基于步進電機的變壓邊力系統設計

李忠芳，馬萬征

（1.安徽科技學院 機電與車輛工程學院，安徽 鳳陽 233100；2.安徽科技學院 城建與環境學院，安徽 鳳陽 233100）

在復雜的薄板成形過程中，采用恒定壓邊力方式時往往難以同時避免起皺、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量，避免拉深件局部減薄過多.

大量實驗證明，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都各不相同[1].各種變壓邊力趨勢的實現方法研究是一個熱門課題.隨行程變化的壓邊力可通過以下三種方式實現：（1）液壓或隨動液壓系統[2]，（2）隨動凸輪[3]或斜楔機械結構[4]；（3）交流伺服電機或步進電機.本文設計一種基于步進電機和減速器的壓邊系統.

1 總體設計

圖1 壓邊系統簡圖

該系統由步進電機、減速機、蝸輪絲桿和壓邊機構組成（見圖1）.其中步進電機可編程，可控制電機轉動角度隨時間任意變化.減速機的作用是擴大步進電機的輸出轉矩.絲杠可將旋轉運動轉化為直線運動.特殊設計的壓邊圈可實現多點變壓邊力.

2 步進電機和減速器計算

絲杠驅動扭矩與軸向負載之間的關系為

式中，

M：驅動扭矩kgf.mm；

N：軸向負載N（忽略絲杠自重）

p：絲杠導程，單位mm；

f：進給絲杠的正效率.

設壓邊系統的額定壓力為300kN，絲杠導程為0.292mm，進給絲杠的正效率為0.115，所需最大靜轉矩為M，則

設步進電機的最大靜轉矩為T，減速器的減速比為n、效率為η，則

根據小電機大減速器的原則，設減速比=24，效率η=0.8，則T=6.3Nm.

綜上可知，所選步進電機最大靜轉矩大于6.3Nm.

3 絲杠的設計與校核

3.1 絲杠物理模型

絲杠可簡化為兩端鉸支的壓桿，可根據壓縮強度進行設計，并進行壓桿穩定性校核.

3.2 強度設計

因為壓邊系統的額定壓力為300kN，45鋼的許用應力為150MPa，所以

易知，d≥0.05m

3.3 壓桿穩定性校核

對于兩端鉸支壓桿，μ=1.

易知，d≥0.05m.

4 壓邊圈及其支撐結構

該系統規模較大，不能直接應用于一般模具，需設計特定的支撐結構，才能實現壓邊.

4.1 支撐結構

支撐結構由導柱、導套、工業彈簧、壓邊圈組成（見圖2）.其中導柱和導套分別用螺釘固定在上、下模具上，彈簧在導套內部，壓邊圈材料選用耐高溫、高強度工具鋼.壓邊圈設有銷軸.

圖2 支撐機構示意圖

4.2 特性

（1）可實現多點壓邊，且各點壓邊力方向一致，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）導柱式壓邊圈可用于任意構造的模具，不受空間限制.

5 結語

設計了由步進電機、壓邊機構、絲杠、減速機組成的壓邊系統.該系統可編程、可實現隨時間變化的壓邊力曲線、可以多點施加壓力.步進電機可替換為伺服電機，步進電機、減速機和絲杠可由直線伺服電機來代替，但價格相對昂貴.

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

〔2〕叢錫堂.液壓隨動壓邊機構.機械制造，1990(12).

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

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