張園園

(洛陽有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽 471039)

隨著對(duì)鋁合金、銅合金帶材生產(chǎn)質(zhì)量與精度要求不斷提高，帶材精整處理技術(shù)的重要性日益突出，其連續(xù)生產(chǎn)工藝也逐漸成為需求非常廣的一項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)是確保整個(gè)精整機(jī)組作業(yè)時(shí)間和生產(chǎn)節(jié)奏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)，其頭尾連接性能的好壞會(huì)直接影響到連續(xù)生產(chǎn)中產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，一般配置焊接機(jī)、沖裁式縫合機(jī)等帶材接頭設(shè)備，其中沖裁式縫合機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、維護(hù)方便而被廣泛采用【1】。在設(shè)計(jì)沖裁式縫合機(jī)時(shí)，為保證縫合性能與帶材成材率，控制刀座變形，一般對(duì)機(jī)架剛度特性要求較高，同時(shí)為控制生產(chǎn)成本，對(duì)設(shè)備的輕量化要求也越來越高。目前一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不易同時(shí)滿足對(duì)機(jī)架設(shè)計(jì)高剛性與低重量的要求，針對(duì)上述問題，本文利用有限元方法對(duì)機(jī)架進(jìn)行了靜力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，為今后機(jī)架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供指導(dǎo)。

1 縫合機(jī)工作原理與工作載荷分析

1.1 縫合機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

沖裁式縫合機(jī)根據(jù)縫合接口形式可分為兩類：一類為簡(jiǎn)單沖裁后人工穿帶連接材料，即沖裁式縫合機(jī)；另一類為鎖扣式縫合機(jī)，即縫合后靠帶材相互搭接。由于前者刀在縫合過程須人工參與，而后者縫合過程無須人工參與，因此應(yīng)用日益廣泛。下面以鋁合金鎖扣式縫合機(jī)進(jìn)行探討，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

縫合機(jī)工作時(shí)，液壓缸有塞腔接通壓力油，工作形式為上刀固定，下刀油缸上升。帶材入出口各設(shè)有導(dǎo)板，縫合前導(dǎo)板先搭接帶材的頭部和尾部，避免縫合時(shí)帶材之間相對(duì)滑動(dòng)。該縫合機(jī)采用單排”凸”字形刀具，在較大壓力下將兩層帶材沖開并鎖扣。同時(shí)設(shè)備還配有脫模機(jī)構(gòu)，使帶材能順利從刀具中脫出。

1機(jī)架 2上刀具 3下刀具 4縫合液壓缸

1.2 縫合力的理論計(jì)算

鋁帶拉矯機(jī)組中的縫合機(jī)計(jì)算縫合力時(shí)，一般采用沖壓工藝學(xué)中的沖裁力計(jì)算公式【2】：

F1=2nKLtτ(1)

L=0.01745rα(2)

式中：F1——沖裁力 ，N；

n——切口數(shù)量 (帶材最大寬度/刀具寬度 = 15，故應(yīng)16個(gè)切口)；

K——系數(shù)，一般取1.3；

L——沖裁周邊長(zhǎng)度,此處為刀具縫透帶材的接觸弧長(zhǎng),mm；

τ——材料抗剪強(qiáng)度,此處按最大值 τb=340 MPa。

r—— 刀具半徑，r=5 mm；

α—— 最大接觸角度，α=157°

鋁合金材料特性如下【3】：

σb=100～480 MPa

τb=0.6 ～0.7σb = 60 ～340MPa

σs=35 ～500 MPa

δ=1 ～45%

帶材寬度 B=800～1800 mm

厚度 t=0.5～2.5 mm

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)1 為484078N

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和縫合力，利用以下公式選取液壓缸規(guī)格：

式中D——油缸活塞直徑，mm;

F1——縫合力，N；

P——液壓介質(zhì)的壓力，P=14MPa;

η——摩擦損失，η=0.95

據(jù)此選擇兩個(gè)規(guī)格的液壓缸可滿足要求。則可推出單個(gè)液壓缸對(duì)支架的反力F2=5.3e5N。

2 縫合機(jī)機(jī)架有限元模型構(gòu)建

Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，本文采用workbench對(duì)機(jī)架進(jìn)行分析。先建立機(jī)架三維實(shí)體模型，然后將其導(dǎo)入有限元分析軟件workbench 應(yīng)用平臺(tái)中【4】。

2.1 機(jī)架材料特性與網(wǎng)格劃分

機(jī)架材料為Q235，其楊氏模量為2e11Pa，泊松比為0.3。

圖2 機(jī)架網(wǎng)格劃分

模型的網(wǎng)格劃分直接影響模型的計(jì)算精度與計(jì)算效率，網(wǎng)格過小則計(jì)算精度大為降低而精度提高有限，網(wǎng)格過大則計(jì)算精度難以保證，由于機(jī)架尺寸較大，單元尺寸大小為40mm，劃分好的機(jī)架網(wǎng)格如圖2所示，共有38114個(gè)節(jié)點(diǎn)、26276個(gè)單元。

2.2 機(jī)架靜力分析邊界條件

在機(jī)架實(shí)際工作中，機(jī)架主要受上刀座對(duì)機(jī)架橫梁部位的壓力及液壓缸對(duì)下部的壓力，通過地腳螺栓對(duì)機(jī)架進(jìn)行固定。因此考慮機(jī)架的極限工作情況，根據(jù)上面計(jì)算的縫合力并考慮摩擦力作用，靜力分析模型的邊界條件如圖3(a)(b)所示，其中施加的壓力為面載荷，具體如下：

位移約束：對(duì)機(jī)架底面進(jìn)行位移約束，約束其X/Y/Z三個(gè)方向自由度，如圖3(a)；

受力：上刀座對(duì)橫梁壓力即為縫合力F1，即由公式(1)和公式(2)計(jì)算可得，分別施加在兩個(gè)面上，壓力分別為：F1/2=2.4e5N，如圖3(a)；

受力：液壓缸對(duì)機(jī)架壓力F2，即根據(jù)系統(tǒng)壓力及所選取的液壓缸，可計(jì)算出。分別施加在圖3(b)所示的四個(gè)面上，分別為F2/4=1.3e5N。

圖3 機(jī)架邊界條件

由于機(jī)架由眾多零件焊接而成，因此有限元模型中零件的結(jié)合面按照粘接處理。

3 縫合機(jī)機(jī)架靜力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 靜力分析結(jié)果

根據(jù)上述模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4：

圖4 機(jī)架靜力分析結(jié)果

根據(jù)圖4可以看出機(jī)架的最大總變形在上橫梁處為0.6mm，特別是橫梁在垂直方向的變形達(dá)到0.59mm，而最大等效米賽斯應(yīng)力為48Mpa，因此橫梁處的變形特別是其在垂直方向的變形成為機(jī)架的薄弱環(huán)節(jié)。

4.2 機(jī)架筋板優(yōu)化

圖5所示的筋板結(jié)構(gòu)對(duì)于機(jī)架橫梁的剛度有重要的影響，特別是圖中標(biāo)注的筋板厚度t與整個(gè)筋板結(jié)構(gòu)的高度h對(duì)剛度影響更大，因此對(duì)下面尺寸分別計(jì)算：

t：增加10mm、20mm、30mm(即筋板厚度為：30、40、50mm)

h：增加10mm、20mm、30mm、40mm、50mm(350、360、370、380、390mm)

圖5 修改的筋板尺寸

按照上面的尺寸重新修改三維模型并重建有限元模型進(jìn)行靜力分析，得到如圖6所示的機(jī)架最大變形量隨筋板尺寸h、t變化而變化的情況。

根據(jù)圖6可以看出橫梁變形對(duì)筋板厚度更加敏感，特別是在厚度增加較少的情況下，但是根據(jù)筋板的幾何模型，高度h增加10mm，質(zhì)量增加18.06Kg，而厚度t增加10mm，質(zhì)量增加73.46Kg，因此為減小0.1mm變形，增加高度，僅須增加質(zhì)量90.3Kg，而增加厚度則須增加質(zhì)量220.38Kg，因此橫梁剛度對(duì)高度的敏感度為厚度敏感度的2.44倍。

圖6

因此建議增加h50mm，此時(shí)橫梁變形減小16.9%，而機(jī)架質(zhì)量?jī)H增加1.6%(根據(jù)三維模型，機(jī)架原質(zhì)量為5598.8Kg)

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)過有限元分析，極限載荷下，機(jī)架橫梁在垂直方向變形最大，此處剛度最薄弱；

(2) 對(duì)橫梁筋板整體高度與關(guān)鍵筋板厚度的不同尺寸下靜力分析及機(jī)架重量的綜合考慮：增加筋板高度比增加筋板厚度更加有效，其敏感度為2.44∶1；

(3) 筋板整體高度增加50mm后，機(jī)架橫梁變形減小16.9%，而機(jī)架質(zhì)量?jī)H增加1.6%，因此建議增加筋板高度。

[1] 侯定坤.帶材縫合機(jī)的縫合力計(jì)算.有色金屬加工[J].有色金屬加工，2003(5)：45～47

[2] 吳詩淳.沖壓工藝學(xué)[M].西安.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1987

[3] 王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙.中南大學(xué)出版社，2002

[4] 龔曙光.ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2003