肘杆式数控转塔冲床机身有限元分析与优化

zillaya

运用COSMOS有限元软件对新开发的肘杆式数控冲床的机身进行有限元分析与计算，研究其在公称力下机身的变形和应力分布情况，并分析构成机身结构主要部件对机身应力应变的影响。根据分析结果，对机身结构进行了优化设计，在保证机身刚度的情况下，进一步减轻机身重量，降低生产成本，提高了产品的竞争力。
% L8 F+ _; E& A5 ]+ r. B1引言
1 N; ^/ A9 {  j& g- r数控转塔冲床是一种利用数控技术对板料进行加工的锻压设备。与一般冲床相比，它含有一个高效的数控系统和冲压模具库，通过数控编程能实现板料的快速移动和定位，只需安装一次模具就可完成工件上数十个甚至成百个冲裁、浅拉延、压印等冲压工序，具有效率高、柔性好、精度高等特点。机械传动数控转塔冲床通常采用曲柄滑块机构，虽然具有急回和力放大运动特性，但由于受到机械结构的限制，难以获得理想的工作行程曲线，其滑块速度不易改变。行程次数低，功率消耗大。液压传动数控转塔冲床虽然能够很好地控制滑块的冲程和冲压频率，能够根据冲压板材和冲裁件很好地控制冲压力的大小，但液压传动冲床也有空程和回程速度慢、生产效率低、所需电机功率大、易泄漏等缺陷。肘杆式数控转塔冲床的传动机构实质上是由不同形式的双曲柄滑块机构组成，具有曲柄半径小、功率消耗低、工作行程大、回程速度高、在高频率下能够得到低而均匀的工艺速度，同时还可以降低振动，减少噪声到75dB(A)，比机械压机和油压机减少10-20dB(A)。因为减少了冲击，模具寿命可提高3倍以上。
数控转塔冲床中机身是承受全部工作载荷的最关键的部件之一，因此，机身对冲床的精度起着决定性的作用。尤其是其刚度，设计时应该重点考虑，因为一般冲床往往不是由于强度不够而破坏，而是由于机身变形影响冲床的工作。机身的刚度不仅影响冲床的性能和使用寿命，还直接影响机床上模具的寿命及成形零件的加工精度，甚至影响到生产的顺利完成。另外，数控转塔冲床喉口深度比一般冲床更大，机身刚度更难以保证。因此，我们利用有限元方法分析机身的受力，合理设计机身结构，使机身有足够的刚度，以保证冲床的精度，提高产品性能。
2 机身的基本结构
2 j' R; E& E' n' a: P7 P+ ^传统的数控转塔冲床机身分为开式和闭式两种，开式机身在三个方向均有开口，故容易接近模具。装拆模具方便，前后、左右方向均可进行操作。对操作者极其便利，同时还具有机身结构简单、重量轻、占地面积小、造价比较便宜等优点。针对开式数控转塔冲床的工作特点并参考相关产品结构，机身将采用板块式框架焊接结构。在分析机身结构的焊接工艺性和冲床零部件安装空间等要求后，初步设计的机身基本结构如图1所示，机身宽度350mm，高度2200mm，喉口深度1270mm，喉口高度575mm是由钢板焊接而成的开式结构。
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图1 床身总体结构图
, n0 H" {, i/ a) b; |. `" ?5 w3 有限元模型的建立
COSMOS是SRAC推出的一套强大的有限元分析软件，传统的方法在分析装配体时是先把零件拆散。然后一个个分别处理，耗时耗力，又存在计算结果不精确的缺点。COSMOS提供了多场/多组件的复杂装配分析。从而大大简化工程师的劳动。使得分析能够更好地模拟真实情况，结果也就更精确。同时，COSMOS采用FFE(Fast Finite Element)技术使得复杂耗时的工程分析时间大大缩短，机床工作台对整个机床的刚度和强度影响很小，因此，在建立有限元模型的时候把工作台及其附属部件全部省略。在COSMOS中建立的有限元模型如图2所示，整体采用四面体网格划分，300kN的公称力分别作用在位于轴承孔正下方的工作台和曲柄安装面上，在六个地脚螺栓处施加三个方向的约束，并假定钢板为理想焊接。
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9 x1 R2 ?. q- I$ x( d图2 床身有限元模型
4 静态分析
图3和图4分别是机身静态分析的Von Mises应力云图和机身的总体变形图(变形放大300倍)。
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8 q4 O% [* {; L) q从图可以看出，在肘杆机构和伺服电机安装位置出现局部的高应力区，应力分别为65MPa和64MPa同时机身喉口处四个圆角位置也出现明显的应力集中，喉口上端圆角应力为52.7MPa，喉口下端圆角应力为55MPa，机身最小安全系数为3.4，显然强度指标不会成为机身设计的难点。机身加载后，总体变形最大位移为1.028mm最大位移发生在机身上梁顶端，由整个机身的应力与变形分布可得：除应力集中的极少部分区域外，应力值都较低因此，机身强度满足要求；但机身上梁高度方向的位移和转角较大，对冲床的精度有较明显的影响，因而有必要改进机身的部分结构或连接钢板的厚度以提高机身的刚度。从机身应力云图看出，机身大部分区域应力很小，可适当减小侧板厚度，考虑到机身刚度的变化，可在喉口位置焊接加强板，修改后机身结构见图5。

  H+ @! S- v! J* m图5 改进后的床身示意图
7 c' ]' L2 }0 r& G. Y4 `  u0 l5 机身优化设计
要对机身进行优化设计，首先要研究构成机身结构的各连接钢板厚度对机身各性能参数的影响。
5.1侧板厚度对机身强度和刚度的影响
7 T" M! q! Z# f# _1 `1 `经计算，两侧板的重量占机身总重量的54%，侧板厚度的改变会引起机身总重量的较大变化。同时，侧板承担绝大部分的应力，整机的强度和刚度主要是由侧板的厚度来决定的。在这里，主要考虑机身变形随侧板厚度的变化情况。
$ D% E4 e$ t7 K, i* V+ O( v& F2 Y由图6(加强板厚度为40mm时)可以看出，机身的刚度随侧板厚度的变化影响非常大，当侧板厚度由20mm变化到60mm时，机身的最大变形由1.512mm减小到0.739mm。
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# i2 W- J$ H  j5 r- u图6 机身最大变形随侧板厚度变化情况
' A: X/ Q! M% n3 }, G9 S' R5.2 加强板对机身刚度的影响
用同样的方法分析加强板对机身刚度的影响。由图7(侧板厚度为40mm时)可以看出，机身的刚度随加强板厚度的变化不是十分明显，当加强板厚度由20mm变化到60mm时，机身的最大变形仅由1.085减小到0.914。
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8 @7 N4 q% U* R2 @, J) f& B5.3 喉口上挡板对机身刚度的影响
/ M3 H( `# \- G/ e6 G# l' b从图8看出，喉口上挡板厚度变化对机身的刚度影响很小，可以忽略不计，但考虑到挡板上要安装其他附件，可以尽量减小钢板厚度，以节约板材。
5.4 机身优化设计
1 Q% S$ W. a0 y4 m1 `5 H构成冲床机身的主要部件有侧板、加强板、喉口立柱、喉口上挡板、喉口下挡板、冲口立柱、工作台以及一些其他挡板等。为了简化优化过程、所选取的设计变量主要是机身各部分的板厚、在这里主要选取侧板、加强板、喉口立柱、喉口上挡板、喉口下挡板、底板的厚度作为设计变量，以机身的总体积作为最
终优化目标，以机身的最大Von Mises应力和机身最大变形为约束条件。
在COSMOS中经过51次迭代、运算过程中体积随迭代次数变化关系图如图9所示、从中选取一组最优结果、并将优化的尺寸进行圆整统一后作为最终优化结果。优化前后钢板厚度对比如表1所示。

优化后、机身最大变形由1.028减小为0.942机身刚度比以前略有增强、机身总重量减小了468 kg与原来相比节约钢材6%，降低了生产成本，进一步提高了产品的竞争力。
6 结论
运用有限元方法对某新型肘杆式数控转塔冲床机身进行受力分析计算与结构优化，能够准确地计算出机身各个部位的应力和应变。在保证机身强度、刚度的前提下，提供最优化机身的焊接结构形式与焊接钢板厚度。使所设计的机身具有最好的使用性能和最低的材料消耗与制造成本，以便获得最佳的经济效益和社会效益。
【MechNet】
文章关键词： 数控转塔冲床