高速精密压力机动态精度影响因素分析

文/何灿焜·扬州锻压机床股份有限公司

高速精密压力机动态精度影响因素分析

文/何灿焜·扬州锻压机床股份有限公司

压力机作为锻压机床的代表，广泛应用于航空航天、汽车制造、交通运输、冶金化工等重要工业部门。近年来，大规模集成电路和电器元件、计算机和通讯设备以及微电机芯片的技术进步，进一步有力地推进了高速精密冲床的发展。高速、高精密冲床作为一种精密、高效的压力加工装备，在高速范围内的超精密加工方面，达到了前所未有的水平(下死点动态控制精度为±0.005mm）。影响压力机动态精度的因素包括，运动副间隙、机构的弹性变形、机床热变形等。

运动副间隙

机床运动副的间隙是影响高速精密压力机动态精度的重要因素，目前国内外在这方面的研究还不够完善。间隙及其特性对压力机动态精度的影响程度以及影响方式还处于探索阶段，其周期性高速冲击载荷特性为研究的进一步展开带来了困难。很多的研究人员都对此进行了深入探讨，Flores P采用三态模型研究了不同参数对含间隙曲柄滑块机构动态特性的影响；Imed Khemili采用基于冲击函数的碰撞模型研究了含间隙弹性曲柄滑块机构的动态特性；Selcuk Erkaya建立了实验平台，通过测量振动和噪声研究了含间隙曲柄滑块机构的动态响应；陈树新等利用Lee，Wang提出的非线性弹簧阻尼模型描述间隙处的碰撞接触，采用修正的Coulomb摩擦模型描述间隙处的摩擦，建立了周期性冲击工况下含间隙高速精密压力机的虚拟样机模型；许立新等基于多体动力学理论及Hertz接触理论，提出一种计及轴承间隙与柔性特征影响的多体系统建模方法。

根据运动副间隙的实际情况，建立运动副间隙模型（图1），碰撞接触力模型，摩擦力模型（图2），间隙压力机动力学模型（图3）。

对以上理论模型进行分析，得出的结论是：

⑴间隙的存在影响机构运动位置与速度误差大小，会随曲柄转角位置不同而变化。

⑵间隙越大,滑块的位移、速度、加速度的振荡幅度越大,而且速度和加速度对打击力的响应峰值增大。打击力越大,滑块的速度和加速度响应峰值越大,振荡越剧烈,而打击力对滑块位移的影响较小。

目前，在间隙影响方面的研究大多是定性研究，只能得出间隙会对压力机动态精度产生影响，可是具体影响的量级是多少，影响的方式如何，还需要进一步研究。

图1 运动副间隙模型

图2 摩擦力模型

图3 含间隙高速精密压力机模型

机床的弹性变形

随着现代加工业对压力机的工作效率（即转速）和动态精度要求越来越来高，传统设计中把机构简化为刚性和切运动副视为刚体的方法，在分析高速、高精密压力机的运动特性时具有很大的局限性。由于运动速度高，急剧增大的惯性载荷使机构的构件产生弹性变形和振动，某些运动构件的弹性变形无法忽略不计。在这个背景下，用来分析机构特性的传统刚体动力学已经不能满足实际需要，因此弹性动力学作为机构动力学的一个新的分支和发展方向应运而生。

弹性动力学分析一般基于以下两点假设：

⑴相对于刚体运动学分析得到的机构名义运动位移，构件弹性变形引起的弹性位移很小，不会影响机构的名义运动状态。

⑵刚体运动和弹性运动之间存在一定的耦合，但对柔性不是很大的机构而言，其耦合项的影响一般可以忽略。

在弹性动力学分析中，机构的真实运动可以看作是名义运动与弹性运动的叠加。在具体分析中，一般需要考虑各构件的质量和刚度分布特性，想要建立精确的分析模型，需要求解非常复杂的偏微分方程组，难以获得解析解。现在的分析人员，一般都是采用有限元方法，将机构中的弹性构件用合适的单元模型进行等效，通过求解系统的特征方程以及弹性动力学方程，在刚体理想运动的基础上进一步求解出弹性变形，得到弹性机构的实际运动状态。

如图4所示，为某型号压力机的有限元模型，曾梁斌等在此模型基础上进行了该压力机的固有特性以及在运动过程中受迫振动对运动状态的影响情况。目前在这方面的研究比较少，大多数设计人员只是通过ANSYS等有限元分析软件对受力较大的构件进行了静态受力与变形分析，还有一部分研究者将受力构件柔性化以后在ADMAS中建立刚柔耦合模型来模拟实际的动态特性。从理论上通过建立弹性动力学模型，并用数值解法来求得压力机下死点动态精度特性是研究此类问题的趋势。

图4 某多连杆压力机有限元模型

机床发热的原因与解决方案

在机械压力机运行过程中存在很多发热源，当温度过高时产生较大的热变形就会影响压力机的动态精度。其中最主要的热源在曲轴处，曲轴要传递很大的扭矩，在支撑处要承受很大的载荷，因此曲轴支撑以及连杆处的运动副（滑动轴承或者滚动轴承）会产生很大热量。

轴承发热原因

⑴轴承发热。轴承的散热速度低于轴承产生热量的速度，打破了轴承的热平衡而使轴承升温。传统的设计方法是按轴承单位面积上所受的压力来设计的，但是实际上滑动轴承由于材料成分、制造工艺及使用场合的差异，并非为常量而为随机变量，作用到滑动轴承上的压力P也因工艺不同、加工误差的影响而为一变量。按照传统方法计算，即使是“合格”的滑动轴承，在一定环境温度和速度下，随着时间的推移温度也有可能会逐渐升高，直至突破许用温度，影响机床的正常使用。传统的实际方法适合转速较低的情况，可是随着压力机转速要求越来越高，传统方法计算就得不出正确的数值。

⑵轴承间隙过大，冲击则更为明显，在对高速压力机滑动轴承进行条件性计算时需要考虑到冲击载荷的影响。可是间隙选择过小，滑动轴承加工和装配精度要求就很高，否则反而更容易引起轴承发热。国外某些高速压力机滑动轴承与轴的配合间隙较小，一般需对滑动副进行特殊处理，保证滑动副材料合理的硬度差，并使其在具备良好耐疲劳性能的同时，兼顾良好的抗咬合性、顺应性和嵌藏性等。

解决方案

⑴对滑动轴承进行可靠性设计，充分考虑滑动轴承的[p]、p及A的离散性和随机性。控制合理的轴承间隙，根据实际的工艺情况和使用部位而定。

⑵选用合理的轴承轴瓦材料。目前从生产和实际使用以及理论研究来看，高速压力机上的轴承都会选择锡青铜和铅青铜。

⑶改变机床的设计结构，具体包括：通过改善机床的散热条件来对滑动轴承的热平衡进行干预；增加润滑油冷却装置，可以吸收滑动轴承产生的摩擦热，降低润滑油温度，减轻运动部件因热量产生的变形，有利于机床下死点的稳定；打破传统的设计理念,采用滚动轴承滑动轴承组合使用的方案。通过合理的选择滚动轴承游隙和滑动轴承间隙，使滑动轴承仅在部分工作时间内受力，其余时间由滚动轴承受力，从而减小滑动轴承摩擦产生的热量，充分发挥滚动轴承和滑动轴承各自的优点；根据滑动轴承的承载能力，结构许可的话更改为滚动轴承。其摩擦系数更小，产生的热量也就很小。使用滚动轴承，可以通过合理选择轴承游隙达到更高的精度；打破传统曲柄滑块机构的设计思维，设计多杆压力机，减小曲轴轴承处的承载力，从而减小其发热量，设计出速度更高精度更好，符合现代制造加工要求的高速、高精密压力机。

结束语

运动副间隙、构件弹性变形，机床热变形都是影响高速、高精密压力机的重要因素，要想在压力机生产水平上有较大突破，制造出精度更高、速度更快的压力机，必须对这些影响因素有更深入的理论研究与探索。