2.1 传统机械压力机的传动系统分析

2.1.1 传统机械压力机的负载特性

机械压力机常用于锻造、冲裁、拉深、压印和弯曲等金属塑性成形工艺，其工作负载具有以下特性：

1.成形阻力大

成形加工，尤其是在金属精密成形中，被加工材料的流动极限常常高达数百甚至上千兆帕，欲使模具中的被加工材料达到流动状态，滑块必须产生巨大的压力。

2.周期性尖峰负载

与切削加工等工作不同，一般情况下，成形加工时压力机靠往复运动来工作，其工作负载不是恒定的，而是周期性的尖峰负载，典型成形工艺的工作循环如图2-1所示。

3.空行程和待机时间长

对于成形加工而言，真正克服工作负载的工作行程仅为总行程的一小部分，而机械压力机的行程是固定的，一般不能调整。每完成一次压制后，滑块必须退回原位才能进行下一次工作，这意味着大部分行程为无工作负载的空行程。又由于成形工作的周期性，尤其是在手工操作时，每个工作周期需有足够的时间来进行装卸工件、完成润滑、清除氧化皮和冷却模具等辅助工作，空行程时间和待机时间常常超过工作行程时间的10倍。图2-1所示为典型成形工艺的工作循环，横坐标为时间 t ，纵坐标分别为滑块行程 s 和工作负载 P 。 T 为工作周期。其中 O ～ t ₁ 为空行程， t ₁ ～ t ₂ 为工作行程， t ₂ ～ t ₃ 为空行程（回程）， t ₃ ～ T 为待机时间。

4.变形阻力常常随应变速率的增加而增加

图2-2所示为40Cr钢的流动应力-应变速率-温度的关系曲线。从图中可以看出，在不同的锻造温度下，随应变速率的增加，流动应力增加了近一倍。若变形时保持较低的速度，可以降低变形阻力，增加变形程度，提高工件质量。此外，降低速度还可以减少冲击和振动，降低噪声，提高模具寿命。当然，热锻时过低的变形速度，有可能增加模具温度，影响模具寿命。

2.1.2 传统机械压力机的传动系统

1.传统机械压力机传动系统的组成及主要参数

如前所述，本书所述的机械压力机常常利用曲柄-滑块机构来工作，又称为曲柄压力机。曲柄-滑块机构将电动机的旋转运动转换为滑块的直线运动，从而使安装在工作台和滑块上的模具工作，传统曲柄压力机的结构如图2-3所示。曲柄压力机的动力-传动系统一般由四部分组成：驱动（动力）部件，传动部件、工作机构和控制系统，本书将前三部分统称为传动系统，如图2-4所示。

和液压机及螺旋压力机不同，由于机械压力机的工作机构一般采用曲柄机构，它在各个不同的位置所能克服和承受的负载是各不相同的，因而其性能参数有独特的体系。机械压力机的主要工作术语和参数有（参见图2-3）：

上死点 ：压力机滑块的最高极限位置（TDC，Top Dead Center）。

下死点 ：压力机滑块的最低极限位置（BDC，Bottom Dead Center）。

滑块行程 s （Stroke，单位为 mm）：压力机滑块运动的距离（一般以下死点为零点），最大行程为上死点和下死点间的距离。

公称压力行程 s _n （Nominal Working Stroke，单位为mm）：压力机滑块离下死点前的某一特定距离（所对应的曲柄距下死点前的曲柄转角称为 公称压力角 α _n ）。不同的压力机，为适应不同的成形工艺而具有不同的公称压力行程。它是压力机设计的重要依据，也必须在产品说明书中注明。

公称压力 P _n （Nominal Pressure，单位为kN）：滑块在公称压力行程位置所能承受的最大负载。

需要指出的是，机械压力机只有在公称压力行程以内，才允许外加负载达到公称压力。滑块在不同位置（即曲柄在不同的角度），曲柄-滑块机构的机械利益不同。更重要的是，滑块在不同位置，压力机的构件（曲轴、齿轮和轴承等）受力情况大不相同，出于安全考虑，如果超出公称压力行程，滑块的许用负载将远小于公称压力，如图2-5所示。

工作频率 n _n （每分钟行程次数，单位为次/min），压力机滑块每分钟往复运动的循环次数。

传统机械压力机一般均采用感应电动机驱动，此类电动机具有以下特点：

1）一般不能调速，常用感应电动机的同步转速为3000r/min、1500r/min 和750r/min等，随转速降低，电动机造价提高。

2）不能频繁起停。

3）负载特性较软，负载增加时转速下降，转差率增加，效率降低，发热严重。

为适应成形加工的负载特性，传统机械压力机的传动系统采取了以下措施：

1）由于一般合适的压制工作均在100次/min以下，驱动电动机的转速较高，需经过一到两级的减速再传到工作机构。

2）为适应尖峰负载，设置了大惯量的飞轮，以避免电动机容量过大和减少转速的波动。

3）由于电动机不适于频繁起停，为控制工作机构的运行，设有离合器-制动器。在待机时，控制机构切断滑块的动力输入，但电动机仍然旋转。

2.传统机械压力机传动系统的设计原理

传统机械压力机传动系统的设计，如果按照实际尖峰负载来选择电动机功率，将导致电动机容量很大、电动机效率降低、增加设备造价。实际设计是基于能量法，采用大惯量飞轮以减少电动机容量。基本设计思路为：根据电动机和工况的不同，选择适当的飞轮转速不均匀系数，即转速下降量。工作时主要利用飞轮转速下降释放的能量完成压制；压制结束后，电动机为飞轮加速，使转速恢复到额定水平，再进行下一周期工作。传动系统设计的核心是飞轮的设计和电动机的选择。

由于飞轮的设置，可以根据压力机工作周期的平均功率来选择电动机，电动机额定容量将大大降低。根据计算，J31-315机械压力机由于设置了飞轮，电动机功率为30 kW，仅为不用飞轮时的7%。但飞轮的设置不仅使压力机变得更加笨重，而且使传动链变得更加复杂并降低了滑块运动的可控性。

传统机械压力机传动系统的具体设计步骤为：

1）计算单次压制工序压力机所消耗的功（能量） E （单位为J）。

式中 E _i ——滑块一个循环中各环节各种形式的功耗，包括工件变形能、拉深垫耗能、运动副摩擦耗能、机身弹性变形耗能、空行程耗能、待机飞轮空转耗能、离合器-制动器耗能等。这些耗能的计算均假定最大负载为公称压力。

或采用简化算法

式中 E ₁ ——工件变形功 ，工作时滑块负载-行程曲线下的面积，在实际计算时，可适当简化，例如，冲裁时负载曲线可以简化为三角形，三角形面积即为变形能耗 E ₁ ；

E ₂ ——拉深垫耗能 ，当压边力恒定时， E ₂ 为压边力与拉深垫工作行程之积；

η ——压力机总效率，根据压力机种类的不同，在0.20 ～0.45选取，手工送料取小值，自动送料取大值。

2）计算消耗的功率并选择电动机。

电动机额定转速为 n _m （单位为 r/min），压力机额定工作频率为 n _n （单位为次/min），减速机构总传动比为 i

式中 N ——压力机消耗功率（W）；

k ——电动机运行系数， k =1.2～1.6，由滑块每分钟行程次数决定，次数高取大值、次数少取小值；

t ——压力机实际工作周期（s），由于送料方式等环节的影响，在实际工作时，工作周期可能与额定的工作周期不相等。

式中 n ——压力机的实际工作频率（次/min）。

设电动机的额定功率为 N _m ，则

3）计算飞轮的转动惯量，设计飞轮。

假设压力机一个周期内所消耗的能量全部由飞轮减速来提供，并限定飞轮速度不均匀系数 δ

式中 I ——所需飞轮的转动惯量（kg·m ² ）；

ω ——电动机在额定转速下的飞轮角速度（rad/s）；

η ₁ ——压力机工作行程中的效率，统计值为0.35 ～0.70，取决于传动系统的级数和是否带拉深垫，级数多或带拉深垫取小值；级数少、不带拉深垫取大值；

δ ——飞轮转速的不均匀系数， ，根据不同种类的电动机和压制工况来选取， δ =0.15～0.3，Δ ω 为冲压过程前后飞轮转速的变动量。

2.1.3 传统机械压力机的驱动特性

根据以上分析，传统的机械压力机动力系统有以下特性：

1.工作速度不可实时调节 ， 滑块运动特性固定

这是由于电动机本身的特性和大惯量飞轮导致速度不可调节。滑块运动特性完全由工作机构决定，刚性不可调，严重影响了设备的工艺适应性。

2.不能频繁起停

普通异步电动机起动时，转差率大，电流大，效率低，发热严重。锻压机床起动时需要消耗较大能量，尤其机械压力机带有飞轮，更是如此。机床一旦起动，除非下班，一般不关停电动机。在设备简单调整、检查、装卸工件和润滑等非工作时间，机械压力机靠离合器断开动力源和工作机构的联系，而电动机和飞轮等仍在运转，处于“空转待机”状态。实际工作时，常常存在大量待机工作时间，造成不少的能量浪费。

3.传动链长

为了实现简单的动力源和复杂、变化的负载相互匹配，在压力机中设置了飞轮、减速机构、离合器和制动器等。这些附加装置虽然能实现工作机构的简单控制，但它们的体积庞大，会使压力机变得更加笨重，而且增加了能耗和故障率，降低了压力机的效率和工作可靠性。 IE4s2FMs2JddZIzbPEHQJTHsr8bFRUSXOeos5aacI1GLcFiCXe5nGqr5t1mBaLYS