基于MatchCAD的自動鍛壓機(jī)切斷機(jī)構(gòu)受力分析

劉洪成，黃 穎

（1.齊二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 設(shè)計(jì)院，黑龍江 齊齊哈爾 161005；2.齊齊哈爾北方機(jī)器有限公司 工藝處，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

基于MatchCAD的
自動鍛壓機(jī)切斷機(jī)構(gòu)受力分析

劉洪成1，黃 穎2

（1.齊二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 設(shè)計(jì)院，黑龍江 齊齊哈爾 161005；2.齊齊哈爾北方機(jī)器有限公司 工藝處，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

針對自動鍛壓機(jī)設(shè)計(jì)中切斷凸輪出現(xiàn)噪聲或整個機(jī)構(gòu)尺寸偏大現(xiàn)象，根據(jù)曲柄滑塊及直線凸輪的特性，建立關(guān)聯(lián)表達(dá)式。應(yīng)用MatchCAD軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力，繪制出凸輪運(yùn)動位移及加速度曲線圖，找到最大加速度，計(jì)算出所需慣性力，為今后設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。

機(jī)械制造；切斷機(jī)構(gòu)；自動鍛壓機(jī)；MatchCAD；慣性力

1 機(jī)構(gòu)原理及現(xiàn)狀分析

1.1 工作原理

本機(jī)構(gòu)是自動鍛壓機(jī)的切斷部分（圖1），起到實(shí)現(xiàn)原材料的切斷并送到第一工位的作用。主傳動曲軸1帶動偏心套2轉(zhuǎn)動，通過軸3和連桿4的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動凸輪5平動，滾子7沿著凸輪5的曲線輪廓推動刀桿8的移動。在刀桿8的頭部有封閉的刀頭，達(dá)到自動切料目的。

圖 1 機(jī)構(gòu)原理圖

1.2 機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀分析

本機(jī)構(gòu)所涉及的鍛壓機(jī)產(chǎn)品在高速工作時，具有一定質(zhì)量刀桿8會產(chǎn)生慣性力F彈。如果彈簧機(jī)構(gòu)6所產(chǎn)生的力F彈過小，就會出現(xiàn)滾子瞬間脫離凸輪表面的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生噪聲、增加磨損、降低機(jī)構(gòu)壽命；如果F彈過大，勢必增加帶動凸輪6運(yùn)動的力，使整個曲柄連桿尺寸增大，浪費(fèi)材料，也影響了切料的質(zhì)量。

為了達(dá)到精確設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的，本文對自動鍛壓機(jī)切斷機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程的受力情況進(jìn)行分析，通過MatchCAD軟件的應(yīng)用，計(jì)算出所需參數(shù)，確定合理的尺寸。本課題以3000kN多工位筒形件冷成形機(jī)為例。

1.3 已知參數(shù)的選擇

已知條件如下（圖2）：曲柄半徑R=190mm，連桿長L=1015mm，生產(chǎn)率n=60rpm，凸輪行程h=100mm，連桿系數(shù) λ=R/L=0.187，滾子半徑 r=112mm，切料直徑d1=24mm，刀桿等運(yùn)動附件質(zhì)量和m=82kg。

圖2 曲柄滑塊運(yùn)動及參數(shù)圖

2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析與計(jì)算

2.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

本方案的傳遞機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動，設(shè)定偏心套轉(zhuǎn)角為關(guān)于時間的函數(shù)：

t——曲柄滑塊工作的時間，s。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動關(guān)系，可以得到滑塊位移X（t）關(guān)于轉(zhuǎn)角α（t）的關(guān)系表達(dá)式：

式中：X（t）——滑塊位移，mm。

2.2 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

2.2.1 凸輪選型

因?yàn)楸緳C(jī)工作屬于對稱工作，所以分析升程部分，回程與之相反。根據(jù)工作循環(huán)關(guān)系需求，把整個機(jī)構(gòu)運(yùn)行升程過程分成三個部分（圖3）：近休（X1=34.9mm）、升程（X2=197.5mm）、遠(yuǎn)休（X3=147.6mm）。在本機(jī)的凸輪工作時，必須避免硬沖，又因?yàn)樗俣容^高，還須避免軟沖。此外還應(yīng)盡量減小αmax和jmax，以減低振動和噪聲，并提高凸輪機(jī)構(gòu)的工作性能和壽命；同時也應(yīng)盡量降低對凸輪精度的要求。根據(jù)工作需要，本機(jī)構(gòu)凸輪選取改進(jìn)正弦加速度型。

圖3 凸輪工作圖

2.2.2 凸輪區(qū)間的劃分

2.2.3 升程過程曲線計(jì)算

在 B2～B3和 B4～B1的過程中，刀桿行程沒發(fā)生變化，受力也沒發(fā)生突變，在此不做分析。為了計(jì)算出αmax，首先列出凸輪曲線輪廓沿著豎直y方向的表達(dá)式，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊提供的資料[4]，可以得到以下公式：

式中θ（t）為凸輪相對轉(zhuǎn)角，將凸輪沿著水平方向的位移X（t）根據(jù)比例關(guān)系轉(zhuǎn)化為相對轉(zhuǎn)角θ（t），得到以下公式：

2.2.4 凸輪曲線的繪制

將式（8）分別代入式（5）、（6）、（7）中，建立凸輪輪廓曲線y1（t）、y2（t）、y3（t）關(guān)于時間t的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。通過MatchCAD軟件的x-y繪圖功能繪制出凸輪曲線圖（圖4）。圖中可以準(zhǔn)確表達(dá)出不同時間（相當(dāng)于不同轉(zhuǎn)角）切斷刀桿所移動的位移，總行程h=100mm。

為了進(jìn)一步分析受力情況，對曲線方程y1（t）、y2

圖4 凸輪位移曲線圖

t/s（t）、y（3t）進(jìn)行二階求導(dǎo)y（t），在 MatchCAD 軟件就可以得到加速度曲線圖（圖5），通過軌跡跟蹤可測得αmax=－20.8m/s2。根據(jù)圖像顯示，各段運(yùn)動規(guī)律在銜接點(diǎn)上的運(yùn)動參數(shù)（位移、速度、加速度等）保持連續(xù)，使其動力特性得到改善，凸輪選取合理，滿足了工作需要。

圖5 凸輪加速度曲線圖

3 機(jī)構(gòu)受力分析

通過作圖法可以表達(dá)出在B3～B4的工作過程中，在三個區(qū)間以及區(qū)間的銜接點(diǎn)上，加速度αmax沒發(fā)生突變，也就是滿足凸輪機(jī)構(gòu)既無剛性沖擊也無柔性沖擊的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。下面所考慮的就是因?yàn)榧铀俣圈恋淖兓l(fā)的慣性力對工作的影響，參照刀桿受力圖（圖6）。

圖6 受力分析圖

列出受力分析表達(dá)式：

為了使?jié)L子在運(yùn)動多次能緊貼凸輪表面，就要保證N＞0。參照加速度曲線圖，當(dāng)t=t4，極限加速度αmax=－20.8m/s2。此時已經(jīng)完成切料并送往第一工位，即F切=0，又因?yàn)?f＜＜ma（可忽略），根據(jù)公式（9）得到彈簧力 F彈≥-mg=1705N。根據(jù)該參數(shù)條件就可確定出彈簧設(shè)計(jì)所需的準(zhǔn)確參數(shù)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)曲柄滑塊及直線凸輪的特性，建立關(guān)聯(lián)表達(dá)式。應(yīng)用MatchCAD軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力，繪制出凸輪運(yùn)動位移及加速度曲線圖，找到最大加速度，計(jì)算出所需慣性力。希望本文能為今后的設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)和借鑒作用。

[1] 何德譽(yù).曲柄壓力機(jī).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[2] 山東工業(yè)學(xué)院.曲柄壓力機(jī)設(shè)計(jì).1973.

[3] 孫 恒，陳作模.機(jī)械原理.北京：高等教育出版社，2000.

[4] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1982.

[5] 汪雪梅，等.自動冷鐓機(jī)切斷間隙調(diào)整機(jī)構(gòu).鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，（4）：42－43.

[6] 楊正法，等.凸輪在數(shù)控剪板機(jī)刀片間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，（1）：27－28.

Force analysis of cutting mechanism for automatic forging press based on MatchCAD

LIU Hongcheng1,HUANG Ying2
（1.Design Institute,Qier Machine Tool Group Co.,Ltd.,Qiqihar 161005,Heilongjiang China;2.Process Department,Qiqihar North Machinery Co.,Ltd.,Qiqihar 161005,Heilongjiang China）

Aiming at the bad noise produced by cutting cam and the oversize of mechanism during the design of automatic forging press,on the basis of the features of crank slide and linear cam,the related expression has been set up.With the help of strong calculation capacity of MatchCAD,the displacement and acceleration curve of cam movement have been drawn.The maximum accelerate speed has been found out and the inertia force has been calculated,which provides reference in the future design.

Cutting mechanism;Automatic forging press；MatchCAD；Inertia force

TG315

B

1672－0121（2012）02－0050－03

2011-12-01

劉洪成（1985），男，助理工程師，從事自動冷鐓機(jī)、曲柄壓力機(jī)等設(shè)計(jì)