CN101050809A

CN101050809A - 卧式双动冷挤压机传动机构的设计方法

Info

Publication number: CN101050809A
Application number: CNA2007100177586A
Authority: CN
Inventors: 赵升吨; 王军
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2007-04-28
Filing date: 2007-04-28
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2027-04-28
Also published as: CN100467910C

Abstract

本发明公开了一种卧式双动冷挤压机传动系统的设计方法，其特征在于，该方法对现有的300吨双动卧式冷挤压机传动机构进行优化设计，降低冲头与挤压毛坯的接触速度及其以后的速度变化梯度，通过分析杆长、夹角等因素对冷挤压机滑块挤压性能的影响规律，建立了该传动机构的设计理论，对杆长、夹角等进行了优化设计，获得了具有良好挤压性能的适合300吨卧式双动肘杆式冷挤压机的传动机构。

Description

卧式双动冷挤压机传动机构的设计方法

技术领域

本发明属于材料成形之锻压设备领域，涉及冷挤压机械的设计，特别涉及一种卧式双动冷挤压机传动机构的设计方法。

背景技术

锻压生产是机械工业的重要分支，具有效率高、质量好、重量轻和成本低等特点，现在工业先进的国家越来越多地采用锻压工艺代替其它工艺以实现近净加工。锻压机械在机床中所占的比例也越来越大，而机械压力机是最主要的锻压设备，约占锻压设备的80％左右。冷挤压机也是其中重要的一类。

冷挤压加工是一种少无切屑先进压力加工工艺，近年来发展迅速。冷挤压加工无论在技术上和经济上都有很多优点：零件尺寸精度高、零件表面光洁度高、零件的机械性能高、生产效率高、节约原材料、可加工形状复杂和其它方法难以加工的零件。冷挤压加工已在机械、仪表、电器、轻工、民用、宇航、船舶、军事等工业部门中得到广泛应用，成为金属塑性成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。

用于冷挤压的专用设备，有机械式冷挤压机和液压式冷挤压机。其中机械式冷挤压机大量用于生产，主要包括曲柄式和肘杆式挤压机。为了弥补曲柄式冷挤压机的不足，大力开发研制了肘杆式冷挤压机，在生产中使用的效果很好。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种卧式肘杆式双动冷挤压机传动机构的设计方法，该方法在分析300吨双动卧式冷挤压机工作原理的基础上，明确指出对该冷挤压机传动机构进行改进的必要性，特别对300吨双动卧式冷挤压机的传动机构和滑块的运动特性进行了详细论述和分析，从而提出了传动机构的优化方法。以300吨双动卧式冷挤压机为应用对象，通过优化分析，论证了采用本发明的传动系统的可行性。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种卧式双动冷挤压机传动系统的设计方法，其特征在于，该方法对现有的300吨双动卧式冷挤压机传动机构进行优化设计，降低冲头与挤压毛坯的接触速度及其以后的速度变化梯度，具体包括下列步骤：

首先建立该机构的运动方程，将传动系统结构分解为主曲柄肘杆机构和副曲柄摇杆肘杆机构，主曲柄肘杆机构由杆件和主滑块构成，副曲柄摇杆肘杆机构也由杆件和副滑块构成；其中，主曲柄肘杆机构采取以曲柄摇杆机构与曲柄连杆机构的串联机构；副曲柄摇杆肘杆机构又由曲柄摆杆机构和曲柄肘杆机构串联而成；

其次，对主曲柄肘杆机构进行相应的优化设计，以曲柄公称压力角为优化目标，建立目标函数并根据设计要求确定优化约束函数，在优化过程中要考虑实际机构空间要求，故还需对杆件尺寸进行限定，这样就可以优化确定主肘杆结构参数；

另外，由于主、副肘杆机构基本对称，为了设计、加工和安装调试的方便，将副肘杆机构的主要参数和主轴杆机构取同样的值；根据模座相关尺寸和两肘杆下死点位置关系，确定两肘杆固定点之间距离；

根据对副肘杆滑块的要求，对副曲柄摇杆肘杆机构的肘杆参数以及中间曲柄摇杆机构参数进行确定：

①根据副肘杆滑块行程可以确定肘杆机构中曲柄的转角，亦即曲柄摇杆机构的摆角及其两极限位置；

②根据中间曲柄摇杆与机身的固定铰接点，以及摇杆摆角和极限位置，确定摇杆相关尺寸参数；

③根据要求的主肘杆滑块提前量，对主肘杆曲柄和中间曲柄摇杆机构曲柄的固定夹角进行调节，使副肘杆位移平台在主滑块还未触及工件时即开始，并与主滑块位移平台有适当的重合区，以提高挤压成形质量；

通过分析各个杆长、夹角因素对冷挤压机滑块挤压性能的影响规律，即可得到具有良好挤压性能的卧式双动肘杆式冷挤压机的传动机构。

本发明的方法通过分析杆长、夹角等因素对冷挤压机滑块挤压性能的影响规律，建立了该传动机构的设计理论，对杆长、夹角等进行了优化设计，获得了具有良好挤压性能的适合300吨卧式双动肘杆式冷挤压机的传动机构。

附图说明

图1是300吨双动卧式冷挤压机传动系统结构示意图，即为本发明组成的结构简图；

图2是左肘杆滑块下死点处曲柄夹角示意图；

图3是左肘杆滑块公称压力发生点曲柄夹角示意图；

图4是传动系统杆系参数示意图；

图5是左右滑块挤压过程中的位移-时间曲线；

图6是机构模拟示意图。

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

具体实施方式

用于复合冷挤压的卧式双动冷挤压机是冷挤压机中较为先进的一种，其加工精度以及设备和模具的使用寿命与冲头工作速度的平稳性与协调性关系密切。如何能通过调整机构参数使冲头工作速度更加平稳，同时又能满足其它条件是本实用新型所要解决的问题。

复合冷挤压加工工艺一般在双动冷挤压机上进行。冷挤压加工时，由于较大应变速度下的变形会同时沿着几个平面滑移，这样就使点阵的畸变程度增加，从而使变形硬化也增加。所以同一种金属变形硬化随变形速度的增加而增加。另外，冷挤压时滑块、冲头与被挤压的坯料接触时，具有一定接触速度，其后很快降低，特别是当挤压速度较高时，冲头接触金属坯料的瞬间速度迅速降低，在这一过程中必然产生冲击和振动，使冲头实际承受动态的交变应力。动态下的交变应力和冲击能量是否被吸收与接触速度的大小有关，一般情况下，冲击能量被吸收越多、接触速度越小，动态下的交变应力也就越小，这有利于提高模具的寿命。

为了提高冷挤压模具寿命，以解决冷挤压中存在的主要问题，除了在工艺和模具上采取一些措施外，还要降低冲头与挤压毛坯的接触速度及其以后的速度变化梯度。所以要求用于冷挤压的压力机能提供合适的挤压速度。冷挤压机在一个工作循环中，滑块运动的速度有四种不同情况：空程速度；接触速度；挤压速度；回程速度。从提高生产率考虑，希望滑块速度快、行程次数多；从提高模具寿命和有利于金属成形考虑，希望接触速度低、挤压速度变化小。

综合这两方面的要求，冷挤压机滑块最理想的速度是：接触速度比较低；挤压速度比较均匀；空程和回程速度要快。因此，在设计冷挤压机时，滑块的接触速度要力求比较小，一般控制在0.2m/s左右为宜；而要求冷挤压机具有较高的空程向下和回程速度，当冲头接触金属坯料前其速度能迅速下降，在挤压过程中，挤压速度应尽可能保持均匀。从冷挤压机的结构和生产效率考虑，滑块的接触速度又不能降得太低，一般认为较好的挤压速度在0.1m/s～0.4m/s范围内。复合挤压加工时还要考虑到两冲头的同步和协调。这样复合挤压加工工艺对双动冷挤压机两冲头的速度要求比较严格，给该类冷挤压机传动机构的设计增加了难度。

为了实现对卧式双动冷挤压机传动机构的运动分析，需要建立该机构的运动方程，该机构的各个几何参数和运动参数如附图1所示。该机构可以分解为两个机构，即曲柄肘杆机构和曲柄摇杆肘杆机构。前者由杆l₁、l₂、l₃、l₄和主滑块构成，后者由杆l₅、l₆、l₇、l₈、l₉、l₁₀、l₁₁和副滑块构成。其中左端的主肘杆机构是曲柄摇杆机构与曲柄连杆机构的串联机构；右端的副曲柄摇杆肘杆机构又由曲柄摆杆机构和曲柄肘杆机构串联而成。

冷挤压机在挤压工作过程中，能量主要消耗在挤压阶段，所以要降低电机功率，必须先对主曲柄肘杆机构进行优化设计，使其压力角(即挤压过程曲柄所对应的转角)尽量低，在对主曲柄肘杆机构进行优化设计时，必须考虑到以下条件：

①为保证冲压过程的稳定可靠，在左滑块到下死点时，杆l₁与水平线夹角应大于0，即肘杆为单冲程；

②为保证杆系稳定性，在冲压过程中，杆l₃必须是拉杆；

基于上述要求，考虑到主曲柄肘杆机构是曲柄摇杆机构与曲柄连杆机构的串联机构，进行相应的优化设计，以曲柄公称压力角为优化目标建立目标函数如下：

\{\begin{matrix} θ = β - α \\ α = - \frac{π}{2} + a \tan (A / B) + a \cos \frac{{(l_{3} - l_{4})}^{2} + A^{2} + B^{2} - {l_{1}}^{2}}{2 (l_{3} - l_{4}) \sqrt{A^{2} + B^{2}}} \\ γ = a \cos (1 - \frac{5}{l_{1}}) \\ l_{0} = \sqrt{{l_{1}}^{2} + A^{2} + B^{2} - 2 l_{1} \sqrt{A^{2} + B^{2}} \cos (a \tan (A / B) + γ)} \\ &angle; 1 = a \cos \frac{{l_{0}}^{2} + A^{2} + B^{2} - {l_{1}}^{2}}{2 l_{0} \sqrt{A^{2} + B^{2}}} \\ &angle; 2 = a \cos \frac{{l_{0}}^{2} + {l_{4}}^{2} - {l_{3}}^{2}}{2 l_{0} l_{4}} \\ β = π - (&angle; 2 - (&angle; 1 - a \tan (A / B))) \end{matrix}

其中，α为主肘杆滑块达到下死点时，主曲柄与竖直位置的夹角，β为主肘杆滑块距离下死点10mm时(即公称压力开始点)主曲柄与竖直位置的夹角，故θ＝β-α即为主曲柄公称压力角。根据前述的设计要求，可以确定下面的优化约束函数。

\{\begin{matrix} l_{4} < l_{3} \\ l_{4} < l_{1} \\ l_{4} < \sqrt{A^{2} + B^{2}} \\ l_{4} + \sqrt{A^{2} + B^{2}} < l_{1} + l_{3} \\ l_{4} + l_{1} < \sqrt{A^{2} + B^{2}} + l_{3} \\ l_{4} + l_{3} < l_{1} + \sqrt{A^{2} + B^{2}} \\ {l_{4}}^{2} + (A^{2} + B^{2}) < {l_{1}}^{2} + {l_{3}}^{2} \\ {l_{1}}^{2} + (A^{2} + B^{2}) - {(l_{3} - l_{4})}^{2} < 0 \\ a \cos \frac{{l_{1}}^{2} + (A^{2} + B^{2}) - {(l_{3} - l_{4})}^{2}}{2 l_{1} \sqrt{A^{2} + B^{2}}} - a \tan (A / B) > 0 \\ l_{1} (\cos (a \cos \frac{{l_{1}}^{2} + (A^{2} + B^{2}) - {(l_{3} - l_{4})}^{2}}{2 l_{1} \sqrt{A^{2} + B^{2}}} - a \tan (A / B)) - \cos (a \cos \frac{{l_{1}}^{2} + (A^{2} + B^{2}) - {(l_{3} + l_{4})}^{2}}{2 l_{1} \sqrt{A^{2} + B^{2}}} - a \tan (A / B))) \\ + l_{2} (\cos (a \sin (l_{1} \sin (a \cos \frac{{l_{1}}^{2} + (A^{2} + B^{2}) - {(l_{3} - l_{4})}^{2}}{2 l_{1} \sqrt{A^{2} + B^{2}}} - a \tan (A / B)) / l_{2})) \\ - \cos (a \sin (l_{1} \sin (a \cos \frac{{l_{1}}^{2} + (A^{2} + B^{2}) - {(l_{3} + l_{4})}^{2}}{2 l_{1} \sqrt{A^{2} + B^{2}}} - a \tan (A / B)) / l_{2}))) &Element; (380, 390) \end{matrix}

附图2和图3分别为左肘杆滑块下死点处曲柄夹角和左肘杆滑块公称压力发生点曲柄夹角示意图。在优化过程中要考虑实际机构空间要求，故还需对杆件尺寸进行下限定，如A和B的大小，经过matlab编程优化，以及进行相应的尺寸圆整，得到如下主肘杆结构参数：

l₁＝480mm，l₂＝560mm，l₃＝670mm，l₄＝195mm，A＝450mm，B＝410mm

为了加工和安装调试的方便，左右两肘杆机构参数一样，亦即：

l₁₀＝l₁，l₁₁＝l₂

根据模座相关尺寸和两肘杆下死点位置关系，可确定两肘杆固定点之间距离为：

a＝2×(480+560)+397×2+466＝3340mm

下面对右端肘杆参数以及中间曲柄摇杆机构参数进行确定。根据机器要满足的传动特性，要求右端肘杆(以后简称副肘杆)完成送料及卸料动作，这就要求其在下死点停留的时间足够长，从送料到工作位置到冲压完毕，副肘杆的滑块应一直停留在下死点，并且因工件轴向尺寸较大，为避免与主肘杆滑块在卸料过程中产生干涉，要求副肘杆应提前将旧工件用新工件顶出，这些要求体现在对副肘杆滑块上就是：

①滑块在下死点的位移平台足够长，亦即速度为零的时间尽量长；

②上述位移平台在时间上应提前主肘杆滑块的位移平台，以保证可靠卸料；

③副肘杆滑块位移平台和主肘杆滑块位移平台应有重合区域，以提高挤压成形质量。

上述第一个功能要求，可以通过两种方法共同作用来实现：

①副肘杆滑块在下死点时，应使肘杆能在水平线上下作细微的往复摆动，增大位移平台长度；

②对中间曲柄摇杆机构参数进行配置，使摇杆在其右极限位置时，与之串联的曲柄连杆机构的曲柄与连杆有一角度；

由于肘杆机构在其下死点速度非常接近零和摇杆机构在其极限位置摇杆转速也接近零的作用，可以使副肘杆的滑块下死点位移平台足够长，经过试验获得了满意的结果。

上述第二个功能要求，可以通过调节主曲轴与中间曲柄摇杆曲柄的夹角来实现，增大这一角度，使副肘杆滑块下死点提前到达，满足及时卸料的要求。

基于上述两个功能要求，进行中间曲柄摇杆机构和副肘杆机构参数设计，具体设计过程如下：

②根据中间曲柄摇杆与机身的固定铰接点，以及①中的摇杆摆角和极限位置，确定摇杆相关尺寸参数；

③根据要求的主肘杆滑块提前量，对主肘杆曲柄和中间曲柄摇杆机构曲柄的固定夹角进行调节，使副肘杆位移平台在主滑块距其下死点距离大于弹壳长时即开始，并与主滑块位移平台有适当的重合区。

根据上面的论述，进行杆系设置，得出整个传动系统杆系参数如附图4所示。

其实，杆系得参数设计是与具体结构设计分不开的过程，优化过程中必须考虑到杆件强度所要求的各项尺寸和具体结构空间，才能确定出能实际应用的有效参数，所以具体结构设计和杆系参数设计是一个相辅相成的过程。

针对以前右端肘杆提前量不足的问题，以前都是将注意力集中在右边肘杆的调节上，而在调节的过程中，会出现集中角过大和连杆尺寸过长以及引起的曲柄长度和连杆长度在下死点不重合度过大的问题，使速度平台出现较大的波动，影响挤压成形的质量。

可以将右边肘杆和中间曲柄摇杆的干系调节满足行程要求，而只需加大主曲柄的集中角，等于加大两曲柄肘杆机构的时间差，使两者速度平台快速分离，并且又存在加工要求的重合区域，从而实现右滑块提前将旧料顶出，并在下死点等待左滑块冲压新件的功能要求。附图5就是左右滑块挤压过程中的位移-时间曲线，可以看出满足前文提出的挤压要求。结合附图6传动机构模拟示意图，实际优化结果分析如下。

左端：肘杆11＝80，肘杆12＝560；连杆13＝670；曲柄10＝195；集中角1＝155。

中间：曲柄300；连杆2320；摇杆330。

右端：肘杆11＝480，肘杆12＝560；连杆13＝845；曲柄290。

两肘杆端部距离：3340。

左端曲轴中心(410，-450)。

右端曲轴中心(-600，-550)。

对优化结果进行分析可得：

右滑块行程＝2193-1879.645＝313.4mm，满足要求。

左滑块行程＝618.914-231.811＝387.1mm，满足要求。

对冲压154mm弹壳时的推料要求，有如下结果：

右滑块到达下死点推出旧料时，左滑块距离其下死点为618-422＝196，完全满足加工要求。

挤压时间达到1.580s-1.395s＝0.185s，计算可得冲压速度为43.2mm/s。

平台重合区为1.625s-1.505s＝0.12s，对材料的成形有利。

按照上述技术方案，申请人已完成一台300吨卧式双动冷挤压机，已投入生产，经实际生产证明，完全达到了本发明的设计目的。

Claims

1.一种卧式双动冷挤压机传动系统的设计方法，其特征在于，该方法对现有的300吨双动卧式冷挤压机传动机构进行优化设计，降低冲头与挤压毛坯的接触速度及其以后的速度变化梯度，具体包括下列步骤：

另外，由于主、副肘杆机构基本对称，故将副肘杆机构的主要参数和主轴杆机构取同样的值；根据模座相关尺寸和两肘杆下死点位置关系，可确定两肘杆固定点之间距离；

①根据副肘杆滑块行程确定肘杆机构中曲柄的转角，亦即曲柄摇杆机构的摆角及其两极限位置；

②根据中间曲柄摇杆与机身的固定铰接点位置以及摇杆摆角和极限位置，确定摇杆相关尺寸参数；