增强型气动打标机针头动力学模型分析

Equipment Manufactring Technology No.10，2008

随着市场经济的快速发展，品牌推广和品牌保护已成为市场营销的必然之路。

目前在国内钢铁深加工企业中，知名的钢板和钢管生产企业积极推进相关工作，逐步应用气动标记机在产品表面标记公司品牌ＬＯＧＯ图案和产品规格技术参数等文字，获得了良好的市场效果。像这类要求在大型钢铁产品表面进行醒目的图形和文字的标记，普通的气动打标机是不能完成的。普通标牌打标机的打标深度在０．１～０．２ｍｍ，而大型钢板的标记深度要求至少达到０．４ｍｍ。因此，

必须开发出强力冲印打标机来适应市场的需求。通过对气动打标机冲印针头的工作原理进行深入分析，建立了相应的动力学模型。将理论计算结果与试验数据对比，全面分析相关技术参数的变化对冲印针头工作过程产生的影响。

１增强型气动打标机针头工作过程与原理

打标机的打标工作是由钢质针头和钢套组成的冲针系统

来完成的。

针头先在二维运动机构的带动下，移动到打标平面上的指定位置，然后钢针在气缸体内作往复运动，针头的顶尖部位正面撞击需要标记的物体表面，留下一点凹痕。每冲一个点，钢针移动到下一位置，再冲下一点。针头在打标表面沿文字笔划方向移动，冲出一串凹痕，从而组成文字和图案。各个文字或图案冲印点的位置由专用的计算机软件控制。

打标样件见图１。

针头冲击运动的动力来自缸体内的高压空气。气体推动钢针的尾部，使钢针达到一定的速度，撞击物体表面并作短暂停留，完成一点打标，然后气体减压，钢针在弹簧回复力作用下回到原始位置。钢针的每一次往复运动，实际上是独立的动

力学运动过程。为获得更深的冲印痕迹，对冲针系统工作过程进行动力学分析。

２建立动力学模型

针头和钢套组成的冲针系统的力学模型见图２。图２（ｂ）

为针头部位受力分解。

图示说明：

H ———针头在气缸内总行程；

L ———针头压入物体内部圆锥面的展开半径；t ———压入深度；

r ———针头压入半径；P ———气缸推力；N ———水平分力；F ———法向压力；θ———针头倾角。

增强型气动打标机针头动力学模型分析

刘昌勇

（武汉嘉铭激光有限公司，湖北武汉４３０２３３）

摘要：

增强型气动打标机适用于大型钢铁产品的表面打标，其标记深度是普通打标机的３～４倍。建立冲针打标系统的动力学模型，将理论计算结果与试验数据对比，深入分析了冲针系统的参数和外部条件对打标深度的影响。指明了在增强型气动打标机的设计和调试过程中相关结构和动力参数的选择方法。关键词：

气动打标机；冲针；打标深度；冲压系统中图分类号：ＴＰ３３４．８文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２００８）１０－００３４－０２

收稿日期：２００８－０７－２２

作者简介：刘昌勇（１９６５—），男，湖北宜昌人，机械工程师，研究方向：精密机械

。

图１打标样件

Ｆ

Ｎ

夼

夼

进气口

汽缸

物体表面

压簧

冲针

θ

H

P

L

r

t

图２冲针系统的力学模型

（ａ）

（ｂ）

３

冲针运动分析

３．１钢针的动能和冲击深度

（１）钢针在气体推力P 作用下，获得动能W １：

W １＝P ×H

（１）

（２）钢针压入物体过程中，受到阻力F 。假设钢针头部是

光滑的，锥面上只受法向正压力F 。

根据第三强度理论即Ｔｒｅｓｃａ屈服条件，正压力F 产生的应力达到材料的屈服应力时，物体发生塑性变形。这里考虑到钢针压入深度不深，忽略压入时物体的表面凸起。

F ＝σs ×圆锥表面积（σs 为物体材料的屈服应力）

F ＝σｓπr L ＝σｓπr ２／ＳｉｎθN ＝F Ｓｉｎθ＝σｓπr ２

＝σｓπt ２

ｔｇ２

θ

（３）钢针压入物体过程中，阻力做功W ２。

W 2=

t 0

乙Ndt =ξ

０

乙σs

πt 2

tg 2

θdt

W ２＝１πσｓt ３ｔｇ２θ

（２）

（４）根据动能定律，∑W ＝Δmv

W １－W ２＝Δ１２mv ２

W ３＝Δ１２

mv ２

式中W ３为压缩弹簧做功，v 是冲针的速度。

W １－W ２＝W ３W １＝W ２＋W ３

P ×H ＝１πσｓt ３ｔｇ２θ＋W ３

t ３＝３（PH －W ３）／（πσｓｔｇ２θ）（３）

t ＝３（PH －W ３）／（πσｓｔｇ２θ）

３

姨从以上方程式（３）推断：为获得更深的冲击深度t ，可以采取以下三项措施：

１）增加气体推力P ；２）增加气缸的运动冲程；３）减小冲针针尖的倾角。３．２钢针工作的其他影响因素

钢针在实际工作中需要考虑的因素很多，详细分析如下：（１）为保证针尖有足够的寿命，倾角θ不能太小，根据实践经验，

θ取值在４５°至６０°，现取４５°。（２）从理论上讲，可以增加冲针系统的冲程，使冲针获得更大的动能。但增加冲程会增多冲针的运动时间，冲击过程延长，打标效率下降。为保证较快的冲击运动频率，通常要求５０Ｈｚ。冲针的冲程设定在１０ｍｍ以内，可取６～８ｍｍ。

（３）在冲程和针尖角度确定以后，只有通过加大气体的压力和气缸的截面积，才能使冲针的冲击深度增加。

（４）我国现行工业标准中，一般工业用气体压力在０．８ＭＰａ（约８ｋｇｆ／ｃｍ２）以下。如果气体使用压力超过０．８ＭＰａ，设备的额定压力必须达到中高压力范围，气路设备的制造和运行成本

势必会大幅增加。因此，压缩空气的使用压力，仍然控制在０．５～０．６ＭＰａ。

４

理论计算与实验数据

设计参数如下：

P ＝气缸截面积×p ＝３．１４×R ２×p 气缸截面积＝３．１４×R ２；空气压强p ＝０．２ＭＰａ气缸半径R ＝１０ｍｍ冲针行程H ＝６ｍｍ估算：

W ３＝１２（H ×弹簧力）＝１２

（０．００６×４）＝０．０１２Ｎ·ｍ

普通碳钢屈服应力２３５ＭＰａ，实际增加氧化皮系数１．２倍，

σＳ取２８２ＭＰａθ＝４５°

按国际标准单位代入方程式（３）并计算：

t ３＝３（PH －W ３）／（πσｓｔｇ２θ）

t ３＝３（３．１４×０．０１２×０．２×１０６×０．００６－０．０１２）／（３．１４×

２８２×１０６×ｔｇ２４５°）t ３＝１．２２×１０－９

t ＝１．０７×１０－３ｍ＝１．０７ｍｍ

我们采用２￣３ｍｍ薄板作试验，得到打印的字凹痕深度在０．９４～１．３２ｍｍ之间（见表１）。

由表１冲针系统动力模型计算结果可知：在冲针行程和针尖角度不变的情况下，气缸压力增大，打标深度增加；气缸半径增大，打标深度增加。气缸半径的变化对标记深度的影响，远大于气缸压力对标记深度的影响。对比试验数据，气缸压力和气缸半径对实际标记深度的影响与理论计算值是一致的，实验测得数据与理论计算结果偏差小于１５％。

由于在打标过程中钢板的安装由两螺钉固定，钢板与工作台之间有间隙，打标时产生震动，影响实际打标的深度。

５结论

增强型气动打标机冲针系统动力学分析，基本符合打标机冲针系统的工作过程，说明了系统内关键参数与冲印深度之间的相互关系，对增强型气动打标机的工程设计和生产调试有直接的指导意义。气体压力Ｐ／ＭＰａ０．２０．３０．４０．２０．３０．４

气缸半径Ｒ／ｍｍ１０１０１０１２１２１２

冲针行程Ｈ／ｍｍ６６６６６６

针尖角θ４５°４５°４５°４５°４５°４５°

理论深度ｔ／ｍｍ１．０７１．２４１．３５１．２１１．４０１．５２

实际深度／ｍｍ０．９４１．１２１．２０１．０５１．２２１．３２

备注

１２３４５６

序号

表１改变气压和气缸半径对打标深度的影响数据对比表

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