曲柄伺服压力机设计及有限元分析

山东鲁南机床有限公司 （滕州 277500） 孙彦旭 王绍存 李 鹤

1.压力机的技术规格

本设计参照国家开式压力机基本参数标准《GB/T 14347—1993》和日本AMADA公司的SDE系列数控电动伺服压力机SDE－2025 C型压力机的技术参数，结合西门子公司伺服电动机的技术特性，拟定了技术参数。

2.压力机运动特性

本设计为曲柄连杆伺服压力机，其滑块的运动特性符合如式（1）的正弦规律，式（2）为滑块速度，式（3）为滑块加速度，计算公式如下

图1为滑块位移s、速度v和加速度a与曲柄转角的关系曲线图。

图1

3.压力机动力特性

本压力机设定，当滑块向下位移到距下死点6mm处时，公称压力Fg为2000kN，即当曲柄与垂线的夹角为20.2°时，滑块上受到最大的作用力（公称力Fg）。此时曲柄上受到的转矩为

式中，F为工件变形力（N）；dA为曲柄颈直径（m）；dB为连杆球头直径（m）；d0为支承颈直径（m）；μ为摩擦系数。

根据拟定的技术参数，选西门子某型转矩伺服电动机。该电动机的特性如图2所示。

图2 伺服电动机特性曲线

依据图2所示的电动机特性，计算出如图3所示的压力机载荷与滑块位移关系图。图3中线1是电动机最大转矩为Mmax=8150N·m时，转速为n=160 r/min；线3是电动机最大转速为nmax=440r/min时，转矩为M=2000N·m；线2是电动机额定转速为nn=250r/min时，转矩为Mn=4950N·m。

图3 压力机载荷与滑块位移关系曲线

本设计的传动系统，当电动机在最大转速（nmax=440r/min）时，滑块行程速度为44次/min；当电动机在最大转矩（Mmax=8150N·m）输出时，滑块行程速度为16次/min。即，当滑块行程速度在1 ～16次/min内，电动机均可以输出转矩Mmax=8150N·m。因此，在空行程时，滑块可以44次/min的速度运动，在工作时滑块可以在1 ～16次/min的速度内运动，如图4所示。

图4 滑块的位移-时间和载荷-时间曲线

图4中滑块在整个周期受载荷的状况，其中实线为滑块位移，虚线为模拟工作载荷。伺服压力机工作过程中采用的“快-慢-快”模式，即滑块空程快速下降，然后慢速接近工件，并低速工作，回程时快速上升。

4.传动系统设计

选择的西门子伺服电动机，额定转速250r/min，最大允许转速440r/min，额定功率50kW。齿轮的传动比为i=10.1；选择材料：小齿轮：45钢，调质处理，硬度为217 ～255HBW；大齿轮：45钢，正火处理，硬度为169 ～217 HBW。

传动系统结构如图5所示，主要由转矩伺服电动机、小齿轮轴、大齿轮、曲轴、连杆和滑块组成。滑块的封闭高度调节机构采用蜗杆蜗轮组件，由控制系统监测和控制过载状况。轴与电动机、齿轮的连接均采用胀套结构。

5.机身结构设计

（1）初步设计 根据设计参数综合考虑，得到框架侧板的具体尺寸如图6所示。

图5 传动系统结构

图6 压力机侧板尺寸

（2）有限元分析 建立整机有限元模型（见图7a），利用ANASYS-Workbench软件进行整机和零部件的刚度及强度分析。主要分析公称压力2000kN时，整机的变形和受力情况。图7b、图7c、图7d为在X、Y、Z轴的变形。

图7 压力机机身整机刚度分析

压力机的整体变形主要包含两个方面：一是角变形，即滑块下平面与工作台平面间产生夹角的变形；二是使滑块下平面发生垂直变形（见图8）。

计算得到的角变形：Δα= 2.57′；垂直方向变形：Δh= 1.72mm。

对曲轴的刚度和强度分析：如图9所示，曲轴的圆角处发生应力集中（见图9中支撑轴柄与曲柄连接处的所示区域A），应力达到333MPa。但由主应力方向分析可知，该处主要为压应力，不易造成断裂。另外曲轴有些变形。

图8 滑块的倾斜与垂直方向的变形

图9 曲轴的刚度与强度分析

（3）结构优化设计 根据上述分析，增加曲轴相关尺寸、机身侧板尺寸，结合其他处理，改进设计的结构如图10所示。

图10 改进后的机身结构

改进设计后得到以下结果：

工作台角变形和垂直变形：Δα1=0.89′，Δh1=0.063mm。

滑块角变形和垂直变形：Δα2=1.49′，Δh2=1.469mm。

对于整机总体变形为：

角变形：Δα=Δα1+Δα2=2.38′。

垂直变形 ：Δh=Δh1+Δh2=1.53mm。

曲轴最大应力降低为：250MPa。

6.本伺服压力机的优点

（1）提高了压力机的通用型和智能化水平 由于其伺服功能，滑块运动曲线不再仅仅是正弦曲线，而是可以根据工艺要求进行优化设计的任意曲线。

（2）提高了滑块的运动精度 由于采用位置全闭环控制，在曲轴和滑块上分别装有测量曲轴位置和滑块位置的传感器，滑块在整个压力机工作全程都具有高的运动控制精度。

（3）提高了压力机生产效率 由于其保留了曲柄压力机的优点，尤其是生产率远高于液压机，体现了液压机的加工质量，机械压力机的生产效率。不仅如此，伺服电动机驱动曲柄压力机还可以根据工件的不同，调整滑块行程，在一个工作循环中无须完成360°旋转，而只进行一定角度的摆动来完成冲压工作，这就进一步缩短了循环时间。

（4）节能 伺服电动机驱动压力机，完全靠电动机的转矩工作，电动机在冲压时才旋转，普通曲柄压力机的电动机和飞轮空转耗能得以节省。又由于没有了离合器，也减少了离合器的能耗。这种压力机较普通曲柄压力机节能30%以上。

（5）减少噪声、提高模具寿命 伺服电动机驱动数控压力机的冲裁噪声较常规曲柄压力机降低了40dB。同时，由于没有电动机和飞轮的空转，不冲裁时，可以完全没有噪声。由于可以设计特殊的工作特性曲线，控制冲裁时的冲头速度，从而减少冲裁的振动和噪声，提高模具使用寿命。