趙小滿，周 歡，席美蕾，鄒海東

（1.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 江都 225200；2.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

1 前言

折彎機設計質量的好壞將直接影響設備的使用性能及制造成本，其強度、剛度、可靠性及穩(wěn)定性也將直接影響加工工件的質量[1，2]。為此，對折彎機進行優(yōu)化設計十分必要。

目前在折彎機的結構設計中，由于機架構件在幾何形狀、載荷作用和約束條件等方面的復雜性，僅依靠傳統(tǒng)的材料力學方法已難以對機架的各區(qū)域提供準確的分析，不能滿足結構的設計要求[3]。本文采用有限元分析軟件ANSYS對PBB110-3100型折彎機進行整體建模并仿真，定量地描述了側板結構變化對機身整體變形和喉口應力的影響。

2 有限元分析

2.1 折彎機三維模型

PBB系列折彎機架體主要由左右側板、滑塊、上橫梁、工作臺、前后立板及相關連接件組成。在有限元分析中，為避免小特征與小結構件在網格劃分時產生大量的有限元單元，增加計算難度，且造成網格質量下降，影響結構的分析精度[4]，因此對模型作適當簡化和修改，對不影響折彎機剛性的部件不作考慮，分析只涉及側板、滑塊、工作臺、前后立板及撓度補償機構。簡化后的折彎機模型如圖1所示。

2.2 約束及載荷

圖1 折彎機模型

機架是通過地腳螺栓固定在地基上的，螺栓限制了機架底面三個方向的移動與轉動，因此對地腳螺栓施加全約束?；瑝K經吊緊機構與油缸的活塞桿連接，折彎過程中滑塊始終處于運動狀態(tài)，導軌并不限制滑塊的左右位移，導軌僅限制滑塊前后方向的自由度。

折彎過程中載荷是隨時間變化的，當滑塊進行到折彎下死點時，油壓至峰值后保壓然后卸載[5]，此分析中僅考慮公稱力1100kN全長加載情況下的應力與變形情況，在折彎機受力區(qū)域施加集中載荷。為加載方便，采用平均壓力代替，各作用壓力大小如下。

滑塊上作用平均壓力：

中立板上作用平均壓力：

2.3 計算結果分析

圖2、圖3分別顯示了側板的應力與整體變形情況，可以得知側板本身受到的應力不大，最大應力出現在側板與工作臺聯接處，高達302MPa。

分析認為，產生如此大應力的原因是由于這些部位焊接比較密集，且在有限元分析時默認為焊接強度與鍛件強度相同，而實際折彎過程中兩者的強度相差較大；根據實際工作情況，這個部位并不會產生疲勞斷裂，因此該部位應力值可不重點關注[6]。

在實際工作過程中，比較容易出現破壞的部位在側板“C”型喉口處，經計算上喉口最大應力達到178MPa，分析原因是上喉口的圓弧半徑較小所致。

根據位移云圖可知機身的最大變形為1.931mm，位置在滑塊的上端中部；側板的最大變形也相當，最大變形為1.608mm，位于側板最上端。從結果還可看出，整機的前半部分、側板上半部分變形較大，往下逐漸減小。變形趨勢符合工作實際情況，結果也較為合理。

圖2 側板應力云圖

圖3 整體變形云圖

3 側板結構優(yōu)化

折彎機側板是承受工作載荷最主要的部件之一，側板的剛度不僅影響折彎機的使用性能，而且影響模具的壽命及折彎件的加工精度。側板占機身總重量的絕大部分，改變側板的厚度、寬度不僅會引起機身重量的較大變化，而且還會影響機身的剛度及喉口的應力。另外側板喉口處存在應力集中，喉口半徑過小比較容易發(fā)生破壞。因此將側板厚度、寬度及喉口半徑作為優(yōu)化的因素。

3.1 側板厚度對折彎機性能影響

原側板厚度為50mm，在結構優(yōu)化中將厚度作為設計變量，保持其他零部件的尺寸和外形不變，將側板厚度從40mm逐步增加至60mm，步長為5mm，經有限元計算，側板厚度對整機最大變形及喉口處最大應力的關系曲線分別如圖4、5所示。

圖4 整體最大變形隨側板厚度的變化曲線

圖5 喉口最大應力隨側板厚度的變化曲線

可以看出，側板厚度對整體最大變形及喉口處最大應力有很大的影響，整體最大變形及喉口最大應力幾乎與側板厚度成線性關系。側板厚度由40mm變化到60mm時，整體最大變形由2.303mm減小到1.681mm。喉口最大應力由226MPa減小到150MPa。

3.2 側板寬度對折彎機性能影響

側板原寬度為1390mm，選取側板寬度為設計變量，同樣保持其他零部件的尺寸和外形不變，將側板寬度從1290mm逐步增加至1490mm，步長為50mm，經有限元計算，側板寬度對整機最大變形及喉口處最大應力的關系曲線分別如圖6、7所示。

圖6 整體最大變形隨側板寬度的變化曲線

圖7 喉口最大應力隨側板寬度的變化曲線

可以看出，側板寬度對整體最大變形及喉口處最大應力也有很大影響。側板寬度由1290mm變化到1390mm時，整體最大變形由2.186mm減小到1.931mm；而寬度由1390mm變化到1490mm時，整體最大變形由1.931mm減小到1.655mm。隨著側板寬度增加，喉口最大應力由220MPa減小到162MPa。

3.3 喉口半徑對折彎機性能影響[7]

分析前面的結果，上喉口應力高于下喉口，這主要與喉口半徑大小有關，喉口半徑過小易產生應力集中現象，因此在優(yōu)化中，選取上喉口半徑為設計變量，將半徑從50mm逐步增加至130mm，步長為20mm。經有限元計算，上喉口半徑對整體最大變形及喉口處最大應力的關系曲線分別如圖8、9所示。

圖8 整體最大變形隨喉口半徑的變化曲線

圖9 喉口最大應力隨喉口半徑的變化曲線

可以看出，整體最大變形隨喉口半徑的變化近似于線性曲線，喉口半徑由50mm增加至130mm時，整體最大變形從1.931mm降低到1.838mm，僅變化了0.093mm，說明整體最大變形隨喉口半徑的變化比較小。喉口最大應力隨喉口半徑增大而減小，當上喉口半徑增加至110mm以后，喉口最大應力轉變?yōu)橄潞砜谖恢谩?/p>

3.4 優(yōu)化方案確定

根據前述分析可得，折彎機在工作時除局部應力較大外，側板本身所受應力較小。根據企業(yè)要求在保持整體基本尺寸不變的前提下，對折彎機進行結構優(yōu)化，以節(jié)省材料，使應力分布更加均勻、合理。最終確定采用側板減薄10mm，喉口半徑增大50mm，喉口內外兩側添加尺寸為645mm×500mm×40mm的“C”型加強筋的方法。

經有限元計算，整體最大變形從最初的1.931mm降低到1.825mm，喉口最大應力由178MPa減小到102MPa，機床的強度、剛度有所提高，都達到了設計要求，機床質量減輕了近500kg，從而在增強機床性能的基礎上節(jié)約了材料，進一步降低了制造成本。

4 結束語

本文通過有限元軟件對折彎機進行了分析，描述了折彎機側板不同厚度、不同寬度及不同喉口半徑對整體最大變形與喉口最大應力的影響。通過數據對比并最終確定了采用側板減薄、喉口半徑增大、局部添加加強筋的方法，顯著減小了整體變形及喉口應力。在以后的設計中，應充分采用有限元方法來對設計結果進行優(yōu)化。

[1] 胡亞民，夏 華，陳善民，等.我國彎曲成形技術的發(fā)展狀況[J].鍛造與沖壓，2005，4.

[2] 余新陸.板件柔性制造系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 王 宏，劉 翠.折彎機機架變形應力的有限元分析[J].重型機械，2007，5.

[4] 趙汝嘉.機械結構有限元分析[M].西安：西安交通大學出版社，1990.

[5] 談傳明，張子東，等.折彎機滑塊的有限元分析及優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（6）：37-40.

[6] 翟桂強.數控液壓折彎機的結構分析和優(yōu)化設計[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[7] 潘殿生，潘志華，等.有效降低折彎機喉口處應力的機身優(yōu)化設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，45（1）.