肘桿式數控轉塔沖床機身有限元分析

肘桿式數控轉塔沖床機身有限元分析,讓我們看看以下，中國工業協會唯一指定模具設計基地---科技，將為您作詳細的介紹。

　     1引言

    
    數控轉塔沖床是一種利用數控技術對板料進行加工的鍛壓設備。與一般沖床相比，它含有一個高效的數控系統和沖壓模具庫，通過數控編程能實現板料的快速移動和定位，只需安裝一次模具就可完成工件上數十個甚至成百個沖裁、淺拉延、壓印等沖壓工序，具有效率高、柔性好、精度高等特點。機械傳動數控轉塔沖床通常采用曲柄滑塊機構，雖然具有急回和力放大運動特性，但由于受到機械結構的限制，難以獲得理想的工作行程曲線，其滑塊速度不易改變。行程次數低，功率消耗大。液壓傳動數控轉塔沖床雖然能夠很好地控制滑塊的沖程和沖壓頻率，能夠根據沖壓板材和沖裁件很好地控制沖壓力的大小，但液壓傳動沖床也有空程和回程速度慢、生產效率低、所需電機功率大、易泄漏等缺陷。肘桿式數控轉塔沖床的傳動機構實質上是由不同形式的雙曲柄滑塊機構組成，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，同時還可以降低振動，減少噪聲到75dB(A)，比機械壓機和油壓機減少10-20dB(A)。因為減少了沖擊，模具壽命可提高3倍以上。
    
    數控轉塔沖床中機身是承受全部工作載荷的最關鍵的部件之一，因此，機身對沖床的精度起著決定性的作用。尤其是其剛度，設計時應該重點考慮，因為一般沖床往往不是由于強度不夠而破壞，而是由于機身變形影響沖床的工作。機身的剛度不僅影響沖床的性能和使用壽命，還直接影響機床上模具的壽命及成形零件的加工精度，甚至影響到生產的順利完成。另外，數控轉塔沖床喉口深度比一般沖床更大，機身剛度更難以保證。因此，我們利用有限元方法分析機身的受力，合理設計機身結構，使機身有足夠的剛度，以保證沖床的精度，提高產品性能。
    
    2 機身的基本結構
    
    傳統的數控轉塔沖床機身分為開式和閉式兩種，開式機身在三個方向均有開口，故容易接近模具。裝拆模具方便，前后、左右方向均可進行操作。對操作者極其便利，同時還具有機身結構簡單、重量輕、占地面積小、造價比較便宜等優點。針對開式數控轉塔沖床的工作特點并參考相關產品結構，機身將采用板塊式框架焊接結構。在分析機身結構的焊接工藝性和沖床零部件安裝空間等要求后，初步設計的機身基本結構如圖1所示，機身寬度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構。

    
    3 有限元模型的建立
    
    COSMOS是SRAC推出的一套強大的有限元分析軟件，傳統的方法在分析裝配體時是先把零件拆散。然后一個個分別處理，耗時耗力，又存在計算結果不精確的缺點。COSMOS提供了多場/多組件的復雜裝配分析。從而大大簡化工程師的勞動。使得分析能夠更好地模擬真實情況，結果也就更精確。同時，COSMOS采用FFE(Fast Finite Element)技術使得復雜耗時的工程分析時間大大縮短，機床工作臺對整個機床的剛度和強度影響很小，因此，在建立有限元模型的時候把工作臺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和曲柄安裝面上，在六個地腳螺栓處施加三個方向的約束，并假定鋼板為理想焊接。

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    4 靜態分析
    
    圖3和圖4分別是機身靜態分析的Von Mises應力云圖和機身的總體變形圖(變形放大300倍)。
    
    從圖可以看出，在肘桿機構和伺服電機安裝位置出現局部的高應力區，應力分別為65MPa和64MPa同時機身喉口處四個圓角位置也出現明顯的應力集中，喉口上端圓角應力為52.7MPa，喉口下端圓角應力為55MPa，機身最小安全系數為3.4，顯然強度指標不會成為機身設計的難點。機身加載后，總體變形最大位移為1.028mm最大位移發生在機身上梁頂端，由整個機身的應力與變形分布可得：除應力集中的極少部分區域外，應力值都較低因此，機身強度滿足要求；但機身上梁高度方向的位移和轉角較大，對沖床的精度有較明顯的影響，因而有必要改進機身的部分結構或連接鋼板的厚度以提高機身的剛度。從機身應力云圖看出，機身大部分區域應力很小，可適當減小側板厚度，考慮到機身剛度的變化，可在喉口位置焊接加強板，修改后機身結構見圖5。

    
    5機身優化設計
    
    要對機身進行優化設計，首先要研究構成機身結構的各連接鋼板厚度對機身各性能參數的影響。

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    5.1側板厚度對機身強度和剛度的影響
    
    經計算，兩側板的重量占機身總重量的54%，側板厚度的改變會引起機身總重量的較大變化。同時，側板承擔絕大部分的應力，整機的強度和剛度主要是由側板的厚度來決定的。在這里，主要考慮機身變形隨側板厚度的變化情況。
    
    由圖6(加強板厚度為40mm時)可以看出，機身的剛度隨側板厚度的變化影響非常大，當側板厚度由20mm變化到60mm時，機身的最大變形由1.512mm減小到0.739mm。

    
    5.2加強板對機身剛度的影響
    
    用同樣的方法分析加強板對機身剛度的影響。由圖7(側板厚度為40mm時)可以看出，機身的剛度隨加強板厚度的變化不是十分明顯，當加強板厚度由20mm變化到60mm時，機身的最大變形僅由1.085減小到0.914。

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    5.3喉口上擋板對機身剛度的影響
    
    從圖8看出，喉口上擋板厚度變化對機身的剛度影響很小，可以忽略不計，但考慮到擋板上要安裝其他附件，可以盡量減小鋼板厚度，以節約板材。
    
    5.4 機身優化設計
    
    構成沖床機身的主要部件有側板、加強板、喉口立柱、喉口上擋板、喉口下擋板、沖口立柱、工作臺以及一些其他擋板等。為了簡化優化過程、所選取的設計變量主要是機身各部分的板厚、在這里主要選取側板、加強板、喉口立柱、喉口上擋板、喉口下擋板、底板的厚度作為設計變量，以機身的總體積作為最
    終優化目標，以機身的最大Von Mises應力和機身最大變形為約束條件。
    
    在COSMOS中經過51次迭代、運算過程中體積隨迭代次數變化關系圖如圖9所示、從中選取一組最優結果、并將優化的尺寸進行圓整統一后作為最終優化結果。優化前后鋼板厚度對比如表1所示。

    
    優化后、機身最大變形由1.028減小為0.942機身剛度比以前略有增強、機身總重量減小了468 kg與原來相比節約鋼材6%，降低了生產成本，進一步提高了產品的競爭力。
    
    6結論
    
    運用有限元方法對某新型肘桿式數控轉塔沖床機身進行受力分析計算與結構優化，能夠準確地計算出機身各個部位的應力和應變。在保證機身強度、剛度的前提下，提供最優化機身的焊接結構形式與焊接鋼板厚度。使所設計的機身具有最好的使用性能和最低的材料消耗與制造成本，以便獲得最佳的經濟效益和社會效益。