杨 莉 秦泗吉 谢 谈 李江国 闫 兴

（①燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004;②北京机电研究所，北京 100083）

冷锻是一种精密锻造成形技术，其显著优点在于成形件的尺寸精度高、机械性能好、材料利用率高，因此冷锻成形也被称为净成形或近净成形［1］。冷锻适用于大批量生产，尤其在汽车、航天等工业中应用比较广泛。国内冷锻技术的发展与发达国家相比还有很大差距，到目前为止，我国生产轿车的冷锻件质量不足30 kg［2］，相当于发达国家的一半，开发潜力还很大。

冷锻压力机是实现冷锻成形工艺的重要装备，其刚度和精度等性能直接影响着成形过程和冷锻件的质量［3］。肘杆式冷锻压力机是一种多连杆传动的压力机，采用广义肘杆机构可扩大压力机的有效压力行程和低速行程范围，在实际生产中得到了广泛应用［4］。

肘杆机构属多连杆机构，由于运动链长，对滑块的运动和位置精度的影响因素较多，在设计过程中应予以特别关注。杆系误差来源主要有杆件加工制造误差，运动副间隙引起的误差，以及杆件弹性变形和热变形引起的误差。可以通过润滑和冷却等方法控制由于温度变化引起的杆系误差，以及提高刚度等措施减小弹性变形引起的误差。本文主要讨论杆系尺寸制造误差对滑块下死点位置误差的影响，运动副间隙对滑块位置和速度的影响。并运用虚拟样机技术建立肘杆式冷锻压力机的仿真模型，分析影响滑块位置误差的主要因素，采取合理的工艺保证措施，为压力机的设计提供理论依据。

1 肘杆冷锻压力机传动原理

目前冷锻精密成形设备基本依赖从德国、日本进口，而从国外进口冷锻设备费用高、维护难，因此加强冷锻设备开发与推广应用是一项很迫切的任务。国内自行研制的多连杆式冷锻压力机填补了一个空白，所设计的肘杆式冷锻压力机的基本参数如表1所示。

肘杆冷锻压力机的传动原理如图1所示。电动机通过一级皮带和二级齿轮减速后由广义肘杆机构驱动滑块实现加工运动。该肘杆机构由一个与上、下肘杆和曲柄13相连的三角形连杆11组成，上肘杆12一端与机身铰接，下肘杆10一端与滑块9相连。压力机工作时，滑块9由肘杆带动实现上下往复运动。肘杆机构具有一定的增力作用，有较好的急回特性，在工作区域有较为理想的速度特性。

表1 冷锻压力机的基本参数

2 压力机滑块运动精度分析基本原理

压力机滑块的运动精度是指滑块下死点的重复精度，是压力机的一个重要性能指标。以所设计压力机为例，研究杆长误差对滑块下死点位置误差的影响。

图2为冷锻压力机肘杆机构简图，滑块的输出位置y是各杆系尺寸L1、L2、L3、……、Ln的函数［5］

当各杆长分别有尺寸误差 ΔL1、ΔL2、…、ΔLn时，则滑块的输出位置将有误差Δy为

将式（2）按泰勒级数展开，误差ΔLi与杆长Li相比数值很小，略去高阶微量，仅取一阶项作近似值:

由式（3）可知，滑块的位置误差Δy是各杆长尺寸误差的线性函数。式中每一项为各个杆长误差引起的滑块运动位置误差，各偏导数相当于各杆长误差转化到滑块上的传动比，反映了对滑块位置误差的影响程度，称为误差传递系数。误差传递系数用解析法求解［6］，需要求偏导数，求导过程繁琐，计算复杂，求解也比较困难。

采用数值法求解，不需求导，比较简便。由式（3）知，滑块在下死点的位置误差Δy与各杆长误差ΔLi近似成线性关系。因此，在研究一个杆长误差时，认为其它各个杆长保持常量。例如已知杆长L1的误差ΔL1，将其余变量设为定值，可求出滑块的位置误差Δy1，进而确定杆L1对应的误差传递系数。同样方法，即可得到其他杆件对滑块位置的误差传递系数。

如图2，已知:L1=150 mm，L2=1 100 mm，L3=560 mm，L4=1 250 mm，L5=561.32 mm，L6=600 mm，L7=20 mm，L8=300 mm，L9=850 mm。求得:

将所有局部位置误差相加，即可确定滑块的总位置误差为:

部分杆长尺寸误差与滑块下死点位置关系见图3。

利用虚拟样机技术，在ADAMS软件中，建立冷锻压力机的主体结构简易模型（如图4），在几何模型上对各杆的尺寸误差进行仿真测试，杆长L1和L3尺寸误差对滑块下死点位置影响的输出曲线如图5所示。

理论计算与仿真结果都表明，各个杆的长度误差都会对滑块下死点位置有影响，但影响的程度不同。L5、L6、L7和L9的尺寸误差对滑块位置误差影响较小，L1、L2、L8和L3的尺寸误差对滑块在下死点的位置影响较大，L1和L8，L2和L3的影响趋势相反。因此，在实际应用中，如果各杆长度按7级精度加工，L1和L8的尺寸公差为0.040 mm和0.052 mm，则杆的尺寸按L1=（150+0.020）mm，L8=（300+0.026）mm 或L1=（150－0.020）mm，L8=（300－0.026）mm 选取，可以减小滑块的位置误差，提高运动精度。

3 运动副间隙对滑块位置和速度的影响

由于制造、装配误差和构件磨损，机构中运动副的间隙是不可避免的。运动副间隙会引起运动副元素间的碰撞，这种碰撞会引起机构的冲击和振动，而影响滑块的运动精度。建立冷锻压力机仿真模型，将组成旋转副的销轴和连杆孔之间的传动定义成接触力传动［7］，给出铰接副B的间隙0.1 mm，通过运动仿真研究运动副间隙对滑块位置和运动速度的影响。

图6、7分别为仿真分析得到的滑块位置和速度曲线。由图6和图7可以看出，间隙对滑块的位置影响较小，对速度影响较大。由图6可见，滑块移动过程中，间隙的存在，会产生震荡，影响滑块的运动精度。

图7中无间隙时速度曲线比较光滑。当铰接副B间隙为0.1 mm时，滑块的速度曲线波动较大，随着运动副间隙量的增大和压力机运转速度的上升，运动副间隙引起的碰撞会使机器的振动加剧，影响压力机运转的精度和平稳性。

为减少间隙对压力机运行的不良影响，采取一些措施:增大运动副的连接刚性，适当减小表面粗糙度值，以减小间隙。选用耐磨性好的材料及适量润滑，减小摩擦和磨损，避免间隙增大。为获得较高的配合精度，可以选用分组选配法，保证最小间隙。

4 结语

（1）对肘杆机构冷锻压力机，用数值计算和仿真软件分析了各杆系尺寸误差对滑块下死点位置误差的影响，两种方法得到的结果一致。根据各杆长尺寸误差对滑块位置误差的影响程度，确定各杆件的尺寸公差。

（2）研究了运动副间隙对滑块位置与速度的影响规律，间隙对滑块位置行程的影响很小，对运动速度影响较大。给出了减小间隙的一些措施。

［1］何祝斌，初冠南，张吉，等.锻造技术的发展——从前8届国际塑性加工会议看锻造技术的发展［J］.塑性工程学报，2008，15（4）:13－18.

［2］伍太宾.精密锻造成形技术在我国的应用［J］.精密成形工程，2009，1（2）:12－18.

［3］Krušic V，Arentoft M，Mašera S，et al.A combined approach to determine workpiece－tool－press deflections and toolloads in multistage cold－ forging［J］.Journal of Materials Processing Technology，2011，211:35－42.

［4］莫健华，郑加坤，古閑伸裕，等.伺服压力机的发展现状及其应用［J］.锻压装备与制造技术，2007，42（5）:19 －22.

［5］华大年，华志宏.连杆机构设计与应用创新［M］.北京:机械工业出版社，2008:203－208.

［6］陈春.尺寸误差对平面四杆机构运动精度的影响［J］.机械研究与应用，2005，18（1）:47 －48.

［7］王海军，王君英.关节间隙对并联机床精度的影响规律研究［J］.中国机械工程，2007，18（4）:471 －475.