李 塹，朱燈林，王金榮，冷志斌，喬根榮

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022；2.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇江都225200）

0 引言

折彎機(jī)在折彎工件的過程中，滑塊與工作臺(tái)受到很大的工作壓力，導(dǎo)致滑塊下端面與工作臺(tái)上端面產(chǎn)生凹形形變，影響折彎工件的折彎角度及其一致性。為了減小滑塊變形帶來的不利影響，需要對滑塊與工作臺(tái)的撓曲變形進(jìn)行補(bǔ)償。折彎機(jī)中常用的補(bǔ)償方式有兩種，一種是液壓補(bǔ)償，一種是機(jī)械補(bǔ)償。液壓補(bǔ)償機(jī)構(gòu)由一組安裝在下工作臺(tái)內(nèi)的油缸組成，工作臺(tái)是三立板結(jié)構(gòu)，油缸體與外側(cè)的兩立板接觸，中間與柱塞桿接觸，當(dāng)油缸作用時(shí)，使工作臺(tái)相對移動(dòng)，形成加凸的理想曲線，保證受力后與滑塊的相對位置關(guān)系不變。機(jī)械補(bǔ)償通過絲杠驅(qū)動(dòng)工作主板上的波浪形斜楔，由于斜楔各部分的角度不一樣，中間大，兩端小，使得工作臺(tái)變形產(chǎn)生向上的加凸曲線，工作臺(tái)的變形抵消了機(jī)床滑塊與工作臺(tái)的變形，保證了加工結(jié)合面的精度，提高了工件的加工質(zhì)量。機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)相比液壓補(bǔ)償機(jī)構(gòu)不需要使用前后立板和液壓油，具有較好的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。

折彎過程中，折彎機(jī)機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)受到反復(fù)的擠壓與拉伸，容易產(chǎn)生強(qiáng)度和疲勞破壞，對機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命的估算與校核有著重要的意義。由于機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用經(jīng)典力學(xué)分析方法較難得到分析結(jié)果。本文嘗試采用三維彈性接觸有限單元法對折彎過程中某型機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算的得到的最大接觸應(yīng)力代入金屬材料的S-N疲勞壽命公式，計(jì)算得出機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的疲勞壽命。

1 機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)接觸應(yīng)力的有限元分析

1.1 有限元模型的建立

初始狀態(tài)時(shí)，機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的凹槽臺(tái)面、上楔塊以及下楔塊三者之間緊緊貼合。折彎時(shí)，下楔塊向右移動(dòng)，這時(shí)，上楔塊下降段與下楔塊相接觸，上楔塊被抬起，由于各段楔塊斜率不同，所以上楔塊被抬起的高度也不同。中間被抬起的高度大，兩邊被抬起的高度小。補(bǔ)償?shù)装骞潭ㄔ诠ぷ髋_(tái)上，工作臺(tái)、補(bǔ)償?shù)装迮c下楔塊的接觸面都為平面，且相互之間都不存在間隙，因而折彎力作用下三者之間不會(huì)產(chǎn)生相對變形，為簡化計(jì)算，在有限元分析時(shí)可將補(bǔ)償?shù)装迨∪ィ瑫r(shí)認(rèn)為下楔塊的底面是固定不動(dòng)的，在下楔塊的底面上施加固定約束。

折彎時(shí)，折彎力經(jīng)下模傳遞到凹槽臺(tái)面上，因而在有限元分析時(shí)在凹槽臺(tái)面的上表面施加1100kN的均布載荷。下楔塊向右移動(dòng)到極限位置時(shí)，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的接觸應(yīng)力最大，故只需對下楔塊向右移動(dòng)到極限位置時(shí)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算[3-4]。

凹槽臺(tái)面與各段楔塊之間、上下楔塊之間可以產(chǎn)生分離但彼此不能進(jìn)入對方，因而定義凹槽臺(tái)面與上楔塊之間以及上下楔塊之間的接觸條件為不可穿透。機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)接觸應(yīng)力分析力學(xué)模型

1.2 分析結(jié)果

對上面建立的機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)有限元模型進(jìn)行迭代求解，可以得到機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上、下楔塊的接觸應(yīng)力，如圖2所示。最大接觸應(yīng)力產(chǎn)生在第一段斜楔上升段與下降段的轉(zhuǎn)折處，大小為291MPa。

圖2 上、下楔塊接觸應(yīng)力分布云圖

2 機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)疲勞壽命的估算

2.1 確定應(yīng)力水平

已知45鋼的σb=600MPa，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[5]第6冊圖40.4-85，得機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的表面加工系數(shù)β=0.9。則機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力水平為：

2.2 確定材料的疲勞極限

當(dāng)缺乏材料疲勞極限的數(shù)值時(shí)，可采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。對于45鋼，對稱循環(huán)時(shí)：

脈沖循環(huán)時(shí)：

此機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)所受的應(yīng)力循環(huán)為脈動(dòng)循環(huán)，機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的應(yīng)力超過了材料的疲勞極限，因而機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的應(yīng)力屬于有限壽命設(shè)計(jì)。

2.3 確定材料的S-N曲線

因沒有45鋼的S-N曲線，可以采用近似法作S-N曲線。在雙對數(shù)坐標(biāo)上做兩點(diǎn)：一點(diǎn)為（N=103，σ=0.9σb＝450MPa）；另一點(diǎn)為（N=107，σ=0.45σb＝270MPa）。連接兩點(diǎn)可得一直線，即為所求的S-N曲線。如圖3所示。

圖3 45鋼S-N對數(shù)曲線

2.4 確定在最大應(yīng)力水平下達(dá)到破壞的循環(huán)數(shù)Ni

機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力水平為323MPa，將其代入45鋼的S-N公式：

可求最大應(yīng)力水平下達(dá)到破壞的循環(huán)數(shù)為Ni=395366。

2.5 計(jì)算機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的壽命

假設(shè)折彎機(jī)每2min完成一次折彎，8小時(shí)工作制，則機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的壽命為：

滿足折彎機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文建立了某型折彎機(jī)機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)疲勞壽命的估算方法，采用三維彈性接觸有限單元法對折彎過程中該補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的接觸應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬，求出機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的最大接觸應(yīng)力，將其代入材料的S-N壽命公式，估算得出機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的疲勞壽命。分析結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的機(jī)械補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求，估算得到的疲勞壽命與試驗(yàn)結(jié)果有較高的吻合程度。該方法對折彎機(jī)機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)疲勞壽命的估算與校核具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

[1]潘殿生，潘志華，阮康平，佘健.數(shù)值模擬在折彎機(jī)機(jī)械補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（2）：58-60.

[2]潘殿生，潘志華，阮康平.折彎機(jī)機(jī)械補(bǔ)償裝置數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（3）：29-31.

[3]胡 斌，艾伯哈特.現(xiàn)代接觸動(dòng)力學(xué)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2003：84-102.

[4]李 塹，王金榮，冷志斌，等.折彎機(jī)機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)接觸應(yīng)力的有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（5）：30-32.

[5]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：680-695.