折彎機(jī)靜態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)*

陳 敢

(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225100)

0 引言

數(shù)控折彎機(jī)是比較常見的鍛壓機(jī)械，其主要功能是將金屬材料變成所需要的幾何形狀[1,2]。目前數(shù)控折彎機(jī)在我國有了較大的發(fā)展，有許多公司進(jìn)行了數(shù)控折彎技術(shù)的研究開發(fā)，其中黃石鍛壓機(jī)床廠生產(chǎn)出了數(shù)控三點(diǎn)板料折彎機(jī)，而上海新力機(jī)械廠生產(chǎn)出了WD67K02-100/3200系列數(shù)控板料折彎機(jī)[3]。雖然國內(nèi)不斷致力于折彎機(jī)的研究，并且取得了不俗的成績，但與國外著名的折彎機(jī)公司相比較其開發(fā)的產(chǎn)品還有一定的差距，在產(chǎn)品的性能和質(zhì)量上還需要不斷的提高改進(jìn)[4]。

1 數(shù)控折彎機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

本文所研究的折彎機(jī)主要是由機(jī)身、油缸、滑塊、工作臺以及上、下模具組成，其主要參數(shù)為：滑塊長度3 200 mm，滑塊厚度40 mm，滑塊行程200 mm；油缸活塞直徑150 mm；工作臺外形尺寸(長×寬×高)為3 200 mm×800 mm×400 mm。

1.1 建立有限元模型

本文運(yùn)用SolidWorks軟件建立數(shù)控折彎機(jī)三維模型，然后導(dǎo)入到Workbench有限元分析軟件中。根據(jù)折彎機(jī)的工作情況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對折彎機(jī)三維模型作出以下簡化處理：①忽略一些小孔和尺寸細(xì)小的部分；②將底板地腳螺栓固定視為剛度無限大，將地腳螺栓與地面看作固定約束；③由于導(dǎo)軌和滑塊之間沒有力，因此將導(dǎo)軌作為自由面；④將焊件和鍛件的強(qiáng)度假設(shè)為相等[5]。簡化后的折彎機(jī)三維模型如圖1所示。

圖1 簡化后的折彎機(jī)模型

1.2 劃分網(wǎng)格

由于折彎機(jī)的機(jī)身一般是由板和殼組成，在受力過程中基本變成拉壓狀態(tài)和彎曲狀態(tài)兩種形式，因此可選擇殼單元或者板殼單元。但是這種類型的單元，它們的節(jié)點(diǎn)自由度是不一樣的，同時(shí)不同材料的連接度也是不一樣的，因此選擇殼單元建立有限元分析不現(xiàn)實(shí)，所以選取自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法。網(wǎng)格劃分后折彎機(jī)機(jī)身有限元模型總共有169 950個(gè)單元。圖2為機(jī)身有限元網(wǎng)格模型。

圖2 機(jī)身有限元網(wǎng)格模型

1.3 邊界約束和載荷施加

折彎機(jī)在工作時(shí)，通常機(jī)架是被固定的，因此將機(jī)架的地面設(shè)置為固定約束；在折彎機(jī)折彎過程中，滑塊做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但滑塊在左右、前后方向不運(yùn)動(dòng)，因此對接觸部位左右、前后方向采用固定約束，上下方面采用線約束。

本文研究的是折彎機(jī)在滿載100 t狀態(tài)下的變形和應(yīng)力情況。從實(shí)際工作條件中得出折彎機(jī)的受載通常分為以下3種工況：①工況一，工件全長，即3 200 mm；②工況二，工件中置，工件長度為全長60%即為1 920 mm；③工況三，工件偏置，工件長度為全長60%即1 920 mm。由數(shù)控折彎機(jī)參數(shù)可知，單個(gè)液壓缸的滿載壓力為50 t。工況一時(shí)工作臺臺面的壓力為5.1×106N/m2；工況二時(shí)工作臺臺面的壓力為8.5×107N/m2；工況三時(shí)工作臺臺面的壓力為8.5×107N/m2。工況一時(shí)滑塊下底面受到壓力為5.1×106N/m2；工況二時(shí)滑塊下底面受到的壓力為8.5×107N/m2；工況三時(shí)滑塊下底面受到的壓力為8.5×107N/m2。由于折彎機(jī)由多塊Q235鋼板焊接而成，則密度設(shè)為7 850 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa。

2 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)分析可知該折彎機(jī)在操作過程中主要的變形方向是Y方向，Y方向的變形對折彎機(jī)整體的精度影響很大，因此本文主要對Y方向變形進(jìn)行研究。工況一時(shí)得到的機(jī)身、滑塊、工作臺位移及應(yīng)力云圖如圖3～圖8所示。

圖6 滑塊等效應(yīng)力云圖 圖7 工作臺Y方向位移云圖 圖8 工作臺等效應(yīng)力云圖

三種工況下計(jì)算出來的結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果匯總

從表1可以得到：工件長度為全長60%時(shí)，滑塊在工件偏置時(shí)產(chǎn)生的位移較大，最大值為0.26 mm，這表明折彎機(jī)在工作過程中，應(yīng)該要使工件中置，這樣可以避免滑塊一端受載的情況。由表1也可以看出：工作臺的變形也與受載的部位有關(guān)，在工件中置時(shí)受載工作臺變形大；工件偏置，工作臺變形相對較大；工件全長受載時(shí)，產(chǎn)生的變形最小。所以在不能保證全長受載的情況下，首先要考慮工件偏置情況。從表1還可以看出：在不同的工況下，滑塊最大等效應(yīng)力也不同，在工件全長情況下應(yīng)力最大為105.3 MPa，在工件中置時(shí)最大應(yīng)力值為106.2 MPa，在工件偏置時(shí)最大應(yīng)力值為154.3 MPa，在三種工況下滑塊處最大應(yīng)力值雖然均符合強(qiáng)度條件，但是數(shù)值比較大。為了提高折彎機(jī)加工精度以及折彎強(qiáng)度，需對折彎機(jī)滑塊部分進(jìn)行局部改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對滑塊受載進(jìn)行分析，得到的應(yīng)力數(shù)值偏大，需提高局部強(qiáng)度。從分析結(jié)果看主要對滑塊、工作臺進(jìn)行局部改進(jìn)設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高加工精度和使用強(qiáng)度的目的。

3.1 工作臺改進(jìn)設(shè)計(jì)

由表1可知，工件全長時(shí)工作臺變形是0.41 mm，工件中置時(shí)工作臺變形是0.50 mm，工件偏置時(shí)工作臺變形是0.46 mm。由應(yīng)力分析可知，工件中置時(shí)工作臺所受等效應(yīng)力最大?？紤]到工作臺的厚度對整機(jī)的精度有很大影響，故對工作臺局部進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。將工作臺厚度由400 mm加厚至600 mm時(shí)，工件中置時(shí)，工作臺變形由0.50 mm降低為0.47 mm，工作臺等效應(yīng)力由52 MPa降低到34 MPa，因此，增加工作臺厚度可以大大提高整機(jī)的工作精度。

3.2 滑塊改進(jìn)設(shè)計(jì)

經(jīng)過分析可知工件偏置時(shí)滑塊應(yīng)力值較大，達(dá)到154 MPa，應(yīng)力大的原因在于滑塊和油缸的連接處有方形孔，所以在受力過程中，此處較為薄弱，因此改變方形孔的厚度，將其上部的厚度增加15 mm，如圖9所示，滑塊其他的部位不作任何調(diào)整。

圖9 滑塊肩部的加厚處理

通過增加方形孔的厚度，工件偏置時(shí)的最大應(yīng)力值從154 MPa降低到84.2 MPa，提高了整機(jī)的強(qiáng)度。從中也可以了解到，在滑塊比較危險(xiǎn)的位置，想要加強(qiáng)強(qiáng)度，需要增加厚度來改善滑塊比較脆弱地帶的應(yīng)力狀況。同時(shí)，在滑塊受載的情況下，盡量選擇工件全長和工件中置進(jìn)行加工，避免偏載情況的出現(xiàn)，從而影響折彎機(jī)整機(jī)的精度。

3.3 整機(jī)局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的分析結(jié)果

將折彎機(jī)的工作臺和滑塊的局部改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行組合得到工件全長下的計(jì)算結(jié)果，表2為折彎機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后計(jì)算值。

通過表2分析得到，折彎機(jī)的機(jī)身總位移變小，喉口處、滑塊處以及工作臺的應(yīng)力值都變小，從而達(dá)到了折彎機(jī)機(jī)身局部改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的。

表2 折彎機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后計(jì)算值

4 結(jié)束語

本文先利用SolidWorks軟件建立折彎機(jī)三維模型，然后再運(yùn)用Workbench分析軟件對數(shù)控折彎機(jī)機(jī)身進(jìn)行有限元分析，得到機(jī)身整體的應(yīng)力和位移情況，發(fā)現(xiàn)工作臺和滑塊結(jié)構(gòu)較薄弱位置，然后針對工作臺和滑塊薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行局部改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終提高了折彎機(jī)整體強(qiáng)度和剛度，提高了折彎機(jī)在工作過程中的折彎精度。