蔣文凱，馮智彥，蔣 飛

（1.天水鍛壓機(jī)床（集團(tuán)）有限公司,甘肅 天水 741020；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

1 引言

重型數(shù)控成型機(jī)其在大型制件的機(jī)械化生產(chǎn)中的地位越發(fā)凸顯，其中多缸的重型成型機(jī)具有集成一體化、加工精度高、生產(chǎn)效率高等一系列的顯著優(yōu)勢(shì)[1]。對(duì)于重型成型機(jī)而言，其本身的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，關(guān)鍵零部件的工作參數(shù)和強(qiáng)度，剛度的檢驗(yàn)和校核往往會(huì)影響到該機(jī)構(gòu)本身的工作性能[2]。

對(duì)重型成型機(jī)進(jìn)行有限元分析時(shí)，通常假設(shè)工作臺(tái)面直接受力，從而忽略了模具和壓力機(jī)之間的影響[3，4]。但是在實(shí)際工作中，成型機(jī)并不是獨(dú)立運(yùn)行的，模具被安裝在成型機(jī)工作臺(tái)及滑塊上，兩者共同完成工件的成型過(guò)程，成型機(jī)和模具在工作過(guò)程中會(huì)互相影響。

本文模擬實(shí)際負(fù)載工況下重型成型機(jī)機(jī)架、油缸、模具等關(guān)鍵功能部件及成型過(guò)程中模具進(jìn)行有限元分析，獲得模擬實(shí)際工況條件下重型成型機(jī)機(jī)關(guān)鍵功能部件及模具的應(yīng)變和應(yīng)力情況。并根據(jù)有限元分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)重型成型機(jī)關(guān)鍵功能部件提出優(yōu)化設(shè)計(jì)意見(jiàn)。

2 重型成型機(jī)關(guān)鍵功能部件的有限元分析與校核

重型成型機(jī)由上下橫梁、油缸、左右立柱、出料機(jī)構(gòu)等部分組成。忽略結(jié)構(gòu)中的焊縫、倒角、部分螺紋孔等對(duì)機(jī)身整體的強(qiáng)度和剛度影響非常小的部分[5]，利用Solidworks 建模軟件建立的三維模型如圖1 所示。左右立柱、上下橫梁、工作臺(tái)作為重型成型機(jī)的主要機(jī)械支撐、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向和工作面，承擔(dān)著整個(gè)機(jī)構(gòu)的主體工作[6]。針對(duì)這幾大功能部分進(jìn)行關(guān)鍵機(jī)械部件的有限元分析，根據(jù)得到的結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核和優(yōu)化。

圖1 重型成型機(jī)三維模型

2.1 重型成型機(jī)立柱有限元分析與校核

立柱作為重型成型機(jī)的主要側(cè)向支撐結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力、應(yīng)變、剛度、強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)對(duì)于重型成型機(jī)本身具有非常重要的意義和價(jià)值。

2.1.1 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

去除掉小型板件，將立柱的三維模型導(dǎo)入Ansys，如圖2 所示。

圖2 立柱的三維模型

根據(jù)二維圖紙，立柱材料主要有Q235-A 及Q345 兩種。兩種材料的主要參數(shù)如表1 所示。網(wǎng)格劃分的原則是在權(quán)衡計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間的前提下，保證在合理時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成計(jì)算[7]。因此綜合考慮以上因素，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。

圖3 立柱的網(wǎng)格劃分

表1 立柱立板的兩種材料參數(shù)

2.1.2 有限元模型求解

立柱所受的力為頂部的壓力，中間兩側(cè)的拉力和壓力，立板受到底部的固定約束，如圖4 所示，利用Ansys 軟件求解了其總變形和應(yīng)力大小如圖5 所示。根據(jù)有限元模型求解的結(jié)果，立柱立板的最大變形為1.092mm，最大應(yīng)力為184MPa，最大應(yīng)力處為施加預(yù)緊螺栓處，由上述表1 中兩種材料的屈服極限可知，立柱立板的最大應(yīng)力符合材料的應(yīng)力屈服極限要求。

圖4 立柱的施加力和約束

圖5 立柱立板的總變形和應(yīng)力分布圖

2.2 重型成型機(jī)上下橫梁的有限元分析與校核

重型成型機(jī)上下橫梁作為機(jī)構(gòu)中主要的運(yùn)動(dòng)單元和工作平面[8]，在實(shí)際工作環(huán)境中往往受到較大的平面載荷和工作壓力。因此需要對(duì)上下橫梁在工作環(huán)境中的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行分析和討論。

2.2.1 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)前文所述的重型成型機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，上橫梁和下橫梁的有限元模型如圖6 所示。

圖6 上下橫梁的三維模型

上下橫梁的工作采用的材料同樣為Q235-A 和Q345 兩種，其網(wǎng)格劃分及施加方式如圖7 所示。

圖7 上下橫梁的網(wǎng)格劃分

2.2.2 有限元模型求解

上下橫梁兩邊與立柱立板相連，因此在兩處施加固定約束，上橫梁底部與液壓缸相連，考慮到液壓缸的布置為對(duì)稱分布，因此在上橫梁底部施加平面載荷，下橫梁底部與工作臺(tái)面相接觸，因此在下橫梁底部同樣施加平面載荷，施加的約束和力的方式如圖8 所示。

圖8 上下橫梁的施加力和約束

同樣利用Ansys 分別計(jì)算出上下橫梁的最大變形及最大應(yīng)力，如圖9 所示。

圖9 上下橫梁的應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖

根據(jù)圖中結(jié)果可以看出，上橫梁的最大變形為2.87mm，最大應(yīng)力為402MPa，位于施加預(yù)緊螺栓處；下橫梁最大變形為0.36mm，最大應(yīng)力為112MPa。經(jīng)校核，下橫梁的應(yīng)力非常安全，但是上橫梁部分位置存在應(yīng)力超出應(yīng)力極限的問(wèn)題，且應(yīng)力最大處多分布在施加預(yù)緊螺栓處，可見(jiàn)預(yù)緊螺母的接觸面積過(guò)小或者是接觸處的材料強(qiáng)度不夠，擬考慮增大預(yù)緊螺母的接觸面積或者更換接觸處的材料來(lái)提高上橫梁的強(qiáng)度和剛度。

3 重型成型機(jī)油缸有限元分析與校核

重型成型機(jī)的主要?jiǎng)恿Σ考? 個(gè)液壓缸，液壓缸作為重型成型機(jī)的液壓執(zhí)行元件，能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度[9]。因此需要對(duì)液壓缸進(jìn)行有限元分析和校核以滿足使用需求。

3.1 液壓缸的有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

建立液壓缸的有限元模型，考慮到液壓缸自身的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將模型分為對(duì)稱的兩部分，輸入45 鋼，40Cr，Q345 的材料數(shù)值，并分別對(duì)對(duì)應(yīng)部位進(jìn)行材料設(shè)置。使用Ansys-Mesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用Adaptive 方法對(duì)整個(gè)液壓缸進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10]。后續(xù)再進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，在缸底部和活塞桿的倒角和導(dǎo)向槽、密封槽內(nèi)的面設(shè)置精度為3 的renfinement，完成網(wǎng)格劃分劃分后的網(wǎng)格如圖10 所示。

圖10 液壓缸的網(wǎng)格劃分

3.2 液壓缸的有限元分析過(guò)程

利用Ansys 軟件自動(dòng)生成裝配關(guān)系的命令完成各部件之間的連接。載荷最大的瞬間假設(shè)液壓缸各結(jié)構(gòu)件沒(méi)有發(fā)生相對(duì)位移,缸體與缸底螺栓連接的面、缸口與缸體、缸口與活塞桿，活塞桿與缸體接觸面均定義為bonded。

在成型載荷下，液壓缸下腔內(nèi)部封閉且充滿高壓液體，忽略其泄漏及活塞與缸筒、導(dǎo)向套與活塞摩擦。在有限元仿真環(huán)境下，液壓缸壓力在同一時(shí)間點(diǎn)均勻分布，分別以6000t 載荷計(jì)算得到的壓力為26.743MPa，考慮液壓泵輸出壓力所設(shè)的31MPa，以及以1.25 倍安全系數(shù)的38.75MPa 為所施加的均布載荷進(jìn)行仿真計(jì)算，液壓缸的施加力和約束如圖11所示。

圖11 液壓缸的施加力和約束

對(duì)液壓缸進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載,進(jìn)行求解,得出缸體、活塞桿應(yīng)力分布情況仿真分析結(jié)果如圖12 所示。

根據(jù)圖12 中有限元分析結(jié)果，得到液壓缸載荷下應(yīng)力最大的區(qū)域在缸底的密封槽內(nèi)部，具體區(qū)域如上圖所示，載荷為26.743MPa、31MPa 和38.75MPa 時(shí)，缸底密封槽內(nèi)部最大應(yīng)力為144.62MPa、167.64MPa和209.55MPa，低于45 鋼屈服強(qiáng)度355MPa，均在安全范圍內(nèi)。

圖12 液壓缸加載應(yīng)力分布云圖

4 重型成型機(jī)模具有限元分析

4.1 工件與工況的選定

折彎成形技術(shù)是將折彎過(guò)程分解為許多細(xì)小的步驟，成型過(guò)程的每一步只對(duì)鋼板的一小段進(jìn)行彎曲成型，使該段鋼板彎曲為與模具形狀相似的輪廓，通過(guò)較多的步驟使鋼板逐步彎曲成形，在數(shù)控系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)的作用下，使鋼板逐步接近設(shè)計(jì)的變形輪廓，最終變形為預(yù)先設(shè)定的整體形狀[11]。可以采用輕量化的通用模具和較低的成型力獲得理想的成型效果。

4.2 折彎成形過(guò)程的有限元模擬

金屬塑性成形有限元分析軟件Deform 有限元模擬軟件是一套可以完成成形工藝仿真的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)成形、熱處理、機(jī)加工等過(guò)程的模擬計(jì)算[12]。

在進(jìn)行折彎成形過(guò)程有限元模擬時(shí)，前處理過(guò)程包括：設(shè)定模擬的基本參數(shù)和網(wǎng)格劃分。工件的材料為Q345，在Deform 使用45 號(hào)鋼材料代替。將上模向下的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為5mm/s，每步壓下量為1mm，總步長(zhǎng)為30 步，上?？傂纬蔀?50mm。摩擦系數(shù)為0.12。采用相對(duì)網(wǎng)格方式進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)為180000，尺寸比為8，為了節(jié)省計(jì)算量和有較為精確的仿真結(jié)果，對(duì)工件彎曲變形部分進(jìn)行局部網(wǎng)格劃分，如圖13 所示，網(wǎng)格窗口內(nèi)外尺寸比為0.0001，得到26301 個(gè)節(jié)點(diǎn)和100189 個(gè)元素。

圖13 工件的網(wǎng)格劃分

先對(duì)彎曲成形工藝中第一次彎曲進(jìn)行模擬，根據(jù)冷擠壓成形工藝方案建立的初始模型如圖14 所示，隨后利用Deform 軟件對(duì)工件的整個(gè)成形過(guò)程進(jìn)行模擬。

圖14 折彎成形工藝初始的三維模型

折彎工藝第一個(gè)彎曲的成形過(guò)程如圖15 所示?？梢钥闯鰬?yīng)力集中區(qū)為上模接觸板料的區(qū)域附近，主要原因是在板料彎曲過(guò)程中，這一區(qū)域向兩邊，曲率半徑是呈逐漸減小的趨勢(shì)的，材料晶體顆粒在該位置被拉深、旋轉(zhuǎn)、變形程度最大，因此板料在此處最容易出現(xiàn)拉裂破壞現(xiàn)象。

圖15 第一次彎曲成形過(guò)程

4.3 折彎成形過(guò)程中模擬結(jié)果分析

在模具應(yīng)力分析中，將上模和下模設(shè)為彈性模型，坯料則設(shè)為剛塑性模型。分別對(duì)四種工件尺寸加工時(shí)第一次彎曲成形四種工況進(jìn)行模擬，得到不同工序中模具的受力情況。四種工況如表2 所示。

表2 四種工況的工藝參數(shù)表

四種工況下垂直于工件方向上的載荷（Y 方向）隨著上模行程的變化如圖16 所示。每種工況下下模和上模所受載荷基本呈同一增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨著上模行程增加，所受到的力也越大，最大可達(dá)2.3×108N。下模所受到的載荷在上模從接觸工件開(kāi)始下壓量達(dá)到30mm 時(shí)達(dá)產(chǎn)生突變，最大可達(dá)2.68×108N。對(duì)比四種工況，隨著下模槽寬增加，模具整體受力減小。對(duì)比三、四工況，隨著板件的厚度減小，成形力也變小。選取四種工況下彎曲成形中上模下壓量為30mm 時(shí)模具所受到的載荷，如表3 所示。

圖16 四種工況下模具受力與行程關(guān)系

表3 四種工況的模具受力表

4.4 模具整體受力有限元分析

上述模擬過(guò)程主要討論了模具受力與行程的關(guān)系，為了更好的表述模具與重型成型機(jī)在工作過(guò)程中的相互影響。利用Ansys 軟件將上模和下模的三維模型導(dǎo)入Workbench 進(jìn)行分析計(jì)算，網(wǎng)格劃分遵循前述的網(wǎng)格劃分原則，載荷的施加按照Deform 中受載荷最大的工況一進(jìn)行模擬仿真，上模的等效應(yīng)力云圖和變形云圖如圖17 所示，計(jì)算得到模具應(yīng)力最大為864.23MPa，發(fā)生在上模具兩側(cè)邊的地方，最大變形為2mm。

圖17 上模的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖

下模的等效應(yīng)力云圖和變形云圖如圖18 所示，計(jì)算得到模具應(yīng)力最大為630.67MPa，發(fā)生在與工件接觸處，最大變形為0.33mm。

圖18 上模的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可以看出在各階段成形模具受力和模具單獨(dú)情況下的受力分析，為重型成型機(jī)模具整體機(jī)構(gòu)的載荷加載提供數(shù)據(jù)及比較依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)分析重型成型機(jī)上下橫梁和立柱的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，結(jié)論為下工作臺(tái)和立柱較為安全，但是上橫梁部分位置存在應(yīng)力超出應(yīng)力極限的問(wèn)題，且應(yīng)力最大處多分布在施加預(yù)緊螺栓處，預(yù)緊螺母的接觸面積過(guò)小或者是接觸處的材料強(qiáng)度不夠。在工程設(shè)計(jì)中得到了改進(jìn)。

（2）對(duì)重型成型機(jī)的液壓缸進(jìn)行了三種工況有限元仿真分析，計(jì)算得到的最大應(yīng)力位于缸底的密封槽內(nèi)部，數(shù)值為209.55MPa，低于45 鋼屈服強(qiáng)度355MPa。油缸設(shè)計(jì)合理。

（3）進(jìn)行了實(shí)際負(fù)載工況下重型成型機(jī)及模具的有限元分析，以成形過(guò)程為例，利用Deform 軟件得到了四種工況下彎曲成形中上模下壓量為30mm時(shí)模具所受到的載荷隨行程的變化曲線，同時(shí)基于載荷最大工況對(duì)模具進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變的單獨(dú)分析。

（4）仿真成型機(jī)和模具裝配，得到工作中各部位等效應(yīng)力和變形分布情況。經(jīng)過(guò)與模具、機(jī)身單獨(dú)分析時(shí)的結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)为?dú)分析時(shí)的應(yīng)力和變形分布與整體分析的位置基本保持一致。結(jié)論為模具和機(jī)身單獨(dú)分析的結(jié)果可以預(yù)測(cè)模具和機(jī)身的變形趨勢(shì)。