基于ADAMS的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床模具彈簧設(shè)計(jì)與仿真

吳正剛，龔立新，夏 鵬，佘 健

（江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床作為金屬板材加工關(guān)鍵設(shè)備，至今已有近六十年的應(yīng)用和發(fā)展歷史，現(xiàn)已成為汽車、家電、計(jì)算機(jī)、儀器儀表、電子信息、紡織機(jī)械等行業(yè)中最為重要的工藝裝備。現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展要求數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床不僅能夠高速、大負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，而且還需智能化，節(jié)能，環(huán)保。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的模具彈簧主要包括支撐彈簧和退料彈簧，其中支撐彈簧的作用是使模具快速?gòu)?fù)位，退料彈簧的作用是克服模芯外圓柱面與沖裁孔內(nèi)圓柱面間的摩擦力，實(shí)現(xiàn)退模。模具彈簧參數(shù)的匹配對(duì)設(shè)備的加工效率、主傳動(dòng)功耗、安全性以及沖裁過程中的振動(dòng)和噪聲等均有顯著影響。以退料彈簧為例，如果彈簧力偏小，不足以克服模芯與沖裁孔間的摩擦力，無法實(shí)現(xiàn)退模，極易引發(fā)安全事故；如果彈簧力過大，則會(huì)增加主傳動(dòng)電機(jī)的能耗，同時(shí)引起振動(dòng)和噪聲。根據(jù)我公司測(cè)試中心的測(cè)試結(jié)果，對(duì)1mm板厚的Q235A冷軋鋼板進(jìn)行?31.7mm孔徑?jīng)_孔加工時(shí)，采用輕型彈簧時(shí)的沖裁噪聲較采用重型彈簧時(shí)減小了5dB。

針對(duì)上述問題，本文以公司的EP30型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的B工位為例，在多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中建立了模具及彈簧系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，在虛擬環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，能夠?yàn)槟＞邚椈傻脑O(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)，對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床加工頻率的提升以及減振降噪具有指導(dǎo)意義。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

EP30的B工位模具彈簧系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，由打擊頭、上模體、退料彈簧、支撐彈簧、轉(zhuǎn)盤、下模、導(dǎo)桿、模芯、導(dǎo)套、板材等部分組成，其中F1為支撐彈簧對(duì)上模體的作用力，F(xiàn)2為退料彈簧對(duì)模芯的作用力，F(xiàn)3為模芯與沖裁空間的摩擦力。模具在初始位置如圖1a所示，在加工過程中，打擊頭向下運(yùn)動(dòng)并與模芯上部圓柱凸臺(tái)的上表面接觸，由于支撐彈簧的剛度遠(yuǎn)小于退料彈簧的剛度，此時(shí)支撐彈簧被壓縮變形，上模總裝向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)上模總裝向下運(yùn)動(dòng)至上模體的下表面與板材接觸時(shí)，上模體停止運(yùn)動(dòng)，在打擊頭的作用下模芯繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)退料彈簧被壓縮變形；隨著模芯繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，模芯穿透板材完成沖裁，此時(shí)模芯處于下死點(diǎn)位置，如圖1b所示；當(dāng)F2>F3時(shí)，隨著打擊頭的回程運(yùn)動(dòng)，在退料彈簧力的作用下模芯從沖裁孔中退出并達(dá)到極限位置，伴隨著打擊頭回程運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)，在支撐彈簧力的作用下上模總裝復(fù)位至初始位置。

圖1 模具彈簧系統(tǒng)示意圖

彈簧的預(yù)緊力為：

特定壓縮位置的彈簧力為：

式中：F0——彈簧的預(yù)緊力；

F——特定位置的彈簧力；

K——彈簧的剛度；

L0——彈簧的原始長(zhǎng)度；

L——彈簧的裝配長(zhǎng)度；

ΔL——彈簧的壓縮行程。

一般情況，支撐彈簧的預(yù)緊力至少為模具裝配體重力的2倍，下死點(diǎn)位置的退料彈簧力大于（10%～15%）沖裁力。

2 基于ADAMS的動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 模型的建立及邊界條件的處理

在ADAMS中建立的模具彈簧系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)型如圖2所示。加工板材為板厚3mm的Q235A冷軋鋼板，孔徑為?31.7mm，沖裁力為110000N，脫模力為11000N，曲柄以600r/min的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，施加的載荷曲線如圖3所示。

圖2 ADAMS中建立的動(dòng)力學(xué)模型

圖3 施加的載荷曲線

2.2 支撐彈簧仿真

支撐彈簧的剛度為2.3N/mm，自由長(zhǎng)度為80mm，裝配高度為70mm，最大壓縮行程為24mm。

上模體位移、速度曲線如圖4所示，向下運(yùn)動(dòng)最大速度為1000mm/s左右，向上運(yùn)動(dòng)最大速度為1300mm/s左右。在速度曲線A點(diǎn)處打擊頭接觸到模芯上部圓柱凸臺(tái)的上表面并開始向下運(yùn)動(dòng)，B點(diǎn)處上模體與加工板材接觸停止運(yùn)動(dòng)，C點(diǎn)處上模體與加工板材分離并在支撐彈簧力的作用下開始向上加速運(yùn)動(dòng)，D點(diǎn)處上模運(yùn)動(dòng)至極限位置并經(jīng)過幾次碰撞回彈后處于靜止?fàn)顟B(tài)。上模體自由狀態(tài)下極限回彈速度、位移曲線如圖5所示，回彈速度最大為1860mm/s，回彈時(shí)間為0.013s，約占沖壓周期的13%，會(huì)對(duì)沖裁頻率的提升產(chǎn)生一定的影響。

圖4 上模體位移、速度曲線

圖5 上模體自由回彈速度、位移曲線

2.3 退料彈簧仿真

退料彈簧的剛度為880N/mm，自由長(zhǎng)度為80mm，裝配高度為70mm，最大壓縮行程為14mm。打擊頭上的作用力曲線如圖6所示，圖中E點(diǎn)處作用力最大，位于模芯進(jìn)入板材1mm深度的位置，作用力約為120153N；在F點(diǎn)處模芯將板材沖穿，此時(shí)打擊頭受力主要是彈簧的壓緊力，最大約為12500N；在G點(diǎn)處，模芯的下表面與板材下表面重合且向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)脫模力最大，此處的打擊頭的作用力最小，約為919N；在H點(diǎn)處脫模結(jié)束，脫模力為0，此時(shí)打擊頭上的作用力約為9535N，僅為彈簧壓緊力。

圖6 打擊頭上的作用力曲線

模芯的位移、速度曲線如圖7所示，在I點(diǎn)處打擊頭向下運(yùn)動(dòng)與模芯上部凸臺(tái)的上表面接觸并帶動(dòng)上模總裝向下運(yùn)動(dòng)；在J點(diǎn)處，上模體與板材接觸，此時(shí)模具總裝受力復(fù)雜，存在碰撞和回彈現(xiàn)象；K點(diǎn)處模芯下表面與板材下表面重合且在彈簧力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的退模力最大；L點(diǎn)處為模芯隨上模總裝向上運(yùn)動(dòng)至上極限位置。

3 結(jié)論

本文以EP30型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的B工位模具彈簧系統(tǒng)為例，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)作原理及動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，對(duì)設(shè)備沖裁頻率的提升以及減振降噪具有指導(dǎo)意義，得到如下結(jié)論：

（1）支撐彈簧的主要作用是使模具復(fù)位，彈簧的預(yù)壓量及剛度決定了模具復(fù)位的速度，一般情況下預(yù)緊載荷達(dá)到模具總裝重力的2倍即可滿足模具的快速?gòu)?fù)位要求，但是隨著設(shè)備沖裁頻率的提升，可以考慮采取增加彈簧預(yù)壓量或提高彈簧剛度的措施來縮短模具復(fù)位周期。

圖7 模芯的位移、速度曲線

（2）退料彈簧的主要作用是克服模芯外圓柱面

與沖裁孔內(nèi)圓柱面間的摩擦力，實(shí)現(xiàn)脫模，彈簧的剛度及預(yù)壓量主要取決于脫模力的大小。采用較小剛度和預(yù)壓量的彈簧可降低沖裁過程中的沖擊載荷，能夠在一定程度上起到減振降噪的作用，薄板沖孔加工時(shí)尤為明顯。為達(dá)到減小主傳動(dòng)功耗和減振降噪的目的，可以考慮針對(duì)不同加工板厚采用不同剛度及預(yù)壓量，如3mm板厚、?31.7mm孔徑的沖孔加工采用自由長(zhǎng)度80mm、剛度880N/mm的彈簧；1mm板厚、?31.7mm孔徑的沖孔加工采用自由長(zhǎng)度80mm、剛度380N/mm的彈簧。

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