冲压机床碟形弹簧振动缓冲器的研究开发.pdf

研 究与 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 2 ． 0 8 ． 0 3 2 冲压机床碟形弹簧振动缓冲器的研究开发 孙培 明 。 ‘ ，陈树钦 1 ．揭阳职业技术学院机电系， 广东揭阳 5 2 2 0 0 0 ；2 ． 揭阳市大立模具有限公司， 广东揭阳 5 2 2 0 0 0 摘要通过对冲压机床振动缓冲系统的研究，介绍一种冲压机床振动缓冲器的设计方法，该缓冲器采用碟形弹簧作为减振器 件 ，具有 良好的载荷 一变形 曲线 ，能 以小的变形承受大的冲击载荷 ，对冲击振动 的缓冲性能 良好 ，机床 自身振 动小。 关键词 冲压机床；缓 冲器 ；振动 ；碟形弹簧 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 2 1 0 80 1 0 7一o 3 Re s e a r c h a n d De v e l o p m e nt o f t h e Di s c Spr i ng Buf f e r o f t h e Punc h M a c h i ne S UN Pe i mi n g ． CHEN S h uq i n 1 ． De p a r t me n t o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g ， J i e y a n g Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， J i e y a n g 5 2 2 0 0 0， C h i n a ； 2 ． J i e y a n g D A L I Mo u l d C o ． ，L t d ． ，J i e y a n g 5 2 2 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e i n t r o d u c e s t h e d e s i g n o f a k i n g o f t h e p u n c h ma c h i n e ， i ． e ． v i b r a t i o n b u f f e r ba s e d o n t h e v i b r a t i o n d a mp i n g s y s t e m o f i t ， t h e b u f f e r d i s c s p r i n g i s a d o p t e d a s d a mp i n g d e v i c e ， i t h a s a g o o d l o a dd e f o r ma t i o n C H I V e， wi t h a s ma l l d e f o r ma t i o n u n d e r i mp a c t l o a d， a n d t h e c u s h i o n p e r f o r ma n c e o f s h o c k a n d v i b r a t i o n i s g o o d， t h e v i b r a t i o n o f t h e ma c h i n e i s s ma l 1 ． Ke y wo r ds p u n c h ma c h i n e ； b u t t e r ； v i b r a t i o n；d i s c s p r i n g 0 引言 在机械设备中 ，冲压机床的振动与噪声很 突 出 ，我国冲床车问噪声一般高达 9 01 l O d B，给 设备和车问人员造成极大的危害 ，对环境造成影 响。冲压机床 的振动与柴油机 、压缩机等旋转式 机械设备的振动不同，其瞬时冲击力大，振幅 大 ，振动具有 突发性 和频发性 ；冲压机床 的振动 缓冲器 的减振材料有多种形式 ，包括阻尼油 、空 气弹簧、橡胶弹簧、圆柱弹簧、不锈钢钢丝等， 虽然各 有优 点 ，但也存 在造价 高 、需 要辅 助设 备 、设备易晃动等问题 ，下面结合 冲压机床 的振 动特点和蝶形弹簧的机械性能分析 ，介绍机床蝶 形弹簧缓 冲器的设计 。 1 冲压机床的振动 冲击是冲压机床振动的主要原 因，当冲头 冲 裁坯料时 ，冲头受到阻力突然停 止所产生的反 向 加速度很大 ，产生强烈的冲击振动 ；被冲击 的坯 料 由于受击而发生振动 ，冲压机床冲击力的作用 收稿 日期 2 0 1 2 0 71 2 时 间很短 ，振动属瞬态振动 ，振 幅跳跃式变化 ， 其冲击激励可表达为力脉冲 、加速度脉冲或速度 阶跃 ，冲床的冲击力波形如图 l 所示 。 P ～ ’ I { l } ．一 一 8 l l J f 图1 冲床的冲击力波形 图 中t 是 时间 s ， P是 冲击力 k g ，由图 1 可 知 ， 每 一 次 冲 击 的 作 用 时 间 很 短 ， 约 0 。 5 s 0 ． 6 s，但冲击力幅度变化很大，引起设备的 强烈振 动 ，在 工程上 ，振 幅突然变化 的跳跃 现 象 ，是非线性 系统特有 的现象之一 ，冲压机床的 冲击振动可转换为非线性振动问题加以处理。 r ’ T ⋯ ＼ ＼ 1 0 7 ＼ I ． ． ． 。 ．． ． ． ． ． ． ． - ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． - ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． J ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． 【 -． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． 与开发 2 冲击振动缓冲系统 的的研究 m于冲压机床冲击力的作用时间很短 ，冲击 缓 冲系统的吲有振动周期 比较 长，冲击作用可简 化为速度 阶跃的冲击模型 ，这一模型可使缓冲系 统设计计算简化 ．在设计缓冲控制量 时，包括缓 冲器的最大压缩量 、最大 冲击力 、最大加速度等 可用冲击模型计算 ，冲击 力脉冲和加速度脉 冲也 可简化为等效的矩形脉冲。 冲击力传递是冲压机床振动的重要因素，冲 击缓 冲系统必须具 备较小 的冲击传递系数 ，才 能有效 的减弱振动 ，根据振动力学理论 ，如果忽 略阻尼比，冲击 力传递系数 可简化为 1 1 t 1 f 旦 1 一 J ∞ f _ 式 1 中 是冲击频率 ， 。 是设备缓 冲 系统同有频率 。 F } 1 1 式可知 ，要降低 ，由于冲压机床冲 ． j J l 1 T次数 生产1 二 艺决定 ，冲击频率∞ 必须满 足生产需要 ，不能随意改变，故必须降低设备缓 冲系统同有频率 ，同有频率 与缓冲器刚度成 L E 比 ，因此 ，要取得 良好的缓 冲效果 ，应使缓 冲 系统 的同有频率小 ，缓冲器刚度较低 ，才能有效 降低 冲击力 ，减小振 动幅度 ；缓 冲系统应具有 良 好的载荷 一变形 曲线 ，适应非线性振动 系统的振 动缓卅 I 。 冲击缓冲系统必须确保设备 自身振动在许可 范 内，这个 问题在一般设计资料 中较少涉及 ， 但对冲 机床缓 冲系统设计应予 以重视。由于冲 压机床瞬时 冲击 力大 ，虽然缓冲系统有效降低 了 设备基石 的振动 ，若设备 自身振动 幅度大 ，甚至 现 “ 晃动” ，容易导致设备零部件的变形 ，磨损 增大 ，设备使用寿命缩短 ，设备加丁精度降低 ， 操作人 员的控制准确度下降 ，出现视觉疲劳 ，易 造成安全操作事故 。因此 ，缓冲器 自身的弹性 变形量要控制存一定的范同，以小 的变形承受较 大 的冲击 力，才能使设备 自身振动幅度控制在允 许的范 内。 冲 机床的冲击振动是周期性 冲击 ，应 防止 冲击共振 ，如果冲击缓冲系统一个 冲击脉冲引起 的响应 ，在下一向脉 冲到来之前衰减完毕 ，则周 期 冲 击力就不会导 致 系统 内振动 波的叠加 和放 大 ，避免引起共振 ，因此 ，振动衰减时 间要短 ， 才能避免防止冲击共振 ，如 3 5 t 冲床安装振动缓 冲 器后 ，振动衰减时间可降低到 0 ． 1 l ～0 ． 1 3 s。冲击 缓 冲系统要有适 当低 的阻尼 比 ，一般 阻尼 比∈ 8 7 ，有效 减小冲击传递系数 ，防止产生共振 ；缓冲器 的弹 簧变形量较小 如载荷 6 ． 5 t 缓冲器 的变形量在 3 ram 以下 ，缓冲器阻尼比取为 0 ． 1 5 ～0 ． 2 5 。 冲压机床碟形弹簧缓冲器的结构如图2 所示 ＼ ＼ I 、 ＼ 0 F ‘ 0 1 l _ 一I 、l l I I I } f 缓和的形式作用于设备基础和设备，冲击结束后 将此 能量 以系统作衰减 自由振动 的形 式释放 出 来 。冲击力作用过程只在一瞬间 ，且碟形 弹簧的 变形位移很 小 ，冲击加 载过程 O A B C段的载荷 一 变形 曲线如图 3 所示 ，未受 冲击力之前 ，缓 冲器 仅 承受冲压机床 自身重量 ，碟形弹簧刚度呈硬性 O A段 ，在 冲击力作 用下 ，弹簧变形 吸收能量 ， 初期 弹簧刚度较软 A B段 ，变形量大 ，随着 载 荷增大 ，变形量增速减小 ，载荷增大到某一数值 B C 段 ，刚度呈硬性而实现限位保护。该变形曲 线呈硬一软一硬的非线性刚度特征 ，是较为理想 的载荷 一变形 曲线 。 当载 荷达 到最大 值 C点后 a 缓 冲器外结构简图 b 碟形弹簧组合示意图 1 ． 承压板2 ． 支承板3 ．减振柱 4 个 4 ． 安装螺栓 图2 碟形弹簧缓冲器结构简图 缓冲器 由承压板 、支 承板 、四个减 振柱组 成 ，承压板承载 冲压机床 ，支承板置于设备基础 上 ，缓 冲器的重要部件是减振柱 ，减振柱中安装 组合式碟形弹簧、弹簧导杆、阻尼材料，组合碟 图3 缓冲器的载荷一变形曲线 F ． ￡ 形弹簧采用片 数逐渐增加 的 组合 ，有利于 在冲击力增大 到一定数值后 缓冲器呈硬性 特征 ，其载荷 变形 曲线 是 非 线 性 的 ， 具备 良好 的冲 击 缓 冲性 能 ， 经在 3 5 吨冲床上试验 ，缓冲器的载荷 F 一变形s 曲 线如 图3 所示 ，O A B C是加载过程 ，C日 A 0是卸 载过程。 缓冲器实际是一个储能器 ，使 冲击波以较为 如 冲裁板坯达 到约一半 厚度 ，载 荷 由c点下降 ，缓 冲器弹簧刚度仍 处于 硬性 阶段 ，变形 量 很小 C B， 段 ，弹簧存储能量释放 出来 ，变形 增 大 ，弹簧刚度变软 B。A 。 ，弹簧 存 储 能量继 续释 放 ，变形量 减小 ， 弹簧刚度又呈硬性 A 0段 ，直 至 能量释放完毕 ，回到A点。缓冲器在 储 能和释放能量 的过程 中实现振 动 缓 冲 ，这种硬一 软一硬 的非线性 刚 度特征 ，收到 良好的冲击缓冲效果 ，以较小的变 形量吸收大冲击载荷 ，显著降低机床的振动和噪 音 ，确保 冲压机床 自身振动很小 振 幅在 2 m m以 内 。经在 3 5吨和 6 0吨冲床上安装缓冲器进行 振 动和噪音测试 ，数据如表 1 所示 。 表 1 冲压机床振 动及噪 声对 比表 机床类别 3 5 吨冲 床 6 O 吨冲 床 是否装缓冲器 无缓冲器 有缓冲器 无缓冲器 有缓冲 器 设备基础 加速度 s O 9 3 O ．2 5 1 ． 1 6 0 l3 4 竖向振动 振幅m m 0 ．o o 81 O ．0 o 3 8 0 ． 0 0 9 2 0 ．0 0 41 机床噪音d B l O 5 6 l l 1 2 6 7 在冲床上安装缓冲器后 ，冲床冲击力P随时 间t 变化的波形如图4 所示。 安装缓 冲器后 ，冲床设备基础振动和机床噪 音显著降低 ，从表 1 和图4 可知 ，振动加速度和振 幅分别可降低 7 0 ％以上和 5 0 ％以上 ，噪音降低 4 0 ％以上 。冲击力波形 明显收窄 ，振动衰减时间 缩短为0 ． 1 s ～0 ． 1 5 s ，收到良好的冲击缓冲效果。 下转 第2 3 1 页 经验 夹具能保证工件的加工精度 ，一次装夹就能完成 工件的加工要求 。 2 转盘式镗 、磨夹具 比老式夹具省 时 、省 工 ，经济 ，精 度可靠 ，操作也 更方便 。如果 材 料、制作工艺到位，特别适合大批量生产。能提 高加工的效率 ，降低加工成本。 3 加 工 底 盘 l 0 ，偏 心 距 取 工 件 中心 距 0 ．0 3 ra m的1 ／ 2 精度 ，控制底盘 1 1 1 9 0 k 6 与磨头 法兰及心轴 q b 3 4 H 7 ／ s 6与底盘 1 0 偏 , S f L 的配合 间 隙取最佳公差 ，以减少安装 累计误差 。这是保证 夹具精度的要素之一。 4 心轴的作用是保证工件 l 5 加工完第一个 孑 L 后 ，在夹具上转动加工第 二个 孑 L 的定 位精度 ， 所 以吊紧螺钉 6 与心轴的配合需要较高 的尺寸和 定位精度 ，通过查表得 ，吊紧螺钉进行定位时的 误差应小于0 ． 0 1 0 mm。 5 心轴 8 与另一个定位中5 的轴线误差是保 证两孔中心距零件 1 5 加工合格的重点所 以定位应 控制在 0 ． O 1 5 m m之 内。 6 综上所述 ，心轴 8 与 吊紧螺钉 6 的定位误 差小于 O ． O l O mm，心轴 8 与另一个定位 5的轴线 误差小 于 O ． O 1 5 m m，之 和为 0 ． 0 2 5 ram，所 以该夹 具的综合误差为0 ． 0 6 5 mm，满足夹具定位要求。 参考文献 [ 1 ]刘守勇． 机械制造工艺与机床夹具第二版 [ M]． 北 京 机械 工业出版社 ，2 0 0 6 ． [ 2 ]邵 东向． 机床专用夹具图册 [ M]． 哈尔滨哈 尔滨工 业大学 出版社 ，2 0 0 5 ． [ 3 ]肖继德． 机床夹具设计 第2 版 [ M]． 北京 机械工 业 出版社 ．1 9 9 0 ． 作者简介张胜 ，男 ，1 9 7 7 年生 ，河南信阳人 ，大学本 科 ，助理讲师。研究领域机械制造 、模具设计 、数控加 工教学和计算机辅助设计。 编辑 王智圣 上接第 1 0 9页 l - IJl I‘ ‘ ． ． ． - _ r’ ’ 『 0 f 图4 安装缓冲器的冲床冲击力波形 冲压机床碟形弹簧缓 冲器制造成本低 ，安装 方便 ，无需供油或供气系统 ，使用极 为方便 ，其 结构呈正方形 ，如4 5 0 m m 4 5 0 mm，可根据机床大 小安装多个缓冲器 ，显著降低振动和噪音。 5结论 综 上所述 ，冲压机床 振动 属非 线性 瞬态振 动 ，振动 冲击力大 ，作用时间很短。振动缓冲系 统要求 固有频率低 ，刚度较低 ，载荷 一变形曲线 为非线性 ，确保机床 自身振动在许可范 围内。冲 压机床蝶形弹簧振动缓冲器具有良好的载荷 一 变 形 曲线 ，呈硬一软一硬的非线性刚度特征 ，能以 较小 的变形 承受大 的冲击 载荷 ，振 动缓 冲效果 好，机床 自身振动很小，缓冲器制造成本低，无 需附属设备 ，是一种 良好的冲压机床振动缓冲 器 。降低冲压机床振动和噪音是一个综合性 的问 题 ，安装振动缓冲器无疑是十分重要措施 ，从冲 压机床本身出发 ，降振降噪的措施很多 ，包括冲 压模具本身的减振设计 ，厚料或大型冲裁件采用 斜刃 冲裁模具 b ，加强设备部件润滑 ，提高设备 零部件加精度和配合等 ，通过安装蝶形弹簧振动 缓冲器，使冲压机床车间的振动和噪音能够安全 达标。 参考文献 [ 1 ]成大先． 机械设计手册 第五版 [ M]． 北京化学工 业 出版 社 ．2 0 1 0 ． [ 2 ]刘延柱，陈文良，陈立群． 振动力学 [ M]． 北京高 等教育出版社，1 9 9 8 ． [ 3 ]陆文遂． 碟形弹簧的计算设计与制造 [ M]． 上海复 旦 大学 出版社 ．1 9 9 0 ． [ 4 ]马武伟，杨先健，张翠红，等． 新型阻尼弹簧隔振器 的研制与应用 [ J ]． _ r - ,3 k 建筑，2 0 0 8 s 1 4 0 8 4 1 0 ． [ 5 ]马正元，韩启． 冲压工艺与模具设计 [ M]． 北京机 械 工业 出版社 ，2 0 0 6 ． 第一作者简介孙培明，男，1 9 6 3 年生，广东揭阳人 ，高 级工程师。研究领域 铝热 L g n I技术。已发表论文2 1 篇。 编辑 向飞 [二 ]