冲压机床的振动缓冲与缓冲器的设计.pdf

设计与制造 2 0 1 2 年 第2 期 总 第1 1 8 期 机 械研究与应用 冲压机床 的振动缓 冲与缓 冲器 的设计 孙培明， 龚善初 揭 阳职业技术学 院 机 电 系， 广东 揭阳5 2 2 0 0 0 摘要 根据冲压机床振动缓冲特点， 介绍一种具有缓冲吸振能力强， 以小的变形承受大的栽荷的碟形弹簧缓冲器， 该缓冲器既有良好的吸振性能， 叉能大幅度降低设备 自身的振幅。 关键 词 冲压机床 ； 振动 ；缓冲器 ； 碟 形弹簧 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 - 4 4 1 4 2 0 1 2 0 2 - 0 1 0 8 - 0 2 The v i br a t i o n b uffe r i n g a nd t he d e s i g n o f bu ffe r o f t he pu nc h m a c hi n e S u n Pe i mi n g，Go n g S ha n-c h u D e p a r t m e n t of mec h a n i c a l a n d e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ， J i e y a n g v o c a t i o n a l a nd t e c h n ic a l c o l l e g e ， J i e y a n g G u a n g d o n g 5 2 2 0 0 0 ，C h i na Ab s t r a c t T h e v i b r a t i o n b u ff e r i n g f e a t u r e o f t h e p u n c h ma c h i n e a n d t h e d e s i g n w a y o f i t s b uff e r a r e e x p o u n d e d i n t h i s p a p e r ． Th r o u g h a n a l y z i n g t h e p r o p e r t y o f t h e p a r t s i n t h e b uff e r a c c o r d i n g t o i t s d e e t ，a d i s c s p r i n g b uff e r o f t h e p u n c h ma c h i n e w h i c h h a s a s t r o n g a b i l i t y t o a b s o r b v i b r a t i o n a n d s t a n d s h e a v y l o a d wi t h l i t t l e d e f o r ma t i o n i s d e s i g n e d ．T h i s b uff e r n o t o n l y h a s a g o o d a b i l i t y t o a b s o r b v i b r a t i o n，b u t a l s o r e ma r k a b l y r e d u c e s i t s o wn a mp l i t u d e ． Ke y wor dspu nc h ma c hi ne；v i b r a t i on；b u t t e r ；d i s c s pr i n g 1 引 言 在机 械制造 、 金属加工行业 中广 泛使用 冲压机 床， 如冲压机、 冲剪机等， 这些设备的强振动和强噪 声 ， 对工作环境、 劳动安全造成很大危 害。冲压机械 的振动与旋转机械、 往复机械等稳态振动设备不 同， 其瞬时冲击大、 振 幅大 ， 冲压 车间的瞬时冲击噪音超 过安全要求 ， 振动具有突发性和频发性 ， 经实测声压 级可达 1 5 0 d B， 如此强烈振动噪音对耳鼓膜造成极大 损伤 ， 强振动对设备 自身 和产 品质量造成危害 ， 对其 他设备也造成损害。因此 ， 必须采取措施减小冲压机 床 的振动。下面对冲压机床 的振动缓冲进行分析 ， 介 绍一种实用型冲压机床缓冲器的设计。 2 冲压 机床 的振 动缓冲分析 冲压机床振动属瞬态振动， 冲击激励可表达为力 脉冲、 加速度脉冲或速度阶跃， 转换为非线性振动问 题加以处理 ， 冲击作用一般可简化为速度阶跃的冲击 模型⋯ ， 这种振动振幅突然变化的跳跃现象 ， 是非线 性系统 特有的现象之一。 冲床的冲击力波形和噪音波形如图 1 所示 ， F为 冲击力 ， 为噪音幅度 ， t 为时间。冲击力传递可用冲 击传递系数 来表示， 也是隔振系数， 根据振动力 学理论 一 一 ／ 垒 ， 1 、 一 F 一 ，＼ ／ 1 一 s 2 式中 Ⅳm为设备基础 的最 大冲击 力 ； F 为设备最大 冲击力 ； 为阻尼 比； s 为激励频率 ， s t o ／ w。 ； 是 冲 击力频率； tO 。 是设备缓冲器固有频率。 ．j | ∞冲床的冲击力波形 一f b噪声波形 图 1 冲床冲击力和噪声波形 从式 1 可知 ， 冲击力传递 系数 降低 ， 则可使 设备基础所受冲击力 Ⅳ 瑚减小。而 与激励频率 、 阻 尼比有关 ， 如果忽略阻尼 比 ， 则式 1 可简化为 一 2 一 1 c c J 0 由式 2 可知 ， 要降低 ， 由于冲压机床 冲击 力 频率不能改变 因加工需要 ， ∞ 。应尽量减少 ， 。而 与缓冲器刚度成正 比。因此 ， 要 取得 良好 的缓 冲效 果， 应使缓冲器有 良好的载荷一 变形曲线 ， 固有频率 小， 刚度较低 ； 对于冲压机床这种周期性冲击设备， 还 应防止冲击共振， 如果冲击缓冲系统能够使一个冲击 脉冲引起的响应在下一向脉冲之前衰减完毕 ， 则周期 冲击力就不会导致系统内振动波的叠加和放大 ， 避免 引起共振。另外， 阻尼的存在才能使冲击最大加速度 基金项目 广东省揭阳市科技计划基金资助项目 2 0 0 7 0 4 2 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 1 7 作者简介 孙培明 1 9 6 3 一 ， 男 ， 广东揭 阳人 ， 高级工程师 ， 主要从事冲压加工技术研 究和教 学方 面的工作 。 1 O8 机械 研究与应 用 2 0 1 2 年 第2 期 总 第1 1 8 期 设计与制造 降低 ， 要有适 当低 的阻尼 比， 一般阻尼比 0 ． 5 。 3 实用型冲压机床振动缓冲器设计 对于工程上 的冲压机械 ， 振动缓冲器 俗称减振 器 主要起到减小振动幅度、 冲击力和降低噪音的作 用 ， 缓冲器与隔振器的功能设计方法相似 。冲压机床 缓冲器不仅要求 冲击力传递系数小 ， 而且要求设备 自 身振动要小 ， 由于瞬时 冲击力大 ， 如果设备 自身振动 幅度大 ， 甚至出现“ 晃动” ， 则设备零部件的变形及磨 损增大 ， 设备寿命缩短 ， 设备加工精度降低 ， 操作人员 的控制准确度下降 ， 出现视觉疲劳， 易于造成操作事 故。因此， 缓冲器要有较小的刚度和良好的阻尼， 利 于减小 冲击传递率 ， 振动衰减时间要短 ， 以小 的变形 承受大的冲击力， 才能减小冲压机床自 身的振动。与 橡胶和圆柱弹簧相 比， 碟形弹簧更为适合作为冲压机 床缓冲的振动缓 冲器件。 3 ． 1 碟形弹簧组合对冲压机床振动缓冲性能 良好 碟形弹簧特点是能以小的变形承受大的载荷 ， 吸 振能力强 ， 具有广范 的非线性 特性 J ， 可采用对合 、 叠合的方式进行 组合 。螺旋 弹簧缓冲器虽然刚度和 固有频率可达到较低 ， 但其载荷 一 变形 曲线 为直线 ， 刚度是线性 的， 承受同样大 的瞬时冲击变形量较大， 易造成设备 自身振动加大 ， 因此对冲压机床 ， 碟形弹 簧作为减振器件具有如下优点 1 单片碟形弹簧选取合适的参数 ／ ￡ 为弹簧 变形量 ， t 为弹簧厚度 ， 通过 多片弹簧 的叠合 、 对合 等组合方式 ， 获得较理想 的载荷 一 变形 曲线 、 适当低 的刚度系数和较小的固有频率 ， 取得 良好 的振动缓冲 效果。 2 单片碟形弹簧较小 的变形量可得 到大 的承 载能力 ， 例如单个外径 c k l O O mm、 高度 8 ． 2 m m的 A型 弹簧承载能力达 4 ． 8 t ， 弹簧压平时的轴向变形量仅为 2 ． 2 m m， 而冲击机械设备 自 重加上冲击加速度的冲击 力较大 ， 需要较大的弹簧变形抗力 ， 而变形量要小 ， 才 能确保设备 自身振动在安全范围内， 在这方面碟形弹 簧优于螺旋弹簧或橡胶。 3 缓 冲器高度比起螺旋弹簧 明显降低 ， 结构紧 凑 ， 更适合于机身较高 、 冲击力大的冲压机床使用。 碟形弹簧的碟片加工及热处理要求严格 ， 精度要 求较高， 碟片的精度及热处理效果对弹簧性能影响 大 ， 这是碟形弹簧作为减振器件需要克服的问题。 3 ． 2 冲压机床碟形弹簧振动缓冲器的设计 振动缓冲过程是缓冲器储存冲击能量， 冲击结束 后将此能量 以系统作衰减 自由振动 的形式释放 出来 ， 缓冲器实际是一个储能器 ， 使冲击波以较为缓和的形 式作用于设备基础 和设备本身。冲压机床碟形弹簧 缓冲器 的结构 ， 如图 2所示。 a 缓冲器外结构简图 b 碟形弹簧组合示意图 图 2 碟形弹簧缓 冲器结构简 图 1 ． 承压 板2 ． 支承板3 ． 减振柱 4个 4 ． 安装螺栓 缓冲器由承压板、 支承板 、 4个减振柱组成 ， 缓 冲 器的重要部件是减振柱 ， 减振柱中安装组合式碟形弹 簧、 弹簧导杆 、 阻尼材料 ， 组合碟形弹簧采用片数逐渐 增加的组合 ， 其载荷一 变形 曲线是非线性 的， 具备 良 好 的冲击缓冲性 能， 经在 2 5 t 冲床上试验 ， 缓 冲器 的 载荷一 变形曲线 ， 如图 3所示。 图 3 缓 冲器 的载荷一 变形 曲线 ’一 冲击力作用过程只在一瞬间， 且碟形弹簧的变形 位移很小 ， 冲击过程 的载荷 一 变形如 图 3所示 ， 未受 冲击力之前 ， 缓冲器仅承受 冲压机床 自身重量 ， 碟形 弹簧刚度呈硬性 O A段 ， 在 冲击力作用下 ， 弹簧变 形吸收能量 ， 初期弹簧刚度较软 A B段 ， 变形量大 ， 随着载荷增大 ， 变形量增速减小 ， 载荷增大到某 一数 值 C D段 ， 刚度呈硬性而实现限位保护。该变形曲 线呈硬一 软 一 硬的非线性刚度特征 ， 是较 为理想 的载 荷一 变形曲线， 达到减小冲击力传递率， 以较小的变 形量吸收大冲击载荷 ， 显著 降低机床的振动和噪音 。 经在 2 5 t 和 4 0 t 冲床上安装缓冲器进行振动和噪音测 试 ， 数据如表 1所示 。在冲床上安装缓冲器后 ， 冲床 冲击力和噪声波形如图 4所示 。 安装缓冲器后， 冲床设备基础振动和机床噪音显 著降低， 从表 1和图 4可知 ， 振动加速度和振幅分别 降低 了4 0 ％以上 ， 噪音降低 3 5 ％以上， 冲击力和噪声 波形明显收窄 ， 收到 良好的冲击缓 冲效果。 ’ ’ 。’。 一’ a 冲击力波形 b 噪声波形 图4 安装缓冲器的冲床冲击力和噪声波形 下转第 1 1 1页 1 O9 机械 研究与应 用 2 0 1 2 年 第2 期 总 第1 1 8 期 设计与制造 量小、 规格多、 生产效率高的要求 ， 该平衡装置采取的 技术方案是 主要利用蜗轮传动副调整定位的原理。 即通过旋转蜗杆来调整主轴上两平衡锤 的相对 夹角 来实现与工件的平衡。与工件形成一个其本平衡回 转体， 直至满足平衡要求 ， 待其满足相对转角要求后 用 T型螺栓及蜗轮传动副 自锁固定在其相应位置。 该平衡装置使车削偏心轴、 曲轴更加平稳 ， 克服不平 衡力矩 ， 从而提高工件的回转平稳性 、 机床的抗震性 ， 改善了工件表面的加工质量。从而实现曲轴连杆轴 径车床 的加工 精度 ， 其 结构简单 、 制造方便 、 成本较 低 ， 如图 2所示 。 3使用方法 如图 l 所 示 ， 打开左右主轴箱上的小盖板 ， 松开 T型螺栓 ， 用扳手旋转蜗杆使平衡锤绕蜗轮旋转 ， 从 而改变平衡锤 的相对转角来达到与工件的平衡 ， 经过 调整直至满足平衡要求后 ， 拧紧 T型螺栓 ， 将其固定 在相应位置 。该平衡装置会使车削偏心轴、 曲轴时更 加平稳 ， 克服不平衡力矩 ， 从 而提高工件的回转平稳 性 、 机床的抗震性 ， 改善 了工件表面的加工质量 。实 现 曲轴连杆轴径车床的加工精度。 上接第 1 0 9页 由于该平衡装置采用 了无级可调式平衡装置方 式原理 ， 所以在偏心轴 、 曲轴连杆轴颈车削加工 的专 用机床上得以广泛应用。该装置已被获得 国家实用 新型专利 专利号 2 0 0 8 2 0 2 2 2 7 4 1 。 4结论 1 该平衡装置的典型设计提高了生产效率， 降 低 了劳动强度和生产成本 ， 缩短 了平衡调整时间。 2 结构简单 ， 制造方便 ， 成本较低。 3 更换不同型号的曲轴时 ， 只需调整两平衡锤 的相对位置即可 ， 调整方便 、 快捷 ， 为新产品的投产奠 定 了技术 基础 。 参考文献 [ 1 ] 姚广鹰． 用可调夹具加工曲轴连杆轴颈[ J ] ． 机械制造， 1 9 9 4 1 2 1 3 一 l 5 ． [ 2 ] 李海国． 车削曲轴连杆轴颈的可调整夹具 [ J ] ． 制造技术与机 床 ， 2 0 0 2 1 1 2 3 2 4 ． [ 3 ] 郭婷婷． 曲轴连杆颈相位角测量误差研究[ J ] ． 机械， 2 0 0 9 8 21 - 2 2 ． [ 4 ] 赵敖生． 机械制造学[ M] ． 南京 东南大学出版社 ， 1 9 9 3 ． 表 1 冲压机床振动及机床噪声测试值对比表 实用型冲压机床碟形弹簧缓 冲器不需供油或供 气系统 ， 制造成本低、 安装方便 、 其结构呈正方形 ， 如 3 2 0 m mx 3 2 0 m m， 可根据机床大小安装多个缓冲器， 显 著降低振动和噪音。 4结论 综上所述 ， 冲压机床振动缓冲器要求具有良好 的 载荷一 变形特性 ， 固有频率较小 ， 有适当低 的刚度 ； 采 用碟形弹簧作为缓冲器的减振器件， 能以小的变形量 获得大的承载能力， 且缓冲器高度低、 结构紧凑， 通过 合理的弹簧组合和结构设计 ， 显著降低设备振动和噪 音 ， 收到 良好的缓冲效果 。降低冲压机床振动和噪音 是一个综合性的问题 ， 安装振动缓冲器无疑是十分重 要的措施， 但从冲压机床本身出发， 降振降噪的措施 很多， 包括冲压模具本身的减振设计 ， 厚料 或大型冲 裁件采用斜刃冲裁模具⋯， 加强设备部件润滑， 提高 设备零部件加精度和配合等 ， 才能达到有效降低冲压 机床振动 ， 降低设备噪音的目的。 参考文献 [ 1 ] 成 大先． 机 械设 计手 册 第 五版 [ M] ． 北 京 化 学 工业 出版 ， 2 01 0． [ 2 ] 刘延柱． 振动力学[ M] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 8 ． [ 3 ] 陆文遂． 碟形弹簧的计算设计与制造[ M] ． 上海 复旦大学出版 社 ， 1 9 9 0 ． [ 4 ] 马正元． 冲压工艺与模具设计 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6．