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[综合讨论] 锻压机械振动浅析

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发表于 2019-8-16 10:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  振动对工业设备和精密仪表的影响及危害非常大,可使设备和仪表不能正常使用,严重时会使其频繁损坏。同时,振动会通过土壤传播,影响厂房地基结构,降低厂房的使用寿命。人员长期在振动的环境下会影响身体健康,如引起中枢神经和心血管系统的功能障碍,使末梢血管收缩,血压升高,心跳加快,消化器官的功能受到影响等,还可导致内分泌变化、关节疼痛、失眠、手指麻木等症状,这些振动造成的危害统称为振动病。

  对于锻造设备来说,振动主要是设备进行坯料锻压时产生的,其中,空气锤、自由锻和模锻锤产生的振动最大,热模锻机械压力机次之。本文将从锻压设备振动的产生、传播以及简单预防等方面进行阐述探讨。
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  锻压机械自身运动机构产生的振动
  锻压机械在其构造上存在运转不平衡的结构,所以当锻压机械运转时,其本身会产生振动。

  ⑴锻压机械非平衡结构(图1)包括滑块、连杆、曲轴、齿轮等。滑块作上下往返运动,曲轴、齿轮及连杆头部等作旋转运动,这些非平衡运动的部件会产生起振力,使锻压机械产生振动。

  ⑵非平衡部件的起振力。旋转非平衡部件和往返运动部的动作端,因可动部件的质量因素和运动速度快的特点,尤其滑块部件回转速度很快,会产生较大的起振力,导致锻压机械振动增大。
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  ⑶高速运转锻压机械、精密锻压机械进行高速锻压生产时,欲降低运转振动提高锻压机械精度和稳定度,会考虑加装往返动平衡装置(图2)或设计旋转平衡装置来减轻锻压机械本身运转振动。但这些平衡装置往往都会耗能,这与锻压机械经济性、省动力性的理念背道而驰,是否采用这些运转平衡装置,需充分考虑其必要性、制造成本、能耗、作业环境等因素。

  ⑷锻压机械的启动、停止与一般产业机械相比更需要瞬间启停的运转动力,因此需选配大容量的离合、刹车器,使可动部件瞬间启停,但振动也随之产生。热锻冲压机械等能力大,瞬间启停时会产生较大振动,因此需在启停性能与振动中取得平衡,在不影响机械运转的范围内进行离合、刹车器的动作速度调整,通常称之为软离合、软制动。

  锻压机械运转锻压时产生的振动
  锻压机械产生的振动会因加工种类、使用能力、锻压材料、生产速度及机械设计等因素,而有极大的振动差异。

  锻压过程中振动发生的时段
  ⑴加工开始的振动:锻压机械的滑块由上死点开始向下位移,依所定速度使模具冲击工件,此时的冲击现象会导致振动发生。
  ⑵加工终端附近的振动:锻压机械的滑块靠近下死点附近时,上下模具会受到强大的压力作用,此时各部分的受力部件会变形,伴随此负荷的冲击而产生振动。
  ⑶加工完时的振动:加工完成,失去加压负荷时,各受力部件由于歪斜复原也会产生振动。这种振动会因加工种类而有所不同,裁断加工等振功占全体振动的大部分。

  加工工艺种类对振动高低的影响
  锻压机械加工大致上可区分为:裁断加工、弯曲加工、引伸加工、锻造加工。上述加工工艺方法以及将这些组合而成的复合加工工艺方法,对于锻压机械来说,都会因为工艺方法的不同而发生不同大小的振动。

  ⑴裁断加工:上模接触工件后会于产生最大荷重时,工件产生破裂而失去负荷,台身、滑块、连杆、曲轴、驱动齿轮等受压部件随加工荷重所产生的歪斜(弯曲)会瞬间被解放,此时会发生与负荷反方向的强大振动,此现象一般称之为过冲(图3)。
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  ⑵弯曲加工:会随弯曲形状等加工方式而不同,一般在加工初期是以较小的负荷来开始加工,在加工的最终阶段,为了达成制品弯曲精度并得到漂亮的弯曲度,有时也会实施压印加工,压印加工需要强大的加压力,这就会造成锻压机械振动。

  ⑶引伸加工:引伸加工的成形荷载会渐渐增加,深拉伸工艺一般在引伸高度的40%~70%左右产生最大负荷,随着接近下死点负荷会渐渐减少,所以成形振动会比较小。进行深拉伸加工时,为了不在材料或制品上产生压痕,一般会使用防止皱折的装置模垫,此模垫与模具接触的位置,是在滑块离下死点较早的位置,因工件与上模冲击,所以会产生巨大声音及振动。

  ⑷锻造加工有下列加工方式:热锻、冷锻、挤压加工、压印、复合加工等。
  1)热间锻造:因为材料是高温的,所以模具与工件接触的时间需尽量缩短,滑块速度要快,高温的材料、制品与模具接触的时间需尽量缩短,所以快速启动停止大型曲轴、齿轮、滑块等部件时,会使锻压机械启动、停止的振动变大,同时因为制品成形时间短,所以加工冲击度大,而产生巨大振动。
  2)冷间锻造:因被加工材料的金属组织变形速度,无法以快速加工速度来成形,所以大多选择使用冲压机械加工区域速度慢的驱动机构(肘节、连杆)的锻压机械,工件与上模冲击时的速度慢,且成形时间也较长,所以锻压机械所负荷之荷重的变动速度慢,因此负荷振动会比较小。
  3)锻造加工:以锻造加工而言,无论是热间或冷间,一般在加工终端会产生强大负荷,所以在加工完成后,会产生因受力部件的歪斜复原所产生的振动。
  4)复合加工:一般是剪断加工(下料)、弯曲和引伸等的底压加工合成居多,这时在下死点上因剪断加工而产生的负荷,至下死点前完成剪断加工,瞬间产生过冲。在因残留过冲所产生振动的情况下,而于下死点开始进行底压加工,所以冲击度会大幅增加,而产生更强大的振动。

  振动的复合分析
  进行锻压机械加工时,锻压机械本身的刚性、运转状况会发生运转振动,加工种类、负荷多寡会产生负荷振动,依据成形工件、模具、锻压机械本身等的固有振动会产生变形振动。振动的种类、多寡、周波数、发生时机等因素会在锻压机械进行加工时产生细微的变化,时而增加,时而相互抵消。

  锻压机械的振动分析及其传播
  振动源和振动等级
  ⑴振动源是来自加工内容、锻压机械的刚性、锻压机械能力负荷等等,因其作业而产生的固有振动,这就类似于地震时的震级、震源大小、强度等。
  ⑵进行锻压作业所产生的振动量,取决于作业源的位置或是相邻机械位置所出现的振动等级,这就类似于地震的震度,会因震源的距离、周围的地盘强度及其他因素而不同。

  安装部的振动量
  进行锻压机械加工时,所伴随产生的振动量,大部分被机械本身所吸收,减少传播到外部环境的振动能量,在理论上是可行的,但是这需要相当高的经济成本。今后,锻压机械的能力基准并非只是现今的部件强度基准,噪声、振动等环境基准的能力基准将成为社会共识。

  从制品精度、模具寿命的观点来看,也有客户要求比泛用锻压机械提高5~6倍的台身刚性,其相对能力大幅提高是理所当然的事情。这些机械除了高精度之外,对于其作业环境,也可以作到某种程度的低噪声、低振动。

  振动的传播
  ⑴由锻压机械产生的振动会传播至机械的基础,通过地面、地基土壤而传播到周围。
  ⑵锻压机械安装面所产生的振动是一般的直立型泛用引伸用锻压机械,会产生相当于机械重量的10%~40%的起振力,此力可通过基础传播振动波。

  锻压机械的振动预防措施
  ⑴机械结构上预防。
  在锻压机械设计时,在结构上增加动平衡装置,从而在机械运动时消除由曲轴、连杆等非对称零件带来的不平衡转动惯量。同时,对于圆周对称的转动零件,也要做好动平衡测试,避免因制造误差造成不平衡转动惯量而产生振动。

  ⑵离刹配置方面的预防。
  锻压机械在启动和停止时会产生振动,如果在不影响压机能力的情况下,将离合和刹车结合速度降低或选用配置软离合、软制动的离刹,可以有效减小机械的振动。

  ⑶锻压机械与模具方面的预防。
  通过冲压工艺和模具结构设计,降低冲压力的需求,减小因冲压负荷过大而造成的振动;选用下死点附近冲压速度有降速的锻压机械,避免冲击度大而产生振动;对于热锻冲压工艺,因为冲压成形时间需要很短,可通过冲压坯件的前期热处理工艺,降低冲压力的需求,从而减轻冲击度而降低振动。

  ⑷锻压机械振动传播方面的预防。
  可以通过锻压机械选配隔振器减小振动通过地基往周围环境传播,同时在锻压机械基础四周设计隔振沟,从而减小锻压机械振动的传播,保证周围设备的加工精度。

  结束语
  随着经济的发展和生活的改善,国家及民众对环保及作业环境日益重视,作业者环境保护已是必然趋势,唯有通过了解掌握锻压作业产生振动的因素及传播路径,才能作有效的防治对策。锻压作业过程中振动无可避免,通过改变机械设计及隔振系统装置能有效降低振动对环境的影响,但成本投入与环境保护仍是一个矛盾体,需要综合考虑。

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发表于 2019-8-16 14:59 | 显示全部楼层
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