沖壓機曲柄滑塊機構運動學與靜力學分析

宋丹

（山東科技大學 266590）

沖壓機曲柄滑塊機構運動學與靜力學分析

宋丹

（山東科技大學 266590）

本文根據曲柄沖壓機的結構及其工作特點，針對沖壓機主運動機構——曲柄滑塊機構，運用機械運動的基本原理，采用matlab進行編程對機構的運動與受力分析，得到了沖壓機沖頭的位移、速度、加速度、以及沖壓力曲線，并提出了沖壓機設計時應關注壓力角及沖壓力，通過分析沖壓機運動特性與沖壓力學特性，為設計沖壓機提供了理論方法。

沖壓機；曲柄滑塊機構；運動學；靜力學；分析

引言

在國民生產中，沖壓工藝由于比較傳統機械加工來說有，它節約材料和能源，生產自動化、省力、效率高；對操作者技術要求不高及通過各種模具應用可以做出機械加工所無法達到的產品，沖壓機可搭配相應的自動送料裝置，具有送料出錯檢測、預裁、預斷裝置，可完全實現自動化生產這些優點，所以它的使用很廣泛。沖壓機要實現對毛坯材料的沖壓要求，其運動特性和力學特性就需要滿足一定的要求。本文以小型沖壓機為研究對象，采用機械原理運動學與受力分析方法，對沖壓機的曲柄滑塊機構進行運動學與力學特性分析。

1 曲柄沖壓機基本結構

曲柄沖壓機的工作原理如下：電動機通過三角皮帶把運動傳給大皮帶輪，再經過小齒輪、大齒輪傳給離合器（離合器控制曲軸與齒輪運動的開與合），離合器把運動傳給曲軸。連桿上端裝在曲軸上，下端與滑塊連接，把曲軸的旋轉運動變為滑塊的直線往復運動。

2 曲柄滑塊機構運動學分析

曲柄滑塊機構運動學分析主要是分析電機輸出的回轉運動與滑塊輸出的直線移動之間的關系，并分析沖壓機在沖壓過程中的位置、速度、加速度隨時間變化情況。得到的曲柄滑塊機構簡圖，如圖1所示。

圖1 沖壓機曲柄滑塊機構簡圖

（1）根據沖壓機曲柄滑塊機構簡圖，建立位置封閉矢量圖，則曲柄滑塊的閉環矢量方程為:

將此方程分別分解到X軸和Y軸坐標軸上，得到：

此方程中若已知曲柄的轉角θ2（即電機輸出軸轉角），即可求得沖壓機滑塊的沖壓行程l1的變化范圍，以及連桿轉角參數θ3。

（2）將上式對時間求導有：

（3）將上式對時間求導：

電機輸出回轉運動為勻速轉動，即加速度a2=0，聯立式（1）、式（2）、式（3），即可分別求出沖壓機滑塊的行程 l1、沖壓速度 l′1、沖壓加速度 l″1。

采用Matlab編程分別求解沖壓機滑塊行程、沖壓速度以及沖壓加速度，并畫出了行程、速度、加速度相對于曲柄轉角的變化曲線，如圖2所示。

根據以上分析，分別可以得到本文分析的沖壓機行程范圍為350mm，沖壓機沖頭運動最高速度為5.8m/s，沖壓時最大加速度可以達到200m/s2。

圖2 沖壓機位移、速度、加速度變化曲線

3 曲柄滑塊機構靜力學分析

曲柄滑塊機構靜力學分析主要是分析電機輸出的回轉角與滑塊輸出力之間的關系，根據靜力學分析結果可以確定最終的沖壓機沖壓夾角以及該夾角下的沖壓力，為沖壓機結構設計提供技術參數。

在分析過程中，各個回轉副的摩擦忽略不計，電機輸出的扭矩為：

根據圖3所示沖壓機曲柄滑塊機構受力圖，列出機構受力方程組：

聯立式（5）至式（8），可以求解出沖壓機沖頭沖壓力F1變化曲線，如圖3所示。

根據圖3所示沖壓機沖壓力變化曲線可知，當曲柄旋轉到180°即曲柄與連桿在一條直線上時，沖壓機的沖壓力最大，顯然沖壓機的曲柄與連桿的結構是不能承受這么大的力的，沖壓工件也不需要這么大的力。因此沖壓機設計過程中不能在曲柄旋轉到180°時對工件進行沖壓，而應該在即將達到180°時選擇一定的夾角，該夾角一般在1～3°之間，可以根據需求選擇沖壓轉角及沖壓力。

圖3 沖壓機沖頭沖壓力變化曲線

4 結論

（1）針對沖壓機曲柄滑塊機構，運行機械原理矢量方程與受力分析方法，采用matlab進行編程對機構的運動學與靜力學進行了分析。

（2）分析得到了沖壓機運動特性與沖壓力學特性，并提出了壓力機曲柄轉角為175～179°時沖壓機所產生的沖壓力曲線，為沖壓機設計提供了重要技術參數曲線。

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1004-7344（2016）17-0207-02

2016-6-2