朱紅萍， 陶志高， 張婷

（1沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港215600；2江蘇合豐機(jī)械制造有限公司，江蘇 張家港215600）

0 引言

彎管加工在工程管道、航空航天、金屬材料、動(dòng)力機(jī)械、建筑機(jī)械、石化輕工等部門(mén)中起著非常重要的地位。彎管機(jī)是空心管件型材在彎管模具的作用下，彎曲到材料屈服極限時(shí)加載彎曲并保持一定的軸向彎曲力，使之成形的設(shè)備。其中，彎管模是彎管機(jī)的關(guān)鍵零部件，是彎管加工過(guò)程中最主要的受力部件。彎管模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理可靠直接影響到彎管機(jī)整機(jī)加工產(chǎn)品的精度。本文在保證全自動(dòng)扭彎?rùn)C(jī)整機(jī)工況的前提下，利用其嵌入式有限元分析插件SimulationXpress，對(duì)模具組件扭彎過(guò)程中的變形、應(yīng)力進(jìn)行分析，為后續(xù)模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 全自動(dòng)扭彎?rùn)C(jī)模具結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的全自動(dòng)扭彎?rùn)C(jī)的主要技術(shù)參數(shù)與要求如下：1）彎管直徑范圍為 φ12～φ28 mm；2）彎制管件彎曲角為0°～360°，彎管最大長(zhǎng)度為2 m；3）扭彎?rùn)C(jī)的最大彎曲速度為335 mm/s，最大送進(jìn)速度為335 mm/s；4）扭彎?rùn)C(jī)彎管的位置精度X、Y方向?yàn)椤?.01 mm；Z方向?yàn)椤?.05 mm；5）其總體尺寸不超過(guò)3566 mm×1333 mm×1260 mm。

使用要求：工人上料操作方便，安全可靠；人性化的操作界面；彎管效率高。

圖1 全自動(dòng)扭彎?rùn)C(jī)模具結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

根據(jù)上述全自動(dòng)扭彎?rùn)C(jī)主要技術(shù)參數(shù)，利用SolidWorks軟件對(duì)扭彎?rùn)C(jī)的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，具體裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。管件以一定的速度由送料裝置自左而右直線推入該模具組件。扭彎驅(qū)動(dòng)座12固定在扭彎?rùn)C(jī)的機(jī)頭部件前滑板上，機(jī)頭部件的運(yùn)動(dòng)路線由程序控制，在程序的控制下，扭彎驅(qū)動(dòng)座12跟隨機(jī)頭按照預(yù)設(shè)軌跡作升降、平移運(yùn)動(dòng)。扭彎驅(qū)動(dòng)座12帶動(dòng)扭彎球頭9、扭彎模8繞著扭彎球頭9的內(nèi)球心萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)，扭彎球頭9的內(nèi)球面與支承球頭座5的外球面相切，在扭彎球頭9左端（圖1中B所示），與支承球頭座5相接觸的面是直孔面，以保證扭彎球頭9在一定的角度內(nèi)扭轉(zhuǎn)，完成預(yù)先設(shè)定的彎曲成型。支承球頭座5左端通過(guò)4個(gè)螺釘固定在機(jī)頭部件后座上，機(jī)頭后座與扭彎?rùn)C(jī)床身通過(guò)螺釘連接固定。

2 全自動(dòng)扭彎?rùn)C(jī)模具結(jié)構(gòu)SimulationXpress分析

SimulationXpress主要用于模型的靜力學(xué)分析，根據(jù)有限元法，使用線性靜態(tài)分析計(jì)算應(yīng)力。通過(guò)定義材質(zhì)、約束、載荷、分析模型。下面根據(jù)初步設(shè)計(jì)的模具組件結(jié)構(gòu)，利用SimulationXpress仿真工具模具組件對(duì)工作狀態(tài)下的變形、應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析。

2．1 模型建立和材質(zhì)選擇

該模具組件材料均選用Cr12，將建立好的模具模型載入，為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，扭彎驅(qū)動(dòng)座12暫不載入分析，如圖2所示。

圖2 分析模型建立

2．2 約束與載荷

根據(jù)全自動(dòng)扭彎?rùn)C(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，機(jī)頭部分驅(qū)動(dòng)絲桿的電機(jī)選用MSMD型號(hào)帶有制動(dòng)器的，其功率為0.4 kW。減速機(jī)選用AE070，減速比i=40。滾珠絲桿選用FK型精密滾珠絲桿，導(dǎo)程為5 mm，直徑為32 mm，

該模具組件能實(shí)現(xiàn)φ12～φ28 mm的管件的自動(dòng)扭彎成型，本文以彎制φ28 mm、壁厚1.5 mm的管件為例進(jìn)行分析。

圖3是扭彎過(guò)程某一瞬間的管件受力圖。由受力圖3可知，在管件扭彎過(guò)程中，模具傳遞給管件的是水平絲桿推力F1、豎直絲桿推力F2，根據(jù)力平衡原理，可將水平絲桿推力 F1轉(zhuǎn)換成′和 M1。

圖3 簡(jiǎn)化受力圖（管件彎制的某一瞬間）

根據(jù)上述分析，定義該模具的約束和載荷，劃分好網(wǎng)格，如圖4所示。

2．3 計(jì)算結(jié)果及分析

利用SimulationXpress仿真工具，對(duì)模具組件在工作狀態(tài)下的變形、應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5所示。圖5（a）是模具工況下的應(yīng)力分布圖，從圖中可知，扭彎球頭9與支承球頭座5相接觸的邊緣部分應(yīng)力較大，模具組件其它部分的應(yīng)力幾乎為零。最大應(yīng)力集中在箭頭所指的地方，應(yīng)力為 σ=2.351×1010N/m2。

圖4 網(wǎng)格劃分（約束、載荷）

圖5

圖5（b）是模具工況下的應(yīng)變分布圖，從圖中可知，與應(yīng)力分布情況相同，扭彎球頭9與支承球頭座5相接觸的邊緣部分應(yīng)變較大，最大應(yīng)力集中在箭頭所指的地方，應(yīng)變?yōu)?ε=6.785×10-2。

圖5（c）是模具工況下的位移分布圖，從圖中可知，模具組件在扭彎管件的過(guò)程中，主要的位移變形發(fā)生在扭彎球頭9上，最大位移為2.253×101mm。

根據(jù)上述對(duì)全自動(dòng)扭彎?rùn)C(jī)模具組件工況下應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化的分析，得出以下結(jié)論：1）該模具組件變形受力最大的零件是扭彎球頭9和扭彎模8，其中扭彎模8采用耐磨性好的銅制成，可提高其使用壽命。2）該模具組件中的進(jìn)料導(dǎo)套1、進(jìn)料支承套2、進(jìn)料隔套3、扭彎后導(dǎo)套4、支承球頭座5、扭彎隔套6在工作狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變基本相同，扭彎前導(dǎo)套7距離扭彎球頭9最近，承受的扭彎力較大。3）分析可知，支承球頭座5與扭彎球頭9左端（圖1中B所示）有一段相接觸的直圓面，此處所承受的應(yīng)力、應(yīng)變較大。4）在工況下，球頭內(nèi)支承墊10、球頭外支承墊11內(nèi)孔與扭彎球頭9外球面相接觸的部位是主要的受力面，承受水平絲桿和豎直絲桿傳遞的推力、扭矩。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)全自動(dòng)扭彎?rùn)C(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)要求，初步設(shè)計(jì)出扭彎?rùn)C(jī)模具組件結(jié)構(gòu)，并利用SolidWorks軟件中的SimulationXpress模塊，對(duì)初步設(shè)計(jì)出的模具組件結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了靜力學(xué)分析。通過(guò)分析可知模具組件中扭彎球頭和扭彎模兩個(gè)部件所受的應(yīng)力、變形最大，在模具組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注意，這也為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有力的參考依據(jù)。

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