摘要
精冲技术(Fine-Blanking Process)是板料在精冲机施加的三向压应力下以纯剪切的形式进行冲裁，具有高效率、高精度的优点。根据动力来源的不同，精冲设备主要分为液压式精冲机与机械式精冲机。目前市面上的精冲设备以液压精冲机为主，这种精冲机在工作过程中为了提高液压系统的响应速度，其液压油泵始终处于运行状态，导致设备能耗高、效率难以提升，同时由于密封形式和密封材料寿命等原因导致液压泄露,定期更换液压油也存在潜在的污染等问题;而传统机械式精冲机也因为能耗大、振动大、运行噪声等问题，虽然在小吨位精冲机上有应用，但始终没有大批量装备精冲生产。随着大扭矩伺服电机技术的成熟应用，如何将伺服电机应用在精冲领域，研究开发具有高效率、高精度、节能环保的精冲设备是目前行业发展的迫切需要。因此，本文设计了一种全伺服电机驱动的机械式精冲机结构:采用大扭矩伺服电机与肘杆增力机构相结合驱动精冲主冲裁机构提供冲裁力，采用伺服电动缸提供精冲加工的压边力和反顶力。本文设计了机械伺服精冲机的主冲裁机构和整机结构，并开展了主冲裁机构的理论建模分析、数值仿真实验，优化确定了整机参数。主要研究成果如下: (1)主冲裁机构的构型与主要参数是决定精冲机冲裁滑块运动曲线、放大输入力效果好坏的关键因素。通过对多种形式增力机构比较分析，选择了主冲裁机构为丝杆肘杆组合构型，并建立其运动学与动力学模型。通过正交试验得到连杆1,连杆2,摆杆的最优长度分别为400mm、420mm、380mm,驱动滑块与下铰点偏心距为262.5mm,冲裁滑块与下铰点偏心距为99mm。根据主冲裁机构的主要参数，结合选定的伺服电机与滚珠丝杆参数，在ADAMS上进行虚拟样机仿真，得到了满载工况下，伺服电机以额定转速工作时，冲裁滑块的位移、速度、加速度与驱动力矩的曲线。 (2)校核了主冲裁机构与机架的强度。其中主冲裁机构运动构件在满载工况时承受的最大应力为59.627MPa,远小于主冲裁机构所使用的材料Q345的屈服应力;机架在满载工况时承受的最大应力为77.334MPa,远小于机架所用材料Q235a的屈服强度。 (3)开展了主冲裁机构与机架的模态分析。其中主冲裁机构的前六阶固有频率分别为 350.2Hz、350.45Hz、388.39Hz、568.48Hz、571.26Hz、599.75Hz,远大于激振力的最大频率12.5Hz,避免了共振发生;机架的前六阶固有频率分别为21.092Hz、22.608Hz、54.297Hz、67.114Hz、112.890Hz、142.72Hz,大于激振力的最大频率12.5Hz。根据冲裁力和频率将其简化为谐响应冲击模型，进行谐响应分析，结果表明在满载且连续工作时，其最大变形处为伺服电机安装处，最大变形值为0.2mm,最大应力值为27.6MPa,表明机架理论上不会发生明显振动。 （4）为了减少主冲裁机构与机架的重量，对二者进行拓扑优化。通过优化得到二者削减材料后的结构尺寸，减少了主冲裁机构6.5％,机架7.6％的重量。并对优化后的主冲裁机构与机架进行强度校核，表明其强度并未降低;对优化后的机架进行模态分析，表明优化后的机架固有频率增加了 5.292Hz,进一步远离了激振频率。
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