锻压机械振动浅析

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。

图1 锻压设备非平衡结构

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。

图2 动平衡装置

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）。

图3 过冲示意图

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。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第13期