劉 沖，陳 暉，王金榮，陳揚(yáng)東

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225200）

隨著金屬鈑金加工技術(shù)的發(fā)展，各式加工機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)控四邊折邊機(jī)具有加工效率高、自動(dòng)化集成度高以及無需模具等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軌道交通、電梯、航空航天、集裝箱等行業(yè)。

機(jī)身作為數(shù)控四邊折邊機(jī)的重要組成部分，在板材加工過程中，機(jī)身的變形將會(huì)造成加工基準(zhǔn)下降，從而對(duì)加工精度產(chǎn)生較大影響。為了保證機(jī)身的剛度，往往通過加厚墻板、增加加強(qiáng)筋等手段進(jìn)行機(jī)身剛度加強(qiáng)，導(dǎo)致機(jī)身笨重且不易于運(yùn)輸，同時(shí)造成成本增加。因此在保證剛度的前提下，實(shí)現(xiàn)機(jī)身的減重降本，對(duì)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的提高具有重要意義。本文對(duì)FB2516 型數(shù)控四邊折邊機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析，了解機(jī)身剛度和變形情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果在保證機(jī)身剛度的前提下對(duì)機(jī)身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)身有限元靜力學(xué)分析

利用三維建模軟件建立數(shù)控四邊折邊機(jī)機(jī)身模型，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，借助有限元分析軟件ANSYS Workbench 對(duì)機(jī)身進(jìn)行靜力學(xué)分析，了解機(jī)身的剛度和變形情況，為接下來機(jī)身的優(yōu)化提供依據(jù)。

有限元分析的基本思路是將計(jì)算區(qū)域分成有限個(gè)不重疊的單元，每個(gè)單元中選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)點(diǎn)的插值函數(shù)，可變節(jié)點(diǎn)的微分方程的變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值改為線性表示的插值函數(shù)，并借助加權(quán)余量法或者變分原理求解離散的微分方程[1]。求解后就可以利用解得的節(jié)點(diǎn)值和設(shè)定的插值函數(shù)來確定單元上以至整個(gè)集合上的場(chǎng)函數(shù)[2]。對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。對(duì)ANSYS 的工程應(yīng)用是對(duì)物理現(xiàn)象的模擬,數(shù)值逼近真實(shí)值的近似，基于分析對(duì)象網(wǎng)格和解決有限的數(shù)值模擬實(shí)際環(huán)境中無限的未知的數(shù)量。分析過程包括預(yù)處理、加載求解和后處理三個(gè)主要步驟。

結(jié)構(gòu)靜力分析主要用于在忽略慣性和阻尼影響的情況下，確定加載結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變。數(shù)控四邊折邊機(jī)在恒定的載荷作用下的應(yīng)力和變形分布情況可以用有限元分析軟件Workbench 中的靜力學(xué)分析模塊來求解，其分析步驟如圖1 所示。

圖1 靜力學(xué)分析步驟

1.1 機(jī)身有限元模型的建立

通過三維建模軟件Creo 建立數(shù)控四邊折邊機(jī)模型，根據(jù)圣維南原理[3]，對(duì)模型的適當(dāng)簡化，不僅可以減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率，還可以提高計(jì)算的準(zhǔn)確度[4-5]。因此，本文對(duì)模型進(jìn)行了如下簡化：忽略倒角和螺紋孔；忽略模型中對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有影響的零部件，所建立的模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)控四邊折機(jī)身簡圖

1.2 定義材料屬性

數(shù)控四邊折邊機(jī)機(jī)身所用材料為Q235，材料性能如表1 所示。

表1 機(jī)身材料性能

1.3 有限元網(wǎng)格劃分

對(duì)簡化后的機(jī)身三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型實(shí)體單元，最大單元大小200mm，最小單元尺寸10mm，節(jié)點(diǎn)總數(shù)112276，單元總數(shù)為55326。所建網(wǎng)絡(luò)模型如圖3 所示。

圖3 機(jī)身網(wǎng)格模型

1.4 施加載荷和約束

1.4.1 模型約束

折邊機(jī)的機(jī)身底板通過八個(gè)地腳螺栓與地基相連，因此有限元模型中約束機(jī)身模型底板螺栓孔位置的X、Y、Z 三個(gè)方向的自由度。

1.4.2 模型接觸

（1）將螺釘連接面簡化為固連接觸。忽略螺釘連接的影響，默認(rèn)螺釘連接強(qiáng)度足夠大；

（2）將焊接面簡化為固連接觸。默認(rèn)焊縫強(qiáng)度足夠大；

（3）將導(dǎo)軌與滑座之間設(shè)置為滑動(dòng)副，并設(shè)置導(dǎo)軌與滑座接觸面有0.05 的摩擦系數(shù)；

（4）上、下壓緊模與板材接觸面為摩擦接觸，因此壓緊模與板材接觸面之間設(shè)置0.2 的摩擦系數(shù)。

1.4.3 工況載荷

考慮到主要分析補(bǔ)償力的作用效果，作用于模型的載荷主要有：

（1）板料壓緊力，大小為1000kN，作用于油缸與上壓緊模和機(jī)身的接觸面；

（2）板料折彎過程產(chǎn)生的極限水平推力，大小為400kN。

根據(jù)以上分析，所建模型邊界條件如圖4 所示。圖中，A 為約束，B、C、D 為B 軸桿系載荷，E、F 為A軸桿系載荷，G 為板料壓緊力，H 為重力，I 為板料折彎水平推力。

圖4 模型邊界條件

1.5 關(guān)鍵位置分析

機(jī)身上下壓緊模的變形對(duì)折邊過程的間隙控制以及成形精度有較大影響，當(dāng)壓緊模產(chǎn)生變形時(shí)，造成板材松動(dòng)，產(chǎn)生滑移退讓，增大折邊間隙，從而降低成形精度。因此上下壓緊模尖邊線為機(jī)身分析的關(guān)鍵位置，如圖5 所示。分析中主要測(cè)定其全長方向水平方向的位移大小和均勻度。

圖5 分析的關(guān)鍵位置

1.6 分析結(jié)果

通過有限元軟件ANSYS Workbench 進(jìn)行模尖位移分析，具體分析結(jié)果如表2、圖6 所示。

表2 上下壓緊模變形量

由表2 和圖6 可見，下模尖的直線度較好，水平與垂直方向均在0.01mm 以內(nèi)；上模尖垂直方向整體位移較大，最大位移達(dá)到0.41mm，直線度在0.03mm，說明上模尖位移一致性較好；上模尖水平方向直線度較差達(dá)到0.085mm，最大位移位于中部為0.118mm，兩側(cè)位移最小為0.036mm。下壓緊模水平與垂直方向直線度均較好，直線度在0.01mm 以內(nèi)；上壓緊模垂直方向的直線度較好在0.03mm，而水平方向直線度較差，僅為0.08mm。

圖6 上下模直線度曲線

2 機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)機(jī)身靜力學(xué)分析結(jié)果，對(duì)機(jī)身進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)輕量化,從實(shí)質(zhì)上就是在保證結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，將減輕機(jī)身的質(zhì)量作為根本目標(biāo),通過對(duì)結(jié)構(gòu)的尺寸、布局、外形等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),將結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來優(yōu)化機(jī)身結(jié)構(gòu)[6]。機(jī)身作為數(shù)控四邊折邊機(jī)的重要組成部分,其質(zhì)量在機(jī)床整體質(zhì)量中的占比很大，同時(shí)其剛度對(duì)加工精度有著較大影響。因此，根據(jù)機(jī)身靜態(tài)分析結(jié)果，運(yùn)用輕量化技術(shù),對(duì)機(jī)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 優(yōu)化方案與結(jié)果

在保證模尖直線度與原有方案持平的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行多輪優(yōu)化，優(yōu)化方案如流程圖7 所示。優(yōu)化后上下壓緊模變形量如表3 所示，優(yōu)化后上下模尖邊線位移曲線如圖8 所示。

表3 優(yōu)化后上下壓緊模變形量

圖7 優(yōu)化流程圖

圖8 優(yōu)化后上下模尖邊線位移曲線

由表3 優(yōu)化后上下壓緊模變形量可以看出，上下模尖直線度均未有明顯變化，符合優(yōu)化目標(biāo)；由圖8 優(yōu)化后上下模尖邊線位移曲線可以看出，上下模尖位移趨勢(shì)沒有明顯變化，下模尖X 方向整體位移提高0.02mm；上模尖Y 方向整體位移提高0.08mm，其余方向并未有明顯變化。關(guān)鍵位置即上下模尖直線度較原方案相比并未有明顯變化，機(jī)身整體減重2647kg。

3 結(jié)論

本文根據(jù)有限元基本理論和方法，運(yùn)用三維建模軟件建立模型并利用有限元分析軟件workbench對(duì)數(shù)控四邊折邊機(jī)機(jī)身進(jìn)行靜力學(xué)分析，在保證模尖直線度的基礎(chǔ)上，提供了機(jī)身的優(yōu)化方案，使機(jī)身具有較好的使用性能和較低材料消耗與制造成本，有效提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。