橡膠密封條自動(dòng)沖裁設(shè)備的設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真

□張 應(yīng)□劉彩霞□晉心斌

1.蕪湖起重運(yùn)輸機(jī)器股份有限公司 安徽蕪湖 241000

2.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 安徽蕪湖 241000

1 設(shè)計(jì)背景

自動(dòng)化設(shè)備能夠在保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)提升產(chǎn)能，為企業(yè)帶來較大的利潤空間[1]。三元乙丙材質(zhì)橡膠密封條擁有良好的彈性，具有抗壓縮變形、耐老化、耐高低溫等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于密封系統(tǒng)中，具有良好的密封防護(hù)作用[2]。由于橡膠密封條具有柔韌的特性，因此利用鉆床進(jìn)行孔加工時(shí)，很難保證孔的外觀與精度，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的沖裁加工一般采用普通沖床，安全性差，能耗大，效率低。

針對(duì)橡膠密封條鉆孔加工工藝中存在的不足，設(shè)計(jì)了一種基于雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的自動(dòng)沖裁設(shè)備。這一橡膠密封條自動(dòng)沖裁設(shè)備由傳動(dòng)裝置、模具固定裝置、沖裁模具、控制系統(tǒng)等部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)一體化沖裁，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，安全性高，具有噪聲小、能耗低、體積小、易于進(jìn)行工位布置等優(yōu)點(diǎn)，可以大幅提升企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量及效率。同時(shí)，對(duì)企業(yè)而言，這一自動(dòng)沖裁設(shè)備可以使產(chǎn)品具備一定的競(jìng)爭(zhēng)力，并帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 自動(dòng)沖裁設(shè)備結(jié)構(gòu)

橡膠密封條自動(dòng)沖裁設(shè)備合模狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、防護(hù)門、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)裝置、模具固定裝置、沖裁模等部分組成。傳動(dòng)裝置由雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)[3]、導(dǎo)向裝置、拉升氣缸、上模安裝板、平衡氣缸、傳動(dòng)銷軸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 自動(dòng)沖裁設(shè)備合模狀態(tài)結(jié)構(gòu)

圖2 傳動(dòng)裝置

3 自動(dòng)沖裁設(shè)備工作原理

橡膠密封條自動(dòng)沖裁設(shè)備基于雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)原理，通過由拉升氣缸與平衡氣缸組成的沖裁傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)上模上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。沖裁模的上、下模通過模具固定裝置分別安裝于上模安裝板與機(jī)架平臺(tái)上，通過沖裁模的定位裝置，將橡膠條放置于沖裁模的下模上。平衡氣缸在開模時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力補(bǔ)充，若設(shè)備突然斷氣，也可防止機(jī)構(gòu)墜落。

雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)具有平行升降的穩(wěn)定性，可以降低對(duì)氣缸行程的定位要求。當(dāng)雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)達(dá)到最大行程時(shí)，模具運(yùn)動(dòng)方向就會(huì)由原來的下降變?yōu)樯仙?，能夠提高系統(tǒng)的剛度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。導(dǎo)向裝置能夠保證模具升降的精度，消除沖裁的振動(dòng)力。設(shè)備的沖裁力由傳動(dòng)裝置提供，采用雙氣缸作為動(dòng)力源。雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)遇到死點(diǎn)狀態(tài)，通過設(shè)置調(diào)速閥，雙氣缸可以打破相互之間的死點(diǎn)，確保設(shè)備正常運(yùn)行。設(shè)置雙氣缸同時(shí)滿足用戶的安全要求，通過增加蓄能器，可以避免因氣源故障出現(xiàn)的設(shè)備墜落，確保設(shè)備安全性。

4 加工件

橡膠密封條自動(dòng)沖裁設(shè)備能夠?qū)ο鹉z密封條進(jìn)行沖孔、裁切加工，具體為沖裁六處直徑為4 mm的孔，裁切最大長度為876 mm。以加工某汽車車門下密封條為例，加工件尺寸如圖3所示，三元乙丙材料橡膠密封條具體參數(shù)見表1。

圖3 加工件尺寸

表1 橡膠密封條參數(shù)

5 沖裁模設(shè)計(jì)

5.1 凸凹模尺寸

依據(jù)橡膠密封條產(chǎn)品參數(shù)可知，沖裁孔的直徑為4 mm，按產(chǎn)品尺寸均布，孔的公差要求為±0.5 mm，材料厚度t為2.6 mm，抗拉強(qiáng)度σb為12 MPa，切口要求美觀無毛刺。由于橡膠具有彈性，用普通沖壓模沖裁橡膠密封條時(shí)，加工后橡膠密封條的孔徑會(huì)小于產(chǎn)品要求的尺寸。另一方面，在加工過程中，影響孔收縮量的因素較多。因此，在設(shè)計(jì)凸模時(shí)，通常采取試模后修正的方法來確定尺寸。

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，當(dāng)沖模間隙為4%～5%時(shí)，孔的收縮量Δd為[4]：

式中：k 為沖裁系數(shù)，t＜2 mm 時(shí)，k=0.1 mm-1，t≥2 mm時(shí)，k=0.07～0.08 mm-1。

沖裁系數(shù)k取0.07 mm-1，代入式（1）得Δd=0.47 mm，則凸模沖頭直徑的基本尺寸d1為4.47 mm。

橡膠密封條沖裁的雙邊間隙Z可取08號(hào)鋼的25%,查閱沖壓模設(shè)計(jì)指導(dǎo)資料，可知08號(hào)鋼的相關(guān)參數(shù)為t=2.6 mm，Zmin=0.36 mm[5]。該橡膠密封條沖裁模凹模雙邊間隙Z=0.36×25%=0.09 mm，計(jì)算得凹模內(nèi)徑d2為4.56 mm。

5.2 沖裁力計(jì)算

（1）理論沖裁力F0。平刃口模具沖裁時(shí)，理論沖裁力 F0為[5]：

式中：n為孔數(shù)。

結(jié)合表1參數(shù)，將數(shù)據(jù)代入式（2），經(jīng)計(jì)算得F0=2 351 N。

（2）卸料力 Ft。卸料力 Ft可取沖裁力的 4%[5]，于是有Ft=0.04F0=94 N。

（3）總沖裁力Fz。總沖裁力Fz=F0+Ft=2 351+94=2 445 N。

5.3 凸模校驗(yàn)

（1）凸模承壓應(yīng)力校驗(yàn)。沖裁時(shí)，凸模承受的壓應(yīng)力σp需小于凸模材料強(qiáng)度允許的壓應(yīng)力。對(duì)于圓形凸模，有 σp=F/A＜[σp]，F(xiàn) 為沖裁力，取 F0，A 為凸模最小面積。經(jīng)計(jì)算，σp=150 MPa＜[σp]=300 MPa，因此凸模承壓應(yīng)力合格。

（2）凸模失穩(wěn)彎曲應(yīng)力檢驗(yàn)。失穩(wěn)彎曲應(yīng)力采用桿件受軸向壓力的歐拉公式進(jìn)行校驗(yàn)[5]，凸模不發(fā)生失穩(wěn)彎曲的最大長度Lmax為：

式中：E為凸模材料的彈性模量，MPa，一般模具鋼為220 GPa；I為凸模最小橫截面的最小慣性矩，mm4，直徑為d的圓形凸模一般取0.05d4；n1為穩(wěn)定安全因數(shù)，一般取2～3；F為沖裁力，取F0。

將設(shè)備凸模直徑d=4.47 mm、n1=3代入式（3），得凸模長度Lmax=40 mm，可見設(shè)計(jì)的凸模長度應(yīng)小于40 mm，才不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

6 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

6.1 雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)布置

根據(jù)加工件尺寸，可確定雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的尺寸，鉸鏈橫向尺寸為1 000 mm，連桿長度為200 mm，通過計(jì)算得升降行程為155 mm。由以上尺寸組成的雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)可以滿足開模行程的要求，連桿機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)

6.2 傳動(dòng)力計(jì)算

（1）動(dòng)力與負(fù)載確定?？倹_裁力Fz為2445N，模具附件重力Gm為690N，連桿機(jī)構(gòu)重力Gg為1060N，當(dāng)機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行沖裁時(shí)，F(xiàn)z=Gm+Gg+FLd。經(jīng)計(jì)算，需外部提供的沖裁動(dòng)力FLd為695 N。當(dāng)沖裁完畢向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，開模負(fù)載Fu=Gm+Gg=1 750 N。

（2）初選氣缸驗(yàn)算。初選拉升氣缸缸徑為100 mm，行程為180 mm，現(xiàn)場(chǎng)工作氣壓為0.8 MPa，經(jīng)計(jì)算，拉升氣缸輸出最大力FLmax為6280N。當(dāng)模具處于向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，合模，α=9°，具體受力分析如圖5所示。

圖5 合模運(yùn)動(dòng)受力分析

拉升氣缸理論輸出沖裁力FLdmax=FLmaxsinα=982N，F(xiàn)Lmax分解為水平方向力Fx1和豎直方向力FLdmax，由FLdmax＞FLd可知，在沖裁時(shí)初選拉升氣缸提供的沖裁力滿足工藝需求。

當(dāng)模具處于向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，開模，β=2.8°，具體受力分析如圖6所示。此時(shí)拉升氣缸為開模所提供的向上拉力FLu=FLmaxsin β=306 N，開模負(fù)載Fu為1 750 N，因此拉升氣缸在開模時(shí)，開模力不足，需要平衡氣缸提供部分動(dòng)力，以彌補(bǔ)拉升氣缸開模力不足。

圖6 開模運(yùn)動(dòng)受力分析

初選平衡氣缸缸徑為80 mm，行程為200 mm，現(xiàn)場(chǎng)工作氣壓為0.8 MPa，得平衡氣缸輸出最大力FPumax=4 019 N，需平衡氣缸提供向上的開模力FPu=Fu-FLu=1 444 N，由于 FPumax＞FPu，因此可知初選平衡氣缸滿足工藝需求。

7 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

7.1 理論分析

橡膠密封條自動(dòng)沖裁設(shè)備為單自由度多剛體系統(tǒng)[6]，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

對(duì)于單自由度多剛體系統(tǒng)，宜采用動(dòng)能定理建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程[7-8]。

以整個(gè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，各連桿中：1號(hào)連桿為定軸運(yùn)動(dòng)，角速度為ω1，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JA；2號(hào)連桿為定軸運(yùn)動(dòng)，角速度為ω2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JB；3號(hào)連桿為平面運(yùn)動(dòng)，質(zhì)心速度為V3，角速度為ω3，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JC；4號(hào)連桿為平面運(yùn)動(dòng)，質(zhì)心速度為V4，角速度為ω4，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JD；5號(hào)連桿為平動(dòng)，質(zhì)心速度為V5；6號(hào)連桿為平動(dòng)，質(zhì)心速度為V6；7號(hào)連桿為平面運(yùn)動(dòng)，質(zhì)心速度為 V7，角速度為 ω7，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 JE；8號(hào)連桿為平動(dòng)，質(zhì)心速度為V8。

圖7 單自由度多剛體系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)能定理公式[9]，能夠得到系統(tǒng)動(dòng)能T和橡膠厚度t之間的關(guān)系式：

系統(tǒng)的主動(dòng)功率之和∑Ni為：

式中：M為轉(zhuǎn)矩。

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

7.2 動(dòng)力學(xué)仿真

在整個(gè)傳動(dòng)裝置中，傳動(dòng)銷軸起至關(guān)重要的作用，應(yīng)用仿真軟件對(duì)整臺(tái)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真[10]，得出傳動(dòng)銷軸的動(dòng)態(tài)載荷，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)傳動(dòng)銷軸進(jìn)行驗(yàn)證。橡膠密封條自動(dòng)沖裁設(shè)備中，連接雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)銷軸共有六處，如圖2中所指示位置的傳動(dòng)銷軸工況最為不利，是傳遞動(dòng)力的源頭，因此對(duì)該處傳動(dòng)銷軸進(jìn)行校核。若該處傳動(dòng)銷軸滿足要求，則其它處傳動(dòng)銷軸均可滿足要求。所驗(yàn)證的傳動(dòng)銷軸尺寸如圖8所示。

圖8 傳動(dòng)銷軸尺寸

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真步驟如下：①對(duì)各個(gè)連桿賦予相應(yīng)材料；②定義固定機(jī)架和各連桿；③添加運(yùn)動(dòng)副，氣缸為滑動(dòng)副，其它均為轉(zhuǎn)動(dòng)副；④對(duì)運(yùn)動(dòng)副添加阻尼。

根據(jù)步驟完成系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真，得到傳動(dòng)銷軸的動(dòng)態(tài)載荷，如圖9所示。在開模至最高位置時(shí)，傳動(dòng)銷軸的綜合載荷為4 985 N，拉升氣缸的縱向分力Fy=4 985×sin 2.8°=244 N，所選拉升氣缸在該工況時(shí)的最大分力FLu為306 N，由于FLu＞Fy，因此拉升氣缸的選型符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 傳動(dòng)銷軸動(dòng)態(tài)載荷

7.3 有限元分析

根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真分析，可知傳動(dòng)銷軸的最大綜合載荷為4 985 N。應(yīng)用Nastran軟件將該載荷添加于傳動(dòng)銷軸模型中，傳動(dòng)銷軸應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D分別如圖10、圖11所示。

圖10 傳動(dòng)銷軸應(yīng)力云圖

圖11 傳動(dòng)銷軸應(yīng)變?cè)茍D

由有限元分析可知，傳動(dòng)銷軸在最大載荷為4 985 N時(shí)，最大應(yīng)變量為0.001 963 mm，最大應(yīng)力為16.64 MPa?？梢?，傳動(dòng)銷軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

8 結(jié)論

基于雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)了橡膠密封條自動(dòng)沖裁設(shè)備。通過理論計(jì)算與分析，確定了凸凹模尺寸及總沖裁力，并對(duì)凸模尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行了校驗(yàn)，得出不發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象的條件為凸模長度應(yīng)不大于40 mm。對(duì)升降氣缸的傳動(dòng)力進(jìn)行理論計(jì)算，確定了拉升氣缸選型參數(shù)，缸徑為100 mm，行程為180 mm，同時(shí)確定了平衡氣缸選型參數(shù)，缸徑為80 mm，行程為200 mm。根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)，對(duì)關(guān)鍵部件傳動(dòng)銷軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，得出傳動(dòng)銷軸的最大載荷為4 985 N。應(yīng)用Nastran軟件分析，得出傳動(dòng)銷軸的最大應(yīng)變量為0.001 963 mm，最大應(yīng)力為16.64 MPa，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性。

這一橡膠密封條自動(dòng)沖裁設(shè)備經(jīng)實(shí)際使用，得到了較好的反饋效果。