基于ADAMS的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床模具彈簧設(shè)計與仿真

吳正剛，龔立新，夏 鵬，佘 健

（江蘇揚力數(shù)控機床有限公司，江蘇 揚州 225127）

0 引言

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床作為金屬板材加工關(guān)鍵設(shè)備，至今已有近六十年的應(yīng)用和發(fā)展歷史，現(xiàn)已成為汽車、家電、計算機、儀器儀表、電子信息、紡織機械等行業(yè)中最為重要的工藝裝備。現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展要求數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床不僅能夠高速、大負載運轉(zhuǎn)，而且還需智能化，節(jié)能，環(huán)保。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的模具彈簧主要包括支撐彈簧和退料彈簧，其中支撐彈簧的作用是使模具快速復(fù)位，退料彈簧的作用是克服模芯外圓柱面與沖裁孔內(nèi)圓柱面間的摩擦力，實現(xiàn)退模。模具彈簧參數(shù)的匹配對設(shè)備的加工效率、主傳動功耗、安全性以及沖裁過程中的振動和噪聲等均有顯著影響。以退料彈簧為例，如果彈簧力偏小，不足以克服模芯與沖裁孔間的摩擦力，無法實現(xiàn)退模，極易引發(fā)安全事故；如果彈簧力過大，則會增加主傳動電機的能耗，同時引起振動和噪聲。根據(jù)我公司測試中心的測試結(jié)果，對1mm板厚的Q235A冷軋鋼板進行?31.7mm孔徑?jīng)_孔加工時，采用輕型彈簧時的沖裁噪聲較采用重型彈簧時減小了5dB。

針對上述問題，本文以公司的EP30型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的B工位為例，在多體動力學(xué)軟件ADAMS中建立了模具及彈簧系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型，在虛擬環(huán)境下對系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行了研究，能夠為模具彈簧的設(shè)計及優(yōu)化提供理論依據(jù)，對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床加工頻率的提升以及減振降噪具有指導(dǎo)意義。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

EP30的B工位模具彈簧系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，由打擊頭、上模體、退料彈簧、支撐彈簧、轉(zhuǎn)盤、下模、導(dǎo)桿、模芯、導(dǎo)套、板材等部分組成，其中F1為支撐彈簧對上模體的作用力，F(xiàn)2為退料彈簧對模芯的作用力，F(xiàn)3為模芯與沖裁空間的摩擦力。模具在初始位置如圖1a所示，在加工過程中，打擊頭向下運動并與模芯上部圓柱凸臺的上表面接觸，由于支撐彈簧的剛度遠小于退料彈簧的剛度，此時支撐彈簧被壓縮變形，上?？傃b向下運動；當(dāng)上?？傃b向下運動至上模體的下表面與板材接觸時，上模體停止運動，在打擊頭的作用下模芯繼續(xù)向下運動，此時退料彈簧被壓縮變形；隨著模芯繼續(xù)向下運動，模芯穿透板材完成沖裁，此時模芯處于下死點位置，如圖1b所示；當(dāng)F2>F3時，隨著打擊頭的回程運動，在退料彈簧力的作用下模芯從沖裁孔中退出并達到極限位置，伴隨著打擊頭回程運動的繼續(xù)，在支撐彈簧力的作用下上?？傃b復(fù)位至初始位置。

圖1 模具彈簧系統(tǒng)示意圖

彈簧的預(yù)緊力為：

特定壓縮位置的彈簧力為：

式中：F0——彈簧的預(yù)緊力；

F——特定位置的彈簧力；

K——彈簧的剛度；

L0——彈簧的原始長度；

L——彈簧的裝配長度；

ΔL——彈簧的壓縮行程。

一般情況，支撐彈簧的預(yù)緊力至少為模具裝配體重力的2倍，下死點位置的退料彈簧力大于（10%～15%）沖裁力。

2 基于ADAMS的動力學(xué)仿真

2.1 模型的建立及邊界條件的處理

在ADAMS中建立的模具彈簧系統(tǒng)的動力學(xué)型如圖2所示。加工板材為板厚3mm的Q235A冷軋鋼板，孔徑為?31.7mm，沖裁力為110000N，脫模力為11000N，曲柄以600r/min的速度勻速轉(zhuǎn)動，施加的載荷曲線如圖3所示。

圖2 ADAMS中建立的動力學(xué)模型

圖3 施加的載荷曲線

2.2 支撐彈簧仿真

支撐彈簧的剛度為2.3N/mm，自由長度為80mm，裝配高度為70mm，最大壓縮行程為24mm。

上模體位移、速度曲線如圖4所示，向下運動最大速度為1000mm/s左右，向上運動最大速度為1300mm/s左右。在速度曲線A點處打擊頭接觸到模芯上部圓柱凸臺的上表面并開始向下運動，B點處上模體與加工板材接觸停止運動，C點處上模體與加工板材分離并在支撐彈簧力的作用下開始向上加速運動，D點處上模運動至極限位置并經(jīng)過幾次碰撞回彈后處于靜止?fàn)顟B(tài)。上模體自由狀態(tài)下極限回彈速度、位移曲線如圖5所示，回彈速度最大為1860mm/s，回彈時間為0.013s，約占沖壓周期的13%，會對沖裁頻率的提升產(chǎn)生一定的影響。

圖4 上模體位移、速度曲線

圖5 上模體自由回彈速度、位移曲線

2.3 退料彈簧仿真

退料彈簧的剛度為880N/mm，自由長度為80mm，裝配高度為70mm，最大壓縮行程為14mm。打擊頭上的作用力曲線如圖6所示，圖中E點處作用力最大，位于模芯進入板材1mm深度的位置，作用力約為120153N；在F點處模芯將板材沖穿，此時打擊頭受力主要是彈簧的壓緊力，最大約為12500N；在G點處，模芯的下表面與板材下表面重合且向上運動，此時脫模力最大，此處的打擊頭的作用力最小，約為919N；在H點處脫模結(jié)束，脫模力為0，此時打擊頭上的作用力約為9535N，僅為彈簧壓緊力。

圖6 打擊頭上的作用力曲線

模芯的位移、速度曲線如圖7所示，在I點處打擊頭向下運動與模芯上部凸臺的上表面接觸并帶動上模總裝向下運動；在J點處，上模體與板材接觸，此時模具總裝受力復(fù)雜，存在碰撞和回彈現(xiàn)象；K點處模芯下表面與板材下表面重合且在彈簧力的作用下向上運動，此時的退模力最大；L點處為模芯隨上模總裝向上運動至上極限位置。

3 結(jié)論

本文以EP30型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的B工位模具彈簧系統(tǒng)為例，運用多體動力學(xué)軟件ADAMS對系統(tǒng)的動作原理及動力學(xué)特性進行了研究，對設(shè)備沖裁頻率的提升以及減振降噪具有指導(dǎo)意義，得到如下結(jié)論：

（1）支撐彈簧的主要作用是使模具復(fù)位，彈簧的預(yù)壓量及剛度決定了模具復(fù)位的速度，一般情況下預(yù)緊載荷達到模具總裝重力的2倍即可滿足模具的快速復(fù)位要求，但是隨著設(shè)備沖裁頻率的提升，可以考慮采取增加彈簧預(yù)壓量或提高彈簧剛度的措施來縮短模具復(fù)位周期。

圖7 模芯的位移、速度曲線

（2）退料彈簧的主要作用是克服模芯外圓柱面

與沖裁孔內(nèi)圓柱面間的摩擦力，實現(xiàn)脫模，彈簧的剛度及預(yù)壓量主要取決于脫模力的大小。采用較小剛度和預(yù)壓量的彈簧可降低沖裁過程中的沖擊載荷，能夠在一定程度上起到減振降噪的作用，薄板沖孔加工時尤為明顯。為達到減小主傳動功耗和減振降噪的目的，可以考慮針對不同加工板厚采用不同剛度及預(yù)壓量，如3mm板厚、?31.7mm孔徑的沖孔加工采用自由長度80mm、剛度880N/mm的彈簧；1mm板厚、?31.7mm孔徑的沖孔加工采用自由長度80mm、剛度380N/mm的彈簧。

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