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        折彎?rùn)C(jī)滑塊變形分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

        2015-11-26 09:28:20周歡馮天民應(yīng)博川龔俊杰趙小滿
        機(jī)床與液壓 2015年19期
        關(guān)鍵詞:折彎?rùn)C(jī)板材滑塊

        周歡,馮天民,應(yīng)博川,龔俊杰,趙小滿

        (1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州225127;2.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司,江蘇江都225200)

        0 前言

        折彎?rùn)C(jī)是一種使用最廣泛的彎曲成形設(shè)備,在數(shù)控折彎?rùn)C(jī)上可以做出不同形狀的折彎件,它們比軋制型材輕,且外形美觀。采用折彎件焊接成的構(gòu)件,較同類鑄鋼件在質(zhì)量上可以輕30%~50%,且制作簡(jiǎn)單,生產(chǎn)效率高。折彎?rùn)C(jī)滑塊是折彎?rùn)C(jī)在折彎板材時(shí)最重要的執(zhí)行部件之一,在折彎力的作用下,滑塊會(huì)產(chǎn)生變形,嚴(yán)重影響加工工件的角度和直線精度。

        江蘇亞威機(jī)床股份有限公司的談傳明[1],通過(guò)CosmosWorks分析軟件對(duì)PBB-400/5100折彎?rùn)C(jī)滑塊有限元分析,通過(guò)優(yōu)化減小了滑塊肩部與活塞桿接觸部位應(yīng)力較大的情況。揚(yáng)州大學(xué)的周歡等人[2],通過(guò)ANSYS分析軟件對(duì)PBB-110/3100折彎?rùn)C(jī)滑塊分析與優(yōu)化,采用4種不同方案,并最終確定二、四組合方案為最終的優(yōu)化方法,顯著的減小了滑塊肩部應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

        文獻(xiàn)[1-2]計(jì)算滑塊的變形僅考慮了豎直方向的載荷,查閱國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)資料,目前很少有人研究過(guò)水平位移,因此對(duì)滑塊的變形計(jì)算存在著很大的誤差,主要是因?yàn)檎蹚澚δM不準(zhǔn),事實(shí)上水平折彎力很大,對(duì)滑塊水平變形的影響非常嚴(yán)重。還有一個(gè)原因是喉口應(yīng)力往往較大,側(cè)板發(fā)生變形,這也導(dǎo)致了滑塊的翻轉(zhuǎn),加劇了水平變形。嚴(yán)重影響了板料加工的直線度。

        1 折彎載荷的數(shù)值計(jì)算

        1.1 有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

        剛塑性有限元法是基于小應(yīng)變的位移關(guān)系,但是它忽略了材料塑性變形時(shí)的彈性變形部分,而考慮了材料在塑性變形時(shí)的體積不變條件,它可以用來(lái)計(jì)算較大變形的問(wèn)題,所以近年來(lái)發(fā)展迅速,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于分析各種金屬塑性成形過(guò)程[3]。

        文中模擬折彎過(guò)程使用的軟件為DEFORM-3D,它是在一個(gè)集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析,適用于熱、冷、溫成形,提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)。文中采用Solid-Works進(jìn)行三維建模,轉(zhuǎn)換為stl格式文件,然后導(dǎo)入DEFORM-3D,如圖1所示。上、下模設(shè)置為剛體,下模V形槽開(kāi)口角度為88°,槽寬16 mm。文中研究折彎材料是Q235,但因?yàn)镈EFORM不是國(guó)內(nèi)軟件,材料庫(kù)中沒(méi)有Q235對(duì)應(yīng)的材料,根據(jù)AISI美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn),低碳鋼 (AISI1005~1026)的含碳量為0.06% ~0.28%,對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)的含碳量標(biāo)準(zhǔn)(<0.25%),選取 AISI-1020 為研究材料[4-6]。對(duì)板材選取溫度及材料屬性,添加邊界條件和運(yùn)動(dòng)條件,然后再對(duì)板材進(jìn)行網(wǎng)格劃分,寬厚規(guī)格為60 mm×3 mm的鋼板,取長(zhǎng)500 mm進(jìn)行研究,劃分網(wǎng)格,三維模型如圖1所示。

        圖1 有限元模型

        1.2 接觸問(wèn)題處理

        折彎過(guò)程是模具和板材相互作用的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中,模具連續(xù)擠壓板材,以便使材料在高溫、高速下產(chǎn)生塑性變形;反過(guò)來(lái),板材又不斷摩擦和擠壓刀片。在此過(guò)程中,板材與模具的接觸是動(dòng)態(tài)變化的。所以,對(duì)折彎過(guò)程的模擬,必然涉及到接觸問(wèn)題。接觸是邊界條件非線性作用的復(fù)雜問(wèn)題,需要準(zhǔn)確地追蹤在接觸前與接觸后兩個(gè)物體發(fā)生的相互作用。文中設(shè)定模具為主動(dòng)接觸體,板材是被動(dòng)接觸體,又因?yàn)檠芯康氖抢湔蹚澾^(guò)程,選擇shear類型,并設(shè)定摩擦因數(shù)為0.12。在折彎的接觸過(guò)程中,板材上的節(jié)點(diǎn)不可能總是恰好與模具接觸,因此,引入了接觸容差的概念。如果容差值設(shè)置過(guò)大,則可能把太多的節(jié)點(diǎn)定位到接觸表面,容易導(dǎo)致板材有限元網(wǎng)格的畸變;如果容差值過(guò)小則可能在接觸面上找不到節(jié)點(diǎn),甚至沒(méi)有接觸點(diǎn)產(chǎn)生[3]。值得欣喜Deform-3D系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)合理的容差值。

        1.3 約束與載荷

        考慮到實(shí)際的折彎過(guò)程,限制上模的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和X、Z方向的自由度、只保留上模向下的 (即Y方向)移動(dòng)自由度,同時(shí)限制下模3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和移動(dòng)自由度。對(duì)于板材,平放在下模上表面,折彎過(guò)程中模具限制了板料的Y、Z轉(zhuǎn)動(dòng)與X、Z方向的移動(dòng)自由度。

        仿真模擬載荷的施加:給上模施加一個(gè)速度,該速度與實(shí)際折彎過(guò)程中的上模和板材接觸時(shí)的速度相等。為了真實(shí)模擬折彎過(guò)程中上模向下運(yùn)動(dòng)而使板材產(chǎn)生塑性變形并最終成型的過(guò)程,查詢?cè)撔吞?hào)折彎?rùn)C(jī)使用說(shuō)明書(shū)可知上模運(yùn)動(dòng)速度v=10 mm/s。

        1.4 仿真結(jié)果

        如圖2所示為折彎過(guò)程中折彎力的變化趨勢(shì),從圖中可以看出,折彎力迅速達(dá)到最大,板材持續(xù)塑形變形直到成型,折彎力迅速下降,仿真過(guò)程中得到板厚為3 mm的折彎力行程關(guān)系曲線,由圖2可知,當(dāng)工件折彎到90°時(shí),折彎力約為96 kN,并且利用折彎力理論計(jì)算公式得到折彎力為179.34 kN,處在誤差范圍內(nèi),可以認(rèn)為模擬的結(jié)果是可行的。

        圖2 折彎豎直力變化

        通過(guò)圖3所示,可以發(fā)現(xiàn)在折彎時(shí),上模不但受到豎直方向的折彎力,水平方向還受到折彎推力。水平推力隨上模行程變化波動(dòng)比較大,當(dāng)最終保壓時(shí),可以認(rèn)為水平力恒定,當(dāng)工件折彎到90°時(shí),取近似平穩(wěn)階段折彎水平力大約為7.84 kN。

        圖3 折彎水平力變化

        2 滑塊變形的有限元分析

        采用ANSYS軟件對(duì)折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行三維變形應(yīng)力分析,定量地描述折彎?rùn)C(jī)滑塊的變形和應(yīng)力分布狀態(tài),找出了其薄弱環(huán)節(jié),并用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

        文獻(xiàn)[2]中載荷施加僅考慮了豎直的折彎力,即油缸的滿載壓力。通過(guò)上文DEFORM有限元軟件的仿真,得知折彎過(guò)程中有水平力的產(chǎn)生。通過(guò)計(jì)算,應(yīng)給滑塊下端安裝模具的凸臺(tái)部位施加水平推力,大小約為43.12 kN。

        2.1 計(jì)算結(jié)果分析

        圖4、5分別顯示了滑塊下端豎直與水平變形情況,由圖4可以看出滑塊豎直方向中間部位變形較大,中間相對(duì)于兩側(cè)最大變形達(dá)到0.471 mm。變形趨勢(shì)符合實(shí)際工作情況。圖5顯示了滑塊水平方向變形呈現(xiàn)中間大兩端小趨勢(shì),中間相對(duì)于兩側(cè)最大變形達(dá)到0.907 mm。

        圖4 滑塊豎直變形

        圖5 滑塊水平變形

        3 滑塊變形測(cè)試

        為了驗(yàn)證有限元計(jì)算的正確性,對(duì)折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,采用位移傳感器作為測(cè)量工具對(duì)折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行變形測(cè)量。測(cè)量時(shí),將百分表固定在專門(mén)制作的工裝上,百分表的觸頭抵在被測(cè)量表面上。折彎過(guò)程中,油缸驅(qū)動(dòng)滑塊,數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)將會(huì)得到電壓信號(hào),記錄數(shù)據(jù),通過(guò)儀器標(biāo)定值將電壓值轉(zhuǎn)換成測(cè)點(diǎn)的位移值[7]。實(shí)驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖6、7、8所示。

        圖6 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)一

        圖7 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)二

        圖8 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)三

        圖9 滑塊下端豎直變形對(duì)比

        圖10 滑塊下端水平變形對(duì)比

        文中滑塊測(cè)試沿長(zhǎng)度方向共測(cè)試16個(gè)點(diǎn)的變形,折彎工況為自由滿載折彎長(zhǎng)3 m,厚3 mm的普通Q235鋼。將測(cè)試值與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,曲線如圖9、10所示。豎直變形對(duì)比如圖9,其中測(cè)試值為滑塊的絕對(duì)變形,計(jì)算值為滑塊的相對(duì)變形,這里面包含了由于機(jī)身剛度不足而導(dǎo)致的變形。因此兩條曲線存在間隙。但測(cè)試值與計(jì)算值滑塊中間部位與兩側(cè)豎直相對(duì)變形基本一致,兩條曲線趨于平行。從圖10可以看出,折彎?rùn)C(jī)滑塊的水平變形測(cè)試值與有限元計(jì)算值均比較接近。

        4 結(jié)論

        通過(guò)DEFORM-3D有限元軟件對(duì)折彎過(guò)程進(jìn)行仿真,分別得出了折彎豎直力與水平力。再通過(guò)ANSYS有限元分析軟件對(duì)折彎?rùn)C(jī)變形進(jìn)行計(jì)算,為驗(yàn)證計(jì)算的正確性,對(duì)折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)剛性測(cè)試,通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比,試驗(yàn)測(cè)值與有限元計(jì)算值比較接近,從而驗(yàn)證了剛度計(jì)算的正確性,為進(jìn)一步完善和優(yōu)化折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

        [1]談傳明,張子?xùn)|,曹光榮,等.折彎?rùn)C(jī)滑塊的有限元分析及優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2011(6):37-40.

        [2]趙小滿,周歡,龔俊杰,等.基于有限元技術(shù)的折彎?rùn)C(jī)滑塊分析與 改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2014(3):38-40.

        [3]張莉,李升軍.DEFORM在金屬塑性成形中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

        [4]俞漢清,陳金德.金屬塑性成形原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

        [5]劉紅濤.基于DEFORM-3D平臺(tái)不銹鋼板材熱軋工藝模擬研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2011.

        [6]沈明.鉑金工藝及模擬仿真分析[D].蘇州:蘇州大學(xué),2011.

        [7]南京安正軟件工程有限責(zé)任公司.安正CRAS振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析軟件使用說(shuō)明書(shū)[Z].2007.

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