高速压力机下死点精度及噪声测试技术研究现状.pdf

EQUIPMENT 文章编号：1672—0121(2013)04—0024—05 高速压力机下死点精度及噪声测试技术研究现状 何灿煜 (扬州锻压机床股份有限公司，江苏扬州225128) 摘要：下死点精度是高速压力机性能的一项重要指标。随着近年来对环境噪声的要求越来越高，噪声也 成为高速压力机的一项重要评价指标。本文首先介绍了国内外高速压力机的发展现状，然后对高速压力机的 滑块下死点精度测试和噪声测试的相关研究和工程应用情况进行了概述，最后对该领域的未来发展方向作 了展望。 关键词：机械设计；高速压力机；下死点精度；噪声；测试 中图分类号：TG385．1 文献标识码：A 高速压力机是一种高效、高精及高度自动化的 冲压设备。多用于生产批量大、精度要求高的冲压 件，应用范围较广。世界上第一台高速压力机出现在 20世纪初的美国亨利拉特公司，迄今已6-100年的 历史。20世纪60年代后期，随着电子技术、计算机 技术的发展，锻压机械开始向高速、高效、自动、精 密、专用及多品种方向迈进，于是高速压力机如雨后 春笋般迅速发展起来…。 随着技术的不断发展，高速压力机的速度和精 度也越来越高，如日本山田(DOBBY)生产的公称力 为10t的OMEGAF1超高速压力机，在行程6mm时 冲次可达4000spm。在如此高的速度下，如何对高速 压力机的性能进行可靠性测试是研究者们要解决的 一个重要问题。 1高速压力机发展概况 1．1 国外高速压力机的发展概况 美国亨利拉特公司1910年首创四柱底传动的 高速压力机(当时称为Dieing Machine)，宣告了高 速压力机的诞生，直到1955年，该机仍为高速压力 机的代表机型。1953年德国舒勒(SCHULER)公司 生产出首台1250kN闭式双点上传动高速压力机， 行程20mm，行程次数达到150spm；紧接着瑞士布鲁 系列上传 ，到20世 速；后来 美国明斯特(MINSTER)公司也推出了Pulsar系列 高速压力机，最高次数达到2000spm；随后，日本、德 国也相继研制出了自己的超高速压力机。可以说，20 世纪70年代是各厂家“速度”竞争的时代。 进入20世纪80年代以后，各生产厂家把主要 目标集中在提高压力机的下死点动态精度上，结构 上也出现了新的突破，如多连杆机构、肘杆式传动机 构、静压轴承导向、热平衡系统等都已获得应用。各 厂家都推出了一批新型高速精密压力机，如日本j 菱公司生产的HP系列超高速精密压力机，下死点 的位置变动可控制在5txm以内。 随着电子、通讯、计算机、家电及汽车工业的迅 猛发展，对冲压零件的需求量迅猛增长，这也就促进 了高速压力机的飞速发展。20世纪80年代中期， 现了超高速超精密压力机，如日本栗本铁工所引进 瑞士ESSA公司技术制造的600kN高速精密压力 机，最高行程次数为1500spm，生产的零件尺寸误差 在10～2O m以内；日本电产京利的MACH一100型 超高速精密压力机在100kN、8ram冲程条件下，速 度已达到4000spm。由此也表明高速压力机的发展 已经步入了超高速超精密压力机时代 ]。 1．2国内高速压力机的发展概况 国内高速压力机是上世纪80年代开始从国外 引进技术发展起来的。1982年由济南铸造锻压机械 研究所和北京低压电器厂共同研制了我国第一台高 速压力机，公称力600kN，最高速度达到400spin。随 后又研制成功300kN高速精密压力机，最高速度 600spm。 国内许多厂家通过引进国外先进技术，生产了 一系列高速压力机，但具有自主知识产权的高速压 力机仍是凤毛麟角。总体而言，我国的高速压力机产 品，其结构形式有开式和闭式两种，公称力160～ 2000kN，行程次数1 20～800spm。 目前，我国高速压力机的发展水平同国际先进 水平相比，还存在不少差距，主要表现在：①在主机 可靠性和自动化程度上有待于进一步提高，在国际 市场上缺乏竞争力；②先进的工艺和装备所占比例 小，产品品种和规格较为单一，产品性能差距比较 大，生产规模小；③监测和试验手段落后，缺乏自己 的数控系统；④缺少自主知识产权，技术创新能力有 待进一步增强等翻。 1．3高速压力机的发展趋势 通过上述分析及调研结果表明，高速压力机今 后主要朝着以下几个方向发展：①滑块行程次数朝 着1500spm以上的超高速超精密方向发展；②采用 柔性更好的先进的惯性力平衡装置；③采用更先进 的导向方式，加工精度不断提高；④监控、调试、控制 方式更加灵活可靠、更加人 1'3E化；⑤朝着单机联线自 动化冲压线方向发展；⑥朝着重型高速方向发展；⑦ 噪声振动小，朝着绿色环保方向发展翻。 2高速压力机下死点测试技术 2．1滑块下死点精度影响因素 下死点精度是高速压力机的关键性能指标，是 评定产品技术水平、制造水平的一项重要指标。 陈维民等在曲柄滑块机构力学模型的基础上 ， 利用数值模拟，对滑块的运动精度进行了分析研究， 得出了运动副的间隙及连接刚度等影响滑块精度的 结论。缺点是缺乏实际的测试数据验证。 根据现有的资料分析：下死点位置发生变化的 原因，主要有转速变化、温度变化、机床刚度和静平 衡气压等因素。 2．2滑块下死点精度测试方法 滑块下死点精度测试的实质是位移的测试。关 于位移的测试方法，国内企业和研究机构已开发出 很多种方法，最具有代表性的是计算机或单片机与 光栅、光纤、电涡流、激光等位移传感器相连接的测 量方法。如欧阳志鸿等开展的针对J23—63开式可倾 压力机的动精度测试_5l，获取了不同冲裁力下的滑块 位移曲线，认为压力机的垂直动刚度对动精度(下死 点等)影响显著。存在的问题是测试产品吨位太小， 速度偏低，但是测试结果很有参考价值。 这些方法开始打破传统测试方法的束缚，但自 动化程度还不是很高。随着虚拟仪器技术在中国的 兴起和发展，我国的研究人员利用虚拟仪器平台做 EQuIPMENT 了一些探讨性的工作 。南京理工大学的李乐超借 助LabVIEW软件及测试系统对某型号高速精密压 力机进行下死点测试㈣，其测试现场如图1所示。测 试结果表明机床转速及温度对下死点有很大的影 响，但缺乏实际32况下的测试结果。 图1高速压力机下死点精度测试 还有许多研究人员~1],EIl国外开发的下死点精度 测试仪器对高速压力机进行测试，如徐州锻压机床 厂集团有限公司王晓东、冯华林、鹿新建等借助日本 理研产Rm一72型下死点检测仪通过自制测试工装 对闭式高速精密压力机进行了一系列测试… 4]，包括 空载和实际冲裁时的测试。测试方法分为绝对值测 量、相对值测量和波形图测量，可以检测到下死点以 上1．5mm以内的波形以及±O．1mm以内的下死点偏 差，测试精度达到1 m。 下死点影响因素的分析也是当前的研究热点。 如鹿新建等通过构建测试系统或使用下死点检测仪 进行了下死点测试及下死点影响因素的定量分析旧。 柯尊芒等采用灰色关联度分析【161，对高速压力机下 死点影响因素进行了分析，得出了测试因素与下死 点位置的关联度，为下死点的控制提供了一定帮助。 缺点是分析不够全面，只进行了转速、静平衡气压和 测试时间(温度)等三个因素的分析，未对其他影响 因素进行分析。 2．3提高滑块下死点精度的方法 根据已查阅的资料，提高滑块下死点精度的方 法主要分为以下几种： (1)提高机床关键零部件的加工质量，改善装配 工艺，减小运动部件的间隙。如瑞士BRUDERER的 BSTA系列机床，其传动原理如图2所示㈣，零件的 精 又寸 必 死 生 精 块 田EaU~PMEm 图2 BSTA系列传动原理图 (3)提高滑块导向装置的运动精度。瑞士 BRUDERER公司的压力机产品，其导向轴承可自动 补偿热变形，保证了冲压时的导向精度。日本KY— ORI公司Mach系列产品则采用新型的动静压混合 导向机构来提高导向精度 。 (4)提高离合器结合速度。如日本DOBBY公司 的NXT系列产品采取措施为：超速启动飞轮，离合 器处于半接合状态，当离合器接合以后，速度降低至 正常速度，多余的能量被释放l】91。 (5)控制机床运转中的热变形。瑞士BRUDER— ER公司设置油冷器，使冷却油流经压力机内部，抑 制温升；日本KYORI公司Beat ANEX系列高速压 力机采用对称曲柄一肘杆机构，连杆和肘杆的热变形 互相抵消，减少了热变形对滑块运动位置精度的影 响 。 3高速压力机噪声测试技术 随着工业的发展，噪声引起的危害也越来越大。 进行高速压力机噪声测试的目的是对其进行噪声评 价、噪声源识别及噪声分析，进而采取相应降噪措 施，使高速压力机的噪声降低到安全范围内。 3．1噪声产生原因 高速压力机噪声主要分为空载噪声和负载噪声 两部分 。 (1)空载噪声。空载噪声是高速压力机空载运转 噪声，主要包括电动机噪声、运动部件间隙产生的冲 声、离合器噪声和齿轮噪声等。 (2)负载噪声。负载噪声是高速压力机冲裁时引 噪声，主要由冲压噪声和排气噪声组成。 随着高速压力机速度和载荷的提高，以冲压噪 能量最大，成为高速压力机噪声的主要控制对 噪声测试方法 噪声测试方法则有很多种，最常见的有声压法、 声功率法、声强法。声压法是最为传统的一种噪声源 识别和分析方法，简单易行，但要注意排除周围环境 干扰的影响；声功率法需要特定的声学环境，影响了 测量的精度和成本；声强测量不受周围环境反射和 背景噪声的影响，没有声学环境的要求。因此，声强 测量已成为近年来用于噪声源鉴别、声功率评定的 有效手段之一。 利用这几种测试方法，许多研究人员对压力机 噪声进行了测试和分析，如东南大学的朱志丹利用 声压法对伺服压力机工艺噪声作了深入研究【 1；南 京理工大学的李乐超构建了基于虚拟仪器的高速压 力机噪声测试系统，并对声强法测量作了一定研究㈣。 利用虚拟仪器进行噪声信号测试的系统如图3所 示 图3基于虚拟仪器的噪声测试系统 3．3噪声信号分析方法 对高速压力机噪声进行信号分析的目的在于识 别噪声源的位置、提取噪声源的时域或频率域特征 和分析机器运行状态等，甚至可以通过噪声信号分 析进行高速压力机的故障诊断。 早在1974年澳大利亚摩纳西大学的LL．Koss 和R．J．Alfredson教授用分别运行法识别冲床噪声的 发生位置 ，并对小型冲床噪声辐射特性进行了试 验研究。根据测试结果，用统计相关理论确定出主要 噪声源，最后得出结论认为，冲裁噪声与冲裁力在一 个周期内的变化情况有关，提出通过合理设计机身 可控制冲床噪声。 英国南阿普顿大学的ElJ．Richards教授对冲裁 噪声的发声机理作过精湛的论述[25-27~，发表了一系列 文章认为，冲裁噪声是一种典型的冲击噪声，当板料 与冲头冲击开始时，机身逐渐积累能量，机身被拉紧 直至材料断裂，弹性变形能重新分布，急剧释放，引 起床身振动而辐射噪声。 美国密执安工业大学H．A．Evensen分析冲床受 激励后振动响应辐射出的噪声 ，并通过改变模具 参数(诸如斜刃、间隙、缓冲装置等)加以实验，提出 等效连续声压级Leg可通过分别考虑模具因素和环 境因素而估计出来，为模具设计者提供了一种很重 要的估计噪声手段。 在噪声源的识别和利用噪声进行故障诊断方 面，国内的许多研究者都做了大量的工作[ 删，这为 高速压力机的噪声分析提供了良好的借鉴。 3．4降噪方法 对于压力机的降噪方法，早在上世纪八十年代 已有许多学者做过研究。总的来说，主要有下列几种 方法： (1)在模具内加缓冲装置。如E．J，Richards教授 等在压力机的工作台与滑块之间以及模具内部采用 了不同的减振缓冲装置进行试验[261，最终达到了5— 16dB(A)的降噪效果。哈尔滨工业大学的陈维民等 进行了加设高阻尼弹性材料降低冲压噪声的试验【3JJ' 在模具易产生刚性冲击部位，采用高阻尼弹性垫，经 过实测，冲压噪声降低15dB(A)，达到了良好的降噪 效果。 (2)增加床身的结构阻尼。如英国南安普顿大学 的G．Stimpson等在2000kN压力机的比例模型的空 心立柱内装入砂子[321，使床身的结构阻尼由原来的 r／=8．OxlO 增加到0．1，使其表面的噪声辐射减少 10dB(A)，而且可提高产品加512质量和延长冲床的 使用寿命。日本东京都立工业技术中心把两层钢板 间夹有2ram厚的粘弹性高分子材料的约束型复合 阻尼钢板用于压力机主要结构部件的机身中 其 降噪效果达lOdB(A)以上。 (3)增加离合器的柔性。如澳大利亚的TJ．L．Koss 教授对压力机的刚性离合器的噪声进行了研究134]， 用一种新式的柔性转键代替原来的钢制离合器的转 键，取得了6dB(A)的降噪效果。西安交通大学的赵 升吨等提出了一种节能降噪型气压式制动器_35]，不 仅具有制动功能而且还可起到平衡滑块等部件重 量、提高运动平稳性的作用，经试验验证取得了很好 的控制效果。 (4)在机床外部加装隔声罩。西安交通大学的赵 升吨等设计用隔声罩降低高速冲床的噪声 ，在实 际应用中取得了良好的效果。 前三种方法为主动降噪法，针对噪声产生机理 采取措施达到降噪目的；最后一种方法为被动降噪 法，针对噪声的传播过程采取措施，能达到一定的降 噪效果，但没有达到治本的目的。 4 高速压力机测试技术的发展 EOUlP~ 圈 随着测试手段的提高和测试仪器的精密化、灵 巧化，高速压力机的测试技术也取得了可喜的进步， 越来越多地采用现代化的技术手段进行高速压力机 的测试技术研究。 但高速压力机的测试技术还存在以下不足： (1)缺少一个统一的测试规范； (2)动态参数的测试水平还有待提高； (3)数据采集、信号分析、数据存储、结果显示的 高效化有待进一步加强。 由于虚拟仪器的众多优点，以及为我们提供了 自己定义并创建具有开放式构架的测量和自动化系 统的技术基础，在工程应用中，越来越多地采用虚拟 仪器进行高速压力机的测试工作。 虚拟仪器技术正朝着网络化、无线化、远程控制 化方向发展，这也正是高速压力机测试技术的发展 方向。 5总结 下死点精度与噪声是高速压力机性能指标中的 两项重要内容。本文对高速压力机的发展作了简要 回顾，重点对高速压力机的滑块下死点动态精度测 试和机床噪声测试进行了详细分析，并对其发展趋 势进行了展望。随着测试技术的发展，高速压力机的 下死点与噪声测试技术也将为高速压力机的性能提 高做出重要贡献。 【参考文献】 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