摘要：在机械制造领域中，压力机具有十分广泛的应用范围，能够很好地满足锻压工艺对设备性能的要求。文章通过对机械式的压力机不同的主传动系统的结构进行分析，得出曲柄、六连杆机构的自由度、位移、速度及加速度关系式，并介绍其与上梁本体结构设计的关系，为主传动及上梁结构设计提供参考。
关键词：曲柄；六连杆；上梁高度；运动曲线
机械压力机一般采用上部异向驱动方式，传动机构采用多连杆或偏心式结构并配有导向装置。由于机械压力机具有速度快，滑块行程精度高等优点，在汽车冲压生产线中得到了广泛应用。但是在实际设计中受生产工艺对压力机刚度的要求及主传动结构限制使得上梁本体高度不能过低，而受压力机重量及外形尺寸限制及生产厂房的要求又使得上梁本体不能过高。因此合理确定上梁本体的高度显得尤为重要。
一、曲柄压力机主传动
该类型的机械式压力机采用曲柄连杆作为主传动机构，电动机的运动和能量传递给曲轴，使曲轴作旋转运动，并通过连杆使滑块产生往复运动，这是该类型压力注主要的工作原理。构成曲柄式压力机的主传动系统的零部件包括机架、滑块以及曲柄和连杆。其中，曲柄有时也可被偏心齿轮或者曲轴所代替。该主传动机构由于由四部分组成，所以也被称作四杆结构。曲柄压力机主传动机构主要由曲柄(曲轴或者偏心齿轮)R、连杆L、滑块及机架共四件组成(见图1)，。
图1 曲柄压力机主传动机构运动关系简图
1.1自由度计算
由图1可知，在该机构运动过程中，曲柄R绕O点转动，通过连杆L将曲柄的旋转运动转化为滑块的上下运动。因此，曲柄R、连杆L及滑块为活动构件，共有n=3个活动构件。除滑块与机架组成移动副外，其余均为转动副，且均为运动低副，共PL=4个运动低副，因此自由度
F=3×3-2×4=1...........(1)
式中，F—机构自由度。
显然，机构的自由度数与机构的原动件数相等，因此机构具有确定的运动[2]。
1.2运动学分析
由图2滑块运动曲线可以看出，曲柄压力机滑块运行位移曲线为余弦曲线，速度曲线近似正弦曲线，在距离滑块下死点300mm处为深拉延开始阶段，滑块速度大于700mm/s，接近于整个行程的最大速度，由于远大于板材的成形速度极限，因此曲柄滑块压力机不适合进行深拉延，只可适当进行50mm范围内的浅拉延。同时滑块的下死点在曲柄转角180°位置，上死点在曲柄转角360°位置，不具备急回特性，生产效率较低。
二、曲柄结构设计
由于曲柄式机械压力机主传动结构全部设置在了上梁的本体里面，所以在设计上梁的本体时应全面考虑主传动系统中曲柄以及连杆的长度、主齿轮的直径等各项参数。主传动结构中的曲柄长度是该机械式压力机的滑块行程的二分之一，这是一个定量参数。而对滑块的运行速度有较大影响的参数则是连杆的长度。所以要结合机械式压力机在生产工艺方面对滑块的实际运动速度所提出的要求，还要考虑机械式压力机在上梁刚度方面的具体要求，以及压力角的最佳值等各种基础参数来合理选择连杆的设计长度。确定了曲柄长度和连杆长度后，再根据这两项数值来设计主齿轮的直径值。如果机械式压力机中具有导柱结构，导柱的高度是一个定值。同时，机械式压力机的上梁高度将与其曲柄以及连杆的长度直接相关，所以在对上梁本体以及主传动结构进行设计时要全面考虑这两方面的因素，应兼顾好二者各自的设计要求。
图2 曲柄压力机滑块运动曲线
三、六连杆压力机主传动设计
六连杆主传动机构由杆R1、R2、L1、L2、L3、L4、滑块及机架组成，杆L1、L2、L4固结在一起组成一个杆(下称L1′)，共六个杆，因此该机构为六杆机构。其中杆1为驱动杆，一端通过点O(0，0)固定，并绕其顺时针转动，另一端与杆L1、L铰接;杆R2一端通过点O1(A，B)固定，另一端与杆L1、L4铰接;杆L3一端与杆L2、L4铰接，另一端与滑块铰接;滑块沿Y轴上下运动。
四、六连杆压力机上梁结构设计
在上传动机械压力机中，带导柱导套的六连杆驱动机构安装在上梁本体中在上传动机械压力机中，带导柱导套的六连杆驱动机构安装在上梁本体中。由图3可以看出，压力机上梁高度H为：
H=H1+H2.......(18)
H2=R1+L2+L3-h.........(19)
图3梁结构设计
式中，H1—曲柄中心距上梁本体上端高度(mm)
H2—曲柄中心距上梁本体下端高度(mm)。
在带导柱导套的压力机上梁结构中，h为定值，因此杆长R1、L2、L3直接决定了压力机上梁的高度。通过对六连杆机构的运动学分析，可以看出机构中各杆的长度以及支点O1的位置对滑块的位移、运动速度及加速度均有影响。因此在设计压力机上梁结构时，应首先按照板材拉延工艺对滑块位移、速度及加速度的要求，初步确定六连杆传动机构中各杆的长度及支点O1的位置。考虑到运输及经济效益等方面的要求，上梁本体结构不能过高和过重，而压力机刚度又要求上梁高度不能过低。因此在设计六连杆杆系结构和上梁本体时，两者应综合考虑，相互兼顾，在实现拉延工艺要求的基础上合理布置上梁本体结构。
五、结束语
机械压力机具有重要的地位。在各类装备对锻压件在质量及精度方面的要求不断提高的背景下，需要相关的研究人员进一步深入研究眼里的传动结构，不断优化设计，准确把握传动系统间各结构件间的关系，从而促进机械压力机的整体性能能够不断的提高。
参考文献
[1]何德誉主编.曲柄压力机.北京.机械工业出版社.1981，11~13.
[2]安子军主编.机械原理教程.北京.机械工业出版社.2004，10~14.收稿日期:2011-11-01
[3]韩长伟.机械压力机主传动结构设计分析[J].—重技术，2012(1):24-28.
[4]宋清玉.大型机械伺服压力机的关键技术及其应用研究[D].秦皇岛:燕山大学，2014.
论文作者:尚进
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/18
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