冲压加工的优点，这类加工技术能够有效提高加工效率，具有较好的经济效益，因此在材料加工中具有较高的使用价值，也是材料加工机械设计中的重要研究对象。
在以精密冲压机为基础的材料加工中，主要存在问题是可加工的材料厚度受到机床公称压力的限制，且由于在材料加工过程中冲头和材料之间的接触时间非常短，对材料的裁剪通常都在瞬间完成，会在这一过程中产生大量热能，零件的质量和模具寿命会因此受到影响。这是利用冲压力来进行零件加工中普遍存在的问题。而要改善这种情况，就需要解决冲压过程中热量释放的问题，这主要取决于冲压时冲头的冲压速度。本文即针对这一问题展开研究，在保证零件加工质量的前提下通过控制冲头速度来减小热量释放对零件和模具的负面影响。
2 冲压机工作原理与改进方案设计
为便于论述，本文的研究以FGL-300型冲锻复合加工机为对象展开研究。FGL-300主体为铸铁构件的框架结构，其核心部分为传动机构，通过齿轮带动摆杆的偏心作用来实现对零件的冲压加工。因此提高冲压机工作效率、减小热量释放对模具和零件的影响关键是对传动机构的运动特性进行改进，提高传统机构的合理性。
本文在研究传动机构的改进时主要考虑了两种方案。方案1：添加一个滑动副，降低冲头速度，通过伺服电机驱动丝杆正反转，则大螺母实现上下往复运动，那么与大螺母相连接的连杆就可以调节滑块速度；方案2：添加一个曲柄，构成双曲柄机构，普通电机和伺服电机分别驱动两曲柄，依靠添加的曲柄来减小冲头速度，由于驱动都为转动副，因此可以保持同方向的转动。
上述两种改进方案中，方案1需要提供较大的扭矩，且滑动副的运动距离，因此需要配合提高伺服电机的功率。而方案2中的驱动为转动副，实现起来更为方便。
3 结构参数优化设计的计算机模拟手段
在初步拟定了冲压机改良结构后，还需要对具体的设计参数进行必要的优化。传统的结构参数设计往往需要制作实物模型来进行分析验证，但随着计算机技术的进步，可以通过模拟软件来完成上述工作，能够极大的降低设计成本，同时提高设计效率。利用模拟软件来完成结构设计的基本是构建虚拟样机的计算机模型，然后改变设计参数来检验参数的变化对整体机械的性能影响，从而实现对主要设计参数的优化。本文中将采用Deform软件来完成冲压机结构改变后的力学性能分析，并对结构改良后的冲压设计参数进行优化。Deform是一款高度集成化、模块化的有限元仿真软件，它是由前处理器、模拟器、后处理器三大模块组成的，前处理器用来输入模具和坯料的材料信息、几何信息、成形条件，建立边界条件；后处理器的作用是可以将模拟结果可视化，支持OPGL图形模式，输出用户所需要的模拟结果和图片文件等；模拟器是具有集弹性、弹塑性、刚（粘）塑性、热传导等特征的有限元求解器。
4 参数优化模型定义与构建
4.1 定义设计变量
从上述两种设计方案可见设计到的主要参数之一是杆件的长度，以及杆件在初始位置的转角。这两个参数的变动可构成不同力学性能的传动机构。从本文冲压机实际需要出发，将冲压机的冲压行程控制在150mm±5mm，各设计参数分别为主要为以下4个（此节中以方案2为例案例进行阐述，各参数的标注位置如图1所示）：1曲柄长度（AB）；2AB杆初始位置夹角（θ1）；3辅助驱动曲柄的长度（ED）；4ED的初始位置夹角（θ4）。其他设计参数和尺寸标注如图2所示。
4.2 构件与设计变量之间的关联
从图1的结构概化图可见，在该冲压机构中的关键部分在于A、E、G三个节点，这三个点将决定冲压行程，利用Deform软件可通过将模型中的杆件和坐标位置相关联，其实现途径是建立关联表达式，具体方法为通过将杆件中的各节点标号用几何体位置和设计点进行绑定。这样的好处是只要改变了设计点的坐标和相应的长度、夹角等参数，与之对应的杆件其他参数也会随之变化，从而构建起多种不同的组合机构形式。此处以AB杆为例，可通过LOC_RELATIVE_TO函数来绑定AB杆件的起点A点，杆件的运动方向以ORI_ALONG_AXIS函数懒绑定，杆件长度以length函数来绑定，其他杆件都可以通过类似的方法来进行绑定。经过上述操作后可得到如下的模型，如图2所示。
5 冲压机传动结构的优化设计
在上述计算机建模完成的基础上，按如下步骤来完成参数的优化：1在设定各设计参数的范围；2选择某个设计参数，在拟定范围内变动，其他设计参数数值固定；3按上述方式进行各种参数的组合。通过上述步骤，可以获得传动机构在不同参数组合下的变化情况，以及在其他参数固定后某个参数变化时整个传动机构的对参数变化的敏感性。由于设计时所涉及的杆件数量较多，此处只给出ED杆件对滑块速度的软件仿真分析结果。在该机构中，杆件ED的作用是作为辅助驱动来调解滑块的运行速度。在设计时拟定杆件ED的长度变化范围为180 mm～220 mm，分别以10mm步长做调节，并记录滑块的运行速度变化情况，在此基础上绘制杆件ED长度和滑块运行速度之间的关系曲线（图略）。从该曲线可见，不同的杆件长度对滑块速度的影响程度不大，但对滑块在传动机构中的运行距离影响较大，通过分析，将滑块在机构中的有效位移控制在8 mm～12 mm之间，在干范围内选择与之对应的杆件长度范围。在获得杆件ED的范围后，再变动其他参数，从而缩小这些参数的变化范围。在对所有参数都完成了一轮范围界定后，按上述步骤进一步优化，从而获得相对固定的各参数组合值，最终获得冲压机传动机构各参数的优化组合设计值。
6 优化效果分析
经过方案对比后，选择方案2作为最终的设计方案。为便于对比，将冲压机优化前后的结果进行了对比，对比方式为模拟仿真试验，以凸模的运动速度作为主要的参考指标，将原冲压机的80 mm/s的冲压速度降为40 mm/s后进行模拟对比。模拟仿真结果表明，经过优化后，凸模冲裁力明显降低，即表明，经优化后滑块运行速度降低，这有利于延长模具的使用寿命。同时精密冲压时同样的材料最大受力单元的力与优化之前的相比有所下降，最大受力点的受力也有所降低。这表明经过优化后的冲压机较之于原设备在材料加工性能和模具保护方面都有明显的提高。由上述结果可见，将原冲压机经过改良设计后在材料加工和模具保护方面都有所改善，表明本文中所采用的优化设计方案是可行。从今后进一步研究的角度看，应更多从寻找各参数之间的理论最优解以及设计更为优良的传动结构这两个方面展开研究。
参考文献
[1]马正元.冲压工艺与模具技术[M].北京:机械工业出版社,1998:45-135.
[2]孟彩芳,张策,陆永辉.新型混合输入式曲柄压力机械的优化设计[J].中国机械工程,2011,14(5):834-836.
[3]苏敏,王隆太.几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较[J].装备,2008,43(05):35-38.
[4]谢慧萍,季英瑜.基于Deform软件的六连杆冲压机构的优化设计[J]:轻工机械,2009,27(2):47-50.
关键词 冲压机；优化设计；Deform仿真
中图分类号 TH133 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)062-0210-02
1 精密冲压加工特点概述
目前冲压机加工技术主要有普通冲压和精密冲压两大类型。其中精密冲压是一种无切屑的加工方法，加工过程要求更高，具有精度高、横断面平整、翘曲变形少等优点。精密冲压加工所采用的模具和传统的模具有所不同，采用的是结构特殊的精冲模具，其力学原理也不一样，精密冲压加工是借助强力压边和反顶施压力，利用塑性剪切原理来实现对材料的裁切。经过精密冲压加工后的零件可以刀刀直接装备的要求，而不需要再进行切削。同时由于在精密冲压加工过程中材料的冷作硬化作用，能够间接的提高零件加工后的剪切面的强度。鉴于以上精密冲压加工的优点，这类加工技术能够有效提高加工效率，具有较好的经济效益，因此在材料加工中具有较高的使用价值，也是材料加工机械设计中的重要研究对象。
在以精密冲压机为基础的材料加工中，主要存在问题是可加工的材料厚度受到机床公称压力的限制，且由于在材料加工过程中冲头和材料之间的接触时间非常短，对材料的裁剪通常都在瞬间完成，会在这一过程中产生大量热能，零件的质量和模具寿命会因此受到影响。这是利用冲压力来进行零件加工中普遍存在的问题。而要改善这种情况，就需要解决冲压过程中热量释放的问题，这主要取决于冲压时冲头的冲压速度。本文即针对这一问题展开研究，在保证零件加工质量的前提下通过控制冲头速度来减小热量释放对零件和模具的负面影响。
2 冲压机工作原理与改进方案设计
为便于论述，本文的研究以FGL-300型冲锻复合加工机为对象展开研究。FGL-300主体为铸铁构件的框架结构，其核心部分为传动机构，通过齿轮带动摆杆的偏心作用来实现对零件的冲压加工。因此提高冲压机工作效率、减小热量释放对模具和零件的影响关键是对传动机构的运动特性进行改进，提高传统机构的合理性。
本文在研究传动机构的改进时主要考虑了两种方案。方案1：添加一个滑动副，降低冲头速度，通过伺服电机驱动丝杆正反转，则大螺母实现上下往复运动，那么与大螺母相连接的连杆就可以调节滑块速度；方案2：添加一个曲柄，构成双曲柄机构，普通电机和伺服电机分别驱动两曲柄，依靠添加的曲柄来减小冲头速度，由于驱动都为转动副，因此可以保持同方向的转动。
上述两种改进方案中，方案1需要提供较大的扭矩，且滑动副的运动距离，因此需要配合提高伺服电机的功率。而方案2中的驱动为转动副，实现起来更为方便。
3 结构参数优化设计的计算机模拟手段
在初步拟定了冲压机改良结构后，还需要对具体的设计参数进行必要的优化。传统的结构参数设计往往需要制作实物模型来进行分析验证，但随着计算机技术的进步，可以通过模拟软件来完成上述工作，能够极大的降低设计成本，同时提高设计效率。利用模拟软件来完成结构设计的基本是构建虚拟样机的计算机模型，然后改变设计参数来检验参数的变化对整体机械的性能影响，从而实现对主要设计参数的优化。本文中将采用Deform软件来完成冲压机结构改变后的力学性能分析，并对结构改良后的冲压设计参数进行优化。Deform是一款高度集成化、模块化的有限元仿真软件，它是由前处理器、模拟器、后处理器三大模块组成的，前处理器用来输入模具和坯料的材料信息、几何信息、成形条件，建立边界条件；后处理器的作用是可以将模拟结果可视化，支持OPGL图形模式，输出用户所需要的模拟结果和图片文件等；模拟器是具有集弹性、弹塑性、刚（粘）塑性、热传导等特征的有限元求解器。
4 参数优化模型定义与构建
4.1 定义设计变量
从上述两种设计方案可见设计到的主要参数之一是杆件的长度，以及杆件在初始位置的转角。这两个参数的变动可构成不同力学性能的传动机构。从本文冲压机实际需要出发，将冲压机的冲压行程控制在150mm±5mm，各设计参数分别为主要为以下4个（此节中以方案2为例案例进行阐述，各参数的标注位置如图1所示）：1曲柄长度（AB）；2AB杆初始位置夹角（θ1）；3辅助驱动曲柄的长度（ED）；4ED的初始位置夹角（θ4）。其他设计参数和尺寸标注如图2所示。
4.2 构件与设计变量之间的关联
从图1的结构概化图可见，在该冲压机构中的关键部分在于A、E、G三个节点，这三个点将决定冲压行程，利用Deform软件可通过将模型中的杆件和坐标位置相关联，其实现途径是建立关联表达式，具体方法为通过将杆件中的各节点标号用几何体位置和设计点进行绑定。这样的好处是只要改变了设计点的坐标和相应的长度、夹角等参数，与之对应的杆件其他参数也会随之变化，从而构建起多种不同的组合机构形式。此处以AB杆为例，可通过LOC_RELATIVE_TO函数来绑定AB杆件的起点A点，杆件的运动方向以ORI_ALONG_AXIS函数懒绑定，杆件长度以length函数来绑定，其他杆件都可以通过类似的方法来进行绑定。经过上述操作后可得到如下的模型，如图2所示。
5 冲压机传动结构的优化设计
在上述计算机建模完成的基础上，按如下步骤来完成参数的优化：1在设定各设计参数的范围；2选择某个设计参数，在拟定范围内变动，其他设计参数数值固定；3按上述方式进行各种参数的组合。通过上述步骤，可以获得传动机构在不同参数组合下的变化情况，以及在其他参数固定后某个参数变化时整个传动机构的对参数变化的敏感性。由于设计时所涉及的杆件数量较多，此处只给出ED杆件对滑块速度的软件仿真分析结果。在该机构中，杆件ED的作用是作为辅助驱动来调解滑块的运行速度。在设计时拟定杆件ED的长度变化范围为180 mm～220 mm，分别以10mm步长做调节，并记录滑块的运行速度变化情况，在此基础上绘制杆件ED长度和滑块运行速度之间的关系曲线（图略）。从该曲线可见，不同的杆件长度对滑块速度的影响程度不大，但对滑块在传动机构中的运行距离影响较大，通过分析，将滑块在机构中的有效位移控制在8 mm～12 mm之间，在干范围内选择与之对应的杆件长度范围。在获得杆件ED的范围后，再变动其他参数，从而缩小这些参数的变化范围。在对所有参数都完成了一轮范围界定后，按上述步骤进一步优化，从而获得相对固定的各参数组合值，最终获得冲压机传动机构各参数的优化组合设计值。
6 优化效果分析
经过方案对比后，选择方案2作为最终的设计方案。为便于对比，将冲压机优化前后的结果进行了对比，对比方式为模拟仿真试验，以凸模的运动速度作为主要的参考指标，将原冲压机的80 mm/s的冲压速度降为40 mm/s后进行模拟对比。模拟仿真结果表明，经过优化后，凸模冲裁力明显降低，即表明，经优化后滑块运行速度降低，这有利于延长模具的使用寿命。同时精密冲压时同样的材料最大受力单元的力与优化之前的相比有所下降，最大受力点的受力也有所降低。这表明经过优化后的冲压机较之于原设备在材料加工性能和模具保护方面都有明显的提高。由上述结果可见，将原冲压机经过改良设计后在材料加工和模具保护方面都有所改善，表明本文中所采用的优化设计方案是可行。从今后进一步研究的角度看，应更多从寻找各参数之间的理论最优解以及设计更为优良的传动结构这两个方面展开研究。
参考文献
[1]马正元.冲压工艺与模具技术[M].北京:机械工业出版社,1998:45-135.
[2]孟彩芳,张策,陆永辉.新型混合输入式曲柄压力机械的优化设计[J].中国机械工程,2011,14(5):834-836.
[3]苏敏,王隆太.几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较[J].装备,2008,43(05):35-38.
[4]谢慧萍,季英瑜.基于Deform软件的六连杆冲压机构的优化设计[J]:轻工机械,2009,27(2):47-50.