沖壓機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與靜力學(xué)分析

宋丹

（山東科技大學(xué) 266590）

沖壓機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與靜力學(xué)分析

宋丹

（山東科技大學(xué) 266590）

本文根據(jù)曲柄沖壓機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作特點(diǎn)，針對沖壓機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)——曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，運(yùn)用機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本原理，采用matlab進(jìn)行編程對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與受力分析，得到了沖壓機(jī)沖頭的位移、速度、加速度、以及沖壓力曲線，并提出了沖壓機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)關(guān)注壓力角及沖壓力，通過分析沖壓機(jī)運(yùn)動(dòng)特性與沖壓力學(xué)特性，為設(shè)計(jì)沖壓機(jī)提供了理論方法。

沖壓機(jī)；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)；靜力學(xué)；分析

引言

在國民生產(chǎn)中，沖壓工藝由于比較傳統(tǒng)機(jī)械加工來說有，它節(jié)約材料和能源，生產(chǎn)自動(dòng)化、省力、效率高；對操作者技術(shù)要求不高及通過各種模具應(yīng)用可以做出機(jī)械加工所無法達(dá)到的產(chǎn)品，沖壓機(jī)可搭配相應(yīng)的自動(dòng)送料裝置，具有送料出錯(cuò)檢測、預(yù)裁、預(yù)斷裝置，可完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)這些優(yōu)點(diǎn)，所以它的使用很廣泛。沖壓機(jī)要實(shí)現(xiàn)對毛坯材料的沖壓要求，其運(yùn)動(dòng)特性和力學(xué)特性就需要滿足一定的要求。本文以小型沖壓機(jī)為研究對象，采用機(jī)械原理運(yùn)動(dòng)學(xué)與受力分析方法，對沖壓機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)特性分析。

1 曲柄沖壓機(jī)基本結(jié)構(gòu)

曲柄沖壓機(jī)的工作原理如下：電動(dòng)機(jī)通過三角皮帶把運(yùn)動(dòng)傳給大皮帶輪，再經(jīng)過小齒輪、大齒輪傳給離合器（離合器控制曲軸與齒輪運(yùn)動(dòng)的開與合），離合器把運(yùn)動(dòng)傳給曲軸。連桿上端裝在曲軸上，下端與滑塊連接，把曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛瑝K的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要是分析電機(jī)輸出的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與滑塊輸出的直線移動(dòng)之間的關(guān)系，并分析沖壓機(jī)在沖壓過程中的位置、速度、加速度隨時(shí)間變化情況。得到的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡圖，如圖1所示。

圖1 沖壓機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡圖

（1）根據(jù)沖壓機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡圖，建立位置封閉矢量圖，則曲柄滑塊的閉環(huán)矢量方程為:

將此方程分別分解到X軸和Y軸坐標(biāo)軸上，得到：

此方程中若已知曲柄的轉(zhuǎn)角θ2（即電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角），即可求得沖壓機(jī)滑塊的沖壓行程l1的變化范圍，以及連桿轉(zhuǎn)角參數(shù)θ3。

（2）將上式對時(shí)間求導(dǎo)有：

（3）將上式對時(shí)間求導(dǎo)：

電機(jī)輸出回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，即加速度a2=0，聯(lián)立式（1）、式（2）、式（3），即可分別求出沖壓機(jī)滑塊的行程 l1、沖壓速度 l′1、沖壓加速度 l″1。

采用Matlab編程分別求解沖壓機(jī)滑塊行程、沖壓速度以及沖壓加速度，并畫出了行程、速度、加速度相對于曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線，如圖2所示。

根據(jù)以上分析，分別可以得到本文分析的沖壓機(jī)行程范圍為350mm，沖壓機(jī)沖頭運(yùn)動(dòng)最高速度為5.8m/s，沖壓時(shí)最大加速度可以達(dá)到200m/s2。

圖2 沖壓機(jī)位移、速度、加速度變化曲線

3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析主要是分析電機(jī)輸出的回轉(zhuǎn)角與滑塊輸出力之間的關(guān)系，根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果可以確定最終的沖壓機(jī)沖壓夾角以及該夾角下的沖壓力，為沖壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)。

在分析過程中，各個(gè)回轉(zhuǎn)副的摩擦忽略不計(jì)，電機(jī)輸出的扭矩為：

根據(jù)圖3所示沖壓機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)受力圖，列出機(jī)構(gòu)受力方程組：

聯(lián)立式（5）至式（8），可以求解出沖壓機(jī)沖頭沖壓力F1變化曲線，如圖3所示。

根據(jù)圖3所示沖壓機(jī)沖壓力變化曲線可知，當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)到180°即曲柄與連桿在一條直線上時(shí)，沖壓機(jī)的沖壓力最大，顯然沖壓機(jī)的曲柄與連桿的結(jié)構(gòu)是不能承受這么大的力的，沖壓工件也不需要這么大的力。因此沖壓機(jī)設(shè)計(jì)過程中不能在曲柄旋轉(zhuǎn)到180°時(shí)對工件進(jìn)行沖壓，而應(yīng)該在即將達(dá)到180°時(shí)選擇一定的夾角，該夾角一般在1～3°之間，可以根據(jù)需求選擇沖壓轉(zhuǎn)角及沖壓力。

圖3 沖壓機(jī)沖頭沖壓力變化曲線

4 結(jié)論

（1）針對沖壓機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，運(yùn)行機(jī)械原理矢量方程與受力分析方法，采用matlab進(jìn)行編程對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與靜力學(xué)進(jìn)行了分析。

（2）分析得到了沖壓機(jī)運(yùn)動(dòng)特性與沖壓力學(xué)特性，并提出了壓力機(jī)曲柄轉(zhuǎn)角為175～179°時(shí)沖壓機(jī)所產(chǎn)生的沖壓力曲線，為沖壓機(jī)設(shè)計(jì)提供了重要技術(shù)參數(shù)曲線。

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1004-7344（2016）17-0207-02

2016-6-2