基于步进电机的变压边力系统设计

李忠芳，马万征

（1.安徽科技学院 机电与车辆工程学院，安徽 凤阳 233100；2.安徽科技学院 城建与环境学院，安徽 凤阳 233100）

在复杂的薄板成形过程中，采用恒定压边力方式时往往难以同时避免起皱、厚度减薄量过大或开裂等这几种缺陷，而采用变压边力不仅能提高板材的成形能力和拉深件的极限拉深比，还可提高成形件的质量，避免拉深件局部减薄过多.

大量实验证明，材料、形状不同的坯料，拉深成形所需要的压边力最大值和变化趋势都各不相同[1].各种变压边力趋势的实现方法研究是一个热门课题.随行程变化的压边力可通过以下三种方式实现：（1）液压或随动液压系统[2]，（2）随动凸轮[3]或斜楔机械结构[4]；（3）交流伺服电机或步进电机.本文设计一种基于步进电机和减速器的压边系统.

1 总体设计

图1 压边系统简图

该系统由步进电机、减速机、蜗轮丝杆和压边机构组成（见图1）.其中步进电机可编程，可控制电机转动角度随时间任意变化.减速机的作用是扩大步进电机的输出转矩.丝杠可将旋转运动转化为直线运动.特殊设计的压边圈可实现多点变压边力.

2 步进电机和减速器计算

丝杠驱动扭矩与轴向负载之间的关系为

式中，

M：驱动扭矩kgf.mm；

N：轴向负载N（忽略丝杠自重）

p：丝杠导程，单位mm；

f：进给丝杠的正效率.

设压边系统的额定压力为300kN，丝杠导程为0.292mm，进给丝杠的正效率为0.115，所需最大静转矩为M，则

设步进电机的最大静转矩为T，减速器的减速比为n、效率为η，则

根据小电机大减速器的原则，设减速比=24，效率η=0.8，则T=6.3Nm.

综上可知，所选步进电机最大静转矩大于6.3Nm.

3 丝杠的设计与校核

3.1 丝杠物理模型

丝杠可简化为两端铰支的压杆，可根据压缩强度进行设计，并进行压杆稳定性校核.

3.2 强度设计

因为压边系统的额定压力为300kN，45钢的许用应力为150MPa，所以

易知，d≥0.05m

3.3 压杆稳定性校核

对于两端铰支压杆，μ=1.

易知，d≥0.05m.

4 压边圈及其支撑结构

该系统规模较大，不能直接应用于一般模具，需设计特定的支撑结构，才能实现压边.

4.1 支撑结构

支撑结构由导柱、导套、工业弹簧、压边圈组成（见图2）.其中导柱和导套分别用螺钉固定在上、下模具上，弹簧在导套内部，压边圈材料选用耐高温、高强度工具钢.压边圈设有销轴.

图2 支撑机构示意图

4.2 特性

（1）可实现多点压边，且各点压边力方向一致，均垂直于被压表面；

（2）压边圈可耐高温，可用于热冲压成形；

（3）导柱式压边圈可用于任意构造的模具，不受空间限制.

5 结语

设计了由步进电机、压边机构、丝杠、减速机组成的压边系统.该系统可编程、可实现随时间变化的压边力曲线、可以多点施加压力.步进电机可替换为伺服电机，步进电机、减速机和丝杠可由直线伺服电机来代替，但价格相对昂贵.

〔1〕张悦.不锈钢制品变压边力拉深控制曲线的试验研究.五金科技，2007(5).

〔2〕丛锡堂.液压随动压边机构.机械制造，1990(12).

〔3〕柳建安，肖亮，董永平.新型变压边力拉深模设计.模具工业，2008，34(5):20-23.

〔4〕佘银柱.变压边力拉深模设计.模具工业，2007，33(1):17-19.