1600kN开式压力机机身结构分析与改进

姚盼盼，王 强，张 凯，丁 忠

（1.济南大学 机械工程学院，山东 济南250022；2.山东拓维数控设备有限公司，山东 济南250022）

0 引言

1600 kN 开式压力机是一种通用性很强的压力机，广泛应用于冲裁、弯曲、切边和拉深等冷冲压工序。1600kN开式压力机机身的结构为C 型，三面敞开，喉深较大，装卸料、装卸模具等操作都很方便，适合于较大型板材的冲压加工。但由于机身呈C 型，刚度较差，使用过程中会出现角变形，影响加工工件的精度和模具使用寿命，严重时会出现冲头断裂，一般适合中小型压力的加工场合。

柏甫荣和高建和等人[1]提出了一种半闭式的机身结构，使开式机身出现角变形带来的影响得以降低。王勇[2]和詹俊勇、黄建民[3]等人运用有限元软件对开式压力机机身结构进行分析优化，对机身强度、刚度的提高提供了依据；李莹通过对JZ21 型开式压力机进行三维建模及分析，获得了改进机身结构的可靠依据[4]。张凯[5]等人也对开式压力机的角变形进行了深入研究，对提高模具的使用寿命提供了依据。

查阅文献[6]，可大体得出机身角变形示意图如图1 所示。角变形的计算公式为：

图1 机身变形示意图

1 1600kN开式压力机强度及刚度分析

1.1 有限元分析模型

1.1.1 几何模型

1600 kN 开式压力机的现有结构主要是由机身和滑块等各部件组成，共有几十个零件，机身由侧板、加强板、筋板、立板、外侧板等焊接而成。为降低有限元分析难度，将模型进行合理简化。简化时按照既要使分析难度降低又不能使结构的力学性能发生太大变化的原则进行。为此，作如下简化和假设：

（1）对于明显不会影响压力机整体强度和刚度的部位，如某些销孔、螺纹孔、尖角和圆角等进行简化。

（2）将导轨看做自由界面，滑块与导轨间视为无力传递。

简化后的压力机由机身和滑块两部分组成，因为直接用ANSYS 建模很不方便，所以借助SolidWorks进行建模，SolidWorks 建模时由于考虑到有限元软件ANSYS 对于多个零件的复杂结构分析时会影响求解效率，加大计算机的工作量，所以在不改变压力机整体结构的情况下，将机身的所有零件简化成一个整体零件。这样ANSYS 通过计算机分析时效率大大提高，而且不会影响最终分析结果。

该机的导轨和液压缸是通过螺栓螺母紧固在机身上的，所以在不影响分析结果的情况下将导轨、液压系统直接建在机身上。由此焊接机身、液压缸以及导轨在建模时简化为一个零件；滑块部分各零件也同理建模为一个零件。再利用SolidWorks软件的接口导入到ANSYS 进行分析。简化后模型如图2所示。

图2 1600kN开式压力机简化模型

1.1.2 材料参数

1600 kN 开式压力机现有机身整体为钢板焊接，材料为Q235，其材料参数为：弹性模量220GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3。

1.1.3 网格划分

综合考虑计算精度和效率，选用四面实体自由网格划分，将尺寸精度均控制在6 上，Global 尺寸控制在0.1。整个模型共划分16641 个单元，29961 个节点。网格划分如图3 所示。

图3 1600kN开式压力机网格图

1.1.4 接触、约束和载荷

约束：1600kN开式压力机现有机构是通过底板用地脚螺栓来固定床身，因此在底板处添加X、Y、Z方向上的零位移全约束，这样既保证了消除刚体位移，又不影响床身的正常自由变形。

接触：1600kN开式压力机现有机构需要建立导轨与滑块、活塞杆和活塞之间的接触。

载荷：方案A 与B 均在液压缸的上顶面（A1）、活塞杆大头端上顶面（A2）、滑块下底面中间位置（A3）及工作台的外侧板上表面（A4）添加均布载荷。其中冲裁力为1600kN，面积和载荷如表1 所示。图4 为1600kN开式压力机现有机构的约束和载荷施加图。

表1 面积和载荷汇总

图4 1600kN开式压力机约束和载荷加载

1.2 结构与分析

将SolidWorks 建立的模型导入到有限元ANSYS中，经过分析，得到1600kN开式压力机现有机构的等效应力云图、等效应变云图，如图5、6 所示。结果分析如表2 所示。

图5 1600kN开式压力机等效应变云图

图6 1600kN开式压力机等效应力云图

表2 结果分析表

2 结构改进与分析

通过对1600kN开式压力机现有机构的分析，可发现喉口处为危险位置，整个机身出现了“张口”，角变形会影响工件精度以及模具使用寿命，所以对此现象提出改进。在工作台上方和压力机前方增加加强壁，进而减少机身角变形。上方通过螺栓和压力机连接，下端用地脚螺栓固定。加强壁结构三维图如图7 所示。

通过增加该加强壁结构，虽然会影响1600kN开式压力机现有结构从前向后上下料的方便性，但是对于想要提高加工工件精度和模具使用寿命的自动化送料的设备很有利。由于工作台尺寸的宽度不同，故将跨距设定为1500mm 和2000mm 两种（方案A 跨距1500mm；方案B 跨距2000mm）。

2.1 改进结构有限元分析模型

2.1.1 几何模型建立

将加强壁结构通过4 对螺栓与1600kN开式压力机现有机构装配，如图7 所示。

图7 1600kN开式压力机结构改进模型

2.1.2 材料参数

为保证1600kN开式压力机现有结构与改进结构之间的可比性，必须保证其他条件相同。故材料参数设置同1.1.2。

2.1.3 网格划分

网格划分方式同现有结构的方式划分，方案A：共268317 个单元，429070 个节点。方案B：共325692个单元，459276 个节点。

2.1.4 接触、约束和载荷

约束：比现有结构多了一个全约束（改进结构底面），其余相同。

接触：比现有结构多了8 个接触对（螺栓连接处），其余相同。

载荷：与现有结构相同。

2.2 结构与分析

将在SolidWorks 中装配好的跨距分别为1500 mm、2000mm 的改进结构导入ANSYS 中进行分析求解，得出两种方案的等效应力云图、等效应变云图，如图8、9、10、11 所示。结果对比见表3 所示。

图8 方案A 等效应变云图

对方案A 和B 以及1600kN开式压力机现有结构的分析结果进行比较发现：

（1）方案B 中压力机所受的最大Von-Mises 应力值比方案A 大一点，但是都比现有结构的应力值小很多。

图9 方案A 等效应力云图

图10 方案B 等效应变云图

表3 两种方案的分析结果对照表

（2）方案A、B 与现有结构的最大变形及应力均集中在喉口处。从整体变形量来看方案A、B 均比现有结构小很多。方案A 比现有结构角变形量降低了96%，方案B 比现有结构角变形量降低了92%。

（3）现有结构角刚度为0.82kN/μrad，方案A 角刚度为36.99kN/μrad，方案B 角刚度为16.88kN/μrad，方案A 比现有结构角刚度增加了98%。方案B 比现有结构角刚度增加了95%。方案A 比方案B 角刚度增加了54%。

3 结束语

通过对1600kN开式压力机现有结构和改进后结构的两种方案的有限元结果分析，得出改进后结构角变形减少了92%～95%，角刚度增加了95%～98%。改进后结构虽增加了板材使用，但对于角变形的减小效果显著，从而可提高工件加工精度，降低模具磨损。

[1]柏甫荣,高建和,詹俊勇,等.半闭式压力机机身的有限元分析与优化[J].机械工程师,2010,（11）：90-92.

[2]WANG Yong,CUI Bao Ping,LI Kun,etc.Structural Analysis and Experimental Research of an CNC Hydraulic Swing-type Plate Shears[J].SciVerse ScienceDirect,2012,（3）：414-420.

[3]詹俊勇，黄建民.JH21-63 型压力机机身的有限元分析与结构测试[J].锻压装备与制造技术,2010,45（2）：61-63.

[4]李 莹.JZ21 型开式压力机机身结构的力学建模及其优化[J].锻压装备与制造技术,2003,38（3）：19-22.

[5]中国机械工程学会塑性工程学会.锻压手册：冲压[M].北京：机械工程出版社,2008.

[6]Zhang K,Wang Q,Yao P P,Ding Z.Analysis on Angular and Torsional Deformation of Open Front Press.Applied Mechanics and Materials.2014（635-637）：123-126.