閉式高速精密壓力機剛度測量方法探討

陳泉劍，陳汝昌，陳孝海，馬娟娟，馮常華

（1.寧波精達成形裝備股份有限公司，浙江寧波315033；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南250022）

0 引言

閉式高速精密壓力機具備自動、高速、精密三個基本特征，由于剛性好、抗偏載能力強、精度高、工作臺面大、加工范圍廣，已成為國際公認的高速沖床總體最佳結構，代表了高速精密數控壓力機發展的水平和方向。可完成板材的自動輸送和板料的高效、精密加工，廣泛應用于航空航天、汽車、發電設備、信息、家電等高科技領域，是保證國民經濟和國防安全而必須自主研發的重大裝備之一。

在沖壓過程中，由于承受高頻沖擊載荷作用，壓力機剛度直接影響了機床的工作效率、精度穩定性、制件精度、模具壽命及可靠性。隨著現代沖壓技術的飛速發展，相繼出現了不同規格、不同結構、不同型式的各類高速精密壓力機，以滿足不同產品沖制的特殊要求。因此，為保證壓力機的整機性能和各項技術指標，正確、科學地測定壓力機的靜載變形顯得尤為重要。對于新穎的單軸四點壓力機來說，由于其施力方式與傳統壓力機相比有很大的區別，因此其靜載變形的測量和計算方法，也與現行的四點壓力機有明顯不同。下面就剛度測量過程中的加載方式、測量與計算方法作一介紹。

1 靜載變形測量時的載荷分布

1.1 加載范圍

對于采用單軸四點這種創新施力方式的壓力機來說，由于其寬臺面、超精密、高精度的性能特點和適合沖制大型、復雜、較薄電機鐵芯的特殊要求，將其加載范圍確定為在長度方向上為工作臺長度的四分之三、寬度方向為最大送料寬度，是比較切合生產實際的，如圖 1、2 所示。

1.2 載荷分布

現行的閉式壓力機標準在進行靜載變形測量時，無論是單點、雙點還是四點壓力機，其加載力均由液壓加載器提供。受液壓加載器外形尺寸的限制，加載時液壓加載器在壓力機工作臺面上同時配置的數量極為有限，視壓力機噸位和工作臺面尺寸大小的不同，一般為4～8 個。由于加載點偏少，盡管測量時在液壓加載器上襯有墊板，但其實際加載載荷的分布是極不均勻的，與測量時所要求的均布載荷有較大差距，直接影響到測量的精度和測量數據的準確性。

而我公司研發的單軸雙驅四點壓力機，其加載力由均布載荷發生器提供。該均布載荷發生器具有對均布載荷加載以及進行壓力機能力發生點測試兩種功能，主要由油缸集成板、包括各類控制閥、蓄能器的液壓站、電氣控制柜等部件組成。該均布載荷發生器為一集成油缸群，由多個油缸組成，每個油缸之間的中心距為80mm，每個油缸的對應施力區域為80mm×80mm，在主板上均布。液壓控制系統的工作壓力可調，在加載時其最大加載力為被測壓力機的公稱壓力。主板分為左、中、右三個區域，中間區域由一個閥門同時控制多個油缸的加載和卸載；左、右兩個區域互相對稱，每列為一組，每兩組（左右各一）可由一個閥門控制單獨加載和卸載,因此可根據不同壓力機噸位的測試范圍要求實現梯度加載。由此可見，在長度方向上為工作臺長度的四分之三、寬度方向為最大送料寬度加載范圍內,該均布載荷發生器能很好地模擬均布載荷加載狀態,近似實現載荷分布的均勻性,足以滿足壓力機靜載變形的測試要求。

2 靜載變形的測量和計算方法

2.1 壓力機整機剛度的測量和計算方法

單軸四點壓力機整機剛度的測量和計算方法為（圖1）：均布載荷發生器置于工作臺面中心處，距滑塊邊緣約100mm 處放置四個指示器①、②、③、④（四角），當均布載荷逐漸加至壓力機公稱力Pg的40%時，四個指示器對零，繼續緩慢加載，分五次加載至100%Pg，每次加載增量均為12%Pg，分段記錄四個指示器的讀數，記錄數值如表1 所示，并分別計算每段四個指示器讀數的平均值δi（i=1～5）；按式

表1 指示器讀數表

（1）求得被測壓力機的整機剛度：

式中：C1——壓力機整機剛度，kN/mm；

Pg——壓力機公稱力，kN；

δ5——加載至100%Pg時，四個指示器①、②、③、④讀數的平均值，mm。

由此可見，由于液壓加載器的加載范圍和放置位置不同，指示器的數量和測量位置不同，特別是指示器讀數平均值的計算方法不同。

2.2 滑塊撓度的測量和計算方法

單軸四點壓力機滑塊撓度的測量和計算方法為（圖2）：均布載荷發生器置于工作臺面中心處，七個指示器⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩、?置于測量臺架上，臺架中心位置距工作臺邊緣150mm 左右，加載前指示器對零，將液壓加載器緩慢加載，分五次加載至100%Pg，每次加載增量為20%Pg，分段記錄七個指示器的讀數，記錄數值見表 2，按下式（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）分別計算滑塊各段單位長度的撓度，取其最小值為滑塊單位長度的撓度：

表2 指示器讀數表

式中：δ6～δ12——加載至 100%Pg時，七個指示器⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩、?的讀數，mm；

L1～L3——分別為各連桿之間中心距離，mm；

Δ1～Δ6——分別為滑塊各段單位長度的撓度。

根據材料力學的基本理論，撓度為構件受力時產生的變形量，其單位為mm，因此上述各計算式中的△其本質為單位長度的撓度，無量綱，下述的工作臺單位長度的撓度也與此相同。從均布載荷加載使得滑塊產生變形的整個作用過程來說，滑塊單位長度的撓度計算時支距選擇為連桿的中心距是比較合適的。因此對單軸四點壓力機來說，由于其多施力點的特性，有必要對滑塊單位長度的撓度按各點位置（各連桿間的中心距）進行分段計算，并最終取其值最小者為該被測壓力機的滑塊單位長度的撓度。

2.3 工作臺撓度的測量和計算方法

單軸四點壓力機工作臺撓度的測量和計算方法為（圖2）：均布載荷發生器置于工作臺面中心處，指示器12 置于測量臺架中間下方，臺架中心位置距工作臺邊緣150mm 左右，加載前指示器對零，將液壓加載器緩慢加載，分五次加載至100%Pg，每次加載增量為20%Pg，分段記錄指示器的讀數，記錄數值見表2，按下式（8）求得被測壓力機的工作臺撓度：

式中：δ13——指示器12 的讀數，mm；

L4——測量臺架支腳中心距，mm；

Δ7——工作臺單位長度的撓度。

對單軸四點壓力機來說，由于其寬臺面的特性，將測量臺架支腳中心距規定為工作臺長度減去200 mm（左右各100mm），是比較合理的。

3 結論

目前，國內閉式高速精密壓力機剛度測試無標準可依，造成了由于定義和計量單位不同，液壓加載器的加載范圍和放置位置不同，指示器的數量和測量位置不同，指示器讀數平均值的計算方法不同，撓度計算選用的支距不同等原因，造成同一臺被測壓力機單位長度的撓度值的測量和計算結果不一致，剛度測試的結果差異很大。結合我公司承擔的國家科技重大專項（04 專項)“3000kN 寬臺面超精密高速壓力機（SK201201A28-01）”，采用國內首創的主軸雙邊驅動、滑塊單排四點施力結構技術，配以高效、長壽、精密多列級進模具，能有效滿足寬臺面、超精密、滑塊下死點高精度、滑塊高剛度及輕量化等特殊要求。考慮到新型雙驅四點壓力機與傳統的雙（四）點壓力機在結構、施力方式、適配模具、臺面寬度、高精度等方面的區別，在進行壓力機靜載變形測試時，根據生產實際確定其加載范圍為在長度方向上為工作臺長度的四分之三、寬度方向為最大送料寬度,加載載荷選用均布載荷發生器替代液壓加載器以實現載荷分布的均勻性,能更精確地貼合實際沖壓過程,最大程度地滿足壓力機靜載變形的測試要求。

按上述剛度測量方法，我們對國際上最先進閉式高速精密壓力機剛度測試了兩臺，對我公司相同結構的機床也進行了測試。經檢測結果比對，找出了差距，為機床的結構設計與分析優化提供了可靠依據，同時為完成國家科技重大專項課題奠定了良好基礎。

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