基于步進(jìn)電機(jī)的變壓邊力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李忠芳，馬萬征

（1.安徽科技學(xué)院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100；2.安徽科技學(xué)院 城建與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽 233100）

在復(fù)雜的薄板成形過程中，采用恒定壓邊力方式時(shí)往往難以同時(shí)避免起皺、厚度減薄量過大或開裂等這幾種缺陷，而采用變壓邊力不僅能提高板材的成形能力和拉深件的極限拉深比，還可提高成形件的質(zhì)量，避免拉深件局部減薄過多.

大量實(shí)驗(yàn)證明，材料、形狀不同的坯料，拉深成形所需要的壓邊力最大值和變化趨勢(shì)都各不相同[1].各種變壓邊力趨勢(shì)的實(shí)現(xiàn)方法研究是一個(gè)熱門課題.隨行程變化的壓邊力可通過以下三種方式實(shí)現(xiàn)：（1）液壓或隨動(dòng)液壓系統(tǒng)[2]，（2）隨動(dòng)凸輪[3]或斜楔機(jī)械結(jié)構(gòu)[4]；（3）交流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī).本文設(shè)計(jì)一種基于步進(jìn)電機(jī)和減速器的壓邊系統(tǒng).

1 總體設(shè)計(jì)

圖1 壓邊系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、蝸輪絲桿和壓邊機(jī)構(gòu)組成（見圖1）.其中步進(jìn)電機(jī)可編程，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨時(shí)間任意變化.減速機(jī)的作用是擴(kuò)大步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩.絲杠可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng).特殊設(shè)計(jì)的壓邊圈可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)變壓邊力.

2 步進(jìn)電機(jī)和減速器計(jì)算

絲杠驅(qū)動(dòng)扭矩與軸向負(fù)載之間的關(guān)系為

式中，

M：驅(qū)動(dòng)扭矩kgf.mm；

N：軸向負(fù)載N（忽略絲杠自重）

p：絲杠導(dǎo)程，單位mm；

f：進(jìn)給絲杠的正效率.

設(shè)壓邊系統(tǒng)的額定壓力為300kN，絲杠導(dǎo)程為0.292mm，進(jìn)給絲杠的正效率為0.115，所需最大靜轉(zhuǎn)矩為M，則

設(shè)步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為T，減速器的減速比為n、效率為η，則

根據(jù)小電機(jī)大減速器的原則，設(shè)減速比=24，效率η=0.8，則T=6.3Nm.

綜上可知，所選步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩大于6.3Nm.

3 絲杠的設(shè)計(jì)與校核

3.1 絲杠物理模型

絲杠可簡(jiǎn)化為兩端鉸支的壓桿，可根據(jù)壓縮強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核.

3.2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

因?yàn)閴哼呄到y(tǒng)的額定壓力為300kN，45鋼的許用應(yīng)力為150MPa，所以

易知，d≥0.05m

3.3 壓桿穩(wěn)定性校核

對(duì)于兩端鉸支壓桿，μ=1.

易知，d≥0.05m.

4 壓邊圈及其支撐結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)規(guī)模較大，不能直接應(yīng)用于一般模具，需設(shè)計(jì)特定的支撐結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)壓邊.

4.1 支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)由導(dǎo)柱、導(dǎo)套、工業(yè)彈簧、壓邊圈組成（見圖2）.其中導(dǎo)柱和導(dǎo)套分別用螺釘固定在上、下模具上，彈簧在導(dǎo)套內(nèi)部，壓邊圈材料選用耐高溫、高強(qiáng)度工具鋼.壓邊圈設(shè)有銷軸.

圖2 支撐機(jī)構(gòu)示意圖

4.2 特性

（1）可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)壓邊，且各點(diǎn)壓邊力方向一致，均垂直于被壓表面；

（2）壓邊圈可耐高溫，可用于熱沖壓成形；

（3）導(dǎo)柱式壓邊圈可用于任意構(gòu)造的模具，不受空間限制.

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了由步進(jìn)電機(jī)、壓邊機(jī)構(gòu)、絲杠、減速機(jī)組成的壓邊系統(tǒng).該系統(tǒng)可編程、可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間變化的壓邊力曲線、可以多點(diǎn)施加壓力.步進(jìn)電機(jī)可替換為伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)和絲杠可由直線伺服電機(jī)來代替，但價(jià)格相對(duì)昂貴.

〔1〕張悅.不銹鋼制品變壓邊力拉深控制曲線的試驗(yàn)研究.五金科技，2007(5).

〔2〕叢錫堂.液壓隨動(dòng)壓邊機(jī)構(gòu).機(jī)械制造，1990(12).

〔3〕柳建安，肖亮，董永平.新型變壓邊力拉深模設(shè)計(jì).模具工業(yè)，2008，34(5):20-23.

〔4〕佘銀柱.變壓邊力拉深模設(shè)計(jì).模具工業(yè)，2007，33(1):17-19.