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冲压液压机快速设计系统及液压缓冲回路研究 摘要 本文针对框架式液压机设计中存在的设计周期长、任务繁重、改型设计 困难、对设计人员要求高等问题，提出了框架式液压机的快速设计系统。按照 全程参数化设计思路，对冲压式液压机主机的主要设计环节进行参数化整合， 并利用e x c e l 服务器解决复杂结构参数化中出现的数据多、程序编写困难，降 低了液压机快速设计系统开发难度。在参数输入环节，根据框架式液压机结构， 引入了“骨架式模型设计方法”和“布置图”的概念，优化了参数设置和参数 输入方法，在直观性和实用性上提升了用户体验。本参数化设计系统，可以自 动生成框架式液压机的三维图形、二维图纸和有限元分析结果，实现了液压机 设计的自动化。 针对某型冲压液压机冲裁中的震动和噪声，建立了液压缓冲回路数学模型 并进行了m a t l a b s i m u l i n k 仿真，使用d e f o r m 软件对缓冲回路研究中重要参数 冲裁力进行了分析，从而优化了液压缓冲回路的参数，为液压机缓冲回路的 设计提供了理论依据。 关键词：框架式液压机二次开发骨架式模型液压缓冲回路仿真模型优化 r e s e a r c ho fh y d r a u l i cs t a m p i n gp r e s sr a p i d d e s i g n s y s t e ma n dh y d r a u l i eb u f f e rc i r c u i t a b s t r a c t i nt r a d i t i o n a ld e s i g nf o rf r a m et y p eh y d r a u l i cp r e s s ，t h e r ea r es o m ed i f f c u l t y n e e dt ob es o l v e d ，s u c ha sl o n ga n dt e d i o u so fd e s i g n ，h a r dt oc h a n g et h es t r u c t r u e a n d h i g hd e m a n df o rt e c h n i c i s t h y d r a u l i c p r e s sr a p i dd e s i g n s y s t e mw a s p r o p o s e df o rt h o s ep r o b l e m s a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t r i cd e s i g ni d e a ，a l ld e s i g n s t e p so ff r a m et y p eh y d r a u l i cp r e s s w e r e p a r a m e t e r i z e di n t e g r a t i o n ，a n dp u t f o r w a r dt os o l v et h ep r o b l e mi np a r a m e t r i co fc o m p l e xs t r u c t u r e ，w h i c hi sh a r dt o h a n d l ed u et ot h el a r g ed a t aa n dc o m p l e xr e l a t i o ni nt h es t r u c t u r e ，w i t he x c e ls e r v e r s ot h a tr e d u c e i n gd i f f i c u l t yt o d e v e l o pt h i ss y s t e m m e a nw h i l e ，s k e l e t o nt y p e m o d e ld e s i g nm e t h o d a n d a r r a n g e m e n td i a g r a m w e r ep r o p o s e dt om a k et h es y s t e m m o r ed i r e c t l ya n dh u m a n i z e d t h i ss y s t e mc a nr e a l i z et h ea u t o m a t i o no fh y d r a u l i c d e s i g ni n3dg r a p h i c s ，2dd r a w i n g sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t sg e n e r a t i o n i nt h es t u d yo fc o m m o n l yu s e dh y d r a u l i cb u f f e rc i r c u i t ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lw a sb u i l ta n dp r o c e e d e dp r e l i m i n a r ys i m u l a t i o nw i t hm a t l a b s i m u l i n k d e f o r ms o f t w a r ew a su s e dt oa n a l y s i si m p o r t a n tp a r a m e t e r s c u t t i n gf o r c ei nt h e b u f f e rc i r c u i t s t u d y ，s o a st oo p t i m i z et h eh y d r a u l i cb u f f e rc i r c u i ts i m u l a t i o n m o d e l ，w h i c hp r o v i d e st h e o r yb a s i st od e s i g nh y d r a u l i cb u f f e rc i r c u i t k e y w o r d s ：f r a m e dh y d r a u l i cp r e s s ；r e - d e v e l o p m e n t ；s k e l e t o nt y p em o d e l ； h y d r a u l i cb u f f e rc i r c u i t ；s i m u l a t i o nm o d e lo p t i m i z a t i o n 致谢 在论文即将完成之际，首先我要衷心感谢培养我三年的翟华老师，也很 庆幸在研究生期间可以遇到如此优秀、耐心、和蔼的导师。在学习上，从研一 开始翟老师就给予我参加课题的机会，并悉心给予指导，耐心解答问题，纠正 学习态度。在生活上，翟老师也给予我很大的帮助，在他的不断鼓励和引导下， 我跨过了心情的低谷，生活也变得乐观而积极。在翟老师的严谨、专业的治学 态度和真诚、和蔼、干练处事风格的影响下，相比刚入学时的我，在许多方面 我自觉已经有了很大的提升。我相信这种影响对于我，将是一生最宝贵的财富。 其次、我要感谢实验室的同学，他们陪伴我度过了人生最难忘的三年，在 生活和学习上我们相互鼓励和支持，这份友谊是最难忘的和最值得珍惜的。这 里要着重提起的是大师兄缪玉桂，他在我刚入学时，给予的很大的帮助。 最后、我要感谢我的家人，他们在我的背后默默的支持、关心着我，给予 我他们最最无私的爱。他们的关怀是不断坚持的最大动力，我想对你们一声， 你们辛苦了。 作者：王晓虎 2 0 1 2 年4 月6 日 插图清单 图1 1 某型液压机缓冲装置实物图及简化图6 图2 1 组合框架式液压机结构1 0 图2 2 框架式液压机受力分析1 l 图2 3 组合液压机整机受力分析图1 2 图2 4 上梁上视图1 4 图2 5 上梁受力分析图1 4 图2 6 液压缸加固方式1 5 图2 7 下梁垫板受力简图1 5 图2 8 骨架模型建模方法1 8 图2 9 骨架模型的元素1 8 图3 1d e l p h i 类库导入界面2 2 图3 2s o li d w o r k s 对象结构2 3 图3 3a u t o c a d 2 0 0 4 的对象结构图2 4 图3 4a c c e s s 参数表格2 6 图3 5e x c e l 2 0 0 3 部分对象结构模型2 7 图3 6 工作流程图2 8 图3 7 上梁结构参数3 0 图3 8 转换程序界面3 1 图3 9 转换程序原理图3 2 图3 i 0e x c e l 参数化原理图3 3 图3 1 1 结构布置图3 3 图3 1 2 上梁参数设置界面3 3 图3 1 3 上梁布置图中参数改变的效果3 4 图3 1 4s o li d w o r k s 三维图建模界面3 5 图3 1 5 上梁底板三维图绘制3 5 图3 i 6 上梁装配体基准面3 6 图3 i7 上梁壁板l 的装配3 6 图3 1 8 上梁自动装配过程3 8 图3 1 9 上梁、下梁和立柱总装配体3 8 图3 2 0 有限元分析窗口3 9 图3 2 l 有限元分析结果3 9 图3 2 2 上梁二维图的绘制界面4 0 图3 2 3 快速设计系统的e x c e l 表格4 0 图3 2 4 上梁标注4 4 图3 2 5 粗糙度和形位公差4 5 图3 2 6 参数化方式完成绘制的上梁二维图4 6 图3 2 7 液压机快速设计系统各主要界面4 7 图4 1 冲裁的各个阶段4 9 图4 2 冲裁间隙模型5 0 图4 3 液压机缓冲回路工作简图5 2 图4 4 液压机缓冲回路拓扑图5 4 图4 5 液压机缓冲回路数学模型方框图5 7 图4 6 液压机缓冲回路系统模型5 7 图4 7 液压机缓冲回路m a t l a b s i m u li n k 仿真曲线5 8 图5 1d e f o r m - 3 d 前处理6 0 图5 2 不锈钢1 c r l 7 n i7 的冲裁仿真6 1 图5 3 等速时冲头冲裁力曲线6 2 图5 4 液压机缓冲回路的a m e s i m 模型6 4 图5 5 有无液压缓冲回路时动梁速度、主液压缸上腔压强及其f f t 图6 5 图5 6 预紧力模态分析模型6 6 图5 7 液压机模态分析约束力模型6 6 图5 8 液压机主体框架6 阶模态振型图6 7 图5 9 缓冲液压缸距离对缓冲性能的影响6 9 图5 1 0 冲裁件材料对冲裁缓冲性能的影响7 1 图5 1 1 节流阀c 直径对缓冲性能影响7 3 图5 1 2 节流阀b 直径对液压机缓冲性能的影响7 5 表格清单 表3 1 结构参数3 0 表5 1d e f r o m3 d 参数设置6 0 表5 2 液压缓冲回路主要参数6 3 表5 3a n s y s 模态仿真主要参数6 6 表5 4 框架式液压机模态分析6 7 表5 5 节流阀c 对缓冲性能的影响数据7 3 第1 章绪论 1 1 引言 大型冲压液压机是装备制造业中重要的机械装备，在汽车覆盖件、航空航 天关键零部件、重型工程机械冲压件等生产制造领域中发挥着重要作用。随着 相关技术的不断提升，冲压液压机正向着高精度化、集成化、数控化、网络化、 柔性化等趋势发展川。在实际生产中，为了适应客户各种要求，如液压机台面 大小、冲压行程、开口高度等等，液压机的生产呈现小批量、定制化的特点。 在液压机改型过程中，由于其结构复杂，“牵一发而动全身”的情况在所难免， 给液压机的结构设计工作造成了较大的困难。基于液压机改型中，结构变化的特 点，研究开发了大型冲压液压机快速设计系统，形成了集成化和全程式的设计 平台，为液压机快速设计提供了有效的解决方案。 在大型冲压液压机的高精度化趋势下，液压机缓冲性能是评价大型冲压液 压机优劣的重要指标。液压机缓冲回路设计过程中，传统的设计方法结合现场 实验的思路是主流设计方式。但传统设计方法在设计精度上普遍不高，导致现 场实验次数过多，增加了设计成本。随着数字模拟的普及，采用数字模拟的方 式可以更加精确的为设计提供支持。更好的数字模型可以为实验结果提供精准 的预测，减少实验次数，降低开发成本，同时适应定制化、小批量化中要求快 速设计的特点。 1 2 课题国内外概况 1 2 1 快速设计系统 快速设计技术是由上世纪9 0 年代提出的并行设计发展而来。其目的是缩 短产品的开发、上市周期，并快速适应复杂多变的市场要求【2 】。包括并行设计 技术、快速原型技术、系列和模块化技术等方面。并行技术是将传统串行大循 环分解为并行的小循环，从而缩短产品设计周期【3 j 。快速原型技术是利用离散 分离技术制作产品模型的技术，使用三维模型分层离散，逐层堆积原料，制作 实体模型【4 】。系列和模块化技术是在一定范围类对不同规格和性能产品分析， 找到的一系列功能模块，它们的组合可以构成不同产品。 快速设计系统在数字制造技术的快速发展下，融合了快速设计技术特点， 广泛应用于产品的概念设计、模型设计等环节，有效的缩短了产品开发上市时 间。 1 2 2 快速设计系统的国内外研发现状 ( 1 ) 国内外专用设计软件的情况 国内外制造业企业开发的专用设计软件品种繁多，开发的目的也不尽相 同，有的为设计者提供方便，有的则是为用户选型提供依据，多数的开发方法 和内容属于商业机密范畴。 国内如昆山三一重机研发部门对其主要使用的三维软件p r o e 进行了二 次开发了。开发的主要方式和内容是使用v c 语言对p r o e 的a p i 进行二次开 发，生成动态链接库( d l l ) 文件，将其公司的标注方式( 三一标注) 和参数 化的通用零部件模型导入p r o e 菜单中。“三一标注”让研发人员在进行零件 图等标注时，使用其独有的标注方式进行标注，既统一了公司上下的文件标注 标准，又独具特色，成为其文化的一部分；参数化的通用零部件模型减轻了设 计人员工作量。国内这样的公司不在少数，显示了通用软件专业化的趋势。 德国博世公司旗下的力乐士公司，开发了用于设计液压缸的专业软件 i h c d e s i g n e r ，为用户方便地选择所需液压缸型号提供指导。该软件在用户选 定完液压缸型号后会自动绘制其二维图、三维图。生成的三维图可以导入用户 自己的总图进行装配，方便用户在虚拟情况下了解该型号是否适合整体尺寸。 同时用户还可以通过改变参数，定制所需的液压缸。内置的网络通讯功能可以 方便生产商了解定制的信息。 l s t c 公司在推出l s d y n a 之后，为了适应板料成形与模具设计的要求， 联合美国e t a 公司推出了d y n a f o r m ，该软件使用了l s d y n a 的求解器，虽然没 有l s d y n a 使用广泛但是其更加专注于板料成形与模具设计，为自己在汽车制 造，液压模具行业赢得了市场。由于专用软件比通用软件更加贴近用户，对自 己的产品更加实用，所以各种专用软件开发越来越受到重视【5 j 。 ( 2 ) 快速设计系统开发手段的国内外情况 1 ) 基于通用专业软件的快速设计系统 在制造业中使用最为广泛的软件a u t o c a d 、u g 、p r o e 、c a r l a 、s o l i d w o r k s ， a n s y s 等等，都支持至少一种二次开发方式，如v i s u a ll i s p 、v b a 、a c t i v e x 和 o b j e c ta r x 等等。许多快速设计系统的开发正是基于这些通用专业软件进行 的。 a u t o c a d 是应用最为广泛的二维设计软件。它提供了丰富的二次开发手 段，如基于普通的l i s p 语言开发的a u t o l i s p 语言，仅能以解释性方式运行于 a u t o c a d 内部的程序设计语言。其扩充了许多适用于c a d 应用的特殊功能， 提供用户对a u t o c a d 二次开发的最大权限，如实现直接增加、修改a u t o c a d 的命令，扩大图形编辑功能，建立图形库和数据库，并对当前图形进行直接访 问和修改，开发c a d 软件包等【6 儿7 1 。另外，a u t o c a d 还提供了a c t i v e x 开发方 式。a c t i v e x 是建立在c o m 对象组件模型上的方法【8 】，是利用a u t o c a da p i 编写的客户端程序发送命令，指挥a u t o c a d 实现相关功能【9 1 。 在三维设计软件中s o l i d w o r k s 是典型软件，提供了几种二次开发方式， 比如a c t i v e x 方法，在使用其二次开发时，将s o l i d w o r k s 视为服务器，可以响 应客户端程序的草图绘制、模型、二维图形生成等请求。此外s o l i d w o r k s 还提 供了宏录制的方式，通过v b a 语言记录用户的每一个操作。运行录制的程序 可以精确的还原用户的操作，通过修改已生成的v b a 程序可以实现二次开发。 使用v c + + 编写s o l i d w o r k s 功能插件的方法在s o l i d w o r k s 的二次开发中也十分 常见。这种方法可以将需要实现的操作，集成到其菜单栏中【1 0 】。其他主流三维 软件如p r o e ，提供了p r o t o o l k i t 二次开发工具，在第三方编译环境下可以访问 其底层的功能【l 。在对c a t i a 二次开发时，可以使用一般的宏录制和a p i 方式 对其进行二次开发外，还可以使用其开发工具c a a 进行二次开发。 有限元软件a n s y s 的经典版本采用了f o r t r a n 语言编写。在二次开发时不能 使用a c t i v e x 方法，而是利用其他几种的替代方法，如a p d l 开发语言、u p f s 方法等。a p d l 语言是a n s y s 本身携带的脚本语言，可以利用a p d l 来开展 基于有限元理论的分析过程，即可以利用a p d l 来完成公共的分析任务，也可 以用它建立参数化模型【12 1 。另外，a n s y s 还有u i d l ( u s e ri n t e r f a c ed e s i g n l a n g u a g e ) 开发方式和u p f s ( u s e rp r o g r a m m a b l e f e a t u r e s ，用户可编程接口) 。 前者用于更改a n s y s 的图形界面，如添加功能菜单、构造复杂参数提示等等3 1 。 后者可以在c 语言的编程环境，通过修改a n s y s 源代码，对程序底层进行二次 开发【1 4 】。 2 ) 专家系统知识库型快速设计系统 专家系统知识库是一种推理系统，如北京工业大学和燕山大学开发的y y j c a d1 0 系统5 1 ，并不必基于某种软件进行开发。其成果也不必是普通的图纸 形式。这种系统可以将设计中的经验、思想、规则、技巧进行综合，建立各种 规则库如结构的选型规则库、尺寸标注规则库、强度规范规则库等等。综合用 户要求和规则库，在设计中帮助设计人员进行推理和判断。 1 2 3 液压机冲裁的振动和冲击 液压机在进行冲孔和切断等工序时，会发生液压机的振动、冲击现象，发 出巨大了闷响。由于液压机的冲压能力来自于液压缸和管道中的液体压力，这 些压力在增大过程中不仅会使自己被压缩，同时液压缸和管道壁也会发生一定 的弹性形变。在压力缓慢增加的情况下不会产生振动和冲击，但当如阀门突然 关闭、液压缸运动突然停止时，这种压力可能会达到其极限值( 有溢流阀等进 行控制) ；或者阀门突然打开，工件阻力突然消失，这种压力会被突然释放。这 种压力的突然变化在液压机工作中产生的影响如下： ( 1 ) 、由于液压机管道中液体和管道等弹性势能突然变化，会使液体发生压力 波动，打破原先较为稳定的流速和压力，产生震荡，同时在管道等弹性材料的 形变会对这种震荡起到推波助澜作用。 ( 2 ) 、在液压机冲压过程中冲压头接触工件和冲断工件时，都会使主机发生震 荡。当冲压头接触工件时，机架会被接触反力向外撑开，这个过程会使液压机 产生一定的振动，随着冲断工序的进行，液压机主机会积累一定的弹性势能， 等到工件突然发生断裂，这些势能会被突然释放，这将使液压机主机产生更剧 烈的振动，严重时可以使固定主机的地脚螺栓发生断裂。 ( 3 ) 、这种冲击和振动的严重程度将会和机架的结构、工件的厚度、工件的材 料属性、冲压头和工件的间隙等因素有关。这些参数既是影响冲击力、振动频 率、振动振幅的因素，同时也是改善这种冲击的突破口。 1 2 4 缓冲回路研究国内外现状 ( 1 ) 、冲裁理论和仿真方法的现状 近现代金属材料成型理论中已经形成了包括主应力法、m i s e s 屈服准则、 位错理论、t r e s c a 、滑移线理论、上限元法以及大变形弹塑性和刚塑性有限元 理论等理论体系，为液压机冲裁提供了重要的理论依据。主应力法( 切块法) 将应力平衡微分方程和屈服方程联立求解，简化实际问题为平面问题或轴对称 问题。m i s e s 屈服准则是v o nm i s e s 于1 9 l3 年提出了一个屈服准则，指出了当点 应力状态的等效应力达到某一与应力状态无关的定值时，材料就发生屈服，或 者说材料处于塑性状态时等效应力始终是一不变的定值。该理论在各种有限元 软件中都得到了使用。位错理论是比较基础的理论，展示了晶体的微观结构。 t r e s c a 屈服条件是18 6 4 年法国工程师h t r e s c a 提出的指出了金属材料在最大剪 应力达到一个临界值时，就会发生屈服，对冲压研究具有指导意义。滑移线理 论是上世纪二十年代至四十年代问，人们对金属塑性变形过程中，光滑试样表 面出现“滑移带”现象，经过力学分析而逐步形成的一种图形绘制与数值计算相 结合的求解平面塑性流动问题变形力学问题的理论方法【16 。上限元法基于刚一 塑性材料的上界定理求金属塑性加工功率或变形力上限的解析法。大变形情况 下的塑性理论是a l 纳戴在19 3 7 年建立的，包括变形和位移、应变度量、应力 度量、本构方程、平衡方程、虚功( 率) 原理等内容解决了小变形难以解决的 非线性问题l l 。有限元是现阶段最为流行的解决冲裁仿真问题的手段，将刚塑 体划分为有限数量的互联子域，将实际问题用这种简单方式替代，不仅精度很 大提高而且适应了计算机时代的潮流，得到了巨大的发展，由此发展出许多借 助于有限元方法的仿真工具。 冲裁冲压仿真软件，如l s d y n a 、d e f o r m 2 d 3 d 、d y n a f o r m 等，更加适合专 业的工艺仿真人员进行操作。l s d y n a 是1 9 8 8 年j o h a l l q u i s t 仓0 建l s t c 公司推出 的，由于其出色的非线性分析功能，很适合用于薄板冲压仿真【l8 1 。同时为了更 加适应冲压等工艺，l s t c 公司联合e t a 公司开发了专用于板料成形数值模拟的 d y n a f o r m 软件，使用l s d y n a 的求解器，得到了广泛的使用。d e f o r m 2 d 3 d 也是 一款工艺有限元分析软件，它的功能也很强大，但易用性更加突出，其特点将 在以后的章节进行详细介绍。 冲裁冲压理论的发展同时推动了仿真方法的革新，使仿真方法更加方便、 更加节省时间，为各种相关行业带来了技术的革命和成本的降低。 4 ( 2 ) 、液压系统动态性能研究理论和仿真的现状 传统的液压回路设计是以满足工作机构预定动作、循环和一些系统静态性 能要求为主要目的的，但随着液压系统的高压力、高精确度等发展趋势，系统 对动态性能的要求更加严格。现代液压系统的设计不仅要满足静态性能要求也 要满足动态性能要求。 液压系统动态特性是其在失去原本平衡状态到恢复成新的平衡状态过程 中表现出来的特性【l9 1 。外界干扰和传动控制系统的过程变化是引起动态过程的 主要原因。这一过程将使系统中各个参数随时间发生变化，这些参数变化的好 坏将是衡量该系统动态性能的标准。可以从两个方面进行考察。第一、稳定性， 系统在压力过高时是否会有压力冲击，即出现瞬间压力峰值过高，或该系统恢 复新的平衡所花费的时间：第二、过度过程的品质，研究执行和控制机构的响 应品质，即在这一过程中，执行和控制机构的速度、位移等参数的变化，是造 成了突变现象，还是可以平和的过渡。 液压系统动态性能研究方法主要有：传递函数法、模拟仿真法、实验法、 数字仿真法等等【1 9 1 ，传递函数法是一种经典控制理论的研究方法，一般只限于 单输入输出系统，方法是：首先建立数学模型，再将其经拉普拉斯变换转换成 传递函数形式，通过传递函数绘制伯德图，从伯德图中分析其动态性能，多分 析线性系统，对实际的非线性系统可行性不强，这是其最大的局限性；模拟仿 真法是在计算机尚未普及的时代发展的一种用模拟电路来描述液压系统动态性 能的方法，特点是接近实际、速度快，但不方便且精度较低；实验法就是通过 实际的液压系统运行；数字仿真法是计算机普及和控制理论发展相结合的产物。 此方法通过建立液压缓冲系统的状态方程，然后通过计算机求出系统的各个变 量随时间变化的解，可适用于非线性系统，具有精确、可靠、周期短、费用低 的特点。 液压系统仿真软件也随着数字仿真法的成熟得到了飞速发展。第一个面向 液压系统的专业软件是h y d s i m ，已有近4 0 年历史。这是首次采用了液压元件 功能口建模方式完成的软件。随后按照这样的思路，d s h 、h a s p 软件在8 0 年代 相继研制成功，更是具有了面向原理图的特点，使建模更加方便。在此之后许 多相似的软件都被开发出来，但没有几个超出了这两个软件的理念和功能。我 国也开发的几种相似液压系统软件如浙江大学的s i m u l z d ，大连理工的s i m 1 软件包等等。近年市场上出现了几款仿真软件，无论在功能还是操作性上都胜 过了前期的软件，如e a s y 系列液压仿真软件、a m e s i m 系列仿真软件、s i m u l a t i o n x 等等，这些款软件都在不断的进行优化，易用性好、功能强大、分析精确将是 该类软件的发展趋势。 ( 3 ) 、液压机冲裁缓冲方法的现状 很早之前液压机的缓冲问题就被提了出来，因为没有解决的方法，所以液 压机一般不用于冲裁作用，只是近几十年随着问题的解决，液压机才用于冲裁 作业。同时随着液压机吨位越大，无缓冲液压机在冲压工件时产生的振动和噪 声也越大，冲压时动梁的振动会影响冲压工件的精度，加大模具的磨损，巨大 的噪声会影响工人的健康，所以对液压机缓冲性能的要求也越来越迫切。 从上世纪末开始，多种配备液压缓冲装置的液压机相继问世，主要采用的 缓冲装置有缓冲油缸、弹性垫块、弹簧、反压力腔等形式。其中以缓冲油缸方 法居多。以下将简要介绍这几种缓冲装置： ( 1 ) 、缓冲油缸缓冲方法的一般方式是在工作台下放置缓冲缸，当活塞和活动 横梁一起下行完成冲压动作时，这时材料刚要被切断瞬问，移动部分接触到由 儿个缓冲缸组成的缓冲负载，和移动横梁一起下行，起到了控制下行速度，使 其不致失控，使能量得到缓慢释放。图1 1 是某公司出产的框架式液压机的缓 冲结构。在f 梁中每侧安置2 个缓冲液压缸，液压缸系统通过图1 1 ( b ) 的压 力罐提供独立的供液节流系统。当动梁的触点和缓冲缸接触缓冲系统就建立了 反力，来抵消山阻力消失而产生的下冲力，再通过节流阀结构释放这部分能量。 ( c ) 缓冲装置整体图( d ) 缓冲装置简化图 图1 1 某型液压机缓冲装置实物图及简化图 国内对缓冲液压缸缓冲性能有较早研究的是济南铸锻机械研究所，他们对 l0 0 0 k n 四柱液压机进行了液压节流缓冲垫的研究。实验记录了冲裁力、缓冲 力、工作台弹跳、噪声、冲头最大速度等数据，并进行了相关分析1 2 。在国外， 如知名公司德国迪芬巴赫( d i e f f e n b a c h e r ) 、德国贝高( b i i r k l e ) 等公司很早就 将外缓冲缸这种缓冲结构应用于压力机的生产中，已经在精确冲模和柔性冲模 上取得了广泛的声誉。 ( 2 ) 、弹性垫块缓冲法 弹性垫块缓冲法是在凸模中设置弹性缓冲垫块，使移动部件的动能转化为 弹性势能。当液压机进行冲孔时，材料冲断瞬间将动能转换为弹性垫块的支撑 反力作用状态，从而抑制了冲头的过冲，并可以逐步释放能量，简单方便，但 是比较容易损毁，维护费用较大。 ( 3 ) 、反压力腔法 反压力腔法是利用位移限制块对动梁进行行程控制，结构十分复杂，至今 没有大范围使用，这里不再详细介绍。 ( 4 ) 、弹簧法 弹簧法是将液压缸和主机的形变转化为弹簧的压缩，使用弹簧进行缓冲， 但缓冲效果并不是十分明显，未得到广泛使用。 液压机的冲裁缓冲的方法主要是以上几种，主要的缓冲液压缸方法虽然是主 流方法，但设计理论和缓冲效果的提高方面仍然有改进之处。 1 3 论文主要研究方法和预期目的 1 3 1 课题来源 本课题来源于合锻机床股份有限公司和合肥工业大学联合承担的国家重 大科技专项大型数控单双动薄板冲压液压机( 项目编号：2 0 0 9 z x 0 4 0 0 4 0 2 1 ) ， 主要研究内容为大型液压机的若干关键问题，本课题的研究的对象是 r z u 2 0 0 0 h d i i 型液压机，包括对该液压机的快速设计系统和液压缓冲回路的研 究。 1 3 2 快速设计系统主要采用方法和预期目的 快速设计系统使用d e l p h i 2 0 1 0 对s o l i d w o r k s 2 0 0 8 、a n s y s l 2 0 、a u t o c a d 2 0 0 4 进行二次开发，结合e x c e l 2 0 0 3 和a c c e s s 2 0 0 3 的数据处理能力，实现框架式液 压机的参数化设计，即三维图绘制、有限元分析、二维图生成等操作。 1 3 3 缓冲回路研究主要采用方法和预期目的 本文在研究液压缓冲回路时，使用m a t l a b s i m u l i n k 对其数学模型进行初步 仿真，并使用d e f o r m 。3 d 对冲裁过程进行模拟，以冲裁力数据为基础优化了 a m e s i m 液压仿真模型。同时使用a n s y sw o r k b e n c h 对液压机主机的固有频率进 行计算。结合主机的振型和液压回路仿真模型，对影响缓冲性能的几个重要参 数进行讨论。 7 1 3 4 论文研究主要内容和意义 1 、研究液压机快速设计系统的目的和意义 ( 1 ) 、快速设计系统相比传统设计方法： 1 ) 、设计方法：传统的设计方法是以材料力学、理论力学等为基础，强调 经验类比的设计方法，而快速设计系统采用现代设计理论，如有限元法、计算 机辅助设计、机械动态设计、优化设计、可靠性设计等等【2 1 1 。 在传统的机械产品的设计中，以材料力学为理论基础的数学模型往往较为 复杂，产品模型需进行大量简化，因而适合对简单机械产品总体强度进行校核， 对复杂模型和局部应力不能精确计算。快速设计系统主要使用计算机辅助设计 方法，在强度计算中采用了有限元方法，较前者既减少了设计难度，也提高了 设计精度。 2 ) 、设计结果：传统的设计的最终成果是二维图，快速设计系统的最终成 果是三维图和二维图。三维图较二维图纸，直观性更好，有助于技术人员对二 维图的理解能力。 3 ) 、设计用途：传统设计主要用于指导生产，对员工要求较高。而快速设 计系统的自动化二维图、三维图绘制和有限元分析能力，不仅在设计环节降低 了对员工的要求，方便了技术人员的改型作业，也为销售上提供了便利，可以 快速完成客户的设计要求。 4 ) 、设计效率：传统设计耗时较长，快速设计系统的最大特点是快捷性。 传统设计的效率比较低，二维绘图和校核需要多人协作，一张2 0 0 0 0 k n 液 压机上梁二维图，需要绘图者连续绘图2 0 3 0 个小时，校核的工作时间也较长， 完成一次设计周期一般需要4 5 天。如果参数变化，还需要进入下一个设计周 期。而使用快速设计系统进行设计时，设计人员完成一个设计周期所需的时间 大约为2 。3 小时。 ( 2 ) 、快速设计系统相比其他的设计系统的优点： 大部分二次开发软件专注于小型的模型，比如设计齿轮，设计凸轮等等， 以齿轮设计为例，它通过改变齿轮的直经、模数参数来生成所需要的齿轮，工 作量较小。出于可行性和工作量的考虑，二次开发软件很少关注大型设备。对 这些设各的二次开发需要投入较大的精力，而且可能在花费了很长时间设计的 软件，使用者只能用于一种产品，所以其性价比很低，这是设计大型机构二次 开发软件的障碍。解决的方法是在设计二次开发软件中提高其代码的可移植性， 使其只需要改变少量的参数，便可以适应不同的产品要求。 2 、液压机缓冲回路研究的目的意义 冲压液压机在进行冲孔、落料、切边等工序时，由于材料的变形阻力突然 消失或减少，出现失载现象，会引起液压机本机的极大震动，严重时可以损坏 液压机及其周边设备，甚至人员伤害。所以如何设计有效的、安全的缓冲回路 是液压机设计的必要环节、本课题的意义是研究影响缓冲回路性能的要素，建 立一种以数字仿真技术为基础的、更有效合理的仿真模型，研究液压缓冲时， 液压回路几个重要参数对改善其动态性能的作用，为液压机缓冲系统的设计提 供设计思路和研究方法。 9 第2 章框架式液压机结构设计特点 框架式液压机主要有整体框架式液压机、组合框架式液压机、多牌坊式液 压机，框架式液压机是由钢板焊接而成其机械性能优于铸件。整体框架式液压 机的结构刚度虽然有了很大的提高，但加工和焊接难度也十分巨大、组合框架 式液压机通过立柱的预应力作用不仅在刚度上没有太多减少、其加工、焊接难 度大大减低。 2 1 组合框架式液压机的结构特点及其分析 2 1 1 组合框架式液压机整机结构分析 组合框架式机架结构液压机是大中型液压机广泛采用的一种液压机结构形 式。机架的结构采用钢板焊接制成。相比于铸造式液压机，采用钢板框架式结 构的组合框架式液压机的刚度有大幅度提高，相比于整体框架式液压机，尺寸 和重量有所减少，从而减少了加工、热处理的困难。组合框架式液压机的主要 结构包括，拉杆、上梁、副油缸、主油缸、动梁( 滑块) 、立柱、垫块、下梁、 顶出缸。图2 1 为组合框架式液压机的典型结构。 烈 | 五丑田圆 文圈，i = 习 i o f 燃 f 引8 娴 口 飞 、 朝 去 量 u u 榭i 曙| 8 888i 屠一 阻 8 y 0 n8 障龌 工 图2 1 组合框架式液压机结构 在安装时，上梁、立柱、下梁通过四根拉杆固定，并对四根立柱施加预紧力。 主油缸和副油缸固定在上梁上，油缸连接着动梁。工作时，当油缸顶出，动梁 在自重和液压缸的推动f ，沿着固定在立柱垂直方向的导轨下行，实现合模动 作，这时液压机框架受到向上和向下的张力，主要通过预紧力和上下内力平衡， 如图2 2 。 1 0 斡屏l f ! ! l n 忻 儿 vv f 1f 1 介 ” v 广 穗 8 88 l 9 酉 由 n f 8 8 8 。i i ! n 制 萨 ：i 丘j - _ ：警p 最：z 3 p 2 以+ 以 23 五= 靠 式中：丑一一预紧时拉杆的伸长量 厶一一预紧时支柱的压缩量 厶一一支柱总长 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 0 000 010 历一一拉杆工作部分长度 e 一一拉杆材料弹性模量 e 一一支柱材料弹性模量 只一一单根拉杆的截面积 n 一一拉杆的数目 只一一支柱的最小面积 m 一一支柱数目 矽一一支柱截面不匀称系数 z 3 一一预紧系数( 1 5 2 ) ( a ) 三缸简化受力图( b ) 单缸简化图 爪彳 ha 业 i m 】 l m 2 i 仆 一b ( c ) 弯矩图 ( d ) 位移图 图2 3 组合液压机整机受力分析图 1 2 产 三液压缸组合框架式液压机的整机受力图如图2 3 ( a ) 所示，主液压缸受力为p 1 ， 副液压缸受力为p 2 ，不考虑偏心载荷，可以简化为单缸受力图如图2 3 ( b ) 所示，入 为系数，这样不影响最大位移和应力的求解，按照2 3 ( b ) 图，液压机的整体弯矩图 和整体位移图如图2 3 ( c ) 2 3 ( d ) 所示。其相应的a 点弯矩m a 、b 点弯矩m b 、上 梁中点弯矩m l 、下梁中点弯矩m 2 、垂直分析拉伸量t 经公式计算如下： m 。：一f b 三兰圣! 苎二竺垒垒! 笠鱼垒 4 8彳+ b 。，一f b 一仪k ，墨+ 2 a k b k 2 + 3 k k 2 d l l d 一一一 m 2 m a f b ( 1 一y ) m 2 2 m b 一言f b ( 2 一 t 3 志旷“内一篙一志旷“1 砌一沼4 ， 篙一面f h + c 1 击4 ( 1 _ 卅c l 芸( 1 2 )8 ( 上v ) ，2 尉 1 g 4 、 7 1 4 g 以、 。7 式中：墨= 面e 面j 一一立柱抗弯刚度e j 和上横梁抗弯刚度( e j ) - 之比； k = 话e 万j 一一立柱抗弯刚度e j 和下横梁抗弯刚度( e j ) z 之比； 口：_ h 一一框架高度h 和宽度b 之比； k 疗2 1 一厶3 ： k = 卜y 2 ； f 一一液压机公称力； g 一一上梁材料的剪切弹性模量； c 。一一截面系数，矩形截面一般取1 2 a 一一上横梁横截面积 a 一一每侧立柱截面积 从图2 3 ( c ) 可知，在上梁的拉杆处和液压缸处、下梁的拉杆和滑块接 触处会有比较大的弯矩，这些部位是正应力危险部位，满足式( 2 - 5 ) 的条件。 为了保证冲压精度，在垂直方向的位移形变也必须满足式( 2 6 ) 。 - - r 引 ( 2 5 ) f l 【五】 ( 2 - 6 2 1 2 组合框架式液压机上梁结构分析 按照整体结构分析，框架式液压机上梁的危险部位为主液压缸与上梁固 定的环形面、二个副液压缸与上梁固定的环形面、四个立柱及其锁紧螺母和 上梁的接触面。图2 4 是框架式液压机上梁的典型结构。图2 5 是上梁受力 分析图。 + + | |l 1 厂 域妙 。 ill 圈u 目 ii n钐雨m 冬m r 弋ln u 心u j ， l 上j 0l l _ 3 陈。v ll 旦厂 l 一 be b 。 图2 4 上梁上视图 z 删 渺 一 b ( a ) 上梁受力图( b ) 上梁剪力图 图2 5 上梁受力分析图 由图2 5 ( c ) 可得：蚝。= 竿一等一笆b 坂。= i 1p , 。矾一2 z 万9 0 ) + p 2 b ( 1 一争 式中：只一一中心缸压力 b 一一立柱中心距 只一一副缸压力 d n 一一中心缸外台肩直径 1 4 ( c ) 上梁弯矩图 ( 2 7 ) 统一一中心缸副缸距 副缸中心的弯距为： m ：生兰( b 一2 院) 一盟 ( 2 - 8 ) 4 。 2 万 通过图2 5 和计算结果可以得到如下结论： ( 1 ) 、立柱距离b 越小，最大弯矩m m 锻越小，但上梁的立柱距离b 是根据所 要加工工件的尺寸得到的，需要符合该系列的设计要求，不可以随意变动。 ( 2 ) 、中心缸直径d o 越大，最大弯矩m 肼“越小，可以在不影响整体尺寸的情 况下进行调整。 ( 3 ) 、副缸中心缸距b 。越大，最大弯矩m 肼以越小，但b 。越大，危险影响截 面的范围就越大，从而需要加固的截面也越大，在保证加工时动梁的结构稳定 性的前提下副缸中心缸距b 。可以通过调整获得更好效果。 立柱距离、中心缸直径、副缸中心缸距，这些是上梁设计时重要影响尺寸， 在液压机快速设计系统中是十分重要的参数。 同时为了保证这些截面的可靠性和减少位移形变，采用的加固方式如下图 2 6 所示。 图囝蠢 ( a )( b )( c ) 图2 6 液压缸加固方式 2 1 3 组合框架式液压机下梁及其垫板结构分析 下梁和垫板是液压机中支撑工件的部位，在设计液压机时对该部