鄭娜娜,趙 乾,趙志峰,張 勇,余春華
(駐長(zhǎng)治地區(qū)軍事代表室,山西 長(zhǎng)治 046012)
在裝備生產(chǎn)制造企業(yè)中,桁條作為關(guān)鍵零組件保護(hù)筒的重要組成部分,被廣泛應(yīng)用于型號(hào)產(chǎn)品中。桁條斷面形狀為U型,其成形的精度和質(zhì)量直接影響保護(hù)筒的生產(chǎn)質(zhì)量,因此對(duì)桁條進(jìn)行彎形設(shè)計(jì)研究尤為重要。
目前,保護(hù)筒桁條彎形常用設(shè)備為折彎?rùn)C(jī),成型時(shí)需要在折彎?rùn)C(jī)上折彎兩次,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直角邊的彎形。折彎模頭作為成型關(guān)鍵因素,依據(jù)桁條高度和折彎角度選定,若模頭規(guī)格參數(shù)選用不當(dāng),在折彎第二個(gè)直角邊時(shí),先折彎好的直角邊會(huì)與模頭產(chǎn)生干涉,無(wú)法達(dá)到預(yù)期折彎效果,因此,迫切需要對(duì)保護(hù)筒桁條進(jìn)行彎形設(shè)計(jì)研究。
本文對(duì)保護(hù)筒桁條彎形設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,從參數(shù)確定(模頭角度、刀尖位置、接口尺寸)、干涉檢驗(yàn)、強(qiáng)度校核等方面考慮,提出滿足裝備需求的保護(hù)筒桁條彎形模頭設(shè)計(jì)方法。通過(guò)反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)、分析計(jì)算、仿真模擬,對(duì)模頭結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化,滿足了多種類型裝備保護(hù)筒桁條生產(chǎn)需求。
目前金屬薄板折彎有兩種方法:①是模具折彎,用于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積較小、大批量加工的金屬薄壁件;②折彎?rùn)C(jī)折彎,用于加工結(jié)構(gòu)尺寸比較大的或產(chǎn)量不是太大的金屬薄壁件。其中,折彎?rùn)C(jī)折彎基本原理就是利用折彎?rùn)C(jī)的折彎模頭(上模)、凹槽(下模)對(duì)金屬薄板進(jìn)行折彎和成型。
本文保護(hù)筒桁條為金屬薄壁U型結(jié)構(gòu)件,成型包括以下步驟:根據(jù)桁條斷面中性層長(zhǎng)度確定待折彎U型結(jié)構(gòu)件的板件尺寸,在板件上畫出中心線和兩條折彎線;分別沿兩條折彎線折彎90°,形成U型結(jié)構(gòu)件的兩邊;根據(jù)桁條兩直角邊長(zhǎng)度去除多余材料,使U型件滿足圖紙尺寸要求。
本文桁條截面形狀為U形,材料為Q345A,厚度t=3 mm,內(nèi)半徑R0=5 mm,長(zhǎng)度L=1 000 mm,如圖1所示。
圖1 桁條截面形狀
模頭形狀如圖2所示。
2.1.1 模頭圓角半徑R確定
根據(jù)金屬板材彎曲件凸模圓角半徑計(jì)算公式,可得圖2中模頭圓角半徑R(mm):
(1)
其中:E為桁條材料的彈性模量,MPa;σs為桁條材料的屈服極限,MPa。
已知R0=5 mm,E=200 GPa,t=3 mm,σs=205 MPa,將各參數(shù)代入式(1)可得:R=4.97 mm。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),考慮回彈,選擇模頭圓角R=4.75 mm。
2.1.2 回彈角確定
依據(jù)回彈前后中性層長(zhǎng)度不變的條件,可得回彈角為:
(2)
其中:φ0為零件要求的角度。
已知φ0=90,將相關(guān)參數(shù)代入式(2)計(jì)算可得:Δφ=4.74°。
因此,考慮回彈后,圖2所示模頭角度α=90°-4.74°=85.26°,取85°。
在折彎過(guò)程中,為防止模頭在施力點(diǎn)位置產(chǎn)生彎矩,降低使用壽命,模頭施力點(diǎn)應(yīng)置于設(shè)備對(duì)模頭施力面的對(duì)稱中心線上,如圖2所示。
圖2 模頭形狀
圖3 模頭長(zhǎng)度及卡槽尺寸
根據(jù)上述確定的模頭角度、模頭施力點(diǎn)、折彎設(shè)備接口尺寸,利用三維制圖軟件UG確定模頭形狀參數(shù),如圖4所示。
圖4 模頭形狀參數(shù) 圖5 干涉檢驗(yàn)
桁條折彎過(guò)程中,若模頭規(guī)格參數(shù)選用不當(dāng),折彎第二個(gè)直角邊時(shí)會(huì)出現(xiàn)工件與模頭干涉的現(xiàn)象,無(wú)法保證桁條成型要求。
利用三維制圖軟件UG模擬折彎過(guò)程中產(chǎn)品與設(shè)備干涉情況,調(diào)整模頭形狀尺寸,使產(chǎn)品與設(shè)備無(wú)干涉。實(shí)際成型過(guò)程先將桁條右側(cè)直角邊進(jìn)行折彎,之后再折彎左側(cè)直角邊,調(diào)整模頭形狀尺寸,使第二個(gè)直角邊折彎時(shí)工件與模頭的最小距離大于0,本例調(diào)至3.1 mm,如圖5所示。
為簡(jiǎn)化幾何建模過(guò)程,導(dǎo)入外部幾何體模型(File→Import External Geometry File)。雙擊Engineering Date進(jìn)入材料參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置材料參數(shù),選擇材料Structural Steel。
本文采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格法,在Outline(分析樹)中選擇Mesh節(jié)點(diǎn),單擊Mesh工具欄上的refinement命令對(duì)模頭尖點(diǎn)位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,單擊Generate Mesh生成網(wǎng)格,如圖6所示。
圖6 模頭網(wǎng)格劃分
在Outline(分析樹)中選擇Static Structural節(jié)點(diǎn),單擊Static Structural工具欄上的Fixed Support命令,選擇如圖7所示刀尖位置添加約束,單擊Static Structural工具欄上的Force命令,在受力面添加載荷,載荷大小根據(jù)WE67K-600/6000DA69設(shè)備條件6 m長(zhǎng)度受力600 t,模頭長(zhǎng)度l=500 mm時(shí)受力500 000 N。
圖7 約束及載荷 圖8 模頭的變形云圖 圖9 模頭的應(yīng)力云圖
在Outline(分析樹)中選擇Solution節(jié)點(diǎn),單擊Solution工具欄上的Deformation│Total命令,在分析樹中插入Total Deformation(變形)項(xiàng),單擊Solution工具欄上的Stress│Equivalent命令,在分析樹中插入Equivalent Stress(應(yīng)力)項(xiàng)。
單擊工具欄上的Solve按鈕,啟動(dòng)求解,得到模頭的變形云圖及應(yīng)力云圖,如圖8和圖9所示。
保護(hù)筒桁條折彎模頭材料選用T10鋼,熱處理后許用應(yīng)力為900 MPa,刀尖位置許用應(yīng)力為1 700 MPa,有限元分析可得模頭最大應(yīng)力274.96 MPa,滿足使用要求。
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性,進(jìn)行試模,折彎設(shè)備及模頭如圖10所示。選用材料Q345A,厚度t=3 mm的下料毛坯進(jìn)行試制,折彎加工后U形結(jié)構(gòu)件截面高度為50 mm、寬度為40 mm,總長(zhǎng)L=1 000 mm,圓角為5 mm,如圖11所示。經(jīng)測(cè)量鑒定,尺寸符合圖紙要求。
圖10 折彎設(shè)備及模頭 圖11 試制U形件
本文對(duì)保護(hù)筒桁條折彎模頭進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,從參數(shù)確定、干涉檢驗(yàn)、強(qiáng)度校核等方面考慮,設(shè)計(jì)了模頭模型,并通過(guò)反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)、分析計(jì)算、仿真模擬,對(duì)模頭結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化,經(jīng)試制驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。該技術(shù)研究保證了裝備生產(chǎn)需求,為同類產(chǎn)品彎形模頭設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。