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CosmosWorks分析軟件對(duì)PBB-400/5100折彎?rùn)C(jī)滑塊有限元分析，通過優(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，它可以用來計(jì)算較大變形的問題，所以近年來發(fā)展迅速，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于分析各種金屬塑性成形過程［3］。

文中模擬折彎過程使用的軟件為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 接觸問題處理

折彎過程是模具和板材相互作用的過程。在這個(gè)過程當(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;反過來，板材又不斷摩擦和擠壓刀片。在此過程中，板材與模具的接觸是動(dòng)態(tài)變化的。所以，對(duì)折彎過程的模擬，必然涉及到接觸問題。接觸是邊界條件非線性作用的復(fù)雜問題，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^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;如果容差值過小則可能在接觸面上找不到節(jié)點(diǎn)，甚至沒有接觸點(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程，查詢?cè)撔吞?hào)折彎?rùn)C(jī)使用說明書可知上模運(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。通過上文DEFORM有限元軟件的仿真，得知折彎過程中有水平力的產(chǎn)生。通過計(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制作的工裝上，百分表的觸頭抵在被測(cè)量表面上。折彎過程中，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DEFORM-3D有限元軟件對(duì)折彎過程進(jìn)行仿真，分別得出了折彎豎直力與水平力。再通過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明書［Z］.2007.