馮晶晶，畢大森，3，李 森

(1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384;2.天津市天鍛壓力機(jī)有限公司，天津 300142;3.天津理工大學(xué)天津市光電顯示材料與器材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

0 前言

THP-10000熱模鍛液壓機(jī)由預(yù)緊框架式結(jié)構(gòu)的主機(jī)、液壓控制系統(tǒng)、電控及數(shù)字顯示系統(tǒng)、頂料裝置、墊板隔熱加熱裝置等部分組成。其工藝范圍寬廣，適用于各種模具的鍛造成形。在制件成形過(guò)程中，壓機(jī)機(jī)身受制件成形的變形抗力作用，機(jī)身發(fā)生變形影響壓制件的精度。要保證制件的精度，得到壓機(jī)機(jī)身剛度的真實(shí)數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行剛度檢測(cè)。

1 壓機(jī)剛度檢測(cè)

1.1 檢測(cè)設(shè)備

對(duì)THP-10000熱模鍛液壓機(jī)進(jìn)行剛度檢測(cè)采用FARO公司生產(chǎn)的Laser Tracker X V2絕對(duì)激光跟蹤儀。如圖1所示，檢測(cè)設(shè)備具體參數(shù)見(jiàn)表1。在整機(jī)剛度相關(guān)的重要檢測(cè)點(diǎn)用跟蹤激光球進(jìn)行標(biāo)識(shí)，絕對(duì)跟蹤儀利用激光對(duì)標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置進(jìn)行精確測(cè)量，捕捉測(cè)量點(diǎn)在不同工況下的位移，獲得所測(cè)特征點(diǎn)的變形。

圖1 Laser Tracker X V2的絕對(duì)激光跟蹤儀及激光球Fig.1 FARO Laser Tracker X V2 and laser receiver

表1 FARO Laser Tracker X V2絕對(duì)激光跟蹤儀技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters FARO Laser Tracker X V2

1.2 測(cè)量工況

結(jié)合液壓機(jī)變形特點(diǎn)，選擇實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)，具體分布如圖2所示。點(diǎn)1～5位于下橫梁上平面邊緣處，點(diǎn)6～10位于上橫梁下平面邊緣處，點(diǎn)27～28分別位于立柱上，通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)分別能夠檢測(cè)出加載時(shí)上橫梁、下橫梁、立柱在高度方向(Z向)的變形情況。

圖2 各主要結(jié)構(gòu)測(cè)量點(diǎn)示意圖Fig.2 Testing points on different parts

檢測(cè)為定壓控制的方式，所選擇的壓力等級(jí)分別為0 MPa、5 MPa、10 MPa、17.5 MPa、27.5 MPa、31.5 MPa，分別在這六種情況下對(duì)壓機(jī)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量前將壓機(jī)左右、前后方向分別定義為空間坐標(biāo)下X、Y軸，壓機(jī)的高度方向定義為空間坐標(biāo)下Z軸。而壓機(jī)變形對(duì)于精度的影響主要取決于高度方向的變形情況，因此，主要處理Z軸數(shù)據(jù)。ΔZx表示Z向?qū)嶋H變形，是指在同一壓力等級(jí)下該特征點(diǎn)絕對(duì)變形與該結(jié)構(gòu)件上選定為基準(zhǔn)點(diǎn)的特征點(diǎn)的絕對(duì)變形之差。THP11-10000液壓機(jī)剛度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

1.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

(1)各測(cè)量點(diǎn)變形實(shí)側(cè)值。以各測(cè)量點(diǎn)之間相對(duì)距離為X坐標(biāo)，實(shí)際變形為Y坐標(biāo)，得到表2、3。支柱滿(mǎn)載變形:0.9101 mm;壓強(qiáng)31.5 MPa。

圖3 檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.3 Testing photos

表2 下橫梁不同壓強(qiáng)下各點(diǎn)X方向坐標(biāo)及變形ΔZx實(shí)測(cè)值Tab.2 X direction coordinate and deformation value ΔZxof bottom beam at different pressures

表3 上橫梁不同壓強(qiáng)下各點(diǎn)X方向坐標(biāo)及變形ΔZx實(shí)測(cè)值Tab.3 X direction coordinate and deformation value ΔZxof upper beam at different pressures

(2)各主要結(jié)構(gòu)變形特性曲線(xiàn)。以各測(cè)量點(diǎn)之間相對(duì)距離為X坐標(biāo)，實(shí)際變形為Y坐標(biāo)，如圖4、圖5所示，分別對(duì)應(yīng)表2、3中數(shù)據(jù)。

由圖4、圖5可知，液壓機(jī)上下橫梁在加載時(shí)沿拋物線(xiàn)形狀變形，變形量隨壓機(jī)壓強(qiáng)增大而增加。根據(jù)曲線(xiàn)形式，可以采用如y=Σ(a1xn+a2xn－1…+anx)方程對(duì)液壓機(jī)變形規(guī)律進(jìn)行非線(xiàn)性擬合。

2 有限元仿真分析

2.1 有限元模型

通過(guò)SolidWorks建立THP11-10000液壓機(jī)機(jī)身三維模型，其中建模時(shí)對(duì)明顯不影響機(jī)身剛度、強(qiáng)度的局部結(jié)構(gòu)如螺釘孔、銷(xiāo)孔、圓角、淺槽等進(jìn)行了簡(jiǎn)化。機(jī)身主體部分左右寬度5 000 mm，總高度13 335 mm。三維模型在Workbench中按照實(shí)際工作情況對(duì)油缸進(jìn)行加載，如圖6所示，各部件材料參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 材料性能參數(shù)Tab.4 Material performance parameters

2.2 邊界條件

(1)載荷邊界條件。載荷分兩步施加，對(duì)機(jī)身施加預(yù)緊力，以1.1倍公稱(chēng)力施加拉桿預(yù)緊力，大小為2.75×107 N，按照實(shí)際工作情況油缸所加載荷為31.5 MPa，并如圖4所示。

圖6 THP11-10000液壓機(jī)機(jī)身網(wǎng)格劃分和模型加載情況Fig.6 Meshing and loading situation of the THP11-10000 hydraulic press

(2)位移邊界條件。在壓機(jī)下橫梁安放四個(gè)支撐墩，約束支撐墩X、Y、Z方向自由度。

2.3 綁定和接觸設(shè)置

按照實(shí)際工作情況對(duì)部件間接合面分別設(shè)置接觸摩擦和綁定，如柱塞與缸體、上下橫梁與支柱之間、上下加熱板與砧子之間為接觸摩擦;壓機(jī)加載工作過(guò)程中不發(fā)生分離的面如拉桿螺栓與上下橫梁接觸面施加綁定約束。

2.4 壓機(jī)機(jī)身變形有限元模擬結(jié)果

按照以上設(shè)定，機(jī)身有限元模擬結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 上橫梁變形云圖Fig.7 Deformation of upper beam

2.5 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果對(duì)比分析

將有限元模擬結(jié)果與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。

表5 模擬結(jié)果與剛度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析Table 5 Comparison of testing and simulation results

由于在模擬時(shí)材料為各向同性的理想化模型，而焊接板材物理性能不可能完成達(dá)到這種效果，必然會(huì)存在一定誤差，上、下橫梁的對(duì)比誤差均小于1%，整體上數(shù)據(jù)非常接近，說(shuō)明液壓機(jī)機(jī)身檢測(cè)數(shù)值是合理的。

3 上下橫梁撓度變形非線(xiàn)性方程擬合

根據(jù)撓度變形與橫梁上載荷作用點(diǎn)坐標(biāo)位置的關(guān)系，建立如圖11所示的橫梁彎曲變形載荷示意圖。

圖11 橫梁彎曲變形載荷示意圖Fig.11 Bending deformation of the beam

式中，F(xiàn)為載荷大小，N;ω為撓度變形，mm;E為材料彈性模量，MPa;I為梁的慣性矩;x為梁上載荷作用點(diǎn)空間坐標(biāo)。

由AC段和CB段撓度變形方程可知，橫梁撓度變形是關(guān)于坐標(biāo)位置的三次冪方程，因此選擇作為理論回歸模型。使用Matlab對(duì)橫梁數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，處理結(jié)果見(jiàn)表6、表7。

表6 下橫梁擬合優(yōu)度及擬合參數(shù)估計(jì)值Tab.6 Fitting parameters and goodness of bottom beam

表7 上橫梁實(shí)測(cè)擬合優(yōu)度及擬合參數(shù)估計(jì)值Tab.7 Fitting parameters and goodness of upper beam

根據(jù)擬合優(yōu)度SSE(和方差)及R-square(相關(guān)系數(shù))這兩項(xiàng)指標(biāo)，SSE值接近于0表明模型選擇及擬合的好;R-square接近于1表明方程中所選變量對(duì)f(x)具有較強(qiáng)的解釋能力，上下橫梁的非線(xiàn)性曲線(xiàn)回歸顯著。

壓機(jī)在滿(mǎn)載情況時(shí)，下、上橫梁撓度變形方程:

4 結(jié)論

(1)THP11_10000熱模鍛液壓機(jī)的變形為2.054 3 mm，整機(jī)高度13 335 mm，剛度為1/6 491小于1/5 000。剛度滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的精度要求，驗(yàn)證液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

(2)上下橫梁的非線(xiàn)性曲線(xiàn)回歸顯著，上述撓度變形擬合方程可以計(jì)算上下橫梁任意位置空間點(diǎn)的變形值，進(jìn)而計(jì)算整機(jī)的有效變形及剛度。

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