折彎?rùn)C(jī)滑塊的有限元分析及優(yōu)化

談傳明，張子?xùn)|，曹光榮，王志明，劉 進(jìn)，李 峰，劉 沖

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 江都 225200；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

折彎?rùn)C(jī)滑塊的有限元分析及優(yōu)化

談傳明1，張子?xùn)|2，曹光榮1，王志明2，劉 進(jìn)1，李 峰1，劉 沖1

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 江都 225200；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

為了建立統(tǒng)一的折彎?rùn)C(jī)建模分析方法，形成亞威公司主要折彎?rùn)C(jī)機(jī)型的剛性數(shù)據(jù)，便于設(shè)計(jì)人員掌握和精度分析。本文利用CosmosWorks分析軟件，在分析折彎?rùn)C(jī)滑塊工作及受力情況的墓礎(chǔ)上，建立滑塊的有限元模型，進(jìn)行仿真分析，找出結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定優(yōu)化方案。

機(jī)械制造；滑塊；折彎?rùn)C(jī)；設(shè)計(jì)優(yōu)化；有限元

1 引言

一段時(shí)間以來(lái)，折彎?rùn)C(jī)的設(shè)計(jì)基本上沿用經(jīng)驗(yàn)方法。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的局限在于為了滿足工作需要，常采用比較保守的數(shù)據(jù)，因此，折彎?rùn)C(jī)通常體積龐大，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。為此，對(duì)折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要[1]。

折彎?rùn)C(jī)滑塊（上橫梁）既要有足夠的強(qiáng)度和剛度，又希望自重輕[2]，此外，折彎?rùn)C(jī)構(gòu)件在幾何形狀、外載荷作用和約束條件等方面比較復(fù)雜。所以，在折彎?rùn)C(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，僅依靠傳統(tǒng)的材料力學(xué)和理論力學(xué)方法已難以對(duì)滑塊的各區(qū)域提供準(zhǔn)確的分析，不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。本文為了了解折彎?rùn)C(jī)滑塊變形大小和應(yīng)力分布，采用COSMOSWORKS分析軟件對(duì)滑塊進(jìn)行了三維仿真分析[3][4]，描述滑塊的變形和應(yīng)力分布狀態(tài)，找出了其薄弱環(huán)節(jié)，再結(jié)合滑塊的特點(diǎn)對(duì)滑塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 有限元模型的建立

2.1 模型分析與簡(jiǎn)化

帶撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)主要由床身、滑塊、前后立板以及撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、后擋料、液壓系統(tǒng)、模具、托料機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)裝置、電氣系統(tǒng)等組成。上橫梁（滑塊）與兩油缸組件中活塞桿相連，并經(jīng)油缸底板支承在左右墻板上，由主、副導(dǎo)軌對(duì)滑塊的上下移動(dòng)提供導(dǎo)向。下橫梁經(jīng)墊塊與機(jī)體過(guò)盈配合，下橫梁前后立板分置其兩側(cè)，中部安裝數(shù)個(gè)隆起油缸用以補(bǔ)償下橫梁的變形。由于有限元分析主要分析折彎?rùn)C(jī)機(jī)架在折彎力作用下的變形以及下橫梁補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的作用，對(duì)不影響折彎?rùn)C(jī)剛性的構(gòu)件可以不作考慮，分析只涉及床身、滑塊、前后立板以及撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)[5]，這里主要對(duì)折彎?rùn)C(jī)滑塊進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)化后的折彎?rùn)C(jī)模型如圖1所示。

2.2 邊界條件及載荷

折彎?rùn)C(jī)安裝時(shí)，機(jī)架底面通過(guò)4個(gè)地腳螺栓與基礎(chǔ)相連，約束了機(jī)架在三個(gè)方向的位移與轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，在CosmosWorks中對(duì)4個(gè)地腳螺栓施加固定約束，模擬折彎?rùn)C(jī)機(jī)架真實(shí)的固定狀況?；瑝K經(jīng)吊緊機(jī)構(gòu)與油缸中的活塞桿連接，油缸通過(guò)螺栓固定在油缸底座上。當(dāng)滑塊行進(jìn)到折彎下死點(diǎn)時(shí)，油缸中壓力保持恒定并持續(xù)一段時(shí)間，此時(shí)，活塞桿、滑塊、油缸以及機(jī)架之間不再產(chǎn)生相對(duì)的滑移，可以把滑塊與機(jī)架看作是一個(gè)整體，在有限元分析中將其接觸類型定義為結(jié)合。

PBB-400/5100數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)公稱折彎力為4000kN，分析折彎?rùn)C(jī)在滿負(fù)荷作用下機(jī)架、滑塊、前后立板以及中立板的應(yīng)力分布以及變形情況，在折彎?rùn)C(jī)滑塊下端面與中立板上端面上分別施加4000kN向上、向下的壓力，即認(rèn)為滑塊受到一個(gè)向上的壓力。

3 滑塊有限元模擬結(jié)果分析

圖2為折彎力作用下滑塊的應(yīng)力分布與變形圖，從圖2中可以看出滑塊A截面上最大應(yīng)力σmax=26.4MPa，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在B截面上，其值為444MPa。

滑塊的最大的撓曲變形產(chǎn)生在其中點(diǎn)處，最大的撓曲變形量為0.735mm。采用經(jīng)典彈性力學(xué)將滑塊簡(jiǎn)化為矩形梁的方法計(jì)算得到的滑塊最大撓曲變形量為0.356mm，有限元分析得到的撓度值較理論值大，這是因?yàn)樵趶椥粤W(xué)分析中將滑塊作了太多的簡(jiǎn)化，尤其是沒(méi)有考慮安裝油缸活塞的矩形孔的影響。

4 滑塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化方法的選擇

試驗(yàn)將滑塊結(jié)構(gòu)或尺寸進(jìn)行修改，重新計(jì)算其應(yīng)力分布與變形，以研究滑塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。

（1）方法一

將滑塊厚度加厚到110mm，計(jì)算可得滑塊的應(yīng)力分布與位移如圖3。從圖3中可以看出，當(dāng)加大滑塊的厚度后，滑塊所受應(yīng)力有所減小，滑塊肩部的最大應(yīng)力為421MPa，但減小的幅度不大；滑塊的最大撓曲變形為0.669mm也有所減小。這一方法雖然會(huì)減小滑塊的應(yīng)力與撓曲變形，但會(huì)大大的增加滑塊的重量，增加制造成本，加大加載過(guò)程中的慣性，因而在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重考慮。

（2）方法二

在滑塊后側(cè)添加加強(qiáng)筋，滑塊的應(yīng)力分布與變形如圖4。從圖中可以看出，此時(shí)滑塊肩部的應(yīng)力集中更加明顯，應(yīng)力值增加到470MPa；但滑塊慣性矩有所增加，變形減小，撓曲變形減小，最大的撓曲變形為0.726mm，減小幅度不大。

（3）方法三

在滑塊肩部添加筋板，計(jì)算得到滑塊的應(yīng)力分布與變形如圖5所示。從圖中可以看出，在滑塊肩部添加筋板后，滑塊肩部處的應(yīng)力值有較大的減小，最大為428MPa；滑塊變形減小，撓曲變形減小，最大的撓曲變形為0.674mm。

（4）方法四

加大油缸安裝孔處滑塊壁厚，如圖6所示?；瑝K的應(yīng)力分布與變形見(jiàn)圖7，從圖中可以看出，滑塊肩部處的應(yīng)力值減小，最大為414MPa；滑塊變形減小，撓曲變形有較大的減小，最大的撓曲變形為0.671mm。

綜合分析結(jié)果，在滑塊肩部添加筋板與加大油缸安裝孔處滑塊壁厚，對(duì)滑塊所受應(yīng)力以及變形有較大改善，有利于減小滑塊的應(yīng)力以及撓曲變形。

4.2 優(yōu)化方法的確定

在對(duì)上述四種方法下滑塊的有限元分析后，確定采用在滑塊肩部添加筋板的同時(shí)加大油缸安裝孔處滑塊壁厚。滑塊的應(yīng)力分布與變形見(jiàn)圖8所示。

從圖中可以看出，在滑塊肩部添加筋板與加大油缸安裝孔處滑塊壁厚后，滑塊肩部處的應(yīng)力值減小明顯，最大應(yīng)力減小為383MPa；滑塊變形減小，撓曲變形有較大的減小，最大的撓曲變形為0.583mm。由此可見(jiàn)，在滑塊肩部添加筋板的同時(shí)加大油缸安裝孔處滑塊壁厚，滑塊的應(yīng)力及撓曲變形明顯改善。

4.3 載荷作用長(zhǎng)度變化對(duì)滑塊變形的影響

為了進(jìn)一步分析外加負(fù)載的變化對(duì)滑塊變形的影響，下面對(duì)負(fù)載大小不變，而折彎工件長(zhǎng)度減小，即載荷作用長(zhǎng)度減小這一情況進(jìn)行分析。假設(shè)負(fù)載大小還是為額定折彎力，即4000kN，載荷長(zhǎng)度為2m，重新設(shè)定邊界條件，求解可得滑塊的應(yīng)力分布、位移為圖9所示。

從圖中可以看出，滑塊應(yīng)力最大值為589MPa，較載荷作用在滑塊全長(zhǎng)時(shí)，最大應(yīng)力有所增加，滑塊應(yīng)力集中更加明顯；滑塊最大的撓曲變形為1.312mm，滑塊撓曲變形增大，撓曲變形曲線更陡峭。

5 結(jié)論

折彎力作用下滑塊與活塞桿接觸的部位會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，而滑塊中間部分的應(yīng)力較小。對(duì)滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在滑塊肩部添加筋板的同時(shí)加大油缸安裝孔處滑塊壁厚，為最佳方案，滑塊的應(yīng)力以及撓曲變形明顯減小。在以后的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮采用有限元的方法來(lái)對(duì)理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

[1]王 宏，劉 翠.折彎?rùn)C(jī)機(jī)架變形應(yīng)力的有限元分析[J].重型機(jī)械，2007，（5）:56-59.

[2]詹俊勇，黃建民，張錦義.雙點(diǎn)壓力機(jī)滑塊有限元分析與優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（6）：42-44.

[3]王定賢，陳思林，王香麗等.基于MATLAB和COSMOSWorks的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2010，（6）：92-94.

[4]胡仁喜，郭 軍，王仁廣，等.SolidWorks 2005中文版機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5]張志兵，佘 健，陸聞海，等.數(shù)控折彎?rùn)C(jī)兩種補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的比較[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（5）：37-38.

The finite element analysis and optimization of slider on press brake

TAN Chuanming1，ZHANG Zidong2，CAO Guangrong1，WANG Zhiming2，LIU Jin1，LI Feng1，LIU Chong1
（1.Yawei Machine Tool Co.，Ltd.,Jiangdu 225200，Jiangsu China；2.Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu China）

With the help of CosmosWorks analysis software，by analysis of working and forcing situation of slider on press brake，the finite element model of the slider has been established and analyzed in the text.The weak points have been found out and optimized from the result of the simulation analysis.Finally，the optimized solution has been determined.

Slider；Press brake；Optimization of design；The Finite Element

TG315.5+4

B

1672－0121(2011)06－0037－03

2011-08-27

談傳明（1973-），男，工程師，從事折彎剪板機(jī)床研發(fā)設(shè)計(jì)