数控转塔冲床动态特性研究

龚立新，胡金龙，吴长明，佘 健

（江苏扬力数控机床有限公司，江苏 扬州 225127）

0 引言

数控转塔冲床作为金属板材加工领域中的重要设备，至今已有近七十年的应用和发展，是汽车、家用电器、计算机、仪器仪表、电子信息、纺织机械等行业中重要的工艺装备。近年来，数控转塔冲床正向着高速、高精、大吨位、柔性化方向发展。但随之而来的振动和噪声问题则需引起足够重视。对数控转塔冲床而言，其冲裁噪声声压级一般在90～110dB 之间，严重影响到生活环境、 产品加工精度以及设备使用寿命。因此，对数控转塔冲床的振动和噪声控制进行研究具有现实意义。

本文以公司的T30 型数控转塔冲床为例，在通用前处理软件Hyperworks 中建立了有限元模型，在Ansys 中进行了模态分析，在显式动力学分析软件LS-DYNA 中对转塔冲床在打桩工况下的动态响应进行了分析和研究，该方法和成果具有重要意义。

1 有限元模型的建立

非线性显式动力学分析程序LS-DYNA 对有限元格要求很高，实体模型最好采用全六面体单元，不推荐使用四面体单元。另外，网格的大小也必须加以控制，过小的网格尺寸直接导致时间步长过小，虽然有利于提高计算精度，但是计算时间过长，甚至达上万小时。模型采用3D 实体单元Solid164 进行离散，单元算法采用单点高斯积分(Const.stress)，Lagrange算法。通过关键字control_bulk_viscosity 和control_hourglass 进行沙漏能控制。

图1 在Hyperworks 建立的转塔冲床有限元模型

在通用前处理软件Hyperworks 中对三维CAD实体模型进行网格离散，共划分了 18410 个Solid164 单元，最小单元尺寸为10mm，有限元模型如图1 所示。

2 模态分析

模态分析是结构动力学分析的主要内容，也是结构动力学分析的基础。模态分析的目的是为了得到结构的模态参数，进而确定结构的动态特性。结构的模态参数包括：模态频率、模态向量（振型）、模态质量、模态刚度、模态阻尼等，其中模态频率和模态向量是最主要的模态参数。该类型转塔冲床的工作频率一般为400 次～600 次/min，而转塔冲床的前几阶模态频率通常不高，理论上有发生共振的可能，因此在压力机动态响应分析前，首先确定压力机的前几阶模态频率和振型是非常必要的。

在Ansys 中进行模态分析，获得了前三阶的模态的频率和振型，具体如下：

第一阶模态频率是27.7Hz，振型是机身在x 向（左右方向）的晃动，振幅由下到上逐渐增大；第二阶模态频率是47.9Hz，振型是机身在z 方向（上下）的振动；第三阶模态频率是54.4Hz，振型主要是机身后部的局部振动。前三阶模态频率与系统的激励频率相差较大，系统不会工作在共振区；第一、三阶振型与工作力不在同一方向上，对压力机的动态性能影响不大，第二阶振型与工作载荷在同一方向，对加工有影响。

3 动态响应分析

在外部载荷作用下，结构系统的振动位移、速度、加速度随时间发生变化，这些变量就是动力学响应。动力学问题的有限元方程是通过空间离散方法获得的，但在时间域上保持着连续性。动力学问题与静力学问题有本质不同，需要考虑时间域的离散求解，这就是时域积分方法。时域积分方法求解动力学响应问题主要采用两种算法，即隐式算法和显式算法。隐式算法一般采用Newmark 方法，通常 Newmark 算法是无条件稳定的，相对于显式算法，求解精度较高，但求解效率低，容易出现收敛问题。显式算法一般采用中心差分向前时间积分方法，在进行动力学分析时，具有极高的计算效率，一般不会出现收敛问题，尤其适合处理极端状态下的高度非线性动力学问题。隐式分析与显式分析各有优缺点，综合考虑数控转塔冲床的动态响应特点，本文采用LS-DYNA 的显式时间积分方法进行动态响应分析，获得了数控转塔冲床在300kN 打桩工况下的位移、速度和加速度曲线。

图2 模态分析结果

打桩工况下，冲头安装位置的z 向动态响应曲线如图3 所示，该点的z 向振动位移峰值为0.58，z向的最大振动速度为400m/s，最大z 向加速度为1.4e6m/s2，主要集中在 100Hz、250Hz、575Hz 三个频段。

通过对仿真曲线的分析可知，冲床在工作过程中，在工作载荷的作用下，机身发生弹性变形并储备一定的弹性势能，在工作载荷消失瞬间，储备在机身上的弹性势能就会以振动的形式释放出来。由于机床结构阻尼的存在和机床不断向周围环境辐射噪声，使得振动能量不断衰减，直至为零。

4 结论

图3 冲头安装位置的z 向动态响应曲线

在转塔冲床工作过程中，由于工作载荷的作用，不可避免地产生振动和噪声。剧烈的振动和噪声不仅会降低设备的加工精度，缩短设备的使用寿命，增加供料装置、电子液压元器件的损坏概率，还会对工作、生活环境产生不良影响。为此，对转塔冲床进行减振降噪研究具有重要意义。

本文在对T30 型数控转塔冲床进行模态分析和动态响应分析的过程中，解决了一些技术难题，也提出了一些有价值的方法，然而有许多问题仍需要探讨和研究，在本文基础上可以从以下几方面进行转塔冲床的减振降噪研究：

（1）优化冲头运动曲线，如采用伺服电机驱动主传动机构，利用其运动曲线的可控性，在冲头接触板面的瞬间降低速度，可以在很大程度上抑制振动和噪声的产生。

（2）优化转塔冲床机身结构，提高机身的静、动态刚度，对噪声产生的声源进行主动控制。

（3）对噪声传播的途径进行隔离，比如设计冲压区域隔离罩，并在隔离罩上粘贴阻尼材料，利用阻尼材料进行吸声。

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