六連桿機構機械壓力機的仿真*

□ 賈 先 □ 譚栓斌

西安思源學院工學院 西安 710038

機械壓力機因工作平穩、操作條件好、生產率高、易于實現機械化與自動化等優點，占鍛壓機械比例的80%以上[1-2]。為了提高機械壓力機生產率，必須增加滑塊單位時間內的行程次數，但受到沖壓工藝變形速度和操作可能性的限制，并且滑塊的運動速度應滿足沖壓工藝的要求。選用何種機構的壓力機，主要根據成形速度、加速度和慣性力來確定。曲柄壓力機（傳統壓力機最主要的工作機構[3]）在沖壓時速度和加速度較高，容易造成拉伸件的破裂，廢品率高，并且沖擊振動大、噪聲大，造成機床和模具的壽命降低。為了克服這些缺陷，提高生產率，常使用六連桿機構的壓力機。

六連桿機構機械壓力機通用性好，是目前肘桿機構中用得較多的一種[3]，它由6個構件組成，機構參數多達8個，每個參數的變化都會使沖頭（滑塊）的運動規律發生變化，控制運動難度很大。筆者采用MATLAB軟件對六連桿機構機械壓力機進行仿真，以期找到防止工件產生裂紋的原因，滿足工件拉延的加工要求，提高模具使用壽命[4]。

1 六連桿機構運動特性的理論分析

六連桿機構原理如圖1（a）所示，由曲柄OB、拉桿O1A、三角連桿ABC、肘桿CD和滑塊組成，曲柄OB、三角連桿的AB桿和拉桿O1A組成曲柄搖桿機構，主動曲柄OB勻速轉動，帶動連桿AB作平面復雜運動，該機構利用連桿上任意點運動規律的多樣性，將三角連桿ABC的BC桿作為連桿滑塊機構中連桿，通過BC桿和CD桿帶動滑塊上下運動，對加工工件實現沖壓過程。 該機構可以通過合理調整 R、R1、L1、L2、L3的長度，θ角的大小和機架上兩點O、O1之間的相對位置，調節滑塊的運動學特性。

假設曲柄R以等角速度ω逆時針方向回轉，為了使機械壓力機在沖壓時的傳力特性良好，要求滑塊在下死點時OB、BC、CD三桿共線，即機構的壓力角β=0°，所以O1A桿長R1不是獨立參數，應滿足以下關系式：

滑塊的位移、速度、加速度均是曲柄轉角α的函數，由圖1（b）可以看出，滑塊的導路通過曲柄的回轉中心O。由解析法得出該六連桿機構的運動學方程如下。

（1）滑塊位移方程為：

其中設：

則：

▲圖1 機構原理圖

（2）滑塊速度方程為：其中：

（3）滑塊加速度方程為：其中：

2 六連桿機構滑塊運動學的特性分析

以滑塊行程為40 mm、公稱壓力行程為4 mm、滑塊行程次數為200次/min為約束條件，選擇一曲柄壓力機如圖 1（b）所示，曲柄R=20 mm，連桿L=200 mm，在MATLAB中輸出該機構2個完整沖壓過程中滑塊位置、速度、加速度曲線如圖2（a）所示。由圖可以看出，曲柄壓力機的位移、速度、加速度曲線是3條相位差分別為90°的正弦曲線。在壓力機進行沖壓工作即滑塊向下運動的最后4 mm（公稱壓力行程）內，如圖中陰影部分的時段，位移和速度曲線斜率較大，速度和加速度曲線無明顯的平臺存在，滑塊最大速度為261.7 mm/s，最大加速度值為9 650.3 mm/s2。機構位移曲線呈對稱形狀，機構無急回特性。

在沖壓時，如果變形速度過高，會產生工件破裂，為保證拉伸質量，以公稱壓力行程內滑塊最大速度最小化為目標，確定六連桿式壓力機的結構尺寸為：R=6.4 mm，L1=19.7 mm，L2=40.6 mm，L3=28 mm，θ=135°，X=25.8 mm，Y=3.5 mm（R1=16.6 mm）。根據前面推導出的公式，在MATLAB中輸出該機構2個完整沖壓過程中滑塊位移、速度、加速度曲線如圖 2（b）。由圖看出，在壓力機沖頭進行沖壓工作的4 mm（公稱壓力行程）內，如圖中陰影部分的時段，速度曲線在0 mm/s附近和加速度曲線0 mm/s2附近有明顯的平臺存在，滑塊最大速度為105.6 mm/s，最大加速度值為7 278.7 mm/s2。機構位移曲線是一條沖壓過程曲線斜率較小、回程曲線斜率較大的不對稱曲線，有明顯的急回特性。

綜上所述，所設計的六連桿機構整個公稱壓力行程在4 mm內。

（1）滑塊的最大速度比在相同條件下曲柄滑塊機構下降59.6%。工件在拉伸加工時，如果變形速度過快，會產生工件破裂，為了保證拉伸質量，拉伸工件時滑塊的速度有一定的限制。降低壓力機公稱壓力行程內的最大速度，保證滑塊工作行程速度低而均勻，不但可以滿足板料合理拉延速度的需要，提高拉延零件的質量，而且由于工作行程開始時上模接觸下模的速度較低，可以減小傳動系統的動載，減少模具的磨損，提高模具使用壽命，降低沖擊噪聲。

（2）滑塊的最大加速度比相同條件下曲柄滑塊機構下降24.5%。沖壓時加速度較高，易造成機身的沖擊振動大、噪聲大，造成機床和模具的使用壽命降低。降低壓力機公稱壓力行程內的最大加速度，沖壓時機身產生的沖擊振動減小、噪聲降低，提高了機床和模具的使用壽命。

（3）六連桿機構的急回特性因子為1.87，在滿足相同板料合理拉延速度需要時，可增加滑塊行程每分鐘次數，提高生產效率。

3 結束語

（1）六連桿機構在整個公稱壓力行程內，滑塊的最大速度為105.6 mm/s，比相同條件下曲柄滑塊機構的261.7 mm/s下降59.6%，可以滿足板料合理拉延速度的需要，提高拉延零件的質量。

（2）六連桿機構在整個公稱壓力行程4 mm內，滑塊的最大加速度為7 278.7 mm/s2，比相同條件下曲柄滑塊機構的9 650.3 mm/s2下降24.5%，可以減小傳動系統的動載，提高模具使用壽命，降低沖擊噪聲。

（3）滑塊的空程速度高，整個機構的急回特性因子為1.87，可以提高滑塊行程每分鐘次數，可以提高生產率。

[1]何德譽．曲柄壓力機[M]．北京：機械工業出版社，1981．

[2]劉海彬．基于ADAMS的多連桿壓力機參數化設計與優化研究[D]．青島：山東科技大學，2011．

[3]趙升噸，張宗元，張貴成，等．回轉頭壓力機不同的工作機構動態特性的研究[J]．機床與液壓，2014（11）：32-37．

[4]楊春峰，張盛，李云鵬，等．機械壓力六連桿機構優化設計[J]．大連理工大學學報，2013，53（1）：64-70．