数控转塔冲床转盘振动分析和结构改进

张 晶，郭 伟，陈 健，吴越强

(扬州大学机械工程学院，江苏扬州 225127)

数控转塔冲床转盘振动分析和结构改进

张 晶，郭 伟，陈 健，吴越强

(扬州大学机械工程学院，江苏扬州 225127)

数控转塔冲床转盘是冲床的核心部件，转盘在旋转和冲裁周期作用力的作用下，产生旋转振动和纵向振动。以转盘为研究对象，建立转盘旋转振动模型，分析转盘在旋转过程中偏心距、阻尼比等对振动的影响，利用ANSYS软件进行谐响应分析，找出转盘的薄弱环境，并针对转盘的振动提出两种改进方案，对改进结构进行分析和对比。

转塔冲床;旋转振动;纵向振动;谐响应分析;结构优化

数控转塔冲床的转盘是大型的旋转铸件，不平衡惯性力是旋转机械产生振动的根本原因，转盘若有偏心质量和位置误差(因材质不均匀、加工误差、装配误差等造成)必然会产生离心惯性力［1-2］。当转轴的转速达到一定值时，使转盘产生旋转振动［3］，由于上下转盘不在同一个轴上，两个转盘偏心质量和位置不同，因此当上下转盘同时旋转时，由于上下转盘的振动不一致，导致上转盘的凸模与下转盘的凹模不能很好配合，严重影响了冲裁、拉伸的精度。针对这种情况，本文对转盘的旋转振动进行分析和改进。

1 转盘旋转振动分析

图1所示的上转盘模型，在轴的端部有一质量分布不均的转盘，其质量为m，质心是G，偏心距为e，回转中心是O，几何中心是O1。假定转轴的质量忽略不计［4］，它的横向刚度为k，支撑是绝对刚度的，认为系统的阻尼是黏性阻尼，阻尼系数为r，且忽略转盘和轴的自重影响。

当轴以ω角速度转动时，则系统x，y轴方向的

图1 上转盘模型

振动方程式为:

令 kx/m= ω2n，rx/m=2n，带入式(1)得

对式(3)进行求解，其通解可以表示为:

式中:x1(t)代表阻尼系统的自由振动，这是一个衰减振动，只在开始振动后的某一较短时间内有意义，当仅研究受迫振动中持续的等幅振动时，可以略去x1(t)［5］;x2(t)表示阻尼系统的受迫振动，它的频率与激振频率相同。因此，可设式(1)的特解为:

式中:Bx为受迫振动的振幅;ψx为位移落后于激振力的相位角。

将式(4)及其一阶、二阶导数导入式(1)中，解得Bx与ψx为:

同理得出式(2)的解:

式中:zx，zy是 x，y 轴方向的频率比，zx= ω/ωnx，zy=ω/ωny，其中ωnx，ωny分别为系统在x，y轴方向的固有角频率;ζ是转子系统的阻尼比;ψx，ψy分别为x，y轴方向位移落后激振力的相位角。

通常认为，转轴及轴承在各方向的刚度是相同的，即kx=ky=k，所以有:ωnx= ωny= ω，zx=zy=z。

转子在x，y轴方向的受迫振动可以表示为:x=Bxcos(ωt- ψx)，y=Bysin(ωt- ψy)。

2 转盘旋转计算

转盘在简谐激励下的强迫振动振幅是由转盘本身的质量、刚度阻尼等参数以及激励的大小和频率共同决定的，而与转盘的初始条件无关［6］，初始条件影响的只是其瞬态振动。数控转塔冲床转盘参数见表1。

表1 转盘参数表

对式(1)和式(2)求解，得到x，y方向上的位移及速度曲线，如图2、图3所示，转盘在x，y方向上的振动总体都是简谐振动，在x方向上的最大振幅为0．15cm，其都在零线上下振动，y方向上的最大振幅也是0．15cm，但其振幅都在零线以上。

图2 x方向位移变化

图3 y方向位移变化

数控转塔冲床上转盘受到一个简谐变化的冲裁力，在纵向冲裁力的作用下，转盘产生纵向的振动。本文研究的转盘，其主要材料为45钢，主要参数为:密度 ρ=7 890kg/m3，弹性模量 E =2．2MPa，泊松比 μ =0．269。转盘的最大外径尺寸为1 190mm，厚度为45mm，建立模型如图4所示。采用模态叠加法求解转盘在纵向的振动［7］。考虑到模型的约束情况，转盘通过中心孔与机身进行连接，因此对中心孔的z，x和y方向进行约束。对结构进行模态分析时，一般不必给出全部固有频率和振型，而应着重考虑系统工作条件下所涉及的频率［8］。通过计算得到转盘的前4阶固有频率及振幅，见表2。

表2 转盘前4阶固有频率及振幅

图4 上转盘三维模型

在转盘的大、中模具座上施加载荷为30kN的力，设定分析频率范围为0～200Hz，取20个频率点，求解得到在纵向上(z方向)的振幅频率响应，如图5、图6所示。从图中可以看出，在频率范围为0～200Hz时，中模具最小振幅为0．24mm，最大振幅为5．56mm，大模具的最小振幅为4．55mm，最大振幅为70．88mm。当冲裁频率在接近200Hz时会引起共振。由于数控转塔冲床的冲裁频率≤50Hz，所以不会引起转盘的共振。冲裁频率≤50Hz时，大模具、中模具处的振幅都比较平稳，但是其最大振幅在4．55mm左右。

图5 大模具振幅频率响应

图6 中模具振幅频率响应

3 结构改进

由以上分析可知，提高转盘的装配精度及加工精度，并尽可能地减小偏心距，可以有效地降低转盘的扭转振动。针对纵向振动，提出两个改进方案。

方案1:增加转盘的厚度，因为增加厚度会直接增大其固有频率，而且对于转盘的表面加工以及安装没有影响。分析结果如图7所示，转盘厚度增加到80mm时，在0～200Hz下转盘的最小振幅为1．05mm，最大振幅为1．82mm。

图7 厚度增加到80mm振幅频率响应

方案2:在大转盘边缘安装一个小导轨，并且利用尼龙滑块对其固定，为了防止板材进料时被阻挡，在大模具连线偏转45°处，设立4个固定支持。其固定处的结构布局如图8所示，固定支持位置分别由固定杆、尼龙滑块和导轨构成，固定杆连接机床床身。这种结构不仅对转盘的纵向有减振的作用，同时在转盘旋转时可起到导向的作用。安装导轨滑块后大模具振动频率响应如图9所示，转盘在0～200Hz范围内，转盘的前4阶固有频率见表3，大模具处的最大振幅为0．022 7mm。

图8 固定处结构

图9 安装导轨滑块后大模具振动频率响应

表3 方案2转盘固有频率

4 结束语

本文把受到旋转和纵向冲击的转盘，拆分成扭转振动和纵向振动分别进行分析。通过建立数控转塔冲床上转盘的模型进行计算分析，可以看出在短时间内转盘扭转振动的变化规律。在受纵向周期冲裁力作用下，得到0～200Hz时转盘上不同位置的振幅，及其在产生共振时的频率和振幅。针对转盘的振动，对转盘进行两种减振结构改进，根据分析得出2种方案的减振效果都比较明显，其中方案2的减振效果最为优越，其改进生产成本较低，结构改进装配简单方便，有利于广泛的采用。

［1］ 杨国安．机械振动基础［M］．北京:中国石化出版社，2012．

［2］ 胡爱军，唐贵基，安连锁．基于数学形态学的旋转机械振动信号降噪方法［J］．机械工程学报，2006，42(4):127-130．

［3］ 张勇，蒋滋康．轴系弯扭耦合振动的数学模型［J］．清华大学学报:自然科学版，1998，38(8):114-117．

［4］ 羊拯民．机械振动与噪声［M］．北京:高等教育出版社，2011．

［5］ 闻邦椿，刘树英，张纯宇．机械振动学［M］．北京:冶金工业出版社，2011．

［6］ 凌桂龙，丁金滨，温正．ANSYSWorkbench13．0从入门到精通［M］．北京:清华大学出版社，2012．

［7］ 艾曦锋，巴兴强，王冰．基于ANSYSWorkbench的4G1发动机支架模态分析［J］．交通标准化，2008(9):227-228．

［8］ 许京荆．ANSYS13．0Workbench数值模拟技术［M］．北京:中国水利水电出版社，2012．

The Analysis on the Vibration of CNC Turret Punch PressW heel

ZHANG Jing，GUOWei，CHEN Jian，WU Yunqiang

(Yangzhou University，Jiangsu Yangzhou，225127，China)

CNC turret punch presswheel is the core component of punch press．The rotary force in rotation and cutting cycle generates the rotating vibration and longitudinal vibration of the turntable．It establishes the rotate vibration model，analyzes the vibration of the rotary table in the rotation process，eccentricity，damping ratio and harmonic response based on ANSYS．The analysis results provide structural optimization condition．

Turret Punch Press;Rotating Vibration;Longitudinal Vibration;Harmonic Response Analysis;Structural Optimization

TH122

B

2095-509X(2014)01-0038-04

2013-10-21

张晶(1988—)，女，江苏扬州人，扬州大学硕士研究生，主要研究方向为机械设计制造技术。

10．3969/j．issn．2095-509X．2014．01．010