浅谈冲压机床的振动缓冲与缓冲器的设计分析

2021-04-26王志辉

中国设备工程 2021年8期

王志辉

（济南二机床集团有限公司，山东济南 250022）

在当前的机械制造行业发展中广泛应用冲压机床，冲压机床在作业中会发生冲压机械振动，冲压机械振动会产生较大的瞬间冲击与振幅，在一些生产车间中，声压已经超过了150db，这样的振动、噪音不仅会对冲压机床设备产生严重的危害，还会对参与生产制造的员工造成一定的健康损害。因此，就需要采取有效的措施，通过优化该种设备的缓冲器，使得冲压机床受到的振荡冲击有所减轻。

1 冲压机床的振动缓冲

该种振动具有瞬间性，传统上冲压机床冲击机理可以通过力脉冲、加速度脉冲、速度阶跃来进行分解和表达，或者将其转化为非线性振动展开具体探索。该类设备形成的冲击作用可通过建立速度阶跃冲击模型来进行观察。该设备该类冲击发生于一瞬间，具有突发跳跃体现，其属于非线性属性。冲压机床的冲击力波形如图1 所示，其中ψ 是噪音幅度，t表示时间，F 则表示冲击力。可以根据振动力学理论知识：Ts=设备基础最大冲击力。其中Nm 表示的是该设备基础的最大冲击，，Ts表示的是冲击力传递可用冲击传递系数，也可以表示隔振系数，Fm 则是该设备的最大冲击力。

根据计算公式来看，如果冲压机床作业中冲击力传递系数不断减小，那么，该设备受到的冲击作用力也会降低。这其中冲击力传递系数和激励频率、阻尼比关系紧密。如果冲压机床作业中的阻尼比可以被忽略，则在冲压机床冲击力频率不变的基础上，要尽可能地减少设备缓冲器固有频率。简单来说，在冲压机床作业过程中，要想获得比较理想的缓冲效果，就需要使其固有频率降低，尽可能地减少这类冲击的影响。若是形成的冲击脉冲能够在下一次冲击前被消弭，就会使得冲压机床内部振动波被有效遏制，这样便有效地抑制了共振产生。此外，还要适当地发挥阻尼比作用，从而有效降低冲压机床作业中的冲击最大加速度。

图1 冲压机床的冲击力波形

2 冲压机床振动缓冲器设计

振动缓冲器能够让工作中的冲压机床受到振动控制在安全范围内，同时，可以积极化解噪音，其设计需要参考隔振器设计原理，需要设法让冲击力在其作用下不断衰减。因为冲压机床作业时会产生较大的瞬时冲击力。一旦冲压机床产生较大的瞬时冲击力，则该设备产生的自身振动幅度较大，如果振动幅度较大，则会发生一定的设备晃动，其严重的可以是冲压机床部分设备零件出现一定的变形或者磨损，从而降低了设备使用寿命。一般来说，冲压机床中的零件组成加工精度不足，则很容易导致相关的操作者操作精准度不足，甚至使得其产生视觉疲劳，最终造成了各类事故。基于此，在冲压机床中应用缓冲器，要尽量选择刚度较小，阻尼比良好的缓冲器，从而有效地减少冲压机床的冲击传递率，与此同时，震动衰减时间得到有效控制，故此缓冲器使得设备付出很小的变形代价就抵抗了巨大的冲击力，等同于提升了冲压机床的抗振水平。和一般的橡胶、圆柱弹簧相比，在冲压机床运行中，应用碟形弹簧作为振动缓冲器具有更好的减振降噪效果。

2.1 冲压机床因为碟形弹簧组合而获得良好的缓冲能力

在该类设备被植入碟形弹簧组合，由于其良好的缓冲性能，产生较小的变形即可承受较大的载荷，且具有较强的吸振力，通过应用对合、叠合的方式组合碟形弹簧。由于碟形弹簧组合可以很好地对抗较大的冲击力，同时，形成很好的变形量，无形中使得冲压机床因为震动而形成的噪音得到了很好的控制。

根据冲压机床的减振降噪需求来选取合适参数的单片碟形弹簧，通过多片弹簧的叠合、对合等多种组合方式来获得较为良好的抗震降噪作用，同时，荷载程度和其本身变形量处在良好范围之内，刚度系数、固有频率也处在安全范围内，最终形成了良好的振动缓冲作用。因为单片碟形弹簧在产生很小变形量基础上化解了较大冲击力，比如，外径10厘米、高度8.2 厘米的A 型弹簧，最大可以承受其4.8t 冲击力或者承载力。在该弹簧压平时产生的轴向变形量仅仅为2.2mm。在冲压机床的冲击机械设备自身重量下加上该设备的冲击加速度冲击力较大，则需要较大的弹簧变形量，这样才能保证该加压机床的自身设备与缓冲器设备振动在允许的安全范围内，根据实践应用情况来看，橡胶的性能与螺旋弹簧的性能远远不如碟形弹簧。

和螺旋弹簧对比，缓冲器高度低，因此其结构更紧密，因此其融入那些机身高度高的冲击机床里能够发挥很好的抗震作用。但是，需要注意的是，在冲压机床应用缓冲器的碟形弹簧的碟片在加工过程中，对热度和精度有高要求。即热处理以及精度处理不过关对其作用有明显影响，因此，在未来的研究中，还要持续改善碟形弹簧碟片的精度与热处理效果。

2.2 冲压机床碟形弹簧振动缓冲器的设计

该设备运行实际上就是将形成冲击力存储起来，然后在通过系统作用将其缓慢释放出来，从而有效地降低了冲击力撞击程度，故此缓冲器可以看到一种特别的能量存储器，其可以在冲压机床作业中缓冲作用，使得形成的冲击波对设备基础和设备本身形成较为温和冲击。该类设备中的碟形缓冲器组成是：承压板、支撑板、四个减振柱，减震柱是最重要组成，其中包含碟形弹簧、弹簧导杆、阻尼材料，减振柱产生的载荷—变形曲线是非线性的，且冲击缓冲性能良好。由于缓冲器产生冲击力作用是瞬间性的，因此，产生的碟形弹簧的变形位移很小。在缓冲器尚未受到冲击力作用之前，缓冲器只需要承受冲压机床的自身重量，在冲击力作用下，碟形弹簧发生变形来吸收能量且发生较大变形。伴随着冲压机床的荷载增加，则其变形量增速不断降低，当载荷到了其极限阈值，此时，碟形弹簧刚度特性得到发挥，其发挥了限位保护功能。也就意味着碟形缓冲器弹簧变形是以硬-软-硬的非线性刚度为变化曲线，可以有效地减少冲压机床的冲击力传递速率，产生较小的变形量就可以吸收冲压机床产生的冲击荷载。这也使得整个操作过程比较顺畅而安全，提高了设备使用寿命，对应用单位来说，节约了大量的成本。

图2 冲压机床振动冲击力与噪声波形

观察冲压机床安装缓冲器的效果，其产生的设备基础振动和机床噪音显著降低，且根据图2 所示的冲压机床振动冲击力与噪声波形图来看，其振动振幅降低40%，噪音降低35%，可以发现其冲击缓冲效果比较理想。因为该冲压机床的碟形弹簧缓冲器无须供油或者供气，其制作成本较低，在冲压机床中更容易安装，且可以根据机床大小与振动缓冲需求来安装缓冲器，从而实现其降振减噪目标。