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1引言
數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是一種利用數(shù)控技術(shù)對(duì)板料進(jìn)行加工的鍛壓設(shè)備。與一般沖床相比，它含有一個(gè)高效的數(shù)控系統(tǒng)和沖壓模具庫(kù)，通過數(shù)控編程能實(shí)現(xiàn)板料的快速移動(dòng)和定位，只需安裝一次模具就可完成工件上數(shù)十個(gè)甚至成百個(gè)沖裁、淺拉延、壓印等沖壓工序，具有效率高、柔性好、精度高等特點(diǎn)。機(jī)械傳動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床通常采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，雖然具有急回和力放大運(yùn)動(dòng)特性，但由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，難以獲得理想的工作行程曲線，其滑塊速度不易改變。行程次數(shù)低，功率消耗大。液壓傳動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床雖然能夠很好地控制滑塊的沖程和沖壓頻率，能夠根據(jù)沖壓板材和沖裁件很好地控制沖壓力的大小，但液壓傳動(dòng)沖床也有空程和回程速度慢、生產(chǎn)效率低、所需電機(jī)功率大、易泄漏等缺陷。肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是由不同形式的雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，具有曲柄半徑小、功率消耗低、工作行程大、回程速度高、在高頻率下能夠得到低而均勻的工藝速度，同時(shí)還可以降低振動(dòng)，減少噪聲到75dB(A)，比機(jī)械壓機(jī)和油壓機(jī)減少10-20dB(A)。因?yàn)闇p少了沖擊，模具壽命可提高3倍以上。
數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床中機(jī)身是承受全部工作載荷的最關(guān)鍵的部件之一，因此，機(jī)身對(duì)沖床的精度起著決定性的作用。尤其是其剛度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮，因?yàn)橐话銢_床往往不是由于強(qiáng)度不夠而破壞，而是由于機(jī)身變形影響沖床的工作。機(jī)身的剛度不僅影響沖床的性能和使用壽命，還直接影響機(jī)床上模具的壽命及成形零件的加工精度，甚至影響到生產(chǎn)的順利完成。另外，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床喉口深度比一般沖床更大，機(jī)身剛度更難以保證。因此，我們利用有限元方法分析機(jī)身的受力，合理設(shè)計(jì)機(jī)身結(jié)構(gòu)，使機(jī)身有足夠的剛度，以保證沖床的精度，提高產(chǎn)品性能。
2 機(jī)身的基本結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身分為開式和閉式兩種，開式機(jī)身在三個(gè)方向均有開口，故容易接近模具。裝拆模具方便，前后、左右方向均可進(jìn)行操作。對(duì)操作者極其便利，同時(shí)還具有機(jī)身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、占地面積小、造價(jià)比較便宜等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)開式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的工作特點(diǎn)并參考相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，機(jī)身將采用板塊式框架焊接結(jié)構(gòu)。在分析機(jī)身結(jié)構(gòu)的焊接工藝性和沖床零部件安裝空間等要求后，初步設(shè)計(jì)的機(jī)身基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)身寬度350mm，高度2200mm，喉口深度1270mm，喉口高度575mm是由鋼板焊接而成的開式結(jié)構(gòu)。
3 有限元模型的建立
COSMOS是SRAC推出的一套強(qiáng)大的有限元分析軟件，傳統(tǒng)的方法在分析裝配體時(shí)是先把零件拆散。然后一個(gè)個(gè)分別處理，耗時(shí)耗力，又存在計(jì)算結(jié)果不精確的缺點(diǎn)。COSMOS提供了多場(chǎng)/多組件的復(fù)雜裝配分析。從而大大簡(jiǎn)化工程師的勞動(dòng)。使得分析能夠更好地模擬真實(shí)情況，結(jié)果也就更精確。同時(shí)，COSMOS采用FFE(Fast Finite Element)技術(shù)使得復(fù)雜耗時(shí)的工程分析時(shí)間大大縮短，機(jī)床工作臺(tái)對(duì)整個(gè)機(jī)床的剛度和強(qiáng)度影響很小，因此，在建立有限元模型的時(shí)候把工作臺(tái)及其附屬部件全部省略。在COSMOS中建立的有限元模型如圖2所示，整體采用四面體網(wǎng)格劃分，300kN的公稱力分別作用在位于軸承孔正下方的工作臺(tái)和曲柄安裝面上，在六個(gè)地腳螺栓處施加三個(gè)方向的約束，并假定鋼板為理想焊接。
4 靜態(tài)分析
圖3和圖4分別是機(jī)身靜態(tài)分析的Von Mises應(yīng)力云圖和機(jī)身的總體變形圖(變形放大300倍)。
從圖可以看出，在肘桿機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)安裝位置出現(xiàn)局部的高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力分別為65MPa和64MPa同時(shí)機(jī)身喉口處四個(gè)圓角位置也出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，喉口上端圓角應(yīng)力為52.7MPa，喉口下端圓角應(yīng)力為55MPa，機(jī)身最小安全系數(shù)為3.4，顯然強(qiáng)度指標(biāo)不會(huì)成為機(jī)身設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。機(jī)身加載后，總體變形最大位移為1.028mm最大位移發(fā)生在機(jī)身上梁頂端，由整個(gè)機(jī)身的應(yīng)力與變形分布可得：除應(yīng)力集中的極少部分區(qū)域外，應(yīng)力值都較低因此，機(jī)身強(qiáng)度滿足要求；但機(jī)身上梁高度方向的位移和轉(zhuǎn)角較大，對(duì)沖床的精度有較明顯的影響，因而有必要改進(jìn)機(jī)身的部分結(jié)構(gòu)或連接鋼板的厚度以提高機(jī)身的剛度。從機(jī)身應(yīng)力云圖看出，機(jī)身大部分區(qū)域應(yīng)力很小，可適當(dāng)減小側(cè)板厚度，考慮到機(jī)身剛度的變化，可在喉口位置焊接加強(qiáng)板，修改后機(jī)身結(jié)構(gòu)見圖5。
5機(jī)身優(yōu)化設(shè)計(jì)
要對(duì)機(jī)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要研究構(gòu)成機(jī)身結(jié)構(gòu)的各連接鋼板厚度對(duì)機(jī)身各性能參數(shù)的影響。
5.1側(cè)板厚度對(duì)機(jī)身強(qiáng)度和剛度的影響
經(jīng)計(jì)算，兩側(cè)板的重量占機(jī)身總重量的54%，側(cè)板厚度的改變會(huì)引起機(jī)身總重量的較大變化。同時(shí)，側(cè)板承擔(dān)絕大部分的應(yīng)力，整機(jī)的強(qiáng)度和剛度主要是由側(cè)板的厚度來決定的。在這里，主要考慮機(jī)身變形隨側(cè)板厚度的變化情況。
由圖6(加強(qiáng)板厚度為40mm時(shí))可以看出，機(jī)身的剛度隨側(cè)板厚度的變化影響非常大，當(dāng)側(cè)板厚度由20mm變化到60mm時(shí)，機(jī)身的最大變形由1.512mm減小到0.739mm。
5.2加強(qiáng)板對(duì)機(jī)身剛度的影響
用同樣的方法分析加強(qiáng)板對(duì)機(jī)身剛度的影響。由圖7(側(cè)板厚度為40mm時(shí))可以看出，機(jī)身的剛度隨加強(qiáng)板厚度的變化不是十分明顯，當(dāng)加強(qiáng)板厚度由20mm變化到60mm時(shí)，機(jī)身的最大變形僅由1.085減小到0.914。
5.3喉口上擋板對(duì)機(jī)身剛度的影響
從圖8看出，喉口上擋板厚度變化對(duì)機(jī)身的剛度影響很小，可以忽略不計(jì)，但考慮到擋板上要安裝其他附件，可以盡量減小鋼板厚度，以節(jié)約板材。
5.4 機(jī)身優(yōu)化設(shè)計(jì)
構(gòu)成沖床機(jī)身的主要部件有側(cè)板、加強(qiáng)板、喉口立柱、喉口上擋板、喉口下?lián)醢濉_口立柱、工作臺(tái)以及一些其他擋板等。為了簡(jiǎn)化優(yōu)化過程、所選取的設(shè)計(jì)變量主要是機(jī)身各部分的板厚、在這里主要選取側(cè)板、加強(qiáng)板、喉口立柱、喉口上擋板、喉口下?lián)醢�、底板的厚度作為設(shè)計(jì)變量，以機(jī)身的總體積作為最
終優(yōu)化目標(biāo)，以機(jī)身的最大Von Mises應(yīng)力和機(jī)身最大變形為約束條件。
在COSMOS中經(jīng)過51次迭代、運(yùn)算過程中體積隨迭代次數(shù)變化關(guān)系圖如圖9所示、從中選取一組最優(yōu)結(jié)果、并將優(yōu)化的尺寸進(jìn)行圓整統(tǒng)一后作為最終優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化前后鋼板厚度對(duì)比如表1所示。
優(yōu)化后、機(jī)身最大變形由1.028減小為0.942機(jī)身剛度比以前略有增強(qiáng)、機(jī)身總重量減小了468 kg與原來相比節(jié)約鋼材6%，降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
6結(jié)論
運(yùn)用有限元方法對(duì)某新型肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身進(jìn)行受力分析計(jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出機(jī)身各個(gè)部位的應(yīng)力和應(yīng)變。在保證機(jī)身強(qiáng)度、剛度的前提下，提供最優(yōu)化機(jī)身的焊接結(jié)構(gòu)形式與焊接鋼板厚度。使所設(shè)計(jì)的機(jī)身具有最好的使用性能和最低的材料消耗與制造成本，以便獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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