陳 博，井溢濤，陳玉蘭，趙 輝

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

0 引言

折彎?rùn)C(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車(chē)、造船、家用電器及輕工等行業(yè)。隨著技術(shù)的發(fā)展，折彎?rùn)C(jī)已進(jìn)入數(shù)控時(shí)代。人們對(duì)折彎精度的要求越來(lái)越高。滑塊作為折彎?rùn)C(jī)的重要組成部分，是主要的受力部件，在對(duì)板材進(jìn)行折彎加工時(shí)，滑塊會(huì)產(chǎn)生彈性變形，嚴(yán)重影響折彎工件的角度和直線(xiàn)精度。因此，滑塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性，對(duì)提高滑塊的強(qiáng)度和剛性、提升加工質(zhì)量、降低制造成本具有直接影響。

傳統(tǒng)的折彎?rùn)C(jī)設(shè)計(jì)方法，即以經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品試制為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，因傳統(tǒng)的材料力學(xué)計(jì)算方法過(guò)于理想化，很難得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，通過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算找到設(shè)計(jì)參數(shù)與變形量的線(xiàn)性關(guān)系則更是耗時(shí)費(fèi)力。有限元技術(shù)的發(fā)展為折彎?rùn)C(jī)滑塊的力學(xué)分析提供了一個(gè)方便快捷的途徑。本文以WDB100-3100型數(shù)控液壓折彎?rùn)C(jī)為例，采用Pro/E集成的分析模塊對(duì)折彎?rùn)C(jī)滑塊進(jìn)行有限元分析，定量描述滑塊的變形狀態(tài)，通過(guò)建立敏感度分析，得出各關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)與滑塊變形量的線(xiàn)性關(guān)系，為折彎?rùn)C(jī)滑塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與剛性校核提供理論依據(jù)。

1 創(chuàng)建分析模型

1.1 模型建立

數(shù)控液壓折彎?rùn)C(jī)主要由床身、滑塊、撓度補(bǔ)償、換模裝置、后擋料裝置、安全防護(hù)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成（圖1）。折彎時(shí)，兩側(cè)油缸對(duì)滑塊產(chǎn)生向下的折彎力?；瑝K通過(guò)球面塊與油缸活塞桿球鉸連接，在滑塊的背面有四對(duì)導(dǎo)向輪對(duì)滑塊的上下運(yùn)動(dòng)提供平面約束?；瑝K下部通過(guò)快速換模裝置連接折彎模具的上模。下模工作臺(tái)中部安裝由數(shù)組不同斜度的楔塊和電動(dòng)推桿組成的維拉補(bǔ)償裝置用以補(bǔ)償工作臺(tái)的變形。折彎?rùn)C(jī)滑塊在運(yùn)行到下極限位置時(shí)，油缸處于保壓狀態(tài)，此時(shí)的滑塊與床身、油缸之間不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，滑塊處于靜力平衡狀態(tài)，這里主要是對(duì)此時(shí)的滑塊變形情況進(jìn)行有限元分析。

圖1 折彎?rùn)C(jī)示意圖

1.2 材料的力學(xué)性能

折彎?rùn)C(jī)滑塊采用厚度為50mm的Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼板與四塊80mm×200mm的連接板焊接而成，其材料力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能

1.3 滑塊的載荷與約束

WDB100-3100型數(shù)控液壓折彎?rùn)C(jī)的公稱(chēng)壓力是1000kN，在靜力平衡狀態(tài)時(shí)，受到兩側(cè)油缸向下的壓力和模具向上的反作用力。在滑塊的下端面和肩部50mm×80mm兩端面分別施加1000kN向上、500kN向下的壓力。因?yàn)樵陟o力平衡狀態(tài)時(shí)，滑塊與床身之間不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，因此在滑塊背部安裝導(dǎo)向輪的四個(gè)平面上創(chuàng)建位移約束。載荷與約束情況見(jiàn)圖2所示。

圖2 滑塊載荷、約束和網(wǎng)格劃分示意圖

1.4 結(jié)果分析

對(duì)滑塊的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立靜態(tài)分析，得到滑塊的位移云圖（圖3），通過(guò)云圖可以看出滑塊的最大位移為0.382mm，調(diào)取下端面一條棱邊的位移曲線(xiàn)圖（圖4），從曲線(xiàn)圖上可以看到滑塊變形呈對(duì)稱(chēng)狀態(tài)分布，最大位移點(diǎn)位于下端面的中間部位，并且在全長(zhǎng)3100mm的范圍內(nèi)均有變形發(fā)生，變形量為0.04mm～0.382mm。

圖3 位移云圖

圖4 位移曲線(xiàn)圖

2 優(yōu)化方案的比較

將滑塊的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行修改，重新建立模型，進(jìn)行有限元分析。通過(guò)指定設(shè)計(jì)變量，在給定的變化范圍內(nèi)對(duì)新模型進(jìn)行敏感度分析，從而確定設(shè)計(jì)尺寸與最大變形量的線(xiàn)性關(guān)系，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持，并得出可行的優(yōu)化方案。

2.1 方案一：滑塊加厚

在原設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，將滑塊厚度尺寸50mm定義為設(shè)計(jì)變量，定義變化范圍為40mm～80mm，建立敏感度分析，可得到滑塊厚度與最大變形量的線(xiàn)性關(guān)系（圖5）。從關(guān)系圖中可以看出，當(dāng)滑塊厚度從40mm增加到80mm時(shí)，滑塊的最大變形量從0.70mm減小到了0.13mm。因此，增加滑塊厚度可以減小滑塊的剛度變形。

圖5 滑塊厚度與最大變形量的線(xiàn)性關(guān)系圖

2.2 方案二：滑塊加筋

在原設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，在滑塊背部增加一處長(zhǎng)3000mm、高 100mm、寬 50mm的筋板（圖6），重新劃分網(wǎng)格，施加約束與載荷，進(jìn)行有限元分析，得到位移云圖（圖7）和位移曲線(xiàn)圖（圖8），通過(guò)與原模型的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可看出，增加加強(qiáng)筋后，滑塊的最大變形量由原來(lái)的0.382mm減小到了0.315mm。同時(shí)，將筋板厚度尺寸50mm定義為設(shè)計(jì)變量，變化范圍40mm～60mm，建立敏感度分析，可得到筋板厚度與最大變形量的線(xiàn)性關(guān)系（圖9），從曲線(xiàn)圖上可以看出，筋板厚度從40mm增加到60mm，最大變形量?jī)H僅減小了0.025mm。

圖6 增加筋板示意圖

圖8 位移曲線(xiàn)圖

圖9 筋板厚度與最大變形量線(xiàn)性關(guān)系圖

圖10 原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)—改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖

2.3 方案三：改變滑塊下端面受力位置

基于加載后的滑塊在全長(zhǎng)范圍內(nèi)均有變形的考慮，嘗試改變滑塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，改變后的結(jié)構(gòu)如圖10所示。重新施加載荷與約束，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元分析，得到新結(jié)構(gòu)的位移云圖（圖11），從位移云圖上可以看出，改變結(jié)構(gòu)后，滑塊的最大變形量從原來(lái)的0.382mm減小到0.108mm，滑塊的變形得到了很好的改善。為進(jìn)一步找出受力位置與最大變形量的關(guān)系，將滑塊厚度方向的位置尺寸12mm定義為設(shè)計(jì)變量，定義變化范圍為10mm～24mm，進(jìn)行敏感度分析，得到受力位置與最大變形量的線(xiàn)性關(guān)系（圖13）。從曲線(xiàn)圖上可以看出，當(dāng)位置尺寸在12左右時(shí)，滑塊的最大變形量最小，也就是滑塊下端面的受力位置在板厚中央時(shí)，滑塊的變形量最小。

圖11 位移云圖

圖12 位移曲線(xiàn)圖

圖13 受力位置與最大變形量的線(xiàn)性關(guān)系圖

2.4 方案比較

綜合分析上述結(jié)果，三種優(yōu)化方案都在一定程度上減小了滑塊的最大變形量。方案一通過(guò)加厚滑塊可很大程度上減小滑塊變形，但同時(shí)也大大增加滑塊重量，增加制造成本，因此實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重選擇；方案二增加加強(qiáng)筋對(duì)減小滑塊變形的效果不是很明顯，同時(shí)也增加了滑塊本身的重量，加大制造成本，給操作帶來(lái)不便，因此，增加加強(qiáng)筋的方法并不可??；方案三改變受力位置能夠很好地改善滑塊在工作時(shí)的受力狀況，減小滑塊的剛性變形，該方案僅僅改變了滑塊的結(jié)構(gòu)尺寸，不會(huì)增加生產(chǎn)制造成本，三個(gè)方案中，該方案是最經(jīng)濟(jì)有效的。

3 結(jié)論

本文采用有限元方法對(duì)公司W(wǎng)DB100-3100型數(shù)控液壓折彎?rùn)C(jī)滑塊的剛性進(jìn)行了分析，對(duì)影響滑塊變形的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行敏感度分析，得出了滑塊各設(shè)計(jì)參數(shù)與最大變形量的線(xiàn)性關(guān)系。并對(duì)幾種優(yōu)化方案進(jìn)行了分析比較，認(rèn)為引起滑塊變形的主要原因是載荷在板厚方向上不對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生了彎矩，造成滑塊在受載時(shí)，向位移約束的方向變形。因此，滑塊在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使油缸的壓力和模具的反作用力在板厚的中心位置，可以很大程度地減小滑塊的變形。

本文運(yùn)用有限元方法對(duì)滑塊進(jìn)行了敏感度分析，得出各關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)與滑塊最大變形量的線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)折彎?rùn)C(jī)滑塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與剛性校核具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]談傳明，張子?xùn)|，曹光榮，等.折彎?rùn)C(jī)滑塊的有限元分析及優(yōu)化[J].鍛壓設(shè)備與制造技術(shù)，2011，46（6）：37-40.

[2]喬建軍，王保平，胡仁喜，等.Pro/ENGINEER wildfire 5.0動(dòng)力學(xué)與有限元分析從入門(mén)到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.