多工位高速压力机偏载分析

在汽车零部件冲压领域，大型多工位压力机是最先进、最高效的冲压设备，是高自动化、高柔性化的典型代表，通常由拆垛机、多工位压力机、三坐标工件传送系统、线尾传送带系统和码垛工位等组成。多工位压力机的生产节拍可达 12～25 次 ／ min，是手工送料流水线的 4～5 倍， 是单机连线自动化生产线的 2～3 倍［1］。 多工位压力机生产线是汽车零部件冲压成形的发展方向，具有自动化、高效化、复合化、制件质量高且稳定等诸多优势。一台多工位压力机可以代替由 4～6 台普通压力机组成的冲压生产线，提高生产效率 2～3 倍，节能 50％以上，节省作业面积 40％左右。 多工位压力机生产线体现了当今世界冲压装备的发展趋势和最高水平［2］。

图 1 所示，为我公司研发生产的 JYT27－2400 复合驱动多工位高速压力机的效果图。 该机采用 1 个滑块、4～6 套模具压制方法，主要用于汽车零部件的拉延、冲孔、修边、弯曲、整形等多工位压制成形工艺，具备很高的位置和压力控制精度，可开发出适应复杂成型工艺需求的多种运动模式。其优异的功能特性广泛适用于各种汽车零部件板材的冲压成形。

多工位压力机虽然有其无与伦比的功能特性， 但是由于其工况设计及使用工艺导致先天存在一个不可避免的问题———压力机偏载。多工位压力机技术领域由于产品在成型过程中不可避免的会存在拉伸工序，但是绝大多数的工艺排布都将拉伸工序放在上料侧，远离压机中心的位置，这就导致拉伸模具上模与下模会先于其他工序的模具接触，导致滑块单侧受力产生偏心载荷，而普通单工序压机模具是居中布置在设备的中心，就不会产生偏心载荷或者产生的偏心载荷很小，这就要求多工位压力机设备具有一定的抗偏载能力。传统液压机是靠立柱来抵抗工作过程中产生的偏心载荷，而多工位高速压力机采用了对称连杆机构和连杆小滑座导柱，平衡了径向分力。 能有效地克服压力机工作中的偏心载荷， 从而保持滑块的高精度。 但是，多工位高速液压机工作过程中产生的偏载力比普通高速液压机的更大，无法完全靠机身抗偏，因此在 JYT27－2400 多工位高速压力机右侧支柱设计安装偏载缸，用来抵消一部分偏载力。

 

1．3 对称连杆增力机构
对称连杆增力机构在接近下死点位置时具有 6～10 倍的増力系数， 相对同吨位同速度传统油压机可以减小主油缸的出力，装机容量降低。 为增加压力机在滑块速度和能源节约方面的性能，我公司开发了一种特殊的高效率连杆驱动系统，如图 2 所示。 与传统油压机相比，压力机运动更加平稳、高速，同时更加节省电能消耗。 与油压机相比实际用电量将被减少 40％左右。 此结构在提高动态性能的同时，也提高了设备的安全性，大大缩短紧急停止时滑块的下滑量，确保人身和设备的安全。 滑块具备模具闭合高度自动调节功能，其中蜗轮蜗杆采用浸油润滑方式， 有别于传统曲柄连杆机械压力机的干油润滑方式，蜗轮蜗杆能够在更可靠的润滑条件下工作。 模具封闭高度调整的精度可达±0．1 mm。
该对称连杆增力机构同时存在良好的抗偏载能力。

1．4 具有抗偏心载荷能力
采用了对称连杆机构和连杆小滑座导柱，平衡了径向分力。能有效地克服压力机工作中的偏心载荷， 从而保持滑块的高精度。同时设计有一套抗偏载系统，用于抵消在压机工作过程中由于不同工位模具出力点不同（尤其是拉伸工序模具出力较早）导致滑块出现的偏心载荷。

2 多工位高速压力机抗偏载系统的主要功能特点
多工位高速压力机抗偏载系统主要由高效能电机、 辅助油泵、比例控制阀组、抗偏载油缸、高精度位移传感器等组成。其中高效能电机和辅助油泵用于向抗偏载油缸提供动力油控制油缸的运动； 比例控制阀组用于控制油缸的动作及根据需要来控制油缸的出力以抵抗偏载； 高精度位移传感器对油缸的位置提供精准显示并对偏载缸的自动化控制提供依据。 该抗偏载系统独立于主液压系统之外，可以根据工况自行选择是否工作，且抗偏载力可以根据液压垫力大小等比例调节以尽可能减少拉伸工序偏置产生的偏载对主机的影响。

3 多工位高速压力机偏载分析
3．1 建立模型
在不考虑抗偏载系统的前提下， 当工作过程中出现偏载力时，分析压力机各点的受力情况，简化模型如图 3 所示。

3．2 模型分析
在 SolidWorks 中建立三维实体模型， 并将模型导入到 Workbench 中。 在模拟分析中，对于每个接触部位都要定义接触面和目标面。 ANSYS Workbench 中有 5 种可以使用的接触类型：Bonded（绑定接触）、No Separation（不分离接触）、Frictionless （无摩擦接触）、Frictional（摩擦接触）、Rough（粗糙接触）。进行有限元分析计算时需根据实际情况， 设置各个部件之间的接触方式，文中根据模型需要选择绑定接触和摩擦接触两种接触方式。总接触面：54 组。 各主要焊接件间均为摩擦接触， 摩擦因数为 0．1；各连杆、轴销之间均为摩擦接触；为避免大变形，主油缸、油缸座、小滑座之间为 boned 绑定接触，同时近似于导杆的刚性约束作用。对关键受力部件进行细化，如连杆、导板等。共划分单元311439 个，节点 703397 个。

根据压机压制工艺找出偏载力最大时滑块所处的位置，根据理论连杆出力曲线可知该时刻连杆机构各连杆角度和滑座的位置状态，模拟 6 工位模具，总压力 24 000 kN，总偏载 10 000 kN•m，直接在模具上加力，如图 4 所示。 在此时计算出压机该位置受偏载力时的受力情况， 等效应力云图如图 5 所示。

B:Static Structural

Static Structural

Time: 2. s

Items:10 of 18 indicated

2017/9/20 8:11

Frictionless Support

Bolt Pretension:Lock

Bolt Pretension 2:Lock

Force 4.e+006 N

Force 2:4.e+006 N

Force 3:1.25e+006 N Force 4:1.25e+006 N

Force 5:5.e+005 N

Force 6:5.e+005 N

Force 7:3.e+006 N

42.483

43.53

59.617

72.934

45.713

56.231

55.329

126.11

B:Static Structural 整机 Equivalent Stress

Type:Equivalent （von-Mises） Stress

Unit: MPa

Time: 2

2017/9/20 8:13

498.26 Max

70

60.286

50.571

40.857

31.143

21.429 11.714

2

3.230 5e-12 M

3．3 偏载力矩分析
竖直方向合力F＝P1＋P2＋2f＝13 620＋9 460＋2×420＝23 920kN，与 24 000kN基本一致， 即模具需要成型力与压机的总输出力能够对应。
连杆装置承受偏载力矩：M1＝P1×L ／ 2－P2×L ／ 2＋N×H＝13 620×4．3 ／ 2－9 460×4．3 ／ 2＝8 940kN•m滑块导轨承受偏载力矩：M2＝1 460×2．05＝2 990kN•m 合力矩：M＝M1＋M2＝11 930kN•m，与设定力矩 10 000 kN•m 有一定的差异。 偏载力示意图如图6所示。
P =13 620 P2=9 460 f=420

4 结束语

多工位压力机因其技术含量高、技术复杂、造价高，且核心技术由国外公司等少数设备制造厂所掌握， 多工位压力机市场一直由国外所垄断，在我国应用屈指可数。我公司研发设计的复合驱动多工位高速压力机生产线逐步被市场认可， 抗偏载系统在多工位压机上的应用使得压机功能进一步完善， 适应的工况越来越多，通用性也越来越强，国产多工位压力机的不断进入市场对促进我国多工位压力机发展具有重大意义， 也必将促进我国汽车零件制造业及汽车行业的发展。

参考文献