淺談沖壓機(jī)床的振動(dòng)緩沖與緩沖器的設(shè)計(jì)分析

王志輝

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

在當(dāng)前的機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展中廣泛應(yīng)用沖壓機(jī)床，沖壓機(jī)床在作業(yè)中會(huì)發(fā)生沖壓機(jī)械振動(dòng)，沖壓機(jī)械振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的瞬間沖擊與振幅，在一些生產(chǎn)車間中，聲壓已經(jīng)超過了150db，這樣的振動(dòng)、噪音不僅會(huì)對(duì)沖壓機(jī)床設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，還會(huì)對(duì)參與生產(chǎn)制造的員工造成一定的健康損害。因此，就需要采取有效的措施，通過優(yōu)化該種設(shè)備的緩沖器，使得沖壓機(jī)床受到的振蕩沖擊有所減輕。

1 沖壓機(jī)床的振動(dòng)緩沖

該種振動(dòng)具有瞬間性，傳統(tǒng)上沖壓機(jī)床沖擊機(jī)理可以通過力脈沖、加速度脈沖、速度階躍來進(jìn)行分解和表達(dá)，或者將其轉(zhuǎn)化為非線性振動(dòng)展開具體探索。該類設(shè)備形成的沖擊作用可通過建立速度階躍沖擊模型來進(jìn)行觀察。該設(shè)備該類沖擊發(fā)生于一瞬間，具有突發(fā)跳躍體現(xiàn)，其屬于非線性屬性。沖壓機(jī)床的沖擊力波形如圖1 所示，其中ψ 是噪音幅度，t表示時(shí)間，F(xiàn) 則表示沖擊力。可以根據(jù)振動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)：Ts=設(shè)備基礎(chǔ)最大沖擊力。其中Nm 表示的是該設(shè)備基礎(chǔ)的最大沖擊，，Ts表示的是沖擊力傳遞可用沖擊傳遞系數(shù)，也可以表示隔振系數(shù)，F(xiàn)m 則是該設(shè)備的最大沖擊力。

根據(jù)計(jì)算公式來看，如果沖壓機(jī)床作業(yè)中沖擊力傳遞系數(shù)不斷減小，那么，該設(shè)備受到的沖擊作用力也會(huì)降低。這其中沖擊力傳遞系數(shù)和激勵(lì)頻率、阻尼比關(guān)系緊密。如果沖壓機(jī)床作業(yè)中的阻尼比可以被忽略，則在沖壓機(jī)床沖擊力頻率不變的基礎(chǔ)上，要盡可能地減少設(shè)備緩沖器固有頻率。簡(jiǎn)單來說，在沖壓機(jī)床作業(yè)過程中，要想獲得比較理想的緩沖效果，就需要使其固有頻率降低，盡可能地減少這類沖擊的影響。若是形成的沖擊脈沖能夠在下一次沖擊前被消弭，就會(huì)使得沖壓機(jī)床內(nèi)部振動(dòng)波被有效遏制，這樣便有效地抑制了共振產(chǎn)生。此外，還要適當(dāng)?shù)匕l(fā)揮阻尼比作用，從而有效降低沖壓機(jī)床作業(yè)中的沖擊最大加速度。

圖1 沖壓機(jī)床的沖擊力波形

2 沖壓機(jī)床振動(dòng)緩沖器設(shè)計(jì)

振動(dòng)緩沖器能夠讓工作中的沖壓機(jī)床受到振動(dòng)控制在安全范圍內(nèi)，同時(shí)，可以積極化解噪音，其設(shè)計(jì)需要參考隔振器設(shè)計(jì)原理，需要設(shè)法讓沖擊力在其作用下不斷衰減。因?yàn)闆_壓機(jī)床作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)沖擊力。一旦沖壓機(jī)床產(chǎn)生較大的瞬時(shí)沖擊力，則該設(shè)備產(chǎn)生的自身振動(dòng)幅度較大，如果振動(dòng)幅度較大，則會(huì)發(fā)生一定的設(shè)備晃動(dòng)，其嚴(yán)重的可以是沖壓機(jī)床部分設(shè)備零件出現(xiàn)一定的變形或者磨損，從而降低了設(shè)備使用壽命。一般來說，沖壓機(jī)床中的零件組成加工精度不足，則很容易導(dǎo)致相關(guān)的操作者操作精準(zhǔn)度不足，甚至使得其產(chǎn)生視覺疲勞，最終造成了各類事故。基于此，在沖壓機(jī)床中應(yīng)用緩沖器，要盡量選擇剛度較小，阻尼比良好的緩沖器，從而有效地減少?zèng)_壓機(jī)床的沖擊傳遞率，與此同時(shí)，震動(dòng)衰減時(shí)間得到有效控制，故此緩沖器使得設(shè)備付出很小的變形代價(jià)就抵抗了巨大的沖擊力，等同于提升了沖壓機(jī)床的抗振水平。和一般的橡膠、圓柱彈簧相比，在沖壓機(jī)床運(yùn)行中，應(yīng)用碟形彈簧作為振動(dòng)緩沖器具有更好的減振降噪效果。

2.1 沖壓機(jī)床因?yàn)榈螐椈山M合而獲得良好的緩沖能力

在該類設(shè)備被植入碟形彈簧組合，由于其良好的緩沖性能，產(chǎn)生較小的變形即可承受較大的載荷，且具有較強(qiáng)的吸振力，通過應(yīng)用對(duì)合、疊合的方式組合碟形彈簧。由于碟形彈簧組合可以很好地對(duì)抗較大的沖擊力，同時(shí)，形成很好的變形量，無形中使得沖壓機(jī)床因?yàn)檎饎?dòng)而形成的噪音得到了很好的控制。

根據(jù)沖壓機(jī)床的減振降噪需求來選取合適參數(shù)的單片碟形彈簧，通過多片彈簧的疊合、對(duì)合等多種組合方式來獲得較為良好的抗震降噪作用，同時(shí)，荷載程度和其本身變形量處在良好范圍之內(nèi)，剛度系數(shù)、固有頻率也處在安全范圍內(nèi)，最終形成了良好的振動(dòng)緩沖作用。因?yàn)閱纹螐椈稍诋a(chǎn)生很小變形量基礎(chǔ)上化解了較大沖擊力，比如，外徑10厘米、高度8.2 厘米的A 型彈簧，最大可以承受其4.8t 沖擊力或者承載力。在該彈簧壓平時(shí)產(chǎn)生的軸向變形量?jī)H僅為2.2mm。在沖壓機(jī)床的沖擊機(jī)械設(shè)備自身重量下加上該設(shè)備的沖擊加速度沖擊力較大，則需要較大的彈簧變形量，這樣才能保證該加壓機(jī)床的自身設(shè)備與緩沖器設(shè)備振動(dòng)在允許的安全范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)踐應(yīng)用情況來看，橡膠的性能與螺旋彈簧的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如碟形彈簧。

和螺旋彈簧對(duì)比，緩沖器高度低，因此其結(jié)構(gòu)更緊密，因此其融入那些機(jī)身高度高的沖擊機(jī)床里能夠發(fā)揮很好的抗震作用。但是，需要注意的是，在沖壓機(jī)床應(yīng)用緩沖器的碟形彈簧的碟片在加工過程中，對(duì)熱度和精度有高要求。即熱處理以及精度處理不過關(guān)對(duì)其作用有明顯影響，因此，在未來的研究中，還要持續(xù)改善碟形彈簧碟片的精度與熱處理效果。

2.2 沖壓機(jī)床碟形彈簧振動(dòng)緩沖器的設(shè)計(jì)

該設(shè)備運(yùn)行實(shí)際上就是將形成沖擊力存儲(chǔ)起來，然后在通過系統(tǒng)作用將其緩慢釋放出來，從而有效地降低了沖擊力撞擊程度，故此緩沖器可以看到一種特別的能量存儲(chǔ)器，其可以在沖壓機(jī)床作業(yè)中緩沖作用，使得形成的沖擊波對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)和設(shè)備本身形成較為溫和沖擊。該類設(shè)備中的碟形緩沖器組成是：承壓板、支撐板、四個(gè)減振柱，減震柱是最重要組成，其中包含碟形彈簧、彈簧導(dǎo)桿、阻尼材料，減振柱產(chǎn)生的載荷—變形曲線是非線性的，且沖擊緩沖性能良好。由于緩沖器產(chǎn)生沖擊力作用是瞬間性的，因此，產(chǎn)生的碟形彈簧的變形位移很小。在緩沖器尚未受到?jīng)_擊力作用之前，緩沖器只需要承受沖壓機(jī)床的自身重量，在沖擊力作用下，碟形彈簧發(fā)生變形來吸收能量且發(fā)生較大變形。伴隨著沖壓機(jī)床的荷載增加，則其變形量增速不斷降低，當(dāng)載荷到了其極限閾值，此時(shí)，碟形彈簧剛度特性得到發(fā)揮，其發(fā)揮了限位保護(hù)功能。也就意味著碟形緩沖器彈簧變形是以硬-軟-硬的非線性剛度為變化曲線，可以有效地減少?zèng)_壓機(jī)床的沖擊力傳遞速率，產(chǎn)生較小的變形量就可以吸收沖壓機(jī)床產(chǎn)生的沖擊荷載。這也使得整個(gè)操作過程比較順暢而安全，提高了設(shè)備使用壽命，對(duì)應(yīng)用單位來說，節(jié)約了大量的成本。

圖2 沖壓機(jī)床振動(dòng)沖擊力與噪聲波形

觀察沖壓機(jī)床安裝緩沖器的效果，其產(chǎn)生的設(shè)備基礎(chǔ)振動(dòng)和機(jī)床噪音顯著降低，且根據(jù)圖2 所示的沖壓機(jī)床振動(dòng)沖擊力與噪聲波形圖來看，其振動(dòng)振幅降低40%，噪音降低35%，可以發(fā)現(xiàn)其沖擊緩沖效果比較理想。因?yàn)樵摏_壓機(jī)床的碟形彈簧緩沖器無須供油或者供氣，其制作成本較低，在沖壓機(jī)床中更容易安裝，且可以根據(jù)機(jī)床大小與振動(dòng)緩沖需求來安裝緩沖器，從而實(shí)現(xiàn)其降振減噪目標(biāo)。

3 結(jié)語

總而言之，由于沖壓機(jī)床的振動(dòng)緩沖器具備良好的荷載—變形特點(diǎn)，且產(chǎn)生的振動(dòng)頻率較小，通過合理的緩沖器設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)比較理想的緩沖效果。為了能夠有效地降低沖壓機(jī)床運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲，就需要從沖壓機(jī)床的自身出發(fā)，優(yōu)化緩沖器，從而實(shí)現(xiàn)降振減噪目的。