摘 要：建立球頭銷三維模型做靜態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上利用SolidWorks Simulation對球頭銷進(jìn)行疲勞分析，得到等效應(yīng)力和生命周期等相關(guān)數(shù)據(jù)，最后對其優(yōu)化設(shè)計，在滿足應(yīng)力要求和輕量化的前提下，比較分析優(yōu)化前后的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：壓力機(jī)；球頭銷；疲勞分析；SolidWorks Simulation

傳動系統(tǒng)是高速精密壓力機(jī)的核心，其曲柄滑塊機(jī)構(gòu)之間須有圓周運動和直線運動的轉(zhuǎn)接點，經(jīng)由這個機(jī)構(gòu)將圓周運動轉(zhuǎn)換成滑塊的直線運動，而轉(zhuǎn)接點的連接形式主要有球頭、球臼式和柱銷、軸套式兩種。球頭式可使結(jié)構(gòu)緊湊從而降低壓力機(jī)高度，而且受力面積較大具有自適應(yīng)性，保證了傳動系統(tǒng)的高剛度和穩(wěn)定性，但加工較為困難；柱銷式隨著壓力機(jī)公稱力的增大柱銷直徑就要相應(yīng)加大，另外其通孔的同軸度和柱銷圓柱度是加工難點。對于中小型壓力機(jī)，球頭式連桿結(jié)構(gòu)應(yīng)用普遍。

壓力機(jī)在不停地高速沖裁工作時，雖單次作用力不足以導(dǎo)致球頭銷失效，但載荷呈周期性變化反復(fù)作用，隨著時間的推移，設(shè)計就很有可能會出現(xiàn)疲勞破壞。使用Solid Works Simulation對其進(jìn)行疲勞分析，并在滿足高速精密壓力機(jī)對于壽命的一般要求下，實現(xiàn)球頭銷的優(yōu)化設(shè)計。

一、靜態(tài)分析

由疲勞分析的一般過程可知，疲勞分析的前提是對零件進(jìn)行力學(xué)分析，找到載荷作用下構(gòu)件的結(jié)構(gòu)危險部位的應(yīng)力及應(yīng)變。

1.三維建模

根據(jù)企業(yè)提供的工程圖紙，建立了鋼圈三維實體模型，參照有限元簡化模型的一般原則，在保證鋼圈結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不變的前提下，將所建立的模型加以簡化。

2.靜態(tài)分析

靜態(tài)分析的結(jié)果可以作為疲勞分析的前提條件。

（1）球頭銷的材料為40Cr，各項指標(biāo)如表1所列。

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（2）球頭銷只在壓力機(jī)沖壓坯料時才會受到最大負(fù)荷，其受力面積等于球頭與球臼的接觸面積；本機(jī)為400t四點壓力機(jī)，故靜態(tài)分析時每個球頭銷受到100t沖裁反力。

（3）球頭銷突臺圓柱面和螺釘孔使用“固定幾何體”夾具，并采用“基于曲率的網(wǎng)格”高品質(zhì)劃分網(wǎng)格，仿真分析得到的等效應(yīng)力云圖和合位移云圖。

球頭銷所受最大等效應(yīng)力在球頭頸圓周節(jié)點上，大小為272.5MPa，遠(yuǎn)小于40Cr，材料屈服強(qiáng)度785MPa，因此原設(shè)計是安全的。

二、疲勞分析

觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于載荷不斷加載和卸載的變動過程中，即使材料或結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值始終沒有超過材料的強(qiáng)度極限，甚至在低于彈性極限的情況下就可能發(fā)生破壞的現(xiàn)象，就叫疲勞破壞。結(jié)構(gòu)或機(jī)械直至破壞前所作用的循環(huán)載荷的次數(shù)或時間稱為疲勞壽命。疲勞壽命分析是指確定疲勞壽命的方法。

定義壓力機(jī)球頭銷疲勞分析的“添加事件”按以下方法實施：（1）壓力機(jī)在兩班制工作時，且遵守使用規(guī)則的條件下，至第一次計劃大修的使用時間一般應(yīng)為5～8年。本機(jī)滑塊行程次數(shù)為400spm，故“周期”輸入3072000（按8年計算）；（2）添加的材料屬性中自帶40Cr的疲勞S-N曲線，插值取雙對數(shù)，應(yīng)力比率R=-1；（3）疲勞分析的屬性設(shè)置依次為“隨意交互作用”“對等應(yīng)力（von Mises）”“Soderberg”“疲勞強(qiáng)度縮減因子（Kf）為1”。運行分析得球頭銷經(jīng)過3072000次的沖裁撞擊后，其最小生命周期為4×107。

三、優(yōu)化設(shè)計

由于機(jī)構(gòu)間的相互制約，原設(shè)計可以在四處選取變量進(jìn)行尺寸約束，其中球銷直徑知：dB=3.9～5.7■.

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式中：P0—球頭上的作用力（kN），且P0=1000KN。

故dB=123.33mm～180.25mm，另外球頭頸直徑、球頂圓直徑和球盤直徑范圍分別設(shè)為（70mm，95mm）、（64mm，100mm）和（120mm，200mm）；約束為應(yīng)力小于750MPa；目標(biāo)是質(zhì)量最小（原質(zhì)量為10.5kg）。

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運行優(yōu)化便能夠得到新的球頭銷結(jié)構(gòu)，其變量尺寸的前后值對比如表2。對此作靜態(tài)分析和疲勞分析，可以得到優(yōu)化設(shè)計后的生命周期，最小生命周期為3654000，大于3072000；最大應(yīng)力為401.9MPa，小于785Mpa；質(zhì)量減至6.34kg。

本文針對高速壓力機(jī)球頭銷的疲勞分析，可作為其他受沖裁反力作用下機(jī)構(gòu)疲勞分析的參考；利用Solid Works Simulation從建模到分析，無需導(dǎo)出數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換界面，提高了工作效率；隨著壓力機(jī)向著的大型化、高速精密化、自動化的趨勢發(fā)展，以及加工設(shè)備和工藝的不斷升級，三點傳力柱銷式的連桿結(jié)構(gòu)也有其獨特的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

葉修梓，陳超祥.SolidWorks Simulation高級教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

作者簡介：鄭佳，男，1989年2月出生，就職于江蘇徐州工程機(jī)械高級技工學(xué)校，研究方向：機(jī)械類。

編輯 孫玲娟