CN114433703A - 一种可变压力装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可变压力装置，包括一上压板，上压板通过一连接体连接有夹板，上压板和夹板之间设有弹性摩擦体，弹性摩擦体有内孔，弹性摩擦体套装在连接体上，上压板下表面与弹性摩擦体上端面有间隙；还包括一供弹性摩擦体压入的压料板，压料板的孔径小于弹性摩擦体的外径，压料板的孔径大于夹板的外径；其中，弹性摩擦体的外表面设置有部分切除部，切除部的深度大于弹性摩擦体的变化量，切除部的形状根据需要设定的压力变化曲线确定。本发明通过改变摩擦体的接触面的形态获得按照要求变化的压力，能很大程度上拓展板料成形的工艺性。在其它工程领域上也会有很多的运用。

Description

一种可变压力装置及应用

技术领域

本申请涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种可变压力装置及应用。

背景技术

现有技术的压料结构采用弹性元件，例如弹簧以及其它弹性体直接提供压力，但是这样压力的变化是线性的，比如随着距离或者变化量产生一元方程式的变化，即为线性变化。

特别是在板料成形工艺中，目前的压料结构多采用传统的弹性元件直接提供，但是这种方式提供的力是线性的，其缺陷是随着板料拉深的进行，在凸缘宽度缩小到原先宽度一半这一最容易起皱的时刻以后，需要减小压料力以避免筒壁破裂，但是这种线性变化的压料力还是随拉深行程的增加而不断变大，最终导致板料的破裂，而得不到合格的工件。

在拉深成形等工艺中也有采用限位柱限制不断增大的力传导到板料上的办法，这虽然克服了力对板料压力不断增大的问题，但是，由于弹性元件持续压缩，对于深拉深，压缩量很大，导致弹性元件非常容易失效。

而且，后续对弹性元件的压力完全没必要，增加了设备和能耗的浪费。由于上述的弊端，限制了板料在深拉深及其它成形中的运用。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种能够产生曲线变化的可变压力装置以及其具体应用。

为实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案是：一种可变压力装置，包括一上压板，上压板通过一连接体连接有夹板，上压板和夹板之间设有弹性摩擦体，弹性摩擦体有内孔，弹性摩擦体套装在连接体上，上压板下表面与弹性摩擦体上端面有间隙；还包括一供弹性摩擦体压入的压料板，压料板的孔径小于弹性摩擦体的外径，压料板的孔径大于夹板的外径，使得弹性摩擦体压入的过程中，仅弹性摩擦体外表面与压料板的内孔表面接触而产生摩擦力；其中，弹性摩擦体的外表面设置有切除部，切除部的深度大于弹性摩擦体的变化量，切除部的形状根据需要设定的压力变化曲线确定。

所述的切除部形状通过以下步骤进行确定：

步骤1)，根据实际需要确定所需要的压力曲线；

步骤2)，将所需的压力曲线方程与二次函数方程F_μ(h)＝qμah²/2+qμbh，进行拟合映射，

根据二次函数方程F_μ(h)＝qμah²/2+qμbh，确定a、b的值，其中，q为弹性摩擦体单位面积弹力，μ为压料板内孔表面与摩擦体的摩擦系数，h为弹性摩擦体进入压料板内孔的高度，

步骤3)，确定a、b的数值后代入L＝ah+b，根据该方程对弹性摩擦体的圆柱面进行加工，L为弹性摩擦体与压料板内孔表面接触的有效外圆周长度。

所述的切除部使弹性摩擦体该处的外圆柱表面不能与压料板内孔接触，使得弹性摩擦体与压料板内孔表面接触的有效外圆周长度有变化。

所述的连接体为锥形柱螺钉。

本发明还提供了前述的一种可变压力装置在板料塑性成形领域的应用。

本发明的有益效果是：

1.通过改变摩擦体的接触面的形态获得按照要求变化的压力。

2.本装置及相应的摩擦体的接触面的形态算法使运用成为现实，能很大程度上拓展板料成形的工艺性。在其他工程领域上也会有很多的运用。

3.通过改变单位面积的弹力或摩擦系数可获得更复杂的变化压力。

附图说明

图1为本发明的可变压力装置结构示意图；

图2为图1中的弹性摩擦体4的外圆柱面展开示意图，其中图2a为俯视示意图，图2b为主视图，图2c为圆柱面展开示意图；

图3为本发明的可变压力装置的下行结构示意图；

图4为本发明的可变压力装置的上行结构示意图；

图5为圆筒形件拉深示意图；

图6为圆筒形件拉深最佳压料力变化图；

图7为应用实例的圆周展开图；

图8为应用实例的函数曲线图；

图9为允许的最大、最小压料力图；

图10为本发明采用4个摩擦体的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明的可变压力装置，包括一上压板1，上压板1通过一锥形柱螺钉2连接有夹板3，上压板1和夹板3之间设有弹性摩擦体4，弹性摩擦体4有内孔，弹性摩擦体4套装在锥形柱螺钉2上，上压板1下表面与弹性摩擦体4上端面有约3mm的间隙；还包括一供弹性摩擦体4压入的压料板5，压料板5的孔径小于弹性摩擦体4的外径，压料板5的孔径大于夹板3的外径，使得弹性摩擦体4压入的过程中，仅弹性摩擦体4外表面与压料板5的内孔表面接触而产生摩擦力；其中，弹性摩擦体的外表面设置有切除部，切除部的深度大于弹性摩擦体4的变化量，切除部的形状根据需要设定的压力变化曲线确定。

具体的，弹性摩擦体4外径比压料板5的孔径大0.2mm，夹板3的直径比压料板5孔径小1mm。弹性摩擦体4的外圆柱面根据需要进行加工。图2所示即为将圆柱面曲线下方的部分切除深度约5mm 的示意图，右侧为展开的圆柱面，其中虚线部分为根据需要加工去除的表面。

工作原理介绍

本发明装置下行工作时如图3，对上压板1施加力F，弹性摩擦体4等向下运动，与压料板5接触之后，上压板与弹性摩擦体4之间的间隙消除，在弹性摩擦体4进入压料板5的孔内时，由于锥形柱螺钉2的作用，对弹性摩擦体4侧面施加力，使弹性摩擦体4的直径些微增大，并对压料板5的孔内表面施加压力F_N，上压板1的作用力F直接作用于弹性摩擦体上端面，将弹性摩擦体不断推入压料板的孔内，在这个过程中，压料板的内表面和弹性摩擦体的外圆柱面之间产生摩擦力F_μ，这样，在压料板上就有了压力F₁(即弹性摩擦体对压料板的摩擦力)。

由于弹性摩擦体不断被压入孔内，其与孔的接触面积不断变化，压力F_N也不断变化，最终致使摩擦力F_μ也不断变化，这样，在压料板上就得到了可变化的压力F₁。通过改变弹性摩擦体外圆柱面的状态，即将一些柱面切除掉以避免与孔内表面接触，使接触面积发生所需要的变化，就可以控制弹性摩擦力的大小，得到可控制的变化压力F₁。装置上行回复如图4，在这过程中，由于上压板对锥形柱螺钉施加向上的力，螺钉对弹性摩擦体的内部压力消除，弹性摩擦体的直径稍微减小，对压料板的孔内表面施加压力F_N减小或者降为零，相应的摩擦力也减小为零，便可顺利回复。

设计方法

本发明装置设计的关键在于弹性摩擦体外圆柱面的设计，即将外圆柱面加工成什么样的形态，使接触面积的变化符合于所需压力的变化。

步骤1)，根据实际需要确定所需要的压力曲线；

步骤2)，将所需压力的曲线方程与二次函数方程F_μ(h)＝qμah²/2+qμbh，进行拟合映射，

根据二次函数方程F_μ(h)＝qμah²/2+qμbh，确定a、b的值，其中，q为弹性摩擦体单位面积弹力，μ为压料板内孔表面摩擦系数，h为弹性摩擦体进入压料板内孔的高度，

步骤3)，确定a、b的数值后代入L＝ah+b，根据该方程对弹性摩擦体的圆柱面进行加工，L为弹性摩擦体与压料板内孔表面接触的有效外圆周长度。

孔圆柱面摩擦力的推导

装置的受力状态如图3所示。

F₁与F_μ互为作用力与反作用力，大小相等方向相反

F_μ＝F_Nμ

F_N＝Aq(A为弹性摩擦体与压料板孔内表面接触面积，q为单位面积弹力-该数值与弹性体的压缩量有关。)

A＝πdh(d为压料板孔径，h为摩擦体进入压料板的长度)设L为柱面圆有效接触的周长，则A＝Lh，上压板的压力将摩擦体不断压入压料板的孔内，因此h是变化的，若摩擦体圆柱面不加工即L不变，则接触面积的变化和h为一次相关；若摩擦体圆柱面加工为如图2所示，即能与孔接触的柱面圆有效接触周长L与h一次相关，则接触面积的变化和h为二次相关。

F_μ(h)＝F_Nμ＝πdhqμ＝Lhqμ微分方程为dF_μ＝dLhqμ

积分∫dF_μ＝qμ∫dLh＝qμ∫Ldh，

若摩擦体圆柱面不加工即L不变，则接触面积的变化和h为一次相关，有∫dF_μ＝qμ∫Ldh＝q μL∫dh，F_μ(h)＝qμLh，由此得出F_μ(h)的一次函数方程。

若摩擦体圆柱面加工为如图2所示，即能与孔接触的柱面圆有效接触周长L与h一次相关，设L (h)＝ah+b，则接触面积的变化和h为二次相关，有∫dF_μ＝qμ∫Ldh＝qμ∫(ah+b)dh， F_μ(h)＝qμah²/2+qμbh，由此得出F_μ(h)的二次函数方程。

拟合映射

得到摩擦体与孔接触面变化压力的曲线方程后，将其与所需压力的曲线方程进行拟合映射。

方程F_μ(h)＝qμah²/2+qμbh中，q、μ为不变值，只要确定a、b的数值，确定后代入L＝ah+b，就可以根据这个方程对摩擦体的圆柱面进行加工，这个在数控加工中很容易做到。

上述讨论中，q、μ为不变值，即弹性摩擦体的压力不变和摩擦系数不变，如果将弹性摩擦体的直径d根据要求改变，则压入压料板孔内的弹性摩擦体的压缩量也不时变化，从而得到变化的单位面积弹力q，或者将压料板孔内表面的粗糙度(即摩擦系数μ)根据要求改变，则可以得到更为复杂变化的摩擦力F_μ(h、q、μ)多次、分段函数方程。此为本发明的延展应用，本实施例不做具体赘述。

本发明还公开了一种可变压力装置在板料塑性成形领域的应用，具体阐述如下：

在板料塑性成形，特别是拉深制品的时候，需要变化的压料力以适应更好的成形工艺，具体例子：圆筒形件拉深的时候，如图5所示，待变形区凸缘部分最容易起皱的时候是在凸缘宽度缩小到原先宽度一半的时刻，之后起皱的倾向逐渐减小而筒壁破裂的可能性逐渐增大，为解决这个问题，期望在起皱最严重的时刻压料力最大以防止起皱，随后压料力应逐渐减小，以防止由于压料力的存在而增加筒壁破裂的可能性，如图6所示。因此，采用合适的变化的压料力可以使材料的变形比最大，即拉深系数最小。

在板料成形中，很多时候也需要在不同部位设置不同的压力，运用本装置也可以很好地解决这一问题。

板料拉深中的运用实例

拉深后圆筒件半径55，高度66.3，底部圆角半径6.6，经计算，圆板坯料半径100，拉深变形系数m＝55/100＝0.55

一.确定最佳压料力曲线

板料拉深成形过程中，为防止坯料起皱，需要用压料板压住凸缘变形区，但是压料力的施加，会增加已变形的筒壁所承受的拉力，如果拉力太大，反而会造成筒壁的破裂而造成拉深失败。在拉深变形过程中，坯料的起皱倾向是变化的，刚开始拉深时，起皱倾向性小，随着拉深行程的变化，起皱倾向不断增大，到凸缘半径达到原坯料半径约0.8倍的时候，起皱倾向最大，随后起皱倾向逐渐减小。为防止凸缘的起皱和筒壁的破裂，最佳的压料力曲线应随着凸缘处起皱倾向的变化而变化，如图6 所示。

由于当前拉深成形的压料力都是利用弹性力，而弹性力的变化一般都是线性变化的，不能用于深拉深，也限制了材料拉深性能的最大发挥。由于缺少可提供变化压料力的方法及装置，目前最佳压料力曲线的具体数据很少，在今后的实践中，可以采用带压力传感器的实验装置进行实测得到。

图6是冲压手册中针对3种变形程度(拉深系数m分别为0.55、0.6、0.7)的最佳压料力曲线。

二.将最佳压料力曲线映射为对应的拉深行程-压料力曲线

图6中纵坐标为压料力，横坐标为变形过程中的凸缘半径Rt与原坯料半径R的比值，随着拉深工艺的进行，拉深行程不断变大，凸缘半径Rt也不断减小。本发明中摩擦体的运动同步于拉深行程的变化，因此，需要将最佳压料力曲线映射为压料力与拉深行程的曲线。

由冲压手册可知：

式中h₁为拉深过程中制件的高度，这也是拉深行程的数值；d₁为拉深件的直径；R为坯料的半径； R_t为拉深过程中凸缘的半径；r₁为拉深件底部圆角；R₁为凹模入口圆角，即凸缘与筒壁间的过度圆角。实际生产中，在得到最佳压料力-凸缘半径的曲线后，可以利用此公式算出曲线上最小压料力、最大压料力等时刻的拉深行程h₁，再对应于曲线。或者也可以用带传感器的实验装置实测直接得到最佳压料力-拉深行程曲线。

本例中模具凹模6的入口圆角和凸模的圆角(制件的底部圆角)都为6，其最佳压料力-凸缘半径曲线如图6，压料力最小为0的时刻是R₁/R＝1，即刚开始拉深的时候，此时拉深行程h₁＝0；压料力最大约为28500的时刻是R₁/R＝0.85，此时凸缘半径为85，计算得出拉深行程h₁＝30.82；最后时刻， R₁/R＝0.62，此时凸缘半径为62，计算得出拉深行程h₁＝61.64；这就得到了最佳压料力-拉深行程曲线。

三.构造方程拟合于最佳压料力-拉深行程曲线

最佳压料力-拉深行程曲线可近似为二次函数F_Y(h₁)＝Ah₁ ²+Bh₁，将上述三点(0,0)、(30.82, 28500)、(61.64,0)代入，得到A＝-30.004，B＝1849.448。即F_Y(h₁)＝-30.004h₁ ²+1849.448h₁

四.确定摩擦体对应参数

由前述得到摩擦体的力-行程公式为F_μ(h)＝qμa h²/2+qμbh，最佳压料力-拉深行程曲线为F_Y (h₁)＝-30.004h₁ ²+1849.448h₁，对应得qμa/2＝-30.004，qμb＝1849.448，q为单位面积弹力，当压缩量不变时为确定常数，μ为摩擦系数，当材料及表面状态不变时为确定常数，为此可以确定a、b，经查表本例中，q取5.2×10⁶Pa，μ取0.5，可得a＝-23.08，b＝711.3262。

当h₁＝30.82时，最佳压料力达到最大值，即曲线的最高点，所以摩擦体的高度为30.82，由前述设定的摩擦体圆周面加工去除后的展开状态函数为L(h)＝ah+b，L(h)＝-23.08h+711.3262，h 取值范围[0，30.82]，对应的点(0,711.3262)、(30.82,0)，如果采用1个摩擦体，其直径D 为711.3262/π＝226.43，该摩擦体展开圆周为长711.3262、高30.82的长方形，其中有效的最大圆周长为711.3262，最小为0，加工边界为对角线。为力的平衡分布，或减小摩擦体的直径，可以采用 4个摩擦体(如图10所示，图10中，6为凹模，7为上模座，8为凸模，9为坯料，10为固定板)，直径即为226.43/4＝56.6。其圆周展开如图7，阴影为切除部分，虚线部分为加工去除部分，即只要将摩擦体该部分切深5毫米就可以。

五.验证

将上述参数代入最佳压料力函数，

F_μ(h)＝qμa h²/2+qμbh＝-5.2×0.5×23.08h²/2+5.2×0.5×711.3262h

可以得到，其最大值为(30.82,28500)，函数曲线如图8所示。

对比两个函数曲线图(图6、图8)，二者高度符合。

在拉深行程30.82至61.64这个过程，压料力有些许偏差。这个阶段，凸缘已经顺利通过起皱倾向最严重的时刻，所以实际压料力小于最佳压料力并不会造成起皱，并且这个偏差也在容许的范围内，如图9。

如有必要也可以在拉深到30.82之后，再增加相应的摩擦体补偿偏差，摩擦体的设计与上述方法相同。

本发明的装置还可以应用在海洋养殖工场的浮排方面，浮动水箱与排面之间的连接也需要柔性可变化的阻力，以克服波浪的起伏对排面的影响，让二者间能更好地相互适应，以减小排面和排面之间连接的冲击力。在其他工程应用中，能够根据需要提供按照要求变化力的情况下还有很多。

本发明所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (5)

1.一种可变压力装置，其特征在于，包括一上压板，上压板通过一连接体连接有夹板，上压板和夹板之间设有弹性摩擦体，弹性摩擦体有内孔，弹性摩擦体套装在连接体上，上压板下表面与弹性摩擦体上端面有间隙；还包括一供弹性摩擦体压入的压料板，压料板的孔径小于弹性摩擦体的外径，压料板的孔径大于夹板的外径，使得弹性摩擦体压入的过程中，仅弹性摩擦体外表面与压料板的内孔表面接触而产生摩擦力；其中，弹性摩擦体的外表面设置有切除部，切除部的深度大于弹性摩擦体的变化量，切除部的形状根据需要设定的压力变化曲线确定。

2.根据权利要求1所述的一种可变压力装置，其特征在于，其中，所述的切除部形状通过以下步骤进行确定：

步骤1)，根据实际需要确定所需要的压力曲线；

步骤2)，将所需的压力曲线方程与二次函数方程F_μ(h)＝qμah²/2+qμbh，进行拟合映射，根据二次函数方程F_μ(h)＝qμah²/2+qμbh，确定a、b的值，其中，q为弹性摩擦体单位面积弹力，μ为压料板内孔表面与摩擦体的摩擦系数，h为弹性摩擦体进入压料板内孔的高度，

步骤3)，确定a、b的数值后代入L＝ah+b，根据该方程对弹性摩擦体的圆柱面进行加工，L为弹性摩擦体与压料板内孔表面接触的有效外圆周长度。

3.根据权利要求1所述的一种可变压力装置，其特征在于，所述的切除部使弹性摩擦体该处的外圆柱表面不与压料板内孔接触，使得弹性摩擦体与压料板内孔表面接触的有效外圆周长度有变化。

4.根据权利要求1所述的一种可变压力装置，其特征在于，所述的连接体为锥形柱螺钉。

5.一种如权利要求1-4中任一项权利要求所述的一种可变压力装置在板料塑性成形领域的应用。

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