李鵬，孔德宇，吳瓊

（1.五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020；2.一重集團天津重工有限公司，天津 300301；3.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東 廣州 510100）

伺服壓力機是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型沖壓設(shè)備，具有復(fù)合高效、高精度、高柔性和低噪環(huán)保等特點，是沖壓設(shè)備的發(fā)展方向. 伺服壓力機采用伺服電機作為驅(qū)動源，其加工工藝軌跡柔性可控，彌補了傳統(tǒng)壓力機沖壓模式固定和沖壓工藝適應(yīng)性差等缺點，能夠顯著提高復(fù)雜形狀零件、深拉深零件以及高強度鋼板沖壓加工的成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率，在模具制造廠和汽車制造廠有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]. 如汽車制造廠對沖壓生產(chǎn)效率（采用伺服壓力機可以提高生產(chǎn)效率）、生產(chǎn)成本（伺服壓力機低速拉深可以有效避免破裂缺陷，從而達(dá)到降低板材規(guī)格的目的）、節(jié)能減排（伺服壓力機采用能量管理模式，可以降低能耗）、高強度鋼板應(yīng)用普及（采用伺服壓力機可以降低回彈，提高成形質(zhì)量）等方面的追求進一步提高，伺服壓力機將是汽車制造廠首選的沖壓生產(chǎn)設(shè)備.

目前，德國、日本等汽車制造大國相繼推出公稱壓力25 000 kN、30 000 kN的伺服壓力機，其傳動機構(gòu)也有曲柄滑塊、雙曲柄、六連桿等，主要應(yīng)用于寶馬、豐田等公司生產(chǎn)線上. 國內(nèi)只有一流主機廠全套引進國外伺服沖壓生產(chǎn)線，其他主機廠都是引進一臺作為試模壓力機使用或沖壓線首臺采用伺服壓力機. 國內(nèi)具備大型伺服壓力機制造能力的廠家目前有中國一重和濟南二機床，濟南二機床為奇瑞汽車開發(fā)的伺服試模壓力機于2012年11月19日調(diào)試成功，其公稱壓力為16 000 kN，公稱壓力行程為13 mm，滑塊行程為1 000 mm，其能力較中國一重開發(fā)的25 000 kN伺服壓力機（公稱壓力行程為13 mm，滑塊行程為1 200 mm）還有一定的差距.

隨著各汽車廠對伺服壓力機技術(shù)的了解越來越深刻，對伺服壓力機提出的技術(shù)條件也很高，其中絕大多數(shù)廠家要求傳動機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)或六連桿和八連桿機構(gòu). 本文主要對研發(fā)的八連桿伺服壓力傳動方案進行分析.

1 八連桿傳動原理

八連桿是現(xiàn)代拉延壓力機較為先進的傳動機構(gòu)，采用八連桿作為壓力機主傳動機構(gòu)[4-7]，滑塊工作行程較大且速度平穩(wěn)，可滿足覆蓋件拉深成形時需要滑塊速度低且等速的工藝要求；較曲柄壓力機，可使滑塊在較大曲柄轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)承受70%～80%的額定壓力；具有較大的增力比；結(jié)構(gòu)緊湊，可以減小上梁高度. 圖1為八連桿傳動原理圖，該機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)，OB桿為主曲柄，逆時針旋轉(zhuǎn)帶動剛性桿CAF偏擺從而將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為G點（滑塊）的上下直線運動.

圖1 八連桿傳動原理圖

2 八連桿設(shè)計目標(biāo)

表1所示為本文研發(fā)的伺服壓力機技術(shù)參數(shù)，其中公稱壓力、公稱壓力行程、滑塊行程次數(shù)、滑塊行程、生產(chǎn)率是影響傳動方案設(shè)計的關(guān)鍵因素[8-9]. 圖2為伺服電機特性曲線，參數(shù)中額定扭矩、最大扭矩、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)扭矩是影響桿系設(shè)計的關(guān)鍵因素. 可以看出，伺服電機提供額定扭矩時，必須保證轉(zhuǎn)速在600 rpm以下；伺服電機處于最大負(fù)載狀態(tài)時，必須保證轉(zhuǎn)速在400 rpm以下. 當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，會增加拉深工作時間，降低拉深速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量；相應(yīng)的連續(xù)行程次數(shù)會下降，為了滿足生產(chǎn)效率，結(jié)合電機散熱情況、機械手送取料時間等因素，必須對系統(tǒng)傳動比、滑塊空行程下行時間段、拉深工作時間段、滑塊返回上死點時間段及上死點停止時間段進行合理的分配和優(yōu)化.

表1 25 000 kN伺服壓力機技術(shù)參數(shù)

圖2 交流伺服電機特性曲線

受當(dāng)前交流伺服電機技術(shù)參數(shù)限制，桿系設(shè)計需滿足以下要求：

1）為達(dá)到?jīng)_壓聯(lián)線時大覆蓋件生產(chǎn)效率10件/min、小覆蓋件14件/min的廠家要求，在滿足滑塊連續(xù)行程次數(shù)達(dá)到18 spm條件下，折算到電機軸上的扭矩應(yīng)低于伺服電機能夠提供的最大扭矩；

2）根據(jù)P=MW=FV公式，滑塊在拉深階段（一般取距離下死點250～300 mm為宜），設(shè)計出的桿系自然速度（即伺服電機按額定轉(zhuǎn)速勻速運轉(zhuǎn)情況下滑塊在拉深區(qū)的速度）應(yīng)該較低，才能保證滑塊在拉深階段提供較大的負(fù)荷力，為拉延階段提供充足的成形力.

3）核算電機加減速階段所需的電機軸轉(zhuǎn)動慣量及電機最高轉(zhuǎn)速是否超出電機范圍；

4）核算電機負(fù)載時間段，保證電機不能長時間負(fù)載，需落實電機負(fù)載時間比例.

3 八連桿桿系設(shè)計參數(shù)

伺服電機傳遞給主軸扭矩計算表達(dá)式為

式中T為主軸扭矩，N·m；M為伺服電機負(fù)載扭矩，N·m；SM為使用的伺服電機臺數(shù)，臺；i總為主傳動系統(tǒng)總傳動比.

本文八連桿主傳動系統(tǒng)的總傳動比i總=i1*i2= 7 .5*5 = 37.5；采用的伺服電機臺數(shù)SM=4；伺服電機最大負(fù)載扭矩Mmax= 1 1400 N· m；根據(jù)圖3，伺服電機常用負(fù)載扭矩為Mcom= 6 800 N· m . 根據(jù)式（1），得

式中Tcom為伺服壓力機主軸常用扭矩.

式中Tmax為伺服壓力機主軸最大負(fù)載扭矩.

通過分析和優(yōu)化，設(shè)計的八桿桿系參數(shù)為a= 1 550,b=- 3 00,LOB= 2 35,LOD= 2 85,L2= 1 395,L4=1395,L5= 8 05,LCF= 1 816,L6= 1 235,L7= 1 660,L8= 1 220.

1）當(dāng)公稱壓力為25 000 kN，公稱壓力行程為7 mm時，主軸所需扭矩T計算= 1 865000 N· m，即T計算＞Tmax，

2）當(dāng)公稱壓力為25000 kN，公稱壓力行程為5.5 mm時，主軸所需扭矩為T計算= 1 674 000 N· m，即T計算＜Tmax，

3）當(dāng)公稱壓力為25000 kN，公稱壓力行程為5.7 mm時，主軸所需扭矩為Tmax= 1 710 000 N· m，即T計算=Tmax.

由于桿系結(jié)構(gòu)已經(jīng)沒有優(yōu)化的空間，在保證滑塊能夠提供滿足典型覆蓋件側(cè)圍板成形力的前提下，可以將公稱壓力行程從7 mm降低到5.5 mm. 圖3分別為公稱壓力為25 000 kN、公稱壓力行程分別為7 mm、5.7 mm、5.5 mm時的滑塊負(fù)荷曲線，分析圖3可知，公稱壓力行程為5.5 mm和5.7 mm時滑塊輸出力差距不大，在拉深行程300～25 mm范圍內(nèi)，滑塊輸出力最大差25 t，最小為9 t. 圖4為公稱壓力行程分別為5.7 mm、7 mm滑塊負(fù)荷差隨位移變化曲線，從圖中可以看出，在拉深行程300～25 mm范圍內(nèi)，滑塊輸出力最大差124 t，最小為48 t，在25～5.7 mm范圍內(nèi)，滑塊輸出力最大差為213 t，但是在25 mm處，滑塊輸出力分別為1312 t，1462 t，此時滑塊提供的輸出力足以滿足拉深零件所需的成形力，此時力差距意義不大.

圖3 公稱壓力行程分別為7 mm、5.7 mm、5.5 mm滑塊負(fù)荷曲線

圖4 公稱壓力行程分別為7 mm、5.7 mm滑塊負(fù)荷差隨位移變化曲線

以距離下死點250 mm處作為覆蓋件拉深成形開始點，到下死點為拉深成形結(jié)束點，生產(chǎn)大型覆蓋件時滑塊連續(xù)行程次數(shù)按16 spm計算，生產(chǎn)小型覆蓋件時滑塊連續(xù)行程次數(shù)按18 rpm計算，滑塊空負(fù)載下行、拉深工作區(qū)、滑塊返回所對應(yīng)的曲柄旋轉(zhuǎn)角度及消耗時間如圖5所示，從圖中可以看出滑塊空負(fù)載下行階段對應(yīng)曲柄旋轉(zhuǎn)角度為70°、拉深工作區(qū)對應(yīng)曲柄旋轉(zhuǎn)角度為90°、滑塊返回對應(yīng)曲柄旋轉(zhuǎn)角度為130°. 伺服電機在整個工作周期內(nèi)運行狀況分“加速1-平穩(wěn)運行1-減速1-平穩(wěn)運行2-加速2-平穩(wěn)運行3-減速2-在上死點停止”等8個階段，如圖5下半部分所示.

圖5中，t1、t2、t3、t4分別為伺服電機在勻速運轉(zhuǎn)過程中滑塊空行程下降、拉深工作、空行程返回及上死點停止時間，下圖中st1、st2、st3、st4分別為電機在變速運轉(zhuǎn)過程中滑塊空行程下降、拉深工作、空行程返回及上死點停止時間. 圖5下圖縱坐標(biāo)為電機轉(zhuǎn)速（rpm），橫坐標(biāo)為時間（s）.在保證生產(chǎn)效率、不超過電機性能參數(shù)、滑塊能夠提供較大輸出力條件下，根據(jù)圖5上圖時間關(guān)系調(diào)整對應(yīng)的圖5下圖時間段來發(fā)揮伺服電機性能. 按大覆蓋件生產(chǎn)效率10件/min滑塊連續(xù)行程次數(shù)按16 spm、小覆蓋件生產(chǎn)效率14件/min滑塊連續(xù)行程次數(shù)按18 spm計算.

圖5 滑塊運行狀態(tài)對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角

1）大覆蓋件生產(chǎn)效率10件/min，滑塊連續(xù)行程次數(shù)按16 spm

按電機勻速運轉(zhuǎn)時，滑塊在各階段時間分別為t1= 1 .46s,t2= 0 .94 s,t3= 1 .35s,t4= 2 .25s,t周期=6 s ，根據(jù)圖3知，電機在平穩(wěn)運行2階段必須保證轉(zhuǎn)速為N= 4 00 rpm ，按比例分配關(guān)系，調(diào)整滑塊各階段時間分別為st1= 1 .22s,st2= 1 .41s,st3= 1 .12 s,st4= 2.25s,t周期=6 s，與電機廠家、自動化廠家進行技術(shù)交流，此時間分配關(guān)系電機能達(dá)到要求，自動化送取料時間夠用.

2）小覆蓋件生產(chǎn)效率14件/min，滑塊連續(xù)行程次數(shù)按18 spm

按電機勻速運轉(zhuǎn)時，滑塊在各階段時間分別為t1= 1 .3s,t2= 0 .83s,t3= 1 .2 s,t4= 0 .95s,t周期=4.29 s ，根據(jù)圖3知，電機在平穩(wěn)運行2階段必須保證轉(zhuǎn)速為N= 6 00 rpm ，按比例分配關(guān)系，調(diào)整滑塊各階段時間分別為st1= 1 .24s,st2= 0 .94 s,st3= 1 .15s,st4= 0 .95s,t周期=4.29 s，與電機廠家、自動化廠家進行技術(shù)交流，此時間分配關(guān)系電機能達(dá)到要求，自動化送取料時間夠用.

4 八連桿運動學(xué)分析[10-12]

4.1 滑塊行程解析

4.2 滑塊速度解析

通過對滑塊行程公式進行求導(dǎo)，可得滑塊速度公式：

其中，V2為桿2的角速度；V3為桿3的角速度；V4為桿4的角速度；V5為桿5的角速度；V6為桿6的角速度；V7為桿7的角速度；V8為桿8的角速度；V為滑塊的運行速度.

4.3 滑塊加速度解析

通過對滑塊速度公式進行求導(dǎo)，可得滑塊加速度公式：

其中，a2為桿2的角加速度；a3為桿3的角加速度；a4為桿4的角加速度；a5為桿5的角加速度；a6為桿6的角加速度；a7為桿7的角加速度；a8為桿8的角加速度；a9為滑塊的運行加速度.

4.4 桿系計算實例

將研發(fā)桿系參數(shù)編程計算，得到八連桿傳動機構(gòu)運動曲線，如圖6所示.

5 八連桿動力學(xué)分析[13-14]

定義各桿均受拉，O點扭矩為T，逆時針為正. 根據(jù)O點、A點力矩和E點、G點受力平衡關(guān)系，有如下方程組成立，將研發(fā)桿系參數(shù)編程計算，得到八連桿傳動機構(gòu)滑塊負(fù)荷曲線如圖7所示.

圖6 八連桿傳動機構(gòu)運動曲線

圖7 八連桿傳動機構(gòu)滑塊負(fù)荷曲線

6 汽車側(cè)圍板成形工藝

汽車側(cè)圍板是汽車覆蓋件中拉深深度、長度、寬度及拉伸力都具有代表性的產(chǎn)品，分析其成形工藝及成形力曲線對于伺服壓力機設(shè)計是必要的，檢查滑塊負(fù)荷力、滑塊速度能否順利成形拉延出該零件. 圖8及表2為側(cè)圍板成形工序和參數(shù)，圖9為側(cè)圍板拉延筋及模具示意圖.

圖8 側(cè)圍板成形工序圖

表2 側(cè)圍板成形工序及參數(shù)

圖9 側(cè)圍板拉延筋及模具示意圖

采用DynaForm軟件對側(cè)圍板進行模擬，模擬參數(shù)及板材性能參數(shù)見表3.

表3 模擬參數(shù)及材料性能參數(shù)

7 側(cè)圍板成形力與伺服壓力機滑塊負(fù)荷比較

圖10為側(cè)圍板成形力數(shù)值模擬結(jié)果和滑塊輸出力比較圖，從圖中可以看出，在拉深初期，研發(fā)的桿系滑塊輸出力比側(cè)圍板生產(chǎn)設(shè)備2 400 t壓力機力曲線低450 t，在拉深中期，輸出力差距逐漸減小，差距為275 t左右，在拉深后期輸出力差距逐漸增大，這是由于壓力機公稱壓力行程不同造成的. 通過比較伺服壓力機滑塊輸出力曲線和側(cè)圍板成形力曲線可知，伺服壓力機能提供的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過側(cè)圍板成形需要的變形力，超出平均為550 t，且在拉伸后期，壓力機輸出力曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)在于側(cè)圍板成形力曲線上面，表明設(shè)計的八連桿伺服壓力機傳動方案能夠滿足典型汽車覆蓋件的沖壓成形過程.

圖10 側(cè)圍板成形力數(shù)值模擬結(jié)果與滑塊負(fù)荷輸出力的比較

8 結(jié)論

1）通過上述理論分析，設(shè)計的八連桿伺服壓力機傳動方案能夠滿足典型汽車覆蓋件的沖壓成形過程，滿足重大專項要求；

2）在覆蓋件沖壓成形初始階段，滑塊速度不到240 mm/s，在覆蓋件拉深中期，滑塊速度平穩(wěn)且平均速度為220 mm/s直至減為 0，大大低于傳統(tǒng)壓力機速度，極大改善了拉延工藝條件，降低了工件拉裂的幾率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量.

3）基于伺服電機控制精度高且可調(diào)速等優(yōu)點，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時也提高了生產(chǎn)效率，根據(jù)八連桿設(shè)計參數(shù)，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)大覆蓋件10件/min，小覆蓋件14件/min的生產(chǎn)效率，在自動化水平提高的條件下生產(chǎn)效率有進一步提高的空間.