黃澤雄，李曉紅，趙新業(yè)

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

在金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，冷沖壓是一種加工質(zhì)量好、加工效率高的金屬加工技術(shù)。與金屬切削加工相比，冷沖壓具有成本低、材料利用效率高、零件尺寸精度穩(wěn)定等優(yōu)點，從而被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、家電制造和航天航空等領(lǐng)域[1]。管材彎曲是冷沖壓工藝中比較常見的成形工序，彎曲設(shè)備的加工質(zhì)量直接影響到被加工零部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、應(yīng)力、應(yīng)變和可靠性，所以對彎管機彎管頭部分進行優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。

優(yōu)化設(shè)計是以數(shù)字最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，在滿足給定的各種約束條件下，合理地選擇設(shè)計變量以獲得期望目標(biāo)上的最優(yōu)或者較優(yōu)設(shè)計方案的一種方法。NX12.0（next generation 12.0）在高級仿真應(yīng)用模塊中提供了可以對所設(shè)計零部件進行有限元分析的優(yōu)化設(shè)計工具，從而判斷零部件的許用應(yīng)力是否會超出材料屈服極限，提高設(shè)計的安全性[2]；而CAE（computer aided engineering）應(yīng)用模塊中的運動仿真功能可以建立機構(gòu)模型，然后對其進行靜力學(xué)分析、運動學(xué)仿真，推演機構(gòu)位移、速度和加速度等運動規(guī)律，還可以分析構(gòu)件之間是否會發(fā)生干涉的現(xiàn)象，跟蹤構(gòu)件的運動軌跡，分析零部件所受到的作用力和作用力矩等，從而確定合理的機構(gòu)設(shè)計方案[3]。使用NX12.0對WG100CNC全自動彎管機彎管頭進行優(yōu)化設(shè)計。

1 零部件的三維建模

通過對管材加工方法的比較分析以及常見彎管設(shè)備的對比研究，WG100CNC全自動彎管機彎管頭部分設(shè)計采用繞彎式彎曲加工方法，主傳動采用承載能力高而沖擊較小的鏈條-三排鏈輪-彎曲軸作為主傳動裝置。彎曲時，由液壓系統(tǒng)提供的壓力油液進入主驅(qū)動液壓缸并推動活塞桿帶動鏈條轉(zhuǎn)動，鏈條通過三排鏈輪帶動轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，以達到纏繞彎管的目的；通過液壓缸驅(qū)動的夾緊機構(gòu)傳遞力，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)臂定位塊上的夾持模與滑座定位塊上的隨動模對管材的壓緊動作；通過液壓缸驅(qū)動的齒條齒輪傳動與鏈傳動相結(jié)合，把直線運動變成往復(fù)回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)輪模返回機構(gòu)[4，5]。

1.1 三排鏈輪

液壓泵的電動機功率為18.5 kW，由于液壓缸的機械效率一般為0.9～0.95，考慮液壓系統(tǒng)的功率損失，取機械效率為0.9，則驅(qū)動鏈傳動的功率P=18.5×0.9=16.65 kW；彎曲速度為70 °/s，即為轉(zhuǎn)速為11.6 r/min，傳動比為1。鏈條型號41P 24A-3，節(jié)距為38.10 mm，鏈輪齒數(shù)為20，鏈節(jié)數(shù)為100，中心距為1498 mm，三排鏈輪三維建模如圖1所示。

圖1 三排鏈輪三維建模

1.2 夾緊機構(gòu)

整個夾緊裝置主要由T形導(dǎo)軌、連桿、液壓缸、定位塊和六角螺栓等零部件構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 夾緊機構(gòu)三維建模

夾緊管材時，通過液壓缸活塞桿向外伸出，從而驅(qū)動六桿機構(gòu)運動，進而使定位塊以及定位上的夾持模沿著導(dǎo)軌向前推進，直至加夾持模與彎管模在同一水平面內(nèi)，能夠?qū)⒐懿膴A緊。松開管材時，也是由六桿機構(gòu)使定位塊后退。為了適應(yīng)管材規(guī)格及彎曲工藝參數(shù)的變化，夾持模的行程和隨動模的行程都能進行粗略調(diào)整和精確微調(diào)。

1.3 轉(zhuǎn)臂和滑座

由于管材彎曲是依靠整個轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)，故應(yīng)該將其設(shè)計成一個類似手臂的面板拼合體，其他零部件安裝在轉(zhuǎn)臂上。轉(zhuǎn)臂通過內(nèi)六角螺栓連接與三排鏈輪緊固聯(lián)接在一起，其外形尺寸根據(jù)定位塊，以及與定位塊固定在一起的導(dǎo)軌來確定。轉(zhuǎn)臂的整體結(jié)構(gòu)的主要由頭體、頭體面板和夾緊機構(gòu)等三大部分組成，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)臂三維建模

在管材彎曲加工過程中，通過轉(zhuǎn)臂上與定位塊連接的夾持模與彎管模一起夾緊管材，其夾緊動作由一個液壓缸驅(qū)動的六桿機構(gòu)所實現(xiàn)，然后整個夾緊裝置、彎管模，以及轉(zhuǎn)臂上的其他零部件都由三排鏈輪帶動并同步旋轉(zhuǎn)，彎管加工結(jié)束后隨轉(zhuǎn)臂一起復(fù)位。

滑座上有隨動模，而隨動模的壓緊是通過與轉(zhuǎn)臂內(nèi)夾緊機構(gòu)相同的工作原理來實現(xiàn)的，故滑座的結(jié)構(gòu)設(shè)計與轉(zhuǎn)臂類似，設(shè)計成面板類型，內(nèi)掛有液壓缸驅(qū)動的六桿機構(gòu)，滑座上有T型導(dǎo)軌，面板一端還與連桿座相連，三維建模如圖4所示。

圖4 滑座三維建模

1.4 輪模返回機構(gòu)

除了轉(zhuǎn)臂定位塊上的夾持模與滑座定位塊上的隨動模對管材進行壓緊外，還需輪模與夾持模一起配合夾緊管材，然后轉(zhuǎn)臂推著輪模底座一起旋轉(zhuǎn)把管材彎曲，故可以把輪模底座與轉(zhuǎn)臂的頭體設(shè)計成單面接觸，輪模返回機構(gòu)三維建模如圖5所示。

圖5 輪模返回機構(gòu)三維建模

由于輪模返回機構(gòu)受力很小，根據(jù)文獻[4]，齒輪傳動的載荷特點，選定齒輪模數(shù)為2，取齒數(shù)為18，計算出分度圓直徑為36 mm，壓力角α=20°[5]，齒條可以通過液壓缸驅(qū)動，進而實現(xiàn)輪模返回的往復(fù)運動，同時，為了使鏈條不松懈，可以加一個起張緊作用的張緊輪。

2 三排鏈輪有限元分析

由于在進行管材彎曲加工時，三排鏈輪會受到很大的扭矩，為了使結(jié)構(gòu)具有較大的剛度、強度和穩(wěn)定性，故需要對其進行有限元分析，否則將影響管材的彎曲精度、彎曲質(zhì)量，嚴(yán)重的話，還會導(dǎo)致管材報廢。

2.1 初始步驟

進入NX12.0的應(yīng)用模塊，新建FEM和仿真，如圖6所示。接著，設(shè)置結(jié)算方案，如圖7所示，然后選擇單元迭代求解器。

圖6 新建FEM和仿真

圖7 設(shè)置解算方案

2.2 理想化幾何體

理想化幾何體之前需要先提升實體；在主幾何體準(zhǔn)備中選擇大鏈輪的孔、圓角，對其進行理想化，如圖8所示。

圖8 理想化實體

2.3 選擇實體材料并劃分單元

在指派材料時，選擇45#鋼作為大鏈輪的材料；劃分單元網(wǎng)格時，則選擇3D四面體，單元大小可以選擇自動單元大小，如圖9所示。

圖9 劃分單元網(wǎng)格

2.4 施加約束類型和載荷類型

由于彎管頭機構(gòu)在管材彎曲剛啟動時，所受扭矩最大，此時的應(yīng)力也就最大，若在剛啟動時大鏈輪所受的應(yīng)力小于材料的屈服極限，那么在平穩(wěn)轉(zhuǎn)動時也應(yīng)該小于材料的屈服極限，所以可以將大鏈輪的一端固定，約束類型選擇固定約束；由于大鏈輪主要是受到扭矩的作用，故在載荷類型中選擇扭矩，如圖10所示。

圖10 施加載荷

2.5 求解

最后求解出來的應(yīng)力分布如圖11所示，最大應(yīng)力為40.46 MPa，分布在大鏈輪的中間部位。

圖11 應(yīng)力分布

2.6 結(jié)果分析

根據(jù)文獻[6]可知，45#鋼的材料屈服極限為355 MPa。通常情況下，安全系數(shù)可以取為1.5～2，這里取安全系數(shù)為1.5，得其許用切應(yīng)力為236 MPa，由于三排鏈輪的最大應(yīng)力是小于許用切應(yīng)力，故符合材料的屈服極限要求。

3 彎管頭的裝配與仿真

3.1 零部件的裝配

對零部件進行各種類型的約束之后，整體個彎管頭部分的裝配結(jié)果如圖12所示。

圖12 彎管頭結(jié)構(gòu)三維建模

彎管頭機構(gòu)對管材的彎曲加工過程：輪模返回→轉(zhuǎn)臂上定位塊的夾持模夾緊管材→滑座上定位塊的隨動模壓緊管材→輪模與轉(zhuǎn)臂一起旋轉(zhuǎn)→轉(zhuǎn)臂上定位塊的夾持模松開→滑座上定位塊的隨動模松開→轉(zhuǎn)臂返回→輪模返回，重復(fù)循環(huán)進行。

3.2 夾緊機構(gòu)運動仿真分析

夾緊機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)該充分考慮到轉(zhuǎn)臂和滑座中定位塊行程、位移、速度的影響，可以利用CAE應(yīng)用模塊中的運動仿真功能，按照實際的連接關(guān)系，添加對應(yīng)的約束，模擬出夾緊機構(gòu)的運動狀態(tài)。根據(jù)仿真結(jié)果得到的技術(shù)參數(shù)，可以為以后快速修改夾緊機構(gòu)設(shè)計參數(shù)做好準(zhǔn)備，實現(xiàn)其優(yōu)化設(shè)計。

3.2.1 連桿和運動副的設(shè)置

首先要設(shè)置連桿，依次把缸體、活塞桿、叉板、連板、固定塊和固定板設(shè)為L001、L002、L003、L004、L 005；其次設(shè)置運動副，對缸體設(shè)置一個旋轉(zhuǎn)副，對活塞桿設(shè)一個移動副，叉板設(shè)兩個旋轉(zhuǎn)副，并且下端的旋轉(zhuǎn)副與活塞桿嚙合，與轉(zhuǎn)臂的頭體面板再設(shè)一個旋轉(zhuǎn)副，連桿設(shè)一個旋轉(zhuǎn)副并與叉板嚙合，固定塊設(shè)一個旋轉(zhuǎn)副并與連板嚙合，再設(shè)一個移動副。

3.2.2 驅(qū)動和解算方案的設(shè)置

在完成連桿和運動副的設(shè)置之后，還需對活塞桿設(shè)置一個運動函數(shù)類型的驅(qū)動，如圖13所示，根據(jù)文獻[7]，液 壓缸的行程標(biāo)準(zhǔn)值為140 mm，STEP（x，0，0，2，140）表示為時間起點是從0 s開始，此時移動副的移動距離是0 mm，接著在02 s的時間內(nèi)活塞桿需要滑動140 mm，STEP（x，3，0，5，-140）表示活塞桿停留1秒后再返回；解算方案的設(shè)置如圖14所示，定義仿真時間4 s，步數(shù)為500。

圖13 活塞桿驅(qū)動的設(shè)置

圖14 解算方案的設(shè)置

以上是對轉(zhuǎn)臂中夾緊機構(gòu)運動仿真建立的全過程，滑座的夾緊機構(gòu)的仿真過程與上述過程一樣。

3.2.3仿真結(jié)果

由圖15所可知：當(dāng)活塞桿走完140 mm的行程時，根據(jù)仿真結(jié)果可得出轉(zhuǎn)臂定位塊的行程為58 mm。結(jié)合圖15和圖16可以看出：從01 s內(nèi)，定位塊是在加速，12 s內(nèi)，定位塊是在減速，在1 s時其速度達到最大值。該種運動特點很符合管材實際加工的需要：首先定位塊先加速，然后在即將夾緊管材時，把速度降下來，可以更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確地實現(xiàn)夾持模對管材的定位夾緊動作；在返回時，先加速后減速的運動方式也可以減少夾緊機構(gòu)對限位塊的沖擊?；囊簤焊仔谐桃舶礃?biāo)準(zhǔn)值取140 mm，從圖18的仿真結(jié)果可以得出滑座定位塊的行程為87mm，結(jié)合圖17和圖18的位移、速度曲線可以看出，滑座的定位塊也符合先加速后減速的運動緩沖特點。

圖15 轉(zhuǎn)臂定位塊行程

圖16 轉(zhuǎn)臂定位塊速度

圖17 滑座定位塊行程

圖18 滑座定位塊速度

4 結(jié)語

利用NX軟件能夠快速完成零部件模型的建立和裝配，并設(shè)置模型參數(shù)對機構(gòu)的運動狀態(tài)進行快速仿真，從而縮短零部件和機構(gòu)的設(shè)計周期，實現(xiàn)機械產(chǎn)品性能的優(yōu)化設(shè)計。

本次研究對夾緊機構(gòu)只是進行了初步優(yōu)化，下一步要要進一步根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整夾緊機構(gòu)的尺寸參數(shù)，使其在杠桿原理的作用下，液壓缸可以使用較小的壓力去推動夾緊機構(gòu)運動，以減少液壓缸的尺寸，節(jié)省結(jié)構(gòu)空間與成本等。