六连杆机构机械压力机的仿真*

□ 贾 先 □ 谭栓斌

西安思源学院工学院 西安 710038

机械压力机因工作平稳、操作条件好、生产率高、易于实现机械化与自动化等优点，占锻压机械比例的80%以上[1-2]。为了提高机械压力机生产率，必须增加滑块单位时间内的行程次数，但受到冲压工艺变形速度和操作可能性的限制，并且滑块的运动速度应满足冲压工艺的要求。选用何种机构的压力机，主要根据成形速度、加速度和惯性力来确定。曲柄压力机（传统压力机最主要的工作机构[3]）在冲压时速度和加速度较高，容易造成拉伸件的破裂，废品率高，并且冲击振动大、噪声大，造成机床和模具的寿命降低。为了克服这些缺陷，提高生产率，常使用六连杆机构的压力机。

六连杆机构机械压力机通用性好，是目前肘杆机构中用得较多的一种[3]，它由6个构件组成，机构参数多达8个，每个参数的变化都会使冲头（滑块）的运动规律发生变化，控制运动难度很大。笔者采用MATLAB软件对六连杆机构机械压力机进行仿真，以期找到防止工件产生裂纹的原因，满足工件拉延的加工要求，提高模具使用寿命[4]。

1 六连杆机构运动特性的理论分析

六连杆机构原理如图1（a）所示，由曲柄OB、拉杆O1A、三角连杆ABC、肘杆CD和滑块组成，曲柄OB、三角连杆的AB杆和拉杆O1A组成曲柄摇杆机构，主动曲柄OB匀速转动，带动连杆AB作平面复杂运动，该机构利用连杆上任意点运动规律的多样性，将三角连杆ABC的BC杆作为连杆滑块机构中连杆，通过BC杆和CD杆带动滑块上下运动，对加工工件实现冲压过程。 该机构可以通过合理调整 R、R1、L1、L2、L3的长度，θ角的大小和机架上两点O、O1之间的相对位置，调节滑块的运动学特性。

假设曲柄R以等角速度ω逆时针方向回转，为了使机械压力机在冲压时的传力特性良好，要求滑块在下死点时OB、BC、CD三杆共线，即机构的压力角β=0°，所以O1A杆长R1不是独立参数，应满足以下关系式：

滑块的位移、速度、加速度均是曲柄转角α的函数，由图1（b）可以看出，滑块的导路通过曲柄的回转中心O。由解析法得出该六连杆机构的运动学方程如下。

（1）滑块位移方程为：

其中设：

则：

▲图1 机构原理图

（2）滑块速度方程为：其中：

（3）滑块加速度方程为：其中：

2 六连杆机构滑块运动学的特性分析

以滑块行程为40 mm、公称压力行程为4 mm、滑块行程次数为200次/min为约束条件，选择一曲柄压力机如图 1（b）所示，曲柄R=20 mm，连杆L=200 mm，在MATLAB中输出该机构2个完整冲压过程中滑块位置、速度、加速度曲线如图2（a）所示。由图可以看出，曲柄压力机的位移、速度、加速度曲线是3条相位差分别为90°的正弦曲线。在压力机进行冲压工作即滑块向下运动的最后4 mm（公称压力行程）内，如图中阴影部分的时段，位移和速度曲线斜率较大，速度和加速度曲线无明显的平台存在，滑块最大速度为261.7 mm/s，最大加速度值为9 650.3 mm/s2。机构位移曲线呈对称形状，机构无急回特性。

在冲压时，如果变形速度过高，会产生工件破裂，为保证拉伸质量，以公称压力行程内滑块最大速度最小化为目标，确定六连杆式压力机的结构尺寸为：R=6.4 mm，L1=19.7 mm，L2=40.6 mm，L3=28 mm，θ=135°，X=25.8 mm，Y=3.5 mm（R1=16.6 mm）。根据前面推导出的公式，在MATLAB中输出该机构2个完整冲压过程中滑块位移、速度、加速度曲线如图 2（b）。由图看出，在压力机冲头进行冲压工作的4 mm（公称压力行程）内，如图中阴影部分的时段，速度曲线在0 mm/s附近和加速度曲线0 mm/s2附近有明显的平台存在，滑块最大速度为105.6 mm/s，最大加速度值为7 278.7 mm/s2。机构位移曲线是一条冲压过程曲线斜率较小、回程曲线斜率较大的不对称曲线，有明显的急回特性。

综上所述，所设计的六连杆机构整个公称压力行程在4 mm内。

（1）滑块的最大速度比在相同条件下曲柄滑块机构下降59.6%。工件在拉伸加工时，如果变形速度过快，会产生工件破裂，为了保证拉伸质量，拉伸工件时滑块的速度有一定的限制。降低压力机公称压力行程内的最大速度，保证滑块工作行程速度低而均匀，不但可以满足板料合理拉延速度的需要，提高拉延零件的质量，而且由于工作行程开始时上模接触下模的速度较低，可以减小传动系统的动载，减少模具的磨损，提高模具使用寿命，降低冲击噪声。

（2）滑块的最大加速度比相同条件下曲柄滑块机构下降24.5%。冲压时加速度较高，易造成机身的冲击振动大、噪声大，造成机床和模具的使用寿命降低。降低压力机公称压力行程内的最大加速度，冲压时机身产生的冲击振动减小、噪声降低，提高了机床和模具的使用寿命。

（3）六连杆机构的急回特性因子为1.87，在满足相同板料合理拉延速度需要时，可增加滑块行程每分钟次数，提高生产效率。

3 结束语

（1）六连杆机构在整个公称压力行程内，滑块的最大速度为105.6 mm/s，比相同条件下曲柄滑块机构的261.7 mm/s下降59.6%，可以满足板料合理拉延速度的需要，提高拉延零件的质量。

（2）六连杆机构在整个公称压力行程4 mm内，滑块的最大加速度为7 278.7 mm/s2，比相同条件下曲柄滑块机构的9 650.3 mm/s2下降24.5%，可以减小传动系统的动载，提高模具使用寿命，降低冲击噪声。

（3）滑块的空程速度高，整个机构的急回特性因子为1.87，可以提高滑块行程每分钟次数，可以提高生产率。

[1]何德誉．曲柄压力机[M]．北京：机械工业出版社，1981．

[2]刘海彬．基于ADAMS的多连杆压力机参数化设计与优化研究[D]．青岛：山东科技大学，2011．

[3]赵升吨，张宗元，张贵成，等．回转头压力机不同的工作机构动态特性的研究[J]．机床与液压，2014（11）：32-37．

[4]杨春峰，张盛，李云鹏，等．机械压力六连杆机构优化设计[J]．大连理工大学学报，2013，53（1）：64-70．