模锻锤整体刚度系数及打击力的计算.pdf

锻压技术1 9 9 5年第 4 期 锻 压设 备 模锻 锤整体 刚度系数 及打击 力的计 算 学 了 摘要 本文通过对接 锻锤 打 击弹性体过 的 分析结合实验的 方法计算 出了模 锻锤 整体 刚度 系数，n 而 虿 准确 地计算 出模镣诬 公称 空击 力和 公称 终锻 力等重要 的参数，Nor t h we s l e r n Po!y t e c h ni c a l Un i v e r s i t y Bl o w F o r c e o f S t a m p j n g Ha mme r Ya n g K e v l Li Fu g u o Li Y un r u i Ab s t r a c t Thr ou g h a n a l y z i ng t h e p r o c e du r e t h at s t a m p i ng h a m me r b l o ws o n e l a s t o m e r t h i s p ap e r c ac ul a t e s t h e e q u i v a l e nt r i g i d i t y c o e f fic i e n t b a s e d o i l e x pe r i me n t s Thu s S U C h i m p o r t an t p a r a m e t e r s a s n omi n a l i d l e b l o w k r c e a n d t h e n o m i na l f i n i s h f o r g i n g f 0r c e a r e ob t a i n e d m o r e a c c u r a t e y Thi s p a p e r ma k e s s o me c m a t r i b u t i o n l o a t h e or e ti c a l ba s i s f o r C O l T e C t d e s i g n a n d a p pl i c at i o n of s t a m p i ng h a m m e r Ke y wo r d s St a m p i r t g h a n a m e r Eq u i v al e n t r i g i di t y c o e ffi e n t Bl o w f o r c e 模锻锤是 广泛使 用的锻 压设备，锤杆是 其 中受冲击载荷 作用最剧烈的 典型 零件，它常 因 冲击疲劳而发生 断裂，这不 仅影 响了锻机的使 用寿 命，也给 使用单 位造成 巨大 的经 济损 失。因此如何提 高锤 杆的使 用寿命，已成为 当今锻 压工程界 广泛 研究 的课题之一。模锻锤锤杆的 疲劳寿命和其 承受的动态 负 荷 密切相美，模锻锤 的空击力、打击力是影 响 其 寿命的主要 因素，也是设计锻锤 内部零件极 限 强 度 的 重 要 依 据 本文 通过 研究 模锻 锤打 击弹 性体 的过程，航 空科 学 基 金资 助项 目 42 结 台一 定的实验方法 得出 了在较 小打 击能量 F 就可以 求出模锻锤整 体刚度系数 的公式，从 而 使空击 力和打 击力的 计算 更为准 确和 简便。这 种方法 适用 千各种 模锻 锤，为正 确设计和选 用 模锻锤 提供 了重要 的理 论依据。二、模锻 锤打击 弹性体过程 的理论 分析和整体 当量 刚度系数 的计算 1 模锻锤打 击弹 性体 过程的理论分 析(1)锤头 的运动 方程 在模锻锤 砧座上放一块 聚氨酯橡胶 垫，选 定此橡 胶垫 的刚度 和尺 寸，使其在锤头 打击过 程 中始终处 于弹性状态，且 无能量损失，则此 桃 理 度一 埘 提 整 怖司 一 般摊 维普资讯 过程可 看成 为模锻锤 对弹性体 的打 击过程。l直【J 图 1 所 乐。一 锤 I梗 锻 锤 对 弹 性 体 的 手 r 击 令 机架 在打击 方向上的整体 当量 刚度系数 为 k 橡 胶 垫 的 刚 度系 数 为 k ，两者 的 合成 刚度 系数 k由 F式计算 k=(1)f 下 于是 可 看 作 锤对 一个 刚 度为 k的弹 性 系 统的 打击。现操 纵锻锤 以较 小的打击能量对 橡胶垫打 击，以锤头接触 橡胶垫的瞬 间为开始 时刻，则 r=0=O，=0 o=。为打击 初速，通过测试 求得。在 打 击 过 程 中，作 用 在 锤 头 上 的 力 为(一 )，则其运动 方程为 =f 一 舯 (2)式 中 和 分 别 为 落 下 部 分 的 重 量 和 质 量。把 上 式 改 写 为+=g (3)式 中 圆频 率，其值 为6 9=k 上式为二阶常 系数非齐次 线性 方程其通 解为=A s i n(f+日)+晕 6 9一 =Ao)c o s(o)f+B)=一 s i n(o t+B)式 中A振幅；日 初始 相位。4 1 (5)f 6)代 八 初 始 条 件，经 适 当的 运 算，求 出 和 曰 的 值 分 别为=)+)：j 一 a r c l g )(8)(2)打 击 波 形 砧子 作用 于 锤 头的 力 为(k X)，锤头 作 用 于砧 子 的打 击 力为 F=k Xo 把 的 值代 人 并经适 当变换，则冲击 力变 为，一Ak s i n(mt+)+(9)打击 力波 形 为 一 个 初 相 位 为、振幅 为 Ak的半个 周期 正弦 曲线和 常数 相加而得 的 波 形 如 图 2所 示。A 十 rg -，d 一一一 _ 一一 2打 击 力 渡 形 锤头 的过载 系数为：羔 一一生s i n(f+)。g：一 is i n l,o g t+)(1 0)一 J L l u J 锤头的 打击过 载系数 的波形为一个 韧始相 位 为、振 幅 为 Ak W 的 半 个 周 期 的 正 弦 波，如 图 3所 示。图 3过 戴系 数波 形 43 王 维普资讯 打击 力和过 载值的关 系为 1 1 一 吉 ；，一(1 一 )(1 1)(3)计算最大 打击过载 系数 和最大打击 力 a 最大打击过 载系数 由(1 O)式可 得最大 打击 过载系数为 一等 一(1+)(1 2)令 N=V o w g，则 呷 =一(1+)=一(1+1丁 J _21 因 为 0 1 1，所 以 上 式 可 按 幂 级 数 展开，取近似值为=一f 1+1)(1 3)当 以N 来 计算 来，计 算的 绝 对 误差 为 一 1，相 对误 差为 面 ，这 时长 大过 载 值 一 一 b 最大打击 力 最大打 击 力 由下式求出 一 =万 式 中小能量 打 击时 最大打击 力 和打 击 瞬 间速 度 V o 可 由测 力传 感器 和测 速传 感器测 得。k 为聚氯酯 胶垫的刚 度。三、模锻锤工作参数 的理论分 析 1 公 称 空 击 力 P 模锻锤 在没有 锻件的情况 下以公称能量 进 行的打 击称为空 击，此时的打 击力称为 公称 空 击 力，它是模锻 锤 最沉重 的且严重 影响 锻 机寿命 的载荷。因此必 须研究影 响空击 力大小 的因素 及其 相应对 策，以确保设备 和生 产的安 垒，以提 高经济效益 P、2 (1 8)式 中 砧座质量：m落下部分质量：(1 4)一公 称 打 击 能 量，其 值 为：1-m嵋，其中 为公称打击速 度。，=(1一 )=(1+)(1 5)。g 2 计算模 锻锤 整体 当量 刚度系数 模 锻锤 整体 当量 刚度 系数 是计 算空 击力、终锻 力和 打击 效 率时 的重 要 因素。因此，准确 地求 出打击系统 的当量刚度 系数对 于设计 和使 用模锻锤 具有相 当重要 的作用。本文利用 前面导 出的 最大打击 力公式 井结 合一定的 实验 方法可 直接求 出整 体 当量刚度 系 数。由最大打击 力公 式(1 5)经 过运算和整理 得 k：(1 6)再把(1 6)式 代人(1)式 经过 整理 就可 得 出整体 当量刚度系 数为 由(1 8)式 可见，要 降低 空击 力 P 就 需 降低打击 系统的 当量刚度 系数 k，故 在设计 时，确保锻锤 有充 足打击 力的前提 下，应 使打 击 系统 有足够 的柔 性，以降低 公称空击 力，使 锻锤和 模具有足够 的使 用寿命。对 于对击 锤(如 高速锤、无砧座 锤)，式(1 8)应 为 P =2 k E(1 9)2 公称终锻 力 P 在 公称 打 击能量 作用 下，模锻 锤在 锻 件 最后一 次成形 中所 产生 的 打击 力称公称终 锻 力。根 据 文献 2 1，公 称终 锻 力的 计算 式可 表 示 为，一：!：坐 盘 2 0】式 中 一 为 最后 一次 成形 的压 下量，是 维普资讯 与锻件直径 有关的量。E 式 表明，当对 于给 定锻件，在 算出机架 的整体 刚度系数 后，就可得 出此设备 的公称终 锻 力。模锻锤打击时，其落下部分要在 0 0 0 I S危 右的时间内，速度 由 7 9 mS 减小到零，此时 锤杆受较 大的 冲击载荷 作用。作者 2 I 4 研 究表 明，锤杆工作过程 中其横截 面上承受着拉伸与压 缩交替变化的动载荷，其中拉应力峰值常出现在 锤头以上 1 0 0-1 5 0 mm 的部位，压应力峰值出现 在锤头与锤杆的连接部位。文献4】应用应力波理 论，提出 了加装锤头锤杆新型缓冲连接装置的办 法来提高锤杆抗冲击能力，延长使用寿命。文献 5】应用可靠性设计准则分析研究了锤杆的疲劳寿 命及其可靠性。从 设计人手也可把锤杆设计成 双金属复合结构，以提高其承受强冲击作用下的 疲 劳寿 命。3 力能 关系 曲线 模锻锤 工作特点 之一是落下部 分所积蓄 的 动能消耗 完为止。因此常出现打 击能量大 于锻 件变形能 的情况 此 时多余的能量 就转化为打 击系统的弹性 变形 能，而使最终 锻击力 P：急 剧 增大。根据 能量平衡原 理得到 P：一 P 2 一2 k (2 1)式 中 E厂终锻时锻件 变形能；能量 利用系数，0 1。式(2 O)即为模 锻锤 的力能关 系式。由式(2 0)可见，最终打击力 P 仅取决于 模锻锤空击力和锻件变形能的大小，而与锻件形 状和变形力变化曲线的形状无关。只需求得锻件 变 形能和整体刚 度系数，就可 求出相应的 终锻 力。而变形能在 一般的塑性变 形著 作中均 可找 到，从而可以确定出力能曲线，如 图 4所示。力能 曲线 表达 了锻 件变 形 能 锻 机弹 性变 形能 丘 与锻 机打 击 力之 间 的关 系。它是 合理选择和使 用锻机的重要 依据。4 打击效 率 模锻锤打 击效率用锻件的 塑性 变形能 和模 锻锤 实际输出能量 之 比来表示。(1 一 )【2 2)式 中|P 厂锻 件变形抗 力。如果用锻件塑性变形能和模锻锤的公称打 击 能量 丘 之比来表示，则：(一 )t 一万 t 2 3 四、结束 语 1 本文 提 出一 种 新 的计 算 模锻 锤整 体刚 度系数的 计算公式：二 ：韭!W 8 一(，一 )g 2 为 减 小空 击 力，降 低 打击 系统 零 件 和 模 具应力，设计时应适 当降低锤 机的 当量 刚度 系数。3 对 于 一定 规格 的 模 锻 锤，终锻 力的 大 小只与锻件塑性 变形能数值有 关，而与锻 件几 何 形状及变形 力曲线形状 无关。参考 文献【1】俞新 陆现 代设 计理 论 和 方法 及其 在锻 压 机械设 计 中的 应用 锻 压机 械 1 9 8 2(6)【2】黄 吕权模 锻锤 的打 击 力和打 击敷 率 西 北 工业大 学 学报】9 8 7(2)l 3 l 李 付 国模锻 锤吨 位 的 正确 选择 盟 其能 最的 合理 分 配 锻压 机械，I 9 9 5(I I 4】Li F u g u oe t a】Ex p l o r a t i o n o f t h e Dy n a mi c Be ha vi ou r a n d t he Yar i gue Li f e o f H a m m e r Rod Pr o c e e d i n gs of I nt e r na t i on a l Co nf e r e n c e on A TM M F，2 224，Oc t】9 9 2、W uha n，C h i na 【5】尹 明德锤杆 瘟劳强度的 可靠性 设计 锻压机械，】9 93 l 5 4 5 维普资讯