高速精密壓力機動態(tài)精度影響因素分析

文/何燦焜·揚州鍛壓機床股份有限公司

高速精密壓力機動態(tài)精度影響因素分析

文/何燦焜·揚州鍛壓機床股份有限公司

壓力機作為鍛壓機床的代表，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、交通運輸、冶金化工等重要工業(yè)部門。近年來，大規(guī)模集成電路和電器元件、計算機和通訊設(shè)備以及微電機芯片的技術(shù)進步，進一步有力地推進了高速精密沖床的發(fā)展。高速、高精密沖床作為一種精密、高效的壓力加工裝備，在高速范圍內(nèi)的超精密加工方面，達到了前所未有的水平(下死點動態(tài)控制精度為±0.005mm）。影響壓力機動態(tài)精度的因素包括，運動副間隙、機構(gòu)的彈性變形、機床熱變形等。

運動副間隙

機床運動副的間隙是影響高速精密壓力機動態(tài)精度的重要因素，目前國內(nèi)外在這方面的研究還不夠完善。間隙及其特性對壓力機動態(tài)精度的影響程度以及影響方式還處于探索階段，其周期性高速沖擊載荷特性為研究的進一步展開帶來了困難。很多的研究人員都對此進行了深入探討，F(xiàn)lores P采用三態(tài)模型研究了不同參數(shù)對含間隙曲柄滑塊機構(gòu)動態(tài)特性的影響；Imed Khemili采用基于沖擊函數(shù)的碰撞模型研究了含間隙彈性曲柄滑塊機構(gòu)的動態(tài)特性；Selcuk Erkaya建立了實驗平臺，通過測量振動和噪聲研究了含間隙曲柄滑塊機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)；陳樹新等利用Lee，Wang提出的非線性彈簧阻尼模型描述間隙處的碰撞接觸，采用修正的Coulomb摩擦模型描述間隙處的摩擦，建立了周期性沖擊工況下含間隙高速精密壓力機的虛擬樣機模型；許立新等基于多體動力學理論及Hertz接觸理論，提出一種計及軸承間隙與柔性特征影響的多體系統(tǒng)建模方法。

根據(jù)運動副間隙的實際情況，建立運動副間隙模型（圖1），碰撞接觸力模型，摩擦力模型（圖2），間隙壓力機動力學模型（圖3）。

對以上理論模型進行分析，得出的結(jié)論是：

⑴間隙的存在影響機構(gòu)運動位置與速度誤差大小，會隨曲柄轉(zhuǎn)角位置不同而變化。

⑵間隙越大,滑塊的位移、速度、加速度的振蕩幅度越大,而且速度和加速度對打擊力的響應(yīng)峰值增大。打擊力越大,滑塊的速度和加速度響應(yīng)峰值越大,振蕩越劇烈,而打擊力對滑塊位移的影響較小。

目前，在間隙影響方面的研究大多是定性研究，只能得出間隙會對壓力機動態(tài)精度產(chǎn)生影響，可是具體影響的量級是多少，影響的方式如何，還需要進一步研究。

圖1 運動副間隙模型

圖2 摩擦力模型

圖3 含間隙高速精密壓力機模型

機床的彈性變形

隨著現(xiàn)代加工業(yè)對壓力機的工作效率（即轉(zhuǎn)速）和動態(tài)精度要求越來越來高，傳統(tǒng)設(shè)計中把機構(gòu)簡化為剛性和切運動副視為剛體的方法，在分析高速、高精密壓力機的運動特性時具有很大的局限性。由于運動速度高，急劇增大的慣性載荷使機構(gòu)的構(gòu)件產(chǎn)生彈性變形和振動，某些運動構(gòu)件的彈性變形無法忽略不計。在這個背景下，用來分析機構(gòu)特性的傳統(tǒng)剛體動力學已經(jīng)不能滿足實際需要，因此彈性動力學作為機構(gòu)動力學的一個新的分支和發(fā)展方向應(yīng)運而生。

彈性動力學分析一般基于以下兩點假設(shè)：

⑴相對于剛體運動學分析得到的機構(gòu)名義運動位移，構(gòu)件彈性變形引起的彈性位移很小，不會影響機構(gòu)的名義運動狀態(tài)。

⑵剛體運動和彈性運動之間存在一定的耦合，但對柔性不是很大的機構(gòu)而言，其耦合項的影響一般可以忽略。

在彈性動力學分析中，機構(gòu)的真實運動可以看作是名義運動與彈性運動的疊加。在具體分析中，一般需要考慮各構(gòu)件的質(zhì)量和剛度分布特性，想要建立精確的分析模型，需要求解非常復雜的偏微分方程組，難以獲得解析解?，F(xiàn)在的分析人員，一般都是采用有限元方法，將機構(gòu)中的彈性構(gòu)件用合適的單元模型進行等效，通過求解系統(tǒng)的特征方程以及彈性動力學方程，在剛體理想運動的基礎(chǔ)上進一步求解出彈性變形，得到彈性機構(gòu)的實際運動狀態(tài)。

如圖4所示，為某型號壓力機的有限元模型，曾梁斌等在此模型基礎(chǔ)上進行了該壓力機的固有特性以及在運動過程中受迫振動對運動狀態(tài)的影響情況。目前在這方面的研究比較少，大多數(shù)設(shè)計人員只是通過ANSYS等有限元分析軟件對受力較大的構(gòu)件進行了靜態(tài)受力與變形分析，還有一部分研究者將受力構(gòu)件柔性化以后在ADMAS中建立剛?cè)狁詈夏Ｐ蛠砟M實際的動態(tài)特性。從理論上通過建立彈性動力學模型，并用數(shù)值解法來求得壓力機下死點動態(tài)精度特性是研究此類問題的趨勢。

圖4 某多連桿壓力機有限元模型

機床發(fā)熱的原因與解決方案

在機械壓力機運行過程中存在很多發(fā)熱源，當溫度過高時產(chǎn)生較大的熱變形就會影響壓力機的動態(tài)精度。其中最主要的熱源在曲軸處，曲軸要傳遞很大的扭矩，在支撐處要承受很大的載荷，因此曲軸支撐以及連桿處的運動副（滑動軸承或者滾動軸承）會產(chǎn)生很大熱量。

軸承發(fā)熱原因

⑴軸承發(fā)熱。軸承的散熱速度低于軸承產(chǎn)生熱量的速度，打破了軸承的熱平衡而使軸承升溫。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是按軸承單位面積上所受的壓力來設(shè)計的，但是實際上滑動軸承由于材料成分、制造工藝及使用場合的差異，并非為常量而為隨機變量，作用到滑動軸承上的壓力P也因工藝不同、加工誤差的影響而為一變量。按照傳統(tǒng)方法計算，即使是“合格”的滑動軸承，在一定環(huán)境溫度和速度下，隨著時間的推移溫度也有可能會逐漸升高，直至突破許用溫度，影響機床的正常使用。傳統(tǒng)的實際方法適合轉(zhuǎn)速較低的情況，可是隨著壓力機轉(zhuǎn)速要求越來越高，傳統(tǒng)方法計算就得不出正確的數(shù)值。

⑵軸承間隙過大，沖擊則更為明顯，在對高速壓力機滑動軸承進行條件性計算時需要考慮到?jīng)_擊載荷的影響?？墒情g隙選擇過小，滑動軸承加工和裝配精度要求就很高，否則反而更容易引起軸承發(fā)熱。國外某些高速壓力機滑動軸承與軸的配合間隙較小，一般需對滑動副進行特殊處理，保證滑動副材料合理的硬度差，并使其在具備良好耐疲勞性能的同時，兼顧良好的抗咬合性、順應(yīng)性和嵌藏性等。

解決方案

⑴對滑動軸承進行可靠性設(shè)計，充分考慮滑動軸承的[p]、p及A的離散性和隨機性。控制合理的軸承間隙，根據(jù)實際的工藝情況和使用部位而定。

⑵選用合理的軸承軸瓦材料。目前從生產(chǎn)和實際使用以及理論研究來看，高速壓力機上的軸承都會選擇錫青銅和鉛青銅。

⑶改變機床的設(shè)計結(jié)構(gòu)，具體包括：通過改善機床的散熱條件來對滑動軸承的熱平衡進行干預；增加潤滑油冷卻裝置，可以吸收滑動軸承產(chǎn)生的摩擦熱，降低潤滑油溫度，減輕運動部件因熱量產(chǎn)生的變形，有利于機床下死點的穩(wěn)定；打破傳統(tǒng)的設(shè)計理念,采用滾動軸承滑動軸承組合使用的方案。通過合理的選擇滾動軸承游隙和滑動軸承間隙，使滑動軸承僅在部分工作時間內(nèi)受力，其余時間由滾動軸承受力，從而減小滑動軸承摩擦產(chǎn)生的熱量，充分發(fā)揮滾動軸承和滑動軸承各自的優(yōu)點；根據(jù)滑動軸承的承載能力，結(jié)構(gòu)許可的話更改為滾動軸承。其摩擦系數(shù)更小，產(chǎn)生的熱量也就很小。使用滾動軸承，可以通過合理選擇軸承游隙達到更高的精度；打破傳統(tǒng)曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計思維，設(shè)計多桿壓力機，減小曲軸軸承處的承載力，從而減小其發(fā)熱量，設(shè)計出速度更高精度更好，符合現(xiàn)代制造加工要求的高速、高精密壓力機。

結(jié)束語

運動副間隙、構(gòu)件彈性變形，機床熱變形都是影響高速、高精密壓力機的重要因素，要想在壓力機生產(chǎn)水平上有較大突破，制造出精度更高、速度更快的壓力機，必須對這些影響因素有更深入的理論研究與探索。