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實驗室，天津 300384)

0 前言

THP-10000熱模鍛液壓機由預(yù)緊框架式結(jié)構(gòu)的主機、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。在制件成形過程中，壓機機身受制件成形的變形抗力作用，機身發(fā)生變形影響壓制件的精度。要保證制件的精度，得到壓機機身剛度的真實數(shù)據(jù)，需要對其進行剛度檢測。

1 壓機剛度檢測

1.1 檢測設(shè)備

對THP-10000熱模鍛液壓機進行剛度檢測采用FARO公司生產(chǎn)的Laser Tracker X V2絕對激光跟蹤儀。如圖1所示，檢測設(shè)備具體參數(shù)見表1。在整機剛度相關(guān)的重要檢測點用跟蹤激光球進行標識，絕對跟蹤儀利用激光對標識點位置進行精確測量，捕捉測量點在不同工況下的位移，獲得所測特征點的變形。

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

1.2 測量工況

結(jié)合液壓機變形特點，選擇實驗測量點，具體分布如圖2所示。點1～5位于下橫梁上平面邊緣處，點6～10位于上橫梁下平面邊緣處，點27～28分別位于立柱上，通過檢測點分別能夠檢測出加載時上橫梁、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)測量點示意圖Fig.2 Testing points on different parts

檢測為定壓控制的方式，所選擇的壓力等級分別為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壓機進行測量。測量前將壓機左右、前后方向分別定義為空間坐標下X、Y軸，壓機的高度方向定義為空間坐標下Z軸。而壓機變形對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下該特征點絕對變形與該結(jié)構(gòu)件上選定為基準點的特征點的絕對變形之差。THP11-10000液壓機剛度檢測現(xiàn)場如圖3所示。

1.3 檢測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

(1)各測量點變形實側(cè)值。以各測量點之間相對距離為X坐標，實際變形為Y坐標，得到表2、3。支柱滿載變形:0.9101 mm;壓強31.5 MPa。

圖3 檢測現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.3 Testing photos

表2 下橫梁不同壓強下各點X方向坐標及變形ΔZx實測值Tab.2 X direction coordinate and deformation value ΔZxof bottom beam at different pressures

表3 上橫梁不同壓強下各點X方向坐標及變形ΔZx實測值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。以各測量點之間相對距離為X坐標，實際變形為Y坐標，如圖4、圖5所示，分別對應(yīng)表2、3中數(shù)據(jù)。

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

2 有限元仿真分析

2.1 有限元模型

通過SolidWorks建立THP11-10000液壓機機身三維模型，其中建模時對明顯不影響機身剛度、強度的局部結(jié)構(gòu)如螺釘孔、銷孔、圓角、淺槽等進行了簡化。機身主體部分左右寬度5 000 mm，總高度13 335 mm。三維模型在Workbench中按照實際工作情況對油缸進行加載，如圖6所示，各部件材料參數(shù)見表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，對機身施加預(yù)緊力，以1.1倍公稱力施加拉桿預(yù)緊力，大小為2.75×107 N，按照實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液壓機機身網(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。在壓機下橫梁安放四個支撐墩，約束支撐墩X、Y、Z方向自由度。

2.3 綁定和接觸設(shè)置

按照實際工作情況對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;壓機加載工作過程中不發(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 壓機機身變形有限元模擬結(jié)果

按照以上設(shè)定，機身有限元模擬結(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 檢測實驗與有限元模擬結(jié)果對比分析

將有限元模擬結(jié)果與檢測實驗數(shù)據(jù)進行對比，如表5所示。

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

由于在模擬時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到這種效果，必然會存在一定誤差，上、下橫梁的對比誤差均小于1%，整體上數(shù)據(jù)非常接近，說明液壓機機身檢測數(shù)值是合理的。

3 上下橫梁撓度變形非線性方程擬合

根據(jù)撓度變形與橫梁上載荷作用點坐標位置的關(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為梁上載荷作用點空間坐標。

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

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

表7 上橫梁實測擬合優(yōu)度及擬合參數(shù)估計值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))這兩項指標，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f(x)具有較強的解釋能力，上下橫梁的非線性曲線回歸顯著。

壓機在滿載情況時，下、上橫梁撓度變形方程:

4 結(jié)論

(1)THP11_10000熱模鍛液壓機的變形為2.054 3 mm，整機高度13 335 mm，剛度為1/6 491小于1/5 000。剛度滿足實際生產(chǎn)時的精度要求，驗證液壓機機身結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

(2)上下橫梁的非線性曲線回歸顯著，上述撓度變形擬合方程可以計算上下橫梁任意位置空間點的變形值，進而計算整機的有效變形及剛度。

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