姚菁琳，張新國(guó)，吳書森，鄭 翔

（揚(yáng)州捷邁鍛壓機(jī)械有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

壓力機(jī)立柱是壓力機(jī)的重要組成部分，滑塊沿立柱導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)[1]，在載荷的作用下，立柱會(huì)產(chǎn)生變形和振動(dòng)，影響加工零件精度，因此機(jī)身立柱的設(shè)計(jì)應(yīng)引起足夠的重視。國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)床立柱有很多研究[2-4]，對(duì)機(jī)床整體進(jìn)行了有限元分析。

不同于普通小噸位壓力機(jī)，大噸位壓力機(jī)的整體尺寸較大，如使用和普通壓力機(jī)相同的全接觸立柱設(shè)計(jì)，雖然可以滿足生產(chǎn)需求，但是材料用量多，將大大增加企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的成本，故試對(duì)立柱的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)改造，擬采用立柱懸置的結(jié)構(gòu)，即立柱和橫梁的連接處不采用全接觸的形式。從而，需要保證機(jī)床在安全工作的前提下，達(dá)到節(jié)能減材的目的。本文對(duì)大噸位壓力機(jī)的立柱部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并驗(yàn)證采用立柱懸置結(jié)構(gòu)的安全性。

1 機(jī)身有限元模型分析

1.1 機(jī)身三維模型的建立

從結(jié)構(gòu)上看，機(jī)身主要分成橫梁、底座兩大件，兩大件采用四根拉緊螺桿，連接成閉式框架結(jié)構(gòu)。如圖1所示，分別為機(jī)身立柱的懸置形式和普通全接觸形式。

1.2 材料定義及網(wǎng)格劃分

圖1 機(jī)身整體模型

計(jì)算前在確保其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不發(fā)生變化的情況下，對(duì)1300t八連桿壓力機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化[5]，對(duì)明顯不影響機(jī)身整體強(qiáng)度和剛度的螺釘孔和小的倒角等部位予以簡(jiǎn)化。劃分網(wǎng)格時(shí)，在Solid186（四面體）與187（六面體）單元之間切換。機(jī)身主要有兩種材料組成，橫梁、底座、立柱采用Q235A鋼，材料特性常數(shù)通常包括彈性模量、泊松比、密度，Q235A的彈性模量 E=211GPa，泊松比 μ=0.270，密度 ρ=7800kg/m3；連接部件，如拉緊螺桿和螺母采用45號(hào)鋼，其彈性模量 E=209GPa，泊松比 μ=0.269，ρ=7890kg/m3。劃分單元結(jié)點(diǎn)數(shù)為298474，單元數(shù)為127320。

1.3 邊界條件和載荷的施加

由于模型較大，機(jī)身結(jié)構(gòu)為對(duì)稱形式，所以在計(jì)算壓力機(jī)立柱的受力情況時(shí)，只取模型的1/2進(jìn)行分析。

分析大噸位壓力機(jī)立柱的受力情況時(shí)，由于立柱的受力變形情況受到其他部件的影響，所以分別分析整體機(jī)身在施加預(yù)緊力情況下和在工作運(yùn)轉(zhuǎn)中這兩種狀態(tài)下的位移以及應(yīng)力場(chǎng)分布。壓力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，滑塊慣性運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)身造成沖擊，工作中不可避免會(huì)出現(xiàn)機(jī)身振動(dòng)，為保證高加工精度和提高模具的使用壽命，要求壓力機(jī)在工作時(shí)各連接部分之間不允許產(chǎn)生間隙和錯(cuò)移，而是否產(chǎn)生間隙和錯(cuò)移主要受預(yù)緊力的取值影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)此型號(hào)機(jī)床所加的預(yù)緊力為公稱力的1.5倍，將機(jī)身四個(gè)底座支撐完全約束，分別在機(jī)身上梁軸支撐孔處加FA=1875kN和FB=2785kN的余弦面載荷。

在工作情況下，需要給軸孔施加反作用力，軸承和軸承支撐板屬于過盈配合[6]。1964年P(guān)ersson詳細(xì)研究了軸和孔的接觸問題[7]，給出了接觸弧α隨載荷P的變化曲線對(duì)不同α值的壓力分布。在本機(jī)床中，軸孔和軸的接觸表面可以看成完全貼合在一起的。當(dāng)軸和軸孔為間隙接觸（ΔR為正值）時(shí)，接觸弧度接近90°，此時(shí)的壓力分布近似于余弦。壓力分布可寫為余弦函數(shù)：

式中：Fm——軸作用在軸承內(nèi)圈上的最大載荷。

將軸承內(nèi)圈與軸有接觸力作用的接觸表面，平均分成六部分?？傻贸觯?/p>

計(jì)算已知等效面面積，得出施加在軸孔面上的最大載荷，兩種不同類型的軸孔A和B的壓強(qiáng)PA=11.245MPa，PB=11.023MPa，加載后的受力分析模型如圖2所示。

圖2 載荷施加形式

2 機(jī)身靜力學(xué)分析

通過計(jì)算可以得到全接觸立柱形式和立柱懸置結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能比對(duì)。表1是兩種不同的立柱結(jié)構(gòu)在施加13000kN公稱力時(shí)的靜力學(xué)分析。

在實(shí)際設(shè)計(jì)壓力機(jī)時(shí)，因?yàn)橐ＷC其工作可靠性，取安全系數(shù)1.5，屈服極限為σ≤235MPa，則其許用應(yīng)力 [σs]=σs/n=156.667MPa。在壓力機(jī)工作狀態(tài)，滑塊沖壓工件時(shí)，懸置立柱和全接觸式立柱的應(yīng)力值均在10MPa～44MPa之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，懸置時(shí)立柱的最大等效應(yīng)力為122.73MPa，由有限元靜力分析可知，機(jī)床立柱采用懸置的方式是安全可靠的，且位移變量和應(yīng)力值在允許范圍內(nèi)。

表1 不同形式立柱在13000kN公稱力下的位移和應(yīng)力

在壓力機(jī)采用全接觸式立柱布置時(shí)，立柱的位移量主要為Z向的豎直位移以及由Z向擠壓帶來的側(cè)彎；當(dāng)立柱采用懸置結(jié)構(gòu)時(shí)，立柱的位移量主要來自于Y方向的彎曲變形。通過有限元計(jì)算可知，采用懸置立柱時(shí)，變形量在要求范圍1.3mm內(nèi)。

對(duì)于立柱，在只有預(yù)緊力的情況下，立柱的位移變化和應(yīng)力值都是最大的時(shí)刻，也是立柱的危險(xiǎn)工況。如表2所示為全接觸立柱和懸置立柱在施加19500kN預(yù)緊力情況下的受力變化情況。

壓力機(jī)組裝加以1.5倍的預(yù)緊力時(shí)，立柱的位移變化不得超過公稱力的1/10000，即不得超過1.3mm。由靜力學(xué)分析可知，懸置立柱在安全范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)需求。在采用懸置立柱時(shí)，應(yīng)力最大值為150.83MPa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

由分析可得，通過改變立柱的結(jié)構(gòu)形式后，橫梁和底座減少的質(zhì)量為113.75×2-217.82=9.68t。并且不影響壓力機(jī)工作性能及安全指標(biāo)，是可以利用的結(jié)構(gòu)形式。

3 懸置立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上述對(duì)壓力機(jī)立柱結(jié)構(gòu)的分析可知，機(jī)身立柱尚能滿足產(chǎn)品生產(chǎn)工作要求，但是當(dāng)立柱懸置時(shí)，立柱應(yīng)力的最大值集中在立柱上端面的軸孔上，主要是由立柱側(cè)彎引起的軸孔和拉緊螺桿的接觸擠壓造成的，如圖3所示。為避免由應(yīng)力集中所引起的局部裂紋，可以對(duì)機(jī)床的立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過有限元受力分析發(fā)現(xiàn),增加鋼板厚度是一個(gè)解決機(jī)身立柱剛度的優(yōu)先途徑[8]，本文的優(yōu)化目標(biāo)：在保證壓力機(jī)滿足加工的前提下，使機(jī)身立柱能夠滿足剛度和強(qiáng)度條件，減小軸孔處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。組成立柱的鋼板如圖4所示，對(duì)要優(yōu)化的鋼板進(jìn)行編號(hào)，選用不同的鋼板厚度，對(duì)機(jī)身整體和局部剛度都會(huì)產(chǎn)生直接的影響。本文改變鋼板的厚度，設(shè)計(jì)合適的變量梯度，通過有限元進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

表2 不同形式立柱在只有預(yù)緊力情況下的位移和應(yīng)力

圖3 立柱上端面的等效應(yīng)力分布情況

圖4 立柱優(yōu)化鋼板編號(hào)

從表3可知，最滿意的設(shè)計(jì)方案為第3次優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案，機(jī)身立柱軸孔處的最大等效應(yīng)力為137.24MPa，使得此臺(tái)壓力機(jī)的使用更加安全。

表3 各種優(yōu)化方案分析結(jié)果/mm

4 結(jié)論

（1）在壓力機(jī)采用全接觸式立柱布置時(shí)，立柱的位移量主要為Z向的豎直擠壓位移；當(dāng)立柱采用懸置結(jié)構(gòu)時(shí)，立柱的位移量主要來自于Y方向的彎曲變形。

（2）采用懸置立柱形式，立柱的位移量滿足要求范圍，即在公稱力的1/10000mm內(nèi)，不超過1.3mm。充分符合壓力機(jī)得到設(shè)計(jì)要求，懸置立柱結(jié)構(gòu)能夠滿足生產(chǎn)和剛度、強(qiáng)度要求。

（3）對(duì)機(jī)身立柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大圍板的厚度，可以減小立柱上端軸孔處得到應(yīng)力集中情況。

（4）通過減小橫梁和底座的寬度，達(dá)到機(jī)身輕量化的目的。這種立柱懸置結(jié)構(gòu)節(jié)省了大量的材料，約節(jié)省材料重量9.68t。

（5）本文論證了對(duì)大噸位大型壓力機(jī)采用立柱懸置結(jié)構(gòu)是安全合理的。

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