压力机的最短载荷传递链方法及其结构 【技术领域】
本发明涉及压力机的最短载荷传递链方法及其结构。背景技术
液压机和液压加载装置的主要功能之一就是将流体(油、水和气等)介质产生的压力传递到被加工(压制)的材料上，因而存在一个载荷传递质量问题。所谓载荷传递质量越好，即作用在被加工材料上的压力分布越均匀，制件成形精度越高，随着液压机从毛坯加工向精密压制成形方向发展，这种要求日益突显。如图1所示：载荷传递链之长度LC，是一个比较直观的参数，它的大小与压力传递质量(均匀性)有关。工作介质(流体)所产生的均布压强之合压力为PL，通过载荷传递链1-2-3，作用到材料上，材料反力之合力为PW(PW＝PL)。LC之定义为“当以压力分布均匀性定义的压制质量达到工艺要求时，从压制运动部件上的液压作用面到模具上与被压制材料接触的承载面间的距离”，此距离越小，说明液压机设计水平越高。工程上，两台压机，均可高质量地压制出相同的制件，成形质量也相同，但我们不尚不能说此两台压机设计水平相同，仅LC值小的才是高水平的压机，其重量和成本低于LC值高的压机。传统的压机设计，并没有此评价指标，笼统地说设计先进，不计LC值是不科学的。
如图2所示，从理论上讲，当LC等于零时，即载荷传递链为零时，则流体之法向压力就最均匀地作用在被压制的材料上，这就成了流体直接加载，显然此时只要材料是均质的，则材料中的压力分布就是均匀的。一般情况下(非流体直接加载)，LC等于零是不可能的。如图3所示，对液压机来说，其载荷传递链LC包括了从活塞(柱塞)5顶面至模具9承载面之距离在内的各个弹性体环节。工作介质之压强pl作用在活塞5顶面上，通过活塞5、活塞杆6、活动横梁7、垫板8、模具9作用在被压制地材料上，压强为pw。从工业革命至今，大体上都是延用此种结构，其缺点为：
(1)作用在材料上的压制力pw之分布不均匀，造成金属板料压制深度不一(如板式换热器板片上被压制的槽深不一，陶瓷砖压制的密度不均匀等等)。如图4所示，当采用图4-A所示单缸结构时，模具中心线附近的压制力偏大；而采用图4-B双活塞结构时，两活塞中间区附近的压制力偏小。为了提高压制力均匀性，近百年来，人们采取了许多办法，如：
a.增加活动横梁高度，其结果并不能完全解决载荷不均匀问题，却大幅度增加了压机之高度和重量。重型液压机的活动横梁之高度可达数米，重量数拾吨至上百吨，成本大幅度增加。
b.增加活塞杆面积，尽量将被压制的面积包容在活塞面积以内。但目前的液压机活塞(柱塞)5为圆形，而模具(被压制件)非圆形者达90％，特别是大多数为矩形。显然此解决方案只适用少数接近正方形模具的情况，绝大多数情况不适用。由于活塞外面要套上液压缸，液压缸的壁厚与安装法兰均要占据空间，故活塞杆间距DL(如图4所示)不可能太小，这又会增加压制力之非均匀性。
c.增加垫板8和模具9的厚度，其结果同a，也不是好的解决办法。
d.如图5所示，倒置柱塞(活塞)5。活塞(柱塞)5固定在压机上横梁底面，液压缸4通过缸底固定在活动横梁7上。如此倒置后，就成了图5的结果。对双作用缸(活塞缸的副腔为回程缸)来说，缸底液压作用面积略大于活塞杆之载面积，故有利于pw之均匀化，但其作用小到可以忽略的地步。
(2)由于采用活动横梁，以及垫板和模具厚度之增加，大大加大了压机的重量，使压机的材料、制造、安装和运输之成本增加。
(3)由于活塞(柱塞)承受液压作用之面积小于被压制材料的压制面积，故缸体内工作介质液体压力很高，对液压系统不利，且往往需要加增压器才能达到液压系统所要求的压力值。
如何缩短LC，技术与工程界曾进行了大量的努力。
如增加活动横梁的刚性。如图6所示：从理论上讲，如活动横梁10刚性无限大，既使均布的载荷成为集中力pl，活动横梁10无论多薄，作用在材料上的压制力也是均匀的。以横梁的刚性为优化目标的优化设计可从结构上改善横梁刚度并降低其高度，从而缩小载荷传递链LC并提高了压制质量。显然，不存在刚性无限大的活动横梁，故这种努力并不能从根本上解决问题。
又如对类似于火车轮的轴对称圆盘状零件，尽量采用单活塞(柱塞)单缸结构，选择合适的工作介质之压强，使柱塞投影面积包容模具受压面积。在此种情况下可大幅度减小LC。但此类情况在液压机和液压加载置行业中，不是典型的。
再如，对长宽比大的矩形压制件，如汽车大梁成形压机，采用多缸结构，其在活动横梁上的布置应使梁的变形最小，厚度最小。这也是一种减少LC的措施。还可以例举出许多具体方法来减小LC，这些方法都是基于圆形活塞(柱塞)来传递载荷。发明概述
本发明，突破传统压机设计思想的框架，从压制均匀这一最基本的要求出发，创造性地提出通过矩形活塞(柱塞)来传递载荷，由于矩形活塞(柱塞)的几何形状接近被压制件的概率最高，可使绝大多数情况下压制力分布更均匀，因而无需活动横梁或大大减薄活动横梁，大大降低了LC值，大大降低压机重量和成本。图7所示为矩形活塞(柱塞)传递载荷之示意图：从理论上讲，只要结构允许，矩形活塞(柱塞)11顶面就可作为液压作用面，其底面就可设计成材料成形的型槽，即模具上的承受材料载荷的承载面，其它中间传递载荷的弹性体环节均可取消，此时矩形活塞(柱塞)11的厚度就是载荷传递链长度——LC值。如采用圆形活塞(柱塞)，由于工作介质的液压作用面积与模具承载面积相差甚远，必须通过活动横梁，垫板以及模具来使压制载荷均匀化，因而LC值减不下来，这就是矩形活塞(柱塞)降低LC值的原理，也是它的主要优点。
采用矩形活塞(柱塞)减小LC值，提高压制质量的优点如下：
(1)对材料的压制载荷更为均匀；
(2)一般情况下，只要结构允许，至少可以大大减薄活动横梁，多数情况下，可以省略活动横梁。通常活动横梁重量达压机重量的20％～35％，可见减重和降低成本的效果是十分明显的；
(3)在达到同样压制效果(质量与效率)之前提下，正方形活塞(柱塞)与圆形活塞(柱塞)相比，后者工作介质的压力为前者的4/π倍，即正方形活塞(柱塞)工作介质压力仅为圆形活塞(柱塞)的80％，推导如下：
半径为R的圆与边长为2R的正方形相切，正方形和圆的面积分别为FS和FC；作用在FS和FC上的工作介质压强分别为PS和PC，见图8，则FSFC=4R2πR2=4π,]]>由于ps(pc)，与FS(FC)成反比。
所以，pcps=4π]]>即圆形活塞(柱塞)上的工作介质压强是外切正方形活塞(柱塞)上工作介质压强的4/π倍；
所以，pspc=π4=78.54%≈80%]]>
对于长窄形矩形压制件，采用圆形活塞(柱塞)时，由于各缸之安装部分需占据相当的空间，而对矩形活塞(柱塞)来说，这部分空间均可作为工作介质的作用面积，因而工作介质的压强还可以进一步下降，甚至PS可降至PC的50％。综上所述，
由于采用矩形活塞(柱塞)，可使：pspc=0.5~0.8]]>
这样可大大降低对液压系统的要求，有时可以省略增压器，降低成本并增加液压系统的可靠性。附图的简要说明
图1为载荷传递链示意图；
图2为最短载荷传递链示意图；
图3为压力机实际载荷传递链示意图；
图4为传统压力机压制力分布示意图；
图5为具有倒置柱塞的压力机的结构示意图；
图6为活动刚性梁对压制力均匀分布的影响示意图；
图7为矩形柱塞传递载荷示意图；
图8为图7的平面投影图；
图9所示为一典型的双作用(压制与回程)矩形活(柱)塞及缸装配图；
图10所示为一典型的单作用(仅压制，无回程功能)矩形活柱塞及缸装配图；
图11为本发明的几种可能的柱塞和缸的平面示意图；
图12为矩形缸的敞口结构示意图；
图13为多层过盈配合预应力缸的结构示意图；
图14为螺栓预紧预应力缸的结构示意图；
图15a为整体钢丝缠绕预应力矩形缸结构形式的示意图；
图15b为剖分式钢丝缠绕预应力矩形缸结构形式的示意图；
图15c为梁柱剖分式钢丝缠绕预应力矩形油缸结构形式的示意图；
图15d为采用翅式正交缠绕预应力矩形缸结构的压力机的透视图；
图16为采用了图15d的矩形缸结构的示意图。优选实施方案的详细说明
通过采用矩形活塞(柱塞)来降低LC值之原理与方法需通过具体的矩形活塞(柱塞)和与之相配的矩形油缸、乳化液缸或气缸(下统称为缸)来实现，因此本发明还提出了活(柱)塞及缸的结构，这也是本发明的内容。
(1)矩形活(柱)塞
如图9所示，为一典型的双作用(压制与回程)矩形活(柱)塞及缸装配图；矩形缸14与活塞18的一个端面所封闭的空间形成高压油腔15，高压油腔在活塞一侧由密封圈16和挡圈17密封；活塞18的另一个端面与活塞杆19相连，回程缸盖23通过缸盖螺丝26与矩形油缸14相连并限制活塞杆19在XOY平面内的运动，同时矩形油缸14、活塞18、活塞杆19和回程缸盖23共同封闭的空间形成了回程油腔20，它由回程腔低压密封圈21、低压挡圈22和回程缸盖密封圈25所密封。
图10所示为一典型的单作用(仅压制，无回程功能)矩形活柱塞及缸装配图；矩形缸14、活塞18和密封盖27所封闭的空间形成高压油腔15，高压油腔在活塞18和密封盖27一侧由高压密封圈16和挡圈17所密封；密封盖27通过缸盖螺丝26与矩形油缸14相连并限制活塞18在XOY平面内的运动。
上述结构的几何特征为：
a)活(柱)塞18和缸液压14承压面的投影面积上均有互相垂直的两对称轴X、Y；
b)由X、Y轴组成之平面与Z轴垂直；Z轴就是活(柱)塞18的运动方向；
c)液压缸14承压面的投影图形可以是正方形，矩形和由两曲线连接两平行线构成之平面图形，以及由曲线和直线连接两平行线构成的平面图形，分别示于图11的a、b、c、d；
d)上述投影平面上任何两线段连接处均用小圆弧24(图10)吻接起来，光滑过渡。
(2)矩形油缸
对低压低频工作的油缸，可采用整体结构，如锻造、铸造或焊接的缸毛坯经加工而成。如图12所示，矩形油缸为一中空五面体的敞口结构。
对高压或高频或高压和高频的缸宜采用预应力结构，包括多层过盈配合之预应力结构，螺栓预紧之预应力结构以及钢丝缠绕之预应力结构。此三种预应力结构的原理、方法、设计类似但施加预应力的方法和与此相关的结构不同。
矩形缸是与矩形柱塞相配合的承压部件，其结构的几何特征与矩形柱塞的a)、b)、c)和d)相同。
如图13所示，年轮式方形油缸由缸筒28、预紧圈(年轮环)29和预紧圈(年轮环)30构成，预紧圈29套在缸筒28外面，预紧圈30又套在预紧圈29外面，其配合均为过盈配合，预应力就是由年轮环的过盈压配产生的。为保证过盈压配质量，年轮环29、30必须设计成圆形，故此类油缸一般为正方形而较少为长方形。为减少应力集中，缸内壁上所有面相交处均为圆角过渡。由于过盈压配施工的困难，此类矩形缸的行程不能太大，且多为小型缸。由于缸底的作用，轴向的预紧力会不均匀，故常采用镶嵌式缸底，即压配预紧后，再装入缸底。当然，缸底应当支撑在压机横梁上。
图14所示为螺栓预紧式矩形缸。它的侧壁相当于一个分体的水平框架，由两个水平侧壁31和两个垂直侧壁32四个构件组成，由正交的预紧螺栓系统33、34预紧成矩形油缸。缸底可以和任意一对(如侧壁)构件形成一体，也可以采用镶嵌结构。预紧螺栓应采用抗疲劳设计。此种矩形油缸多适用于小型矩形缸。由于采用了剖分结构，故正交之侧壁间无需圆角过渡。
图15a所示为整体钢丝缠绕预应力矩形缸，它相当于一个内轮廓为矩形、外轮廓为椭圆形的水平框架35，外面有钢丝缠绕层36。由于钢丝36的柔性，可以可靠地对外壁为类椭圆形(数段圆弧组成)结构35进行预紧(这是相对于年轮式油缸的优点)，故可用于长方形缸。正交的缸壁间需圆角过渡，以减小应力集中。缸底与缸壁处更需要较大之圆角过渡或者采用镶嵌式结构。
图15b所示为图15a的整体式的发展——剖分式钢丝缠绕预应力矩形缸。采用剖分式结构37、38和镶嵌缸底39以替代图15a中的水平框架35，目的是为了提高疲劳寿命。
图15c所示为15b的发展，也是剖分式结构，但剖分的方法不同。它由类似于半圆形的缸壁梁40(两件)与缸壁柱42(两件)组成。凡是剖分式缸，均需在剖分处加密封条41，或者密封垫板等密封装置。
由于矩形缸长边圆弧半径长，钢丝层施加之法向预紧载荷小，预紧较困难。本发明采用了一种翅——正交缠绕结构。如图15d所示，翅46为一扇形柱结构，简称翅结构。它与水平机架48平行并合为一体。水平机架半圆梁45(两件)与带翅的立柱48(两件)构成水平机架，用张力为TH的水平钢丝47层预紧。水平机架的内框就是矩形缸44的四个侧壁。垂直机架上半圆梁43下部设有一个矩形凸台，它与矩形缸四壁正好配合。再将垂直机架立柱49置于水平机架立柱48之下，并与之接触配合。其下再置垂直机架下半圆梁51，由此形成垂直机架，用张力为TV的钢丝层50将其预紧。垂直机架钢丝层50对翅产生的法向力就是对矩形缸44长边的预紧力。矩形缸44短边的预紧力是水平钢丝层47通过水平机架半圆梁45而产生；而长边的预紧力主要来自翅结构46(这是垂直钢丝层50提供的)，部分来自水平钢丝缠绕层47。这就是翅——正交缠绕结构，是对各种长宽比之矩形缸44高质量的预紧保护。由于采用了剖分式的钢丝缠绕结构，因而疲劳强度最高。
上述分析还可由图16来说明，将水平机架52与垂直机架53正交，即机架52两翅54作为机架53半圆梁的一部分。从机架53上获得qc以保护机架52之直边，从机架52上获得qv以保护矩形缸另一直边。α角度视矩形缸工作压力而定，当然与机架钢丝层的平均张力也有关系。