折弯机侧板有限元分析与优化

2014-12-16赵小满席美蕾邹海东

锻压装备与制造技术 2014年5期

赵小满，周欢，席美蕾，邹海东

（1.江苏亚威机床股份有限公司，江苏江都 225200；2.扬州大学机械工程学院，江苏扬州 225127）

1 前言

折弯机设计质量的好坏将直接影响设备的使用性能及制造成本，其强度、刚度、可靠性及稳定性也将直接影响加工工件的质量[1，2]。为此，对折弯机进行优化设计十分必要。

目前在折弯机的结构设计中，由于机架构件在几何形状、载荷作用和约束条件等方面的复杂性，仅依靠传统的材料力学方法已难以对机架的各区域提供准确的分析，不能满足结构的设计要求[3]。本文采用有限元分析软件ANSYS对PBB110-3100型折弯机进行整体建模并仿真，定量地描述了侧板结构变化对机身整体变形和喉口应力的影响。

2 有限元分析

2.1 折弯机三维模型

PBB系列折弯机架体主要由左右侧板、滑块、上横梁、工作台、前后立板及相关连接件组成。在有限元分析中，为避免小特征与小结构件在网格划分时产生大量的有限元单元，增加计算难度，且造成网格质量下降，影响结构的分析精度[4]，因此对模型作适当简化和修改，对不影响折弯机刚性的部件不作考虑，分析只涉及侧板、滑块、工作台、前后立板及挠度补偿机构。简化后的折弯机模型如图1所示。

2.2 约束及载荷

图1 折弯机模型

机架是通过地脚螺栓固定在地基上的，螺栓限制了机架底面三个方向的移动与转动，因此对地脚螺栓施加全约束。滑块经吊紧机构与油缸的活塞杆连接，折弯过程中滑块始终处于运动状态，导轨并不限制滑块的左右位移，导轨仅限制滑块前后方向的自由度。

折弯过程中载荷是随时间变化的，当滑块进行到折弯下死点时，油压至峰值后保压然后卸载[5]，此分析中仅考虑公称力1100kN全长加载情况下的应力与变形情况，在折弯机受力区域施加集中载荷。为加载方便，采用平均压力代替，各作用压力大小如下。

滑块上作用平均压力：

中立板上作用平均压力：

2.3 计算结果分析

图2、图3分别显示了侧板的应力与整体变形情况，可以得知侧板本身受到的应力不大，最大应力出现在侧板与工作台联接处，高达302MPa。

分析认为，产生如此大应力的原因是由于这些部位焊接比较密集，且在有限元分析时默认为焊接强度与锻件强度相同，而实际折弯过程中两者的强度相差较大；根据实际工作情况，这个部位并不会产生疲劳断裂，因此该部位应力值可不重点关注[6]。

在实际工作过程中，比较容易出现破坏的部位在侧板“C”型喉口处，经计算上喉口最大应力达到178MPa，分析原因是上喉口的圆弧半径较小所致。

根据位移云图可知机身的最大变形为1.931mm，位置在滑块的上端中部；侧板的最大变形也相当，最大变形为1.608mm，位于侧板最上端。从结果还可看出，整机的前半部分、侧板上半部分变形较大，往下逐渐减小。变形趋势符合工作实际情况，结果也较为合理。

图2 侧板应力云图

图3 整体变形云图

3 侧板结构优化

折弯机侧板是承受工作载荷最主要的部件之一，侧板的刚度不仅影响折弯机的使用性能，而且影响模具的寿命及折弯件的加工精度。侧板占机身总重量的绝大部分，改变侧板的厚度、宽度不仅会引起机身重量的较大变化，而且还会影响机身的刚度及喉口的应力。另外侧板喉口处存在应力集中，喉口半径过小比较容易发生破坏。因此将侧板厚度、宽度及喉口半径作为优化的因素。

3.1 侧板厚度对折弯机性能影响

原侧板厚度为50mm，在结构优化中将厚度作为设计变量，保持其他零部件的尺寸和外形不变，将侧板厚度从40mm逐步增加至60mm，步长为5mm，经有限元计算，侧板厚度对整机最大变形及喉口处最大应力的关系曲线分别如图4、5所示。

图4 整体最大变形随侧板厚度的变化曲线

图5 喉口最大应力随侧板厚度的变化曲线

可以看出，侧板厚度对整体最大变形及喉口处最大应力有很大的影响，整体最大变形及喉口最大应力几乎与侧板厚度成线性关系。侧板厚度由40mm变化到60mm时，整体最大变形由2.303mm减小到1.681mm。喉口最大应力由226MPa减小到150MPa。

3.2 侧板宽度对折弯机性能影响

侧板原宽度为1390mm，选取侧板宽度为设计变量，同样保持其他零部件的尺寸和外形不变，将侧板宽度从1290mm逐步增加至1490mm，步长为50mm，经有限元计算，侧板宽度对整机最大变形及喉口处最大应力的关系曲线分别如图6、7所示。

图6 整体最大变形随侧板宽度的变化曲线

图7 喉口最大应力随侧板宽度的变化曲线

可以看出，侧板宽度对整体最大变形及喉口处最大应力也有很大影响。侧板宽度由1290mm变化到1390mm时，整体最大变形由2.186mm减小到1.931mm；而宽度由1390mm变化到1490mm时，整体最大变形由1.931mm减小到1.655mm。随着侧板宽度增加，喉口最大应力由220MPa减小到162MPa。

3.3 喉口半径对折弯机性能影响[7]

分析前面的结果，上喉口应力高于下喉口，这主要与喉口半径大小有关，喉口半径过小易产生应力集中现象，因此在优化中，选取上喉口半径为设计变量，将半径从50mm逐步增加至130mm，步长为20mm。经有限元计算，上喉口半径对整体最大变形及喉口处最大应力的关系曲线分别如图8、9所示。

图8 整体最大变形随喉口半径的变化曲线

图9 喉口最大应力随喉口半径的变化曲线

可以看出，整体最大变形随喉口半径的变化近似于线性曲线，喉口半径由50mm增加至130mm时，整体最大变形从1.931mm降低到1.838mm，仅变化了0.093mm，说明整体最大变形随喉口半径的变化比较小。喉口最大应力随喉口半径增大而减小，当上喉口半径增加至110mm以后，喉口最大应力转变为下喉口位置。

3.4 优化方案确定

根据前述分析可得，折弯机在工作时除局部应力较大外，侧板本身所受应力较小。根据企业要求在保持整体基本尺寸不变的前提下，对折弯机进行结构优化，以节省材料，使应力分布更加均匀、合理。最终确定采用侧板减薄10mm，喉口半径增大50mm，喉口内外两侧添加尺寸为645mm×500mm×40mm的“C”型加强筋的方法。

经有限元计算，整体最大变形从最初的1.931mm降低到1.825mm，喉口最大应力由178MPa减小到102MPa，机床的强度、刚度有所提高，都达到了设计要求，机床质量减轻了近500kg，从而在增强机床性能的基础上节约了材料，进一步降低了制造成本。