自由锻的螺旋压力机数控成形方法

摘要

本发明提供一种自由锻的螺旋压力机数控成形方法，其特征在于采用如下步骤：首先确定螺旋压力机和模具综合刚度的数值，具体步骤为：①模具采用平砧模具，将吨位计放入模具内；②输入电机角速度ωc；③控制电机动作，待检测到电机角速度值等于输入的电机角速度ωc时，控制部件控制电机匀速，随后实施打击；④根据吨位计显示的压力值F，按公式

说明书

技术领域

本发明提供一种自由锻的螺旋压力机数控成形方法，属于机械工业技术领域。 

背景技术

现有的自由锻采用锻锤或液压机，利用冲击力或压力使金属在上下砧面间各个方向自由变形，靠人工操作来控制锻件的形状和尺寸，锻件的精度与操作者的技术程度有很大关系，缺点是能效低、锻件精度低、加工余量大、劳动强度大、生产率也不高。 

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题、提供一种能效高、锻件精度高、性能优良的自由锻的螺旋压力机数控成形方法。其技术方案为： 

一种自由锻的螺旋压力机数控成形方法，其特征在于采用如下步骤： 

首先确定螺旋压力机和模具综合刚度的数值，具体步骤为：①模具采用平砧模具，把模具安装到螺旋压力机上，再将吨位计放入模具内；②通过控制部件输入电机角速度ωc和螺旋压力机转动惯量J；③通过控制部件控制电机动作，待检测到电机角速度值等于输入的电机角速度ωc时，控制部件控制电机匀速，随后实施打击；④根据吨位计显示的压力值F，按公式 计算螺旋压力机、吨位计和模具三者的综合刚度C₀值，再按公式 计算螺旋压力机和模具的综合刚度值C计算螺旋压力机和模具的综合刚度值C； 

其次，放入坯料，实施数控成形，具体步骤为：①输入运行数据C、σ_s、H₀、H、D₀、D、μ；②、控制部件根据公式${\omega }^2=\frac{2}{J}\left\{\frac{\pi }{4}{D_0}^2{H}_0{\sigma }_s\right[\ln \frac{H_0}{H}+\frac{1}{9}(\frac{D}{H}-\frac{D_0}{H_0})]+\frac{{\pi }^2}{32C}{{\sigma }_s}^2{D}^4{(1+\frac{u}{k_u}\frac{D}{H})}^2\}$计算所需的电机转速ω，控制电机以ω转速动作进而控制螺旋压力机运行，实现数控成形； 

公式中，ωc为电机角速度，其推荐取值3π，C₁为吨位计的刚度，ω为所需的电机转速，σ_s为坯料的屈服极限，H₀为坯料高度、D₀为坯料直径、H为坯料变形后的高度、D为坯料变形后的直径、μ为摩擦因数、k_u为摩擦折算系数，其中，当 时，k_u＝3；当 时，k_u＝4。 

所述的自由锻的螺旋压力机数控成形方法，螺旋压力机包括电机、控制部件、传动机构和安装在机身上的工作机构，其中控制部件与电机连接，电机输出轴通过传动机构连接工作机构。 

所述的自由锻的螺旋压力机数控成形方法，控制部件包括电机控制器、制动器、角位移传感器、可编程控制器和触摸屏，其中制动器和角位移传感器均安装在电机的输出轴上，电机控制器的输出端接电机的输入端，电机控制器的输入端分别接角位移传感器、可编程控制器和触摸屏的输出端，可编程控制器的输出端接制动器的控制端，可编程控制器的输入端接触摸屏。 

所述的自由锻的螺旋压力机数控成形方法，传动机构是指皮带传动和齿轮传动，其中皮带传动包括主动带轮、传动带和从动带轮，齿轮传动包括齿轮轴和从动齿轮，主动带轮固定安装在电机的输出轴上，从动带轮固定安装在齿轮轴上，从动齿轮固定安装在工作机构上。 

所述的自由锻的螺旋压力机数控成形方法，工作机构包括螺杆、上螺母、下螺母和滑块，其中螺杆的上端连接传动机构，螺杆中部通过上螺母连接机身，螺杆下部通过下螺母连接滑块。 

所述的自由锻的螺旋压力机数控成形方法，模具包括上模和下模。 

所述的自由锻的螺旋压力机数控成形方法，电机采用开关磁阻电机或可逆电机。 

所述的自由锻的螺旋压力机数控成形方法，角位移传感器可以采用旋转变压器或霍尔传感器，制动器采用盘式制动器。 

本发明与现有技术相比，其优点为： 

1、采用螺旋压力机数控速度、数控能量、控制压力成形，锻件的成形尺寸通过输入数据精确控制，用这种方法加工锻件，锻件精度高、加工余量小，劳动强度小，节能高效，自动化程度高。 

2、该方法属于优质、高效、节能、省力的塑性成形新技术，适应可持续发展的方向，能满足对精密成形技术提出的更高要求，有助于实现工业界“净成形”的奋斗目标，可用于各种金属锻件的冷锻、温锻、热锻成形。 

附图说明

图1是本发明涉及的螺旋压力机实施例的结构示意图。 

图中：1、电机控制器2、制动器3、角位移传感器4、电机5、主动带轮6、传动带7、从动带轮8、齿轮轴9、从动齿轮10、上螺母11、螺杆12、下螺母13、滑块14、 上模15、吨位计16、下模17、垫板18、机身19、可编程控制器20、触摸屏 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：螺旋压力机包括电机4、控制部件、传动机构和安装在机身18上的工作机构，其中： 

电机4采用开关磁阻电机，角位移传感器3采用旋转变压器，制动器2采用盘式制动器。 

控制部件包括电机控制器1、制动器2、角位移传感器3、可编程控制器19和触摸屏20，其中制动器2和角位移传感器3均安装在电机4的输出轴上，电机控制器1的输出端接电机4的输入端，电机控制器1的输入端分别接角位移传感器3、可编程控制器19和触摸屏20的输出端，可编程控制器19的输出端接制动器2的控制端，可编程控制器19的输入端接触摸屏20。 

传动机构是指皮带传动和齿轮传动，其中皮带传动包括主动带轮5、传动带6和从动带轮7，齿轮传动包括齿轮轴8和从动齿轮9，主动带轮5固定安装在电机4的输出轴上，从动带轮7固定安装在齿轮轴8上，从动齿轮9固定安装在工作机构上。 

工作机构包括螺杆11、上螺母10、下螺母12和滑块13，其中螺杆11的上端连接传动机构，螺杆11中部通过上螺母10连接机身18，螺杆11下部通过下螺母12连接滑块13；模具采用平砧模具，包括上模14和下模16。 

实施例中，吨位计15的刚度C₁为2×10⁹Nm^-1，螺旋压力机转动惯量J为100kgm²，用于测定综合刚度的电机角速度ωc为10s^-1，坯料的屈服极限σ_s为100×10⁶Nm^-2，坯料高度H₀为1×10^-1m，坯料直径D₀为1×10^-1m，坯料变形后的高度H为0.9×10^-1m，坯料变形后的直径D为1.05×10^-1m，摩擦因数μ为0.5，k_u为摩擦折算系数，当 时，k_u＝3；当 时，k_u＝4。具体成形过程为： 

首先确定螺旋压力机和模具综合刚度的数值，具体步骤为：①把上模14和下模16安装到螺旋压力机上，再将吨位计15放入上模14和下模16之间；②通过触摸屏20输入设定的电机角速度ωc螺旋压力机转动惯量J值，分别为10s^-1和100kgm²；③通过电机控制器1控制电机4动作，待角位移传感器3检测到电机角速度值等于设定的电机角速度ωc时，电机控制器1控制电机4匀速，随后实施打击，吨位计15显示的压力值F为3×10⁶N；④根据吨位计15显示的压力值F，按公式 计算螺旋压力机、吨位计15和模具三者的综合刚 度C₀值为0.9×10⁹Nm^-1，再按公式 计算C值为1.6×10⁹Nm^-1，C值即螺旋压力机和模具的综合刚度值为1.6×10⁹Nm^-1。 

其次，上模14和下模16之间放入坯料，实施数控成形，具体步骤为：①输入运行数据，C＝1.6×10⁹Nm^-1、σ_s＝100×10⁶Nm^-2、H₀＝1×10^-1m、D₀＝1×10m^-1、H＝0.9×10^-1m、D＝1.05×10^-1m、μ＝0.5，摩擦折算系数k_u根据 取值为3，②、控制部件根据公式 ${\omega }^2=\frac{2}{J}\left\{\frac{\pi }{4}{D_0}^2{H}_0{\sigma }_s\right[\ln \frac{H_0}{H}+\frac{1}{9}(\frac{D}{H}-\frac{D_0}{H_0})]+\frac{{\pi }^2}{32C}{{\sigma }_s}^2{D}^4{(1+\frac{u}{k_u}\frac{D}{H})}^2\}$计算数控成形所需的电机转速ω为14.1s^-1，控制电机4以14.1s^-1的转速动作进而控制螺旋压力机运行，实现坯料的数控成形。