立式液压精冲机主油缸改进设计.pdf

２０１６ 年 １ 月 第 ４４ 卷 第 ２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｊａｎ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０２􀆱 ０６４ 收稿日期 ２０１４－１１－２６ 作者简介 陈渊 （１９８１）， 男， 工程师， 研究方向为机械装备制造与液压控制。 Ｅ－ｍａｉｌ １２７３３０９９２＠ ｑｑ􀆱 ｃｏｍ。 立式液压精冲机主油缸改进设计 陈渊， 付鹏， 吴磊 （武汉华夏精冲技术有限公司， 湖北武汉 ４３０４１５） 摘要 立式液压精冲机具有生产效率高、 振动小、 性能稳定等优点， 但是其关键部件主油缸容易出现受力不平衡导致 偏载现象。 对主油缸的密封结构、 导向形式进行改进设计， 从而提高主油缸使用寿命和工作稳定性。 关键词 立式液压精冲机； 油缸； 改进设计 中图分类号 ＴＨ１２２ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ２－２１０－３ 精冲作为一种高端冲压技术， 其形成的产品应用 范围越来越宽广。 随着近年来适于精冲的材料进一步 扩展开发， 精冲件的品种越来越多， 单一品种的年生 产纲领量也在逐渐增加。 由于精冲技术改变了传统冲 压工艺的毛坯生产性质， 可直接用板料精冲出尺寸与 形位精度高、 冲切面光洁平整、 可与切削加工工件相 媲美的零件， 生产率可提高 ５～２０ 倍， 甚至更高。 精 冲机是实现精冲工艺技术的专用设备。 精冲设备是实 现精冲工艺的基本前提， 它包括精冲机本体以及自动 化生产两大部分。 精冲机本体应具有刚性好、 导向精 度高和换模方便等性能， 自动化生产部分应能实现送 出料自动化和节拍快等功能。 现在， 由于复合精冲工 艺的应用变得越来越普遍， 对液压精冲机的需求也提 出了更高的要求。 图 １ 结构原理图 在液压精冲机的核心技术中， 主油缸部件是其中 最重要的技术之一。 冲裁力由主缸提供， 并且主缸还 要提供精确的滑块导向。 但是由立式下传动液压精冲 机的构成原理所致， 如图 １ 所示。 精冲模具 ２ 安装在 上工作台 １ 与滑块 ３ 中间， 滑块 ３ 向上运动， 与上工 作台 １ 共同冲压模具 ２， 在这个受力过程中， 滑块 ３ 固定在主活塞 ５ 上面， 模具会对滑块 ３ 产生一定的偏 载力， 偏载力会带动上法兰 ４ 以及下法兰 ７、 滑块 ３ 和主活塞 ５ 一起偏转， 但是上法兰 ４ 与下法兰 ７ 固定 在缸体 ６ 上， 不会随滑块 ３ 偏转， 所以可能会导致主 活塞 ５ 与上法兰 ４ 及下法兰 ７ 之间形成夹角， 从而导 致金属之间摩擦， 进而损坏油缸密封， 造成漏油和主 缸拉伤。 １ 问题分析与解决方案研究 为了解决油缸由于偏载导致的失效问题， 对立式 液压精冲机的工况进行了具体分析， 并提出可行的改 进方案。 如图 ２ 所示， 在精冲过程中， 油缸受到活塞杆轴 线方向的力， 径向力由法兰承受， 从而改变活塞杆与 法兰间的间隙， 当精冲模具冲压受力时， 油缸就受到 偏载力。 而受到偏载力时， 图中的 ２、 ３、 ４、 ６、 ７ 几 处受力位移最大， 很有可能发生摩擦， 造成拉伤以及 密封失效。 所以精冲机主缸设计的关键是防止金属之 间摩擦和抗偏载。 图 ２ 油缸结构图 为了解决偏载问题， 首先加大活塞杆与缸体之间 的间隙， 因为两者之间并不接触， 可以把间隙加大到 ０􀆱 ８ ｍｍ， 从而在极端偏载的情况下， 活塞杆与缸体 也不会发生金属摩擦， 从而避免活塞杆拉伤。 并在充 分考虑密封稳定、 防止金属摩擦等因素后， 提出改进 方案 通过设计主油缸密封结构， 适当加大活塞杆与 法兰之间的间隙， 并提高主密封在与活塞杆呈现夹角 情况下的密封性能， 从而彻底解决主油缸偏载失效问 题。 但是同时考虑如何增大间隙， 方法有两种 （１） 活塞杆直径不变， 加大法兰内径；（２） 法兰内径不 变， 减小活塞杆外径。 选取方法一， 因为如果减小活 塞杆外径， 也就意味着同时也会减小油缸的输出力， 虽然影响不大， 但是活塞杆加工量比较大， 工艺复 杂， 精度控制难度大， 成本较高， 而修整法兰则加工 量小， 且精度控制相对简单， 所以选取方法一。 重新 设计上下法兰的连接方式， 合理设计导套高度， 使得 主油缸不再受偏载的影响。 ２ 立式液压精冲机主油缸改进设计 解决主油缸偏载的设计思路是 加大活塞杆与上 下法兰之间的间隙， 改进主油缸密封结构， 提高主密 封在活塞杆呈现夹角的情况下的密封性能。 改善上下 法兰的高宽比， 提高导向精度。 基于以上的情况， 改 进设计如下 （１） 如图 ３ 所示， 上法兰 ５ 通过螺钉以及定位 销安装在主缸 ９ 内的安装面内， 通过压紧密封圈 ８ 和 套紧密封圈 ７ 来进行静态封油， 为了防止杂质进入密 封圈导致密封失效， 在上部增加防尘圈 １。 图 ３ 上法兰 在上法兰 ５ 的内侧下部分别设置了第一导向环 ４ 与第二导向环 ６， 其中第一导向环 ４ 材质为聚四氟乙 烯， 第二导向环 ６ 材质为纤维增强树脂， 因为上法兰 ５ 内侧越靠近下部， 受到的偏载力越强， 纤维增强树 脂比聚四氟乙烯硬度高， 能承受的抗压强度更高， 所 以第二导向环 ６ 的材质选用纤维增强树脂， 在考虑成 本的前提下， 第一导向环 ４ 选用传统的聚四氟乙烯。 同时增大 Ｌ１， 由一般设计的 ０􀆱 １ ｍｍ 增大到 ０􀆱 ２ ～ ０􀆱 ２５ ｍｍ。 间隙变大， 在主活塞 １０ 的外径尺寸不变 的前提下， 只有加大上法兰 ５ 的内径尺寸， 同时所有 密封圈及导向环沟槽尺寸不变， 这时导向环 ４、 ６ 凸 出上法兰 ５ 内壁。 经过试验可得 第一导向环 ４ 凸出 上法兰 ５ 内壁 ０􀆱 ２ ｍｍ， 第二导向环 ６ 凸出上法兰 ５ 内壁 ０􀆱 ２３ ｍｍ。 经过实验证明， 在这种加大间隙的情 况下， 导向环在工作过程中没有发生脱落或者挤压变 形的情况， 符合设计要求。 （２） 如图 ４ 所示， 下法兰 １０ 通过螺钉以及定位 销安装在主缸 ５ 内的安装面内， 通过压紧密封圈 ７ 和 套紧密封圈 ２、 ３ 来进行静态封油； 为了提高封油性 能， 在套紧密封圈 ２、 ３ 上分别加装了挡圈； 为了防 止杂质进入密封圈， 在底部增加防尘圈 ９。 图 ４ 下法兰 在下法兰 １０ 的内侧上部分别设置了第一导向环 １ 与第二导向环 ４， 其中第一导向环 １ 材质为纤维增 强树脂， 第二导向环 ４ 材质为聚四氟乙烯。 因为下法 兰 １０ 内侧越靠近上部， 受到的偏载力越强， 纤维增 强树脂比聚四氟乙烯硬度高， 能承受的抗压强度更 高， 所以第一导向环 １ 的材质选用纤维增强树脂， 在 １１２第 ２ 期陈渊 等 立式液压精冲机主油缸改进设计 考虑成本的前提下， 第二导向环 ４ 选用传统的聚四氟 乙烯。 同时增大 Ｌ２， 由一般设计的 ０􀆱 １ ｍｍ 增大到 ０􀆱 １５～０􀆱 ２０ ｍｍ 之间。 间隙变大， 在主活塞 １１ 的外 径尺寸不变的前提下， 只有加大下法兰 １０ 的内径尺 寸， 同时所有密封圈及导向环沟槽尺寸不变， 这时导 向环 １、 ４ 凸出下法兰 １０ 内壁。 经过试验可得 第一 导向环 １ 凸出上法兰 ５ 内壁 ０􀆱 １９ ｍｍ， 第二导向环 ４ 凸出上法兰 ５ 内壁 ０􀆱 １５ ｍｍ。 实验证明 在这种加大 间隙的情况下， 导向环在工作过程中没有发生脱落或 者挤压变形的情况， 符合设计要求。 （３） 计算导套高度。 根据液压油缸设计方法导 向公式 ｈ＝（０􀆱 ４～１􀆱 ０）ｄ， 导向精度的高宽比 Ｈ／ Ｂ， 一 般情况下比值取 １􀆱 ０， 但是在精度要求比较高的情况 下， 比值为 １􀆱 ３～１􀆱 ５。 如图 ５ 所示， 以目前市场保有 量较大的 ２ ５００ ｋＮ 液压精冲机主缸为例， 活塞杆大 头直径 Ｄ ＝ ４１０ ｍｍ， 小头直径 ｄ ＝ １９０ ｍｍ， 平均值 ｄ∗＝３００ ｍｍ， 比值按照 １􀆱 ５ 选取， 计算得到导向高 度为 Ｈ＝３００１􀆱 ５＝ ４５０ ｍｍ， 设计上法兰 １ 内部的导 向环与下法兰 ４ 内部的导向环距离为 ４５０ ｍｍ， 符合 高精度导向的高宽比要求。 图 ５ 导套高度 某公司对上述技术进行了实际开发应用， 改造了 ２ 台液压精冲机并进行试验运行。 通过近 ２ 年的试验 运行， 主油缸运行情况正常， 未出现渗油、 活塞拉伤 等失效现象， 很好地解决了偏载问题； 同时保压效果 好， 生产出的零件质量稳定。 ３ 结束语 针对立式液压精冲机主油缸的拉伤及偏载失效问 题， 分析了出现问题的原因， 有针对地提出了改进方 法， 并多次试验验证了方法的可行性及可靠性。 通过 试验证明， 立式液压精冲机主油缸改进设计很好地解 决了主油缸拉伤偏载失效等问题， 并为以后类似问题 的解决提供了一定的参考方法。 通过试验也证明了此 方法对于大吨位液压精冲机偏载失效问题有一定的局 限性， 有待继续研究改进。 参考文献 ［１］ 周开华，幺廷先，齐翔宪．简明精冲手册［Ｍ］．北京国防 工业出版社，１９９３． ［２］ 倪樵．材料力学［Ｍ］．武汉华中科技大学出版社，２０１４． ［３］ 周汝胜，焦宗夏，王少萍．液压系统故障诊断技术的研究 现状与发展趋势［Ｊ］．机械工程学报，２００６，４２（９）６－１４． ［４］ 雷天觉．液压工程手册［Ｍ］．北京机械工业出版社， １９９０． ［５］ 王益群，高殿荣．液压工程师技术手册［Ｍ］．北京化学 工业出版社，２０１０． ［６］ 余佑官，龚国芳，胡国良．ＡＭＥＳｉｍ 仿真技术及其在液压 系统中的应用［Ｊ］．液压气动与密封，２００５（３）２８－４１． ［７］ ＹＡＮＧ Ｈ Ｙ，ＳＨＩ Ｈ，ＧＯＮＧ Ｇ Ｆ，ｅｔ ａｌ． Ｅｌｅｃｔｒｏ⁃ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｔｈｒｕｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｈｉｅｌｄ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］． Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，２００９，１８（７） ９５０－９５６． ［８］ 贺国芳．可靠性数据的收集与分析［Ｍ］．北京国防工业 出版社，１９９７． 􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃 􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃 􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃 􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀧃 􀧃 􀧃 􀧃 “工业再设计” 应成为 “中国 制造 ２０２５” 的内核动力 在通往 “中国制造 ２０２５” 的路上， 我们不仅 面临着发达国家蓄势占优和新兴经济体追赶比拼 的两头挤压的外部挑战， 更为严峻的是我国工业 产品缺乏面向需求的具有系统思维的产品正向设 计和创新制造工艺等关键因素。 “工业再设计” 基 于创新性精密铸造工艺重构了产品研发和制造的 系统设计理念和功能实现路径， 在产品性能提升、 减重增载、 材料要求降低、 成本降低和节能环保 等方面引发颠覆性创新。 “工业再设计” 已经在践 行 “中国制造 ２０２５” 的路线上悄然起步， 初现端 倪， 将在 “中国制造 ２０２５” 的战略任务中发挥巨 大作用。 “工业再设计” 应成为 “中国制造 ２０２５” 的内核动力和创新源泉， 需要学术界、 政府、 企 业和行业促进机构的高度重视和积极推动。 （内容来源 机电商情网） ２１２机床与液压第 ４４ 卷