深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计

1、2016第九届全国3D大赛2016第九届全国3D大赛作品名称：深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计指导老师：李增亮 孟凡林学生姓名：杜明超 刘艳立 李昆鹏 胥曰强目 录1 绪 论11.1 研究背景11.2 改良内容简介12 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计总体设计22.1 对深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计的功能要求22.2 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计方案确定33 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计结构设计与三维建模83.1 液压系统基本参数设计83.2 伺服电机的选型建模113.3 联轴器的选取133.4 阶梯轴的设计计算建模143.5 同步带轮的相关参数173.6 深沟球轴承选型223.7

2、 键连接的强度计算233.8 带轮外壳的设计建模253.9 辅助油缸的设计建模263.10 板料压板设计建模263.11 上下模设计建模273.12 底座旋转机构284 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计的ANSYS静力学分析304.1 旋转冲头上模有限元分析305 总结36参考文献38III1 绪 论1.1 研究背景随着市场趋向于满足快速要求的短期生产，对钣金加工行业提出了加工精度高、成形复杂、加工过程简单等新要求1，高速加工逐渐成为现代市场激烈竞争的焦点。虽然我国许多机床厂家已具备数控冲床的生产能力，但功能相对单一，难于满足日益复杂的冲压加工要求，而数控转塔冲床作为现代电子机械技术与优秀传统

3、机床概念相结合的一种自动化设备，具有效率高，作业灵活，加工精度高和工艺范围广的优点，而广泛应用于各种多孔薄板零件的加工，受到许多加工企业的青睐。虽然国内外的相关产品种类很多，但是这些产品的附加值较高，主要面向的是高端市场。因此，它们的价格对我国多数的小型企业来说是难以承受的。1.2 改良内容简介基于复杂冲压加工的功能要求和目前中小企业的现状，本团队设计了“深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计”，它的设计结构能够安装于现有的压力机中，功能符合复杂孔的加工要求，成本低，能够广泛应用到中小企业中；其运动满足旋转、定位、夹紧三方面的要求，并且该数控冲床旋转冲头操作方便，可使自转模具的数量不受限制，任何模具

4、均可实现360°旋转，冲出任意形状的产品孔形。因此拓宽了冲床的使用范围，并且可以节约更换模具的时间，提高工作效率及模具的利用效率，实现一模多用，具体工作如下所示。（1）构思旋转冲头整体方案，包括传动机构和冲压系统的确定。（2）进行旋转冲头结构设计，建立三维实体模型。（3）进行关键部件的设计以及所需零件的选型校核。（4）进行床身部分机构的设计。（5）对旋转冲头进行静力学分析并得出结论。2 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计总体设计2.1 对深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计的功能要求旋转冲头的诞生主要是基于复杂孔或是不同方向孔的加工，目前，对于复杂孔或是不同方向孔的加工主要有3种方案：（1

5、）带有旋转冲头的数控冲床加工。德国通快公司生产的直线模具库式数控冲床的旋转冲头采用涡轮蜗杆传动机构和锥齿轮传动机构，如图2.1所示，虽然存在诸多优点，但成本较高，目前在我国的中、小企业中难以推广。图2.1 德国通快公司生产的数控冲床（2）带有自转模具的数控转塔冲床加工。目前，国内部分厂家已能够生产出带有自转模具的数控转塔冲床，并获得了良好的经济效益。但每套数控冲床中所安装的自转模数量有限，目前一般安装两套，在冲压复杂孔的加工中具有一定的局限性。（3）带有回转工作台2或是回转夹钳的数控冲床加工。这种方案的回转角度具有一定局限性，在加工中心中应用较多，在冲压设备中应用的较少。2.2 深喉式冲压加工

6、中心旋转冲头的设计方案确定2.2.1 冲压设备方案确定基于上文提及的数控转塔冲床以及考虑到中小企业的经济承受能力3，现在要在普通冲床的基础上对其改进，使其冲头可以360°旋转以实现复杂孔和不同方向孔的加工。首先是对于冲压设备确定。先进的冲压设备是冲压技术发展的先决条件，当今国内外的冲压设备其冲压系统主要由机械式、液压式和伺服电机式三种，机械式主要有曲柄压力机，它通过曲柄滑块机构将旋转运动转变为往复运动，曲柄滑块机构主要由曲柄，连杆，滑块等零件组成。液压式压力机采用液压传动系统来代替曲柄滑块机构，普通液压机液压系统如图2.2所示。YA1得电时液压油经泵1、流经电磁阀2左位进入液压缸下腔

7、，上腔的油经液控单向阀3，电磁阀2流回油箱，活塞杆带动滑块向上运动。YA2得电时电磁阀2右位工作，活塞杆带动滑块向下运动冲压工件。液压式压力机除了具备传统的机械式压力机一般特点外还具有以下一些优点：（1）结构简单，加工制造方便。采用液压传动不需要飞轮、曲柄连杆机构、离合器和制动器等复杂构件，可选择通用化程度较高的液压元件，降低了制造成本。（2）液压系统运动平稳，易调速、行程可控，其动力传动为“柔性”传动，可以实现过载保护，能控制滑块的速度和位置。曲柄压力机滑块的运动规律呈“V”型曲线，速度和位置是固定不变的，而液压数控压力机的滑块可实现快速下行、慢速冲压、快速回城且可在任意位置停止。图2.2

8、普通冲压机主油缸液压系统原理图（3）可以由液压系统来调整冲压力的大小，并能在整个行程中提供所需的最大工作压力，可避免机器过载情况。传统数控压力机只能在压力角范围内承受额定工作载荷，且大小不能变化。而液压数控压力机的冲压力可由液压系统调定，是可以变化的。同时，采用液压传动的数控压力机通用性强，适合于多种冲压工艺，处理能冲孔外，还可进行压印、弯曲、成形等工艺，同时还适应于冲压各种材料和不同板厚。（4）噪声降低，震动减小，基本上只有板材冲断的声音。（5）冲压频率提高，液压传动简单，运动部件少，控制方便。当今国外生产的冲压设备几乎全都是液压传动式数控压力机，所以本文主要针对液压式数控冲床进行改进。2.

9、2.2 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计方案图深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计的方案图如图2.3所示，其中1为主液压缸，起冲压作用；2是同步带，通过伺服电机5带动同步小带轮7转动来实现4冲头上模的旋转运动；3是4个辅助油缸，用于板料的压紧定位；9是冲头下模，装在10下模座结合件上，配合冲头上摸一起旋转，实现复杂孔或不同方向孔的加工。简单来说，就是在普通液压传动式数控压力机上装上一个可以实现冲头旋转的同步带机构，并配合相关位置检测装置、夹紧装置来实现所要求的功能。图2.3 数控冲床旋转冲头草图数控冲床旋转冲头装置的工作原理如下：冲压加工时，与普通冲床类似，压力机液压冲压设备驱动旋转冲头往下运动实

10、现冲压，冲完后复位，完成一个冲压加工过程；模具旋转时，由同步带带动上下大同步带轮同步旋转，带动旋转冲头和下模座结合件的旋转运动，从而实现凸凹模的同步旋转。数控冲床旋转冲头传动系统工作原理。数控冲床旋转冲头传动系统，如图2.3所示，包括：伺服电机5、锁紧螺母、联轴器、同步带、小同步带轮、下模座结合件、旋转冲头、大同步带轮、夹紧机构，传动机构包括上、下两部分，旋转冲头活塞杆和下模座结合件分别安装有相同规格的大同步带轮，由伺服电机带动小同步带轮，通过同步带传动实现同步旋转4，旋转到特定角度后通过夹紧机构分别将旋转冲头和下模座固定在特定位置。板料进给机构充当模具库，全部模具并排放置在板料进给机构中，更

11、换模具时，旋转冲头先旋至初始位置，板料进给机构同时将上、下模送入旋转冲头与模具结合部件及下模座与模具结合部件中，启动锥形模具锁紧机构将其固定，通过夹紧机构将整个旋转装置固在特定位置。旋转冲头的定位精度是指旋转冲头实际旋转角度与目标角度的接近程度,定位精度的高低用定位误差的大小来衡量5,，实际定位误差包括系统误差和随机误差两类6。定位精度对系统的性能和零件的加工精度有着重要的影响。在数控冲床中常用的定位元件有插销定位、反靠定位和齿盘定位等7。这种定位方式简单可靠，但不能满足任意旋转角度的定位，具有一定的局限性。为了保证旋转精度，本设计在旋转冲头中加一位置检测装置感应同步器，它的主要作用是测量角位

12、移并发出反馈信号与数控装置插补计算的理论位置相比较，若有偏差，经放大器放大后控制旋转冲头使其向着消除偏差的方向旋转进行补偿，直到偏差满足要求为止，最后启动夹紧装置将其固定。设计旋转冲头定位精度闭环控制，如图2.4所示，采用闭环控制随时调整旋转冲头上下模之间角位移偏差，将角位移误差控制在设计要求内。图2.4 定位精度闭环控制2.2.3 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计辅助油缸液压系统图本次改进的数控冲床8的液压系统有两套，即主油缸回路和辅助油缸回路，没有采用增压缸是因为增压缸动力源不仅需要液压油，而且需要高压气，需要附加高压气泵，这会明显增加成本。主油缸的液压系统图已经在上文中提及，下面展示一下

13、辅助油缸的液压系统图，如图2.5所示，整个液压系统的工作原理为：四个辅助液压油缸由一个电磁阀控制，当电磁阀工作在右位时，液压油进入辅助油缸上腔，辅助油缸活塞同主油路控制的主油缸活塞一起下降，当冲头外壳压在板料上时，此时液压泵不在供油，由于双向锁的锁紧作用，辅助油缸保持油压不变，板料被固定，此时主油缸活塞由主油路9控制继续下压完成冲压，当冲压完成后，辅助油路电磁阀换到左位，液压油进入辅助油缸下腔，活塞杆开始回程，此时主油路也控制主液压缸活塞杆返程，这样下来就完成了一次冲压。图2.5 普通液压机辅助油缸液压系统图3 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计结构设计与三维建模3.1 液压系统基本参数设计3.

14、1.1 液压缸的基本参数系统压力：该系统最大工作负载F=70KN，负载较小，属低压系统，泵额定压力选为20MPa。周期和行程：要求该冲床最大行程s=100mm，不同的工作行程，冲压频率也不同，初定工作行程为21mm,冲压频率f=300次/min，此时周期T=60/f=0.2s。（1）缸筒内径D计算：高压系统最高压力为P=0.8Pn=16MPa,最大负载Fmax=70KN，初定系统阻力f=9KN，则液压缸内径：Dmm （3.1）缸的内径圆整为D=80mm。（2）活塞杆直径：为提高活塞的的返回速度，活塞杆应尽量选择的大些，但快速过程采用差动连接，若活塞杆直径太大，其快速下降的速度便会降低。所以应选

15、择合适的活塞直径。差动下降时活塞的速度：A1V1=q+A2V1 （3.2）V1=q/(A1-A2)=4q/d2 （3.3）活塞退回的速度：V2=q/A2=4q/(D2-d2) （3.4）对V=V1+V2=4q/d2+4q/(D2-d2)求最大值，当d=(/2)D=56.56mm时，活塞运动时间最少，根据液压缸国标原则，如表3.1，活塞杆直径圆整为45mm。表3.1液压缸国标要求(3)泵的排量活塞行程s=21mm时，冲压频率f=300次/min，则一个周期内，泵向液压缸的排油量应于液压缸向油箱的排油量相等，所以系统需要的总流量：L/min （3.5）所以选用液压泵理论流量qt=35L/min，取

16、n=1500r/min，由泵排量和流量的关系式：，则泵的排量为：ml/r，根据排量和压力要求设计选用泵。3.1.2 速度验算以冲板厚为1mm，行程为21mm时为例进行速度验算，差动下行阶段： V1=4q/d2=36.70cm/s （3.6）返回阶段： V2=4q/(D2-d2)=16.96cm/s （3.7）3.1.3 三维建模最终，根据上面的计算结果，利用Pro.E进行三维建模，画出液压缸的三维模型如图3.1所示。注意到液压缸的活塞杆上开有键槽，这就是本文的创新点，整个数控冲床改进过程的难点是同带轮应如何与冲头结合才能实现带轮带动冲头旋转，同时冲头上下冲压时带轮能够在原来位置保持不动。因此，

17、在基于德国通快公司10生产的数控冲床的基础上，可以将同步带轮安装在液压缸的活塞杆上，带轮装有导向滑键，在活塞杆上上下滑动，相对而言，假如有某种机构能将同步带轮固定在某一位置，则活塞杆可以在同步带轮上上下滑动，这样就可以实现冲头旋转冲压的功能，可以完成复杂孔的加工。图3.1 液压缸的三维建模3.2 伺服电机的选型建模3.2.1 伺服电机计算选型根据系统设计课程设计指导书P56表4-1。圆柱体的转动惯量： （3.8）式中：圆柱体质量（kg） D圆柱体直径（cm） L圆柱体长度或厚度（cm）代入式（3.8）得：kg·cm2考虑到安装方式、体积、重量等因素，在交流、直流、伺服电机中选取伺服电

18、机。根据系统设计课程设计指导书P63页表4-3得，初选电动机150HMB540B-601000的转动惯量：kg·cm2 （3.9）式中：伺服电机的转动惯量（kg·cm2）。（3.10）式中：伺服电机轴上的总转动惯量（kg·cm2）。代入式（3.10）得：kg·cm2设从静止到25r/s需时0.5s.rad/s2（3.11）式中：角加速度rad/s2。代入式（3.11）得：rad/s2由于电动机输出轴经联轴器直接连接旋转轴，并且考虑联轴器摩擦的阻力，所以。式中：传动效率。（3.12）式中：最大加速转矩N·m。代入式（3.12）得：N·m

19、水平方向电机的重力不产生转矩，故：负载转矩Tn计算：N·m （3.13）伺服电机的选用：运动部件正常运行时所需的最大静转矩为：N·m （3.14）代入式（3.14）得：N·m要求伺服电机正常运行时所需最大静转矩：根据输出轴的转矩T=20N·m,额定功率P=3000W，选择伺服电机型号：150HMB540B-601000，其额定输出功率5400W。额定转矩27N·m。额定转速2000r/min。3.2.2 伺服电机三维建模根据上述计算选型过程的结果进行伺服电机三维建模，如图3.2所示。图3.2 伺服电机3.3 联轴器的选取3.3.1 凸缘联轴器的

20、选型传动轴上的公称转矩T（N·m）可用下式进行计算： （3.15）式中：P传递的功率（kW） n轴的转速（r/min）初选刚性凸缘联轴器，其公称转矩（N·m），许用转速为。传动轴上的公称转矩工作情况系数的选取如下表：机械设计P351表14-1。取。代入上式得：校核最高转速： 且根据电动机输出轴选取mm。3.3.2 凸缘联轴器三维建模根据上述计算选型过程的结果进行凸缘联轴器三维建模，如图3.3所示。图3.3 凸缘联轴器3.4 阶梯轴的设计计算建模3.4.1 阶梯轴设计（1）轴的强度校核计算轴的扭转强度条件为： （3.16）式中：扭转切应力，MPa； T轴所受的扭矩，N

21、3;m； 轴的抗扭截面系数，mm3； n轴的转速，r/min； P轴传递的功率，kW； d计算截面处轴的直径，mm； 许用扭转切应力，MPa。由式（3.16）可得轴的直径： （3.17）式中：代入式（3.17）得：mm所以取轴d=30mm。（2）轴的刚度校核计算轴的弯曲刚度校核计算，当量直径（单位为mm）为（3.18）式中：阶梯轴第i段的长度，mm； 阶梯轴第i段的直径，mm； L阶梯轴的计算长度，mm； Z阶梯轴计算长度内的轴段数。（3）轴的扭转刚度校核计算圆轴扭转角单位为的计算公式为： （3.19）式中：T轴所受的扭矩，N·mm； G轴的材料的剪切弹性模量，MPa，对于钢材，MP

22、a； 轴截面的极惯性矩，mm4，对于圆轴，； L阶梯轴受扭矩作用长度，mm； 分别代表阶梯轴第i段上所受的扭矩、长度和极惯性矩，单位同前； z阶梯轴受扭矩作用的段数。轴的扭转刚度条件为：式中：为轴每米长的允许扭转角，对于一般轴，可取=0.51。3.4.2 阶梯轴三维建模根据上述计算过程的结果进行旋转轴三维建模，如图3.4所示。图3.4 阶梯轴3.5 同步带轮的相关参数3.5.1 同步带轮设计选型（1）电机额定输出功率估算 （3.20）（2）确定功率计算 电动机每天使用8小时左右，查表3.2得到工作情况系数=1.7。则计算功率为: （3.21）（3） 小带轮转速计算（4）选定同步带带型和节距由同

23、步带选型图3.4可以看出，由于在这次设计中功率转速都比较小，所以带的型号可以任意选取，现在选取H型带，节距mm。表3.2 工作情况系数KA图3.5 同步带选型图（5）选取主动轮齿数z1查表3.3知道小带轮最小齿数为14，现在初步选取小带轮齿数为18。表3.3 小带轮最小齿数表（6）小带轮节圆直径确定 （3.23）（7）大带轮相关数据确定由于系统传动比为1.25:1，所以计算大带轮相关参数数据应与小带轮相似。齿数，节距。（8）带速v的确定 (3.24)（9）初定间距根据公式 （3.25）得 现在选取轴间间距为960mm。（10）同步带带长及其齿数确定 =() = =1012.42mm （3.26

24、)（11）基本额定功率P0的计算查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表3.4可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。所以同步带的基准额定功率为 (3.27)表3.4 基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量（12）计算作用在轴上力Fy (1.28)最终，综合设计参数及液压活塞杆的数值选取同步带轮.大同步带轮直径为96mm,节圆直径90mm，通孔直径为45mm,通孔内设有三个导向滑键槽，小同步带轮直径为78mm,节圆直径72mm，通孔直径为40mm，通孔内设有三个导向滑键槽。3.5.2 同步带轮三维建模根据上述计算的结果进行同步带轮三维建模，如图3.6所示。图3.6 同步大

25、带轮（左）同步小带轮（右）同步带三维建模如图3.7所示。图3.7 同步带3.5.3 同步带优点及选用要求同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿的封闭环形胶带和具有相应齿的带轮所组成，如图3.7所示。运转时，带的凸齿与带轮齿槽相啮合，来传递运动和动力。与其他传动粗比，同步带传动具有如下优点：（1）工作时无滑动，有准确的传动比。同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。（2）传动效率高，节能效果好。由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达

26、0.98。它与三角带传动相比，有明显的节能效果，可用如下实例作证明。从以上数例看出，同步带传动在节能上有很大潜力，因此采用同步带传动可获得较高的经济效益。（3）传动比范围大，结构紧凑。同步带传动的传动比一般可达到10左右，而且在大传动比情况下，其结构比三角带传动紧凑。因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力，使带轮轴和轴承的尺寸都可减少。所以与三角带传动相比，在同样的传动比下，同步带传动具有较紧凑的结构。（4）维护保养方便，运转费用低。由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不需

27、要像三角带、链等经常调整张紧力。此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、齿轮要低碍多。（5）恶劣环境条件下能正常工作。在具有灰尘杂质、水及腐蚀介质的恶劣工作条件下，链条易生锈、磨损，三角带会产生打滑，而同步带传动却能适应这些条件。由于它是啮合传动，在有雨水情况下不会打滑，而且水是橡胶良好的润滑剂，反而可减少带的磨损。在有灰尘杂质时，由于同步带带齿进入带轮轮槽时，带齿将挤压原留在轮槽内的空气，使受压的空气向轮槽两侧排出，这种空气挤压将同时起到清理啮合表面、带走灰尘杂质的作用，从而减少了同步带的磨损。此外同步带有较高的耐腐蚀性，耐热性，在高温、有腐蚀气体情况

28、下仍能正常工作。3.6 深沟球轴承选型3.6.1 深沟球轴承的选型校核根据下模座的质量，设定轴向载荷，径向力。已知轴承的转速为，运转时无冲击，设计寿命为10年（每天工作8小时，一年工作250天）。根据机械设计课程设计p130页表13-2得：e=0.24，Y=1.8当时，径向当量动载荷：（3.29）代入式（1.29）得：预计寿命：3.6.2 深沟球轴承寿命的计算以小时数表示的轴承基本额定寿命为：（3.30）（3.31）代入式（1.31）得：查得该轴承基本额定动载荷，所以校核合格。本次轴承的选型考虑到轴承本身只是起降低冲头旋转体运动过程的摩擦系数的作用，在轴向方向几乎不受力，因此选用深沟球轴承这种

29、低成本常见的轴承。3.7 键连接的强度计算3.7.1 键的选型校核根据轴的直径最终确定圆头平键的尺寸GB/T1096 键，导向滑键的尺寸。圆键连接的强度条件为： （3.32）滑键连接的强度条件为： （3.33）式中：T传递的转矩，F=1050N； k键与轮毂键槽的连接高度，k=0.5h，此处h为键的高度，mm； l键的工作长度，mm，圆头平键l=L-b，这里L为键的公称长度，mm； b为键的宽度，mm； d轴的直径，mm； 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MPa。 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用应力，MPa。 代入式（3.32）、（3.33）得每一个键所受的应力：远小于=10012

30、0MPa，p小于=40MPa,因此校核满足使用要求。3.7.2 键的三维建模根据上述计算的结果进行键的三维建模，如图3.9所示。图3.9 导向滑键（左）圆头平键（右）3.8 带轮外壳的设计建模上文对旋转冲头原理已经做过一定的阐释，但在实际设计过程中，要考虑到带轮应该如何安装才能实现其工作原理。在本节中设计了带轮外壳，便于带轮的安装定位。其三维建模如图3.10。图3.10 带轮外壳图中很明显可以看出带轮外壳分上下两部分，实际工作时用螺栓连接起来，带轮装在两壳中间，活塞杆由带轮外壳上端圆孔插入，贯穿带轮和带轮下壳，注意安装时要对齐键槽。带轮上端有螺栓孔，可以通过螺栓与床身相连固定。3.9 辅助油缸

31、的设计建模辅助油缸的作用是起板料压紧作用，当板料进给完成后，冲头开始工作，此时主油缸和辅助油缸同时工作，当板料压板压紧板料时，辅助油缸停止下压，电磁阀换到中位，四个辅助油缸被锁死，使压板紧压板料防止加工过程板料乱移造成加工误差，此时主油缸活塞杆继续下压并配合带轮的旋转而旋转，从而达到可以冲压复杂孔的功能。其三维建模同主油缸大同小异，如图3.11所示。图3.11 辅助液压缸3.10 板料压板设计建模在进行板料或孔的加工过程，需要有某一装置来对板料进行固定，防止加工过程板料意外移动造成误差从而使板料变成废料。基于种种原因，板料压板应运而生，现在对板料压板进行三维设计建模，如图3.12所示。在图3.

32、12中可以看到，冲头上模装在穿过板料压板的活塞杆上，当辅助油缸活塞带动板料压板下移时，主油缸活塞也带动冲头上模同步下移，当压板压在板料上时，辅助系统里的电磁阀换到中位，此时四个辅助油缸锁死，板料不会再移动。而主油缸活塞继续下移完成冲压。图3.12 板料压板3.11 上下模设计建模3.11.1 上下模安装定位根据一般液压冲床12的上下模结构进行三维建模分析，这里对上下模的安装有一定的要求。首先冲头旋转时冲头上下模应该同步旋转，不能出现旋转误差，否则上下模不能正确吻合板料也就不能被冲压下来。由前面草图可知，一个阶梯轴上装有两个同步小带轮，一个通过皮带连接与主液压缸活塞上的大带轮相配合，另一个通过皮

33、带连接与底座旋转体上的大带轮相连接，同一根轴由一个伺服电机驱动，大小带轮和同步带的尺寸数值完全相同，只要一开始上下模在安装时对齐，则根据上文同步带的传动特点就不会出现打滑和转动误差等缺点。所以对于上下模安装要有一定的要求。如图3.13所示，可以用上下模夹具来对上下模进行开始安装时的定位。图3.13 上下模夹具3.11.2 冲头上下模三维建模最终，由开始设计要求确定冲头的外形尺寸并进行相应的三维建模，如图3.14所示。图3.14 旋转冲头上模（左）下模（右）3.12 底座旋转机构冲头下模需要有一个底座旋转机构来配合其转动，底座旋转体安装在机床床身上，并且与同步大带轮相配合实现其自身与冲头上模的同

34、步旋转。具体的三维建模见图3.15。图3.15 底座旋转机构注意到图中下半部分为空心设计，考虑到冲压加工完以后冲压下来的废料需要及时处理，否则塞在冲头下模旋转体内会影响后续加工，因此将整个底座旋转体设计成空心结构以便于废料处理。至此，数控冲床13旋转冲头的主要设计大体完成，装配完成后三维图如图3.20所示。图3.20 数控旋转冲头冲床三维图4 深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计的ANSYS静力学分析4.1 旋转冲头上模有限元分析根据旋转冲头结构特点、约束条件和负载情况，本文首先在前面第三章利用Pro/ENGINEER野火5.0中文版建立了旋转冲头的三维模型，然后在本章运用ANSYS15.0完成其

35、有限元分析。下面根据有限元分析的步骤进行具体说明。4.1.1 旋转冲头上模有限元分析前处理根据上一节的叙述，对深喉式冲压加工中心旋转冲头的设计进行有限元分析时，必须首先对其进行分析前处理，其目的为提前定义好有限元分析计算所必须的一些数据，主要包括坐标系的选择、单元类型的定义、材料性能参数的定义、实体模型的建立、网格的划分以及约束方程的定义等，下面进行详细叙述。（1）导入实体模型根据前面第三章的叙述，对于结构比较复杂的实体模型，采用ANSYS软件本身自带的建模功能进行建模比较麻烦，需要处理大量的数据，建模效率较低，而且不能采用自适应的网格划分，在对网格进行划分时，一些不理想的网格不容易进行修正。

36、所以本文先在Pro/E软件中建立了旋转冲头模型，然后将其导入到ANSYS中进行分析，具体的操作步骤如下：1)打开在Pro/E中建立的旋转冲头模型，其文件名类型是*asm，在下拉菜单中依次选择"文件保存副本"，选择文件类型IGES，然后对其进行保存；2)打开ANSYS 15.0，在应用菜单区中依次选择“FileImportIGES”，打开Import IGES File对话框，在Iges Import Option选项中选中No defeaturing单选框，接着分别选中MERGE(Merge coincident keypts)、SOLID(Create solid if

37、applicable)和SMALL(Delete small areas)三个单选框，最后选择第一步保存的文件，即可将模型导入ANSYS中。在将实体模型导入的过程中，有可能出现实体模型断裂的情况,可通过必要的修补和选择一定的导入模式选项加以解决。导入后的旋转冲头上模的模型如图4.1所示。图4.1 旋转冲头上模有限元模型图对于装配的实体模型，绝大多数人认为装配体中的各个零件已经全部约束，所以在将此装配体模型导入到ANSYS中以后，不需要再进行其它操作就可以进行网格划分、求解等操作，但最后却往往会得到非常失真的分析结果，比如有些零件受力后根本没有发生任何变化，有时候甚至由于求出的结果跟实际值相差不

38、大而没有发现这一失误。实际上，在Pro/E软件中建立的实体模型，在装配时虽然对其各个零件都完成了完全约束，但是导入ANSYS软件以后，ANSYS软件并不认为这些零件之间有约束关系，所以结构的载荷并不能在各个体之间相互传递，因此，将实体模型导入ANSYS中以后，在进行其它操作之前必须对所导入的实体模型进行诸如Add、Glue、Overlap之类的Boolean运算。（2）定义单元类型单元类型指的是进行网格划分时所使用的单元的形式，旋转冲头上模结构近似为阶梯轴，再综合考虑前面提出的划分单元时应该注意的事项，本文认为选用Solidl87实体结构单元可以更好地模拟旋转冲头的结构强度。Solidl87单

39、元是一种三维高阶的，具有十个节点的四面体固体结构单元，其具有的二次位移模式，可以很好地模拟不规则的实体模型(特别是采用CAD/CAM系统建立的实体模型，然后导入ANSYS中的)。Solidl87单元采用十个节点来定义其结构特征，每个节点都含有三个分别沿X、Y、Z方向上的平移自由度。该单元不仅具有塑性、超弹性、粘弹性、蠕变、应力强化、粘塑性、大变形以及大应变等特性，而且通过运用混合模式可以模拟几乎不可压缩的弹塑性类材料以及完全不可压缩的超弹性类材料。（3）定义材料性能参数本文中旋转冲头选用的材料为碳素结构钢，因此在材料性能参数设置对话框中分别设置双伸缩立柱的弹性模量及泊松比为：200GPa、0.

40、30。（4）划分网格选择菜单栏Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool命令，系统将弹出Mesh Tool对话框，选中“Free”单选框,再单击“Mesh”按钮，在弹出的菜单中选择旋转冲头实体模型，即可对旋转冲头进行自由网格(free)划分，最终划分的结果是该模型节点数为8563个，单元数为6249，其划分网格效果如图4.2所示。图4.2 旋转冲头上模划分网格效果图4.1.2 旋转冲头有限元分析计算进行完有限元前处理之后，就可以根据旋转冲头在工程实际中的具体应用情况为其指定位移边界条件和载荷，并选择合适的求解器对其进行求解。ANSYS软件系统中提供的载荷类型主要

41、为集中载荷、惯性载荷、体积载荷、自由度载荷、表面载荷等。以上载荷的定义有表格载荷、函数载荷、常值载荷、外边载荷等。ANSYS的求解器有直接求解器(最精确)、迭代求解器(速度快)和并行求解器(速度最快,适合大规模的问题求解)。（5）边界条件的处理在对某一结构进行有限元分析时，为了使该结构的数值解存在且唯一，需要对该结构的刚体位移进行消除，从而使其总体刚度矩阵保持非奇异性。消除结构的刚体位移时需要遵循如下原则：1)必须保证结构符合静力学平衡条件。平面问题至少需要三个独立的约束，而空间问题则至少需要六个独立的约束。为了避免结构发生移动以及转动，对结构施加的所有约束不应影响该结构的变形状态。2)如果一

42、个结构是静力平衡的自由体，则在其上所施加的总支反力应该为零，并且可以在任意点上对其施加约束。根据以上原则，综合考虑旋转冲头的实际结构，在旋转冲头实体模型的两端面施加全部自由度为零的位移约束。（6）载荷的施加在实体模型上施加接近于实际受载工况的载荷,是获得结构真实应力云图的关键。在旋转冲头有限元分析中,所要得到的结果主要是冲压部分位移变化情况以及应力分布情况。根据前面第三章的介绍,本文所述旋转冲头的设计工作阻力为70KN。（7）求解选择Main MenuSolutionSolveCurrent LS命令，即可进行求解。如果结构比较复杂，需要一定的时间，当求解结束时，系统显示“Solution i

43、s done！”，求解结束。4.1.3 旋转冲头上模有限元分析后处理ANSYS后处理部分的功能就是将结果可视化，帮助用户快捷、有效地分析计算结果。本文主要通过查看总体变形图、位移图和应力图进行分析。（1）总体变形图冲头接触板料时会产生变形，选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令，在弹出的对话框中选择Def+undeformed，就可以得到旋转冲头上模的总体变形图，如图4.3所示。从图中可以清楚地看到，冲头上模两端的位移为0，这说明分析的结果与固定的约束条件是一致的。从冲头上模总体变形图中可知，冲头最大变形部位发生在冲压结构

44、处，最大变形量是0.306E-0.4m，即0.0306mm，变形值不是很大，变形后旋转冲头顶部锁模出将会更紧。图4.3 旋转冲头上模总体变形图（2）位移云图选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNoda Solution DOF SolutionDisplacementvector sum命令，就可以得到立柱上各节点的具体位移图，如图4.4所示。图4.4 旋转冲头上模节点位移图（3）应力云图选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solution命令，在弹出

45、的对话框中选择Stress选项的Von Mises项，就可以得到旋转冲头应力分布图，如图4.5所示。图4.5 旋转冲头上模应力图从冲头的等效应力云图中可以看到，冲头受到的最小应力为图中所示MN点处，最大应力为图中MX点处，并且从应力分布图中可以看出，旋转冲头所受到的比较大的应力主要集中在冲压位置处，此位置为最容易失效的位置，最大应力为142754Pa，即0.1427MPa，而冲头的材料为碳素结构钢，其屈服极限235MPa，所以旋转冲头强度符合设计要求。5 总结本文主要对数控加工中心的冲头进行了一部分改进，使其既可以实现上下冲压，而且在冲压过程冲头还能进行360°旋转实现各种复杂孔的加

46、工。主要分以下几部分内容：（1）在冲压设备方面选择液压式冲压而不是传统机械式，主要考虑的液压冲压的优点远远多于其缺点，并且机械式的数控加工中心已经并不多见，效率低是其致命的缺点。液压系统的选择不是一体增压缸，而是由主油缸和辅助油缸相配合的液压系统共同完成，这样可以去掉气泵，主、辅油缸使用同一个油箱，以尽量降低设计成本。（2）设计的数控冲床旋转冲头，结构简单实用，操作方便，实现了设计效果最优，结构最为实用，安装最为方便等要求，符合设计的基本准则。并且可使自转模具的数量不受限制，任意模具均可实现360°旋转，冲出任意形状的产品孔型，因此拓宽了冲床的使用范围，并且可以节约更换模具的时间，提高工作效率和模具的利用率，实现一模多用。（3）本文最后应用ANSYS有限元软件对旋转冲头上模进行了静力学分析