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        高精度折弯机的关键技术研究

        作者:www.bjhuaduan.com来源:www.bjhuaduan.com 日期:2016年4月19日 14:11

        摘 要

        折弯机是广泛使用的板料加工设备,其机身的强度和刚度直接影响工件的加工质量和加工精度。针对折弯机的结构设计,传统的方法通常采用应力校核,或按照材料力学、结构力学理论,采用大量简化基础上的计算方法。由于对研究对象的受力情况分析得不够透彻,不能得到准确的计算结果,更不能根据应力分布情况来确定其结构,从而造成了不必要的浪费,通常只能得到一个可行却并非最优的设计方案。

        本文介绍了数控折弯机的发展趋势,折弯机机身结构分析的发展现状及分析设计的一般方法,本文以PBB-110/3100型数控折弯机为研究对象,使用大型通用化有限元分析软件ANSYS对折弯机进行有限元静态特性分析,并根据分析结果进行机身的优化设计。

        首先,对折弯机的主要部件进行了结构的静态特性分析,建立各部件的有限元模型,利用 ANSYS 计算出它们的强度,刚度和位移,并依据结构受力特点提出结构修改方案。

        通过分析的结果对机身提出优化方案,对优化方案进行有限元分析。并把分析结果与优化前的机身静态特性做比较。对比优化后与优化前机床性能是否提高,是否改善了机床的性能,解决了机床的不足之处。

        关键词:折弯机 有限元 优化设计

        高精度折弯机的关键技术研究

        ABSTRACT

        The plate bender is a kind of equipment which broadly used to sheet metal forming, its strength and stiffness of body of plate bender greatly influences quality and accuracy of work pieces. The traditional design method usually adopts stress check, or the calculate method based on the material mechanics and structural mechanics. As a result, the analysis of force is not thorough, and the solution is not exact. Furthermore, the structure of the flank could not be determined by the stress distribution, and it caused unnecessary waste. Usually a feasible design program can be gained, but not the best one.

        The development trend of CNC bender, the present situation and the general design method of the forging machine are introduced in this paper, Taking CNC bender as the object of this study, the static characteristics of CNC bender are analyzed in ANSYS, which is a kind of general finite element analysis software. Frame structure has been optimized based on the analysis results.

        First, the static characteristic of the main part of CNC bender is analyzed. The finite element model of these part are established, the stress, the strain and the displacement of every part is computed by ANSYS. Plan of redesigning of the structure is proposed based on the analysis.

        Through analysis of the results of the optimization program fuselage made of optimized solutions for finite element analysis. And static characteristics of the fuselage before the results of the analysis and optimization of comparison. After comparing before optimizing machine performance optimization and whether to raise, is to improve the machine's performance to solve the shortcomings of the machine.

        Key words: Bending machine FEA optimized design

         

        目 录

        摘 要 ........................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................. II

        第一章 绪论 ................................................................................................................. 1

        1.1研究背景和课题来源 ...................................................................................... 1

        1.3 锻压机械结构分析发展概况 ......................................................................... 3

        1.4 大型有限元分析软件 ANSYS 简介 ............................................................ 7

        1.5 本课题研究的目的和意义 ............................................................................. 8

        1.6 本课题研究的主要内容 ................................................................................. 9

        第二章 数控折弯机的静态特性分析 ....................................................................... 10

        2.1 折弯机简介 ................................................................................................. 10

        2.2 建模方法的选择 ......................................................................................... 10

        2.3 折弯机的受力分析 ..................................................................................... 11

        2.4 折弯机机身的静态特性分析 ..................................................................... 12

        2.4.1 机身实体模型简化 ............................................................................. 12

        2.4.2 材料特性的施加 ................................................................................. 13

        2.4.3 在ANSYS下对Solidworks模型进行处理 ..................................... 13

        2.4.4 机身有限元模型网格的选取与划分 ................................................. 16

        2.4.5 整机的载荷及约束条件 ..................................................................... 17

        2.4.6 计算结果分析 ..................................................................................... 17

        2.4.7 分析结果总结 ..................................................................................... 27

        2.5 本章小结 ....................................................................................................... 28

        第三章 实验测试 ....................................................................................................... 29

        3.1 测试的方法与意义 ....................................................................................... 29

        3.2 测试原理及结果计算 ................................................................................... 31

        3.3 测试目的及内容 ........................................................................................... 32

        3.4 测试位置确定 ............................................................................................... 33

        3.5 测试结果与软件模拟结果对比 ................................................................... 35

        3.6 本章小结 ....................................................................................................... 37

        第四章 机身的优化设计 ........................................................................................... 38

        4.1 工作台的优化 ............................................................................................... 38

        4.2 对左右立板喉口处的优化 ........................................................................... 40

        4.3 滑块的优化 ................................................................................................... 40

        4.4 综合各部分的优化对整机进行改进模拟 ................................................... 43

        4.5 本章小结 ....................................................................................................... 45

        第五章 总结与展望 ................................................................................................... 46

        5.1 总结 ............................................................................................................... 46

        5.2 展望 ............................................................................................................. 46

        参考文献 ..................................................................................................................... 47

        致 谢 ........................................................................................................................... 50

         

        第一章 绪论

        1.1研究背景和课题来源

        自 2001 年中国加入世界贸易组织以来,我国经济发展迅速进入快车道阶段,其中制造业的发展更为迅速。世界著名的制造业跨国企业集团纷纷落户中国,不断将中国发展成为自己的研发和制造基地,提高自身产品的综合竞争实力,以角逐全球市场,致使中国的传统制造业面临前所未有的生存挑战和发展机遇。作为制造业基础行业的金属板材、管材、型材及线材切割、冲压、成形、制作零部件制造企业及其设备、模具、材料和相关技术行业企业,同样面临着类似的局面:国内外市场的不断扩大,国内企业面临结构调整和技术更新,国外先

        进同行企业在华投资建厂的竞争压力。在这种形势下,国内的金属板材、管材、型材和线材切割、冲压、成形、制作技术和设备行业企业急需了解国内外市场的需求、发展方向以及目前的技术和设备水平,确定自己的市场位置,提高自身产品的核心竞争力。此外,我国是制造大国,在制造业方面,要强调创新,强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品,为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础[1]。

        锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备。锻压机械包括成形用的锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机,以及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助机械。锻压设备广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业领域。数控折弯机是锻压机械中的一种,利用数控技术对板料进行加工。采用较简单的通用模具,可把金属板料压制成一定的几何形状,配备相应的工艺设备,还可以用作冲槽、浅拉伸、冲孔、压波纹等。随着工业技术的飞速发展,在电器、电子、容器、金属结构、仪器仪表、日用五金、建筑材料等工业部门得到了广泛的应用[2][3]。

        随着中国加入 WTO,中国的机床制造企业的形势将变得更加严峻,并面临更为强大的竞争对手,为此,中国的锻压机械制造企业必须改变原有的传统设计方法,以先进的设计制造手段作为技术支撑,来提高我国锻压机械的设计与制造水平,在新的市场环境中积极参与竞争[4]。随着 CAD/CAM/CAE 技术的日益

        普及和应用,有限元方法等现代结构分析方法已为工程技术设计人员广为认识和

        发展,在机床设计中得到广泛的应用,并取得了显著的技术经济效益[5]。

        1.2数控折弯机国内外发展概况

        数控折弯机在国外应用相当广泛。例如 Amada 公司自 60 年代中期引进法

        国 Promecam 公司下动式折弯机生产技术以来,一直致力于下拉折弯机的生产

        和改进。80 年代中期开发了 Fine&Bender 系列紧密下动式折弯机。它采用平行

        加压技术,在不同载荷和不同折弯长度时能使上横梁和下滑块产生同样的均匀变

        形,并采用两组或三组滚轮导向,提高了抗偏载能力[6]。

        LVD 公司是国外规模最大的折弯机制造厂商之一。其开发的 MMC8500

        和 MNC9000 的数控系统采用 CAD/CAM 技术,开发了一套三维软件,在折弯

        加工过程中完全实现了自动化。将折弯工件参数输入系统,系统便能自动计算出

        折弯工序所需的所有数据,确定控制程序,操纵计算机系统实施折弯加工[7]。

        Hammerle 公司在 70 年代中期开发了结构独立的三点式折弯机,在折弯

        工艺上和结构上都有不少创新和突破。如今,该公司生产的折弯机除了仍然具有

        三点式折弯模具、滑块液压垫等特点之外,两个油缸各自采用比例阀和光栅尺构

        成闭环控制系统,实现对滑块位置、速度和压力的精确控制,同步精度为

        0.005mm[8]。

        FASTI 公司开发了 904-125/30 型折弯机。两个油缸各自的比例阀和光栅

        尺构成闭环控制系统,实现对滑块位置、同步、速度和压力的精确控制。两个油

        缸活塞位置可以倾斜 10mm,用来补偿板厚偏差和进行锥形件折弯[9]。

        小松产株式会社的 PHS 折弯机采用伸长抵消机构,依靠独自的构造抵消

        负荷及油温变化引起的机架开口变型量,使深度位置保持一致;配有角度控制器,

        可以简单的调整全长角度,配有 3D CAD/CAM 系统,自动计算折弯工序并可

        在屏幕上同时显示 8 道工序的折弯形状。另外该公司开发的 pas 系列折弯机,

        由 AC 伺服电机直接驱动,并装备了折弯角度检测传感器,可以实现高精度的

        折弯加工[10]。

        村田公司开发的 HPB-8525A 型折弯机采用传统的扭矩控制实现滑块同

        步,涡轮蜗杆装在油缸的下盖中,转动螺母套,使螺母套上下移动控制活塞的下

        死点位置。上模的微调装置不同于一般的斜模式,而是每组有两个偏心轴,用旋

        钮转动进行调节。此外,国外还有机器人和折弯机组成的柔性折弯机系统,用于实现柔性折弯。如日本天田公司 5500KFDB 型精密折弯机和意大利普力玛公司设计的由机器人组成的“折弯机-机器人”系统[11]。

        近20年来,国内数控折弯机技术发展迅速。从 1986 年 10 月第一台 W67Y-160K/3200 数控折弯机由天水锻压机厂研制成功以来,国内出现了一批从事数控折弯机技术研究开发的单位,其中较为有代表性的有江苏扬力集团富力数控机床有限公司、济南铸造锻压机械研究所、江苏金方圆数控机床有限公司、黄石锻压机床有限公司和上海冲剪机床厂等。黄石锻压机床股份有限公司和济南铸造锻压机械研究所联合先后完成了 W67K-100/3000、W67K-100/3100、W67K-100/3200 型数控三点板料折弯机。上海冲剪机床厂从 1986 年以来先后成功开发了具有国际水平的 QC12K 与 WC67K 两大系列数控折弯机和具有先进水平的高精度数控三点式折弯机[12]。

        应当指出,虽然国内产品与国外同类产品的技术水平大体相当,但在性能和质量上还存在一定的差距,代表当今顶尖水平的仍是国外著名公司开发的产品。

        1.3 锻压机械结构分析发展概况

        机身在锻压设备中起重要作用,早期人们对机身的研究是采用材料力学的方法,计算出设备在公称压力下危险点的应力和机身的最大变形,再引入许用应力和许用变形,使其应力和变形低于设备许用应力和许用变形即可。由于这种方法不需要先进的设备,所以国内外绝大部分的压力机生产企业都使用这种方法。但是材料力学研究的对象主要是横截面积尺寸远小于轴线长度的杆件,往往采用了一些关于变形的近似假设,如平面假设等,近似地求得所研究杆件在外力作用下的应力及变形,最后再加入许多人为的经验才能满足工程要求。将机身简化成材料力学中的杆件或杆件组合,其计算结果是非常粗糙的,很难说明问题。设计者为了保险,往往加大安全系数,结果使得设备非常笨重,既增加了成本,又浪费了原材料。在此基础上的优化,也不过是局部和近似的优化而已。并且在工程中更常见的不是杆件,而是形状非常复杂的结构,就很难用材料力学的方法来研究。机器中有很多零件的截面尺寸经常变化,如轴肩、切槽和油孔等。在这些截面上,实际应力与材料力学公式计算的结果相差很大。弹性力学研究的是理想弹性体在

         

        锻压机械的静态有限元分析主要是从上个世纪七十年代开始的,我国具有代表性的文章是文献[14],主要是根据 J23-80 型压力机机身左半部分的受力简图,利用平面问题的有限元程序计算出各单元节点的位移与应力,并求出机身的线刚度和角刚度,与实测和材料力学的计算值进行比较验证。随后这方面的研究逐渐增多,领域不断扩大和深入。王留德是利用自编的空间板系通用程序SPS 对闭式 40 吨数控回转头压力机机身进行计算,并把计算结果与实测结果进行了比较并找出存在误差的原因[15]。李明典等用有限元法分析了锤杆在对中和偏心载荷作用下应力沿锤杆的分布,探讨了不同偏心、加速度和材质对锤杆动应力分布的影响,为锤杆的改进设计提供有用的理论依据[16]。王俊领通过对轧机机架的有限元分析,找出了危险点的位置,确定了极限安全系数[17]。王苏安等针对某厂 25 吨曲柄连杆式飞剪机机架使用中存在的问题,采用 ALGOR软件对飞剪机机架进行了有限元分析和强度研究,得出了飞剪机机架的应力、应变分布,找出了薄弱环节,并应用电阻应变仪在现场作了多点测试,其理论值和实际测试值吻合较好。并对飞剪机架提出了改进措施,对改进后的机架又进行了有限元分析。实践证明通过改进的曲柄连杆式飞剪机架其性能比以前更好[18]。李陪武等以 J53-1600 型双盘摩擦压力机为例,较为全面地分析了中心载荷、扭转载荷和偏心载荷对机身强度和刚度的影响,提出了允许偏载域的概念及一些解决问题的方法与设计准则[19]。史宝军、管延锦等对压力机的强度和刚度进行了研究,并结合机身的结构特点,分别采用了许多措施,使机身的结构更加合理[20,21]。史宝军等主要对 J21-160 型开式压力机机身进行有限元分析和结构优选,取得了既减轻重量又提高强度、刚度的显著效果[22]。这说明锻压机械的有限元分析已从原来的应力和变形分析走向结构的静态优化。

        锻压机械的动态有限元分析主要是从八十年代开始的,主要集中在开式压力机和螺旋压力机,其中文献[23]是较早的一篇,文章主要对 J23-80 型开式压力机机身进行有限元剖析,并用 Wilson-θ法得出机身主截面的动应力和机身动态角变形,均比静态大 25%左右。到九十年代,随着数值模拟技术的引入,锻压机械动态有限元应用的广度和深度不断增加,接着李德军等以 J53-1600 型双盘摩擦压力机为对象,建立机身有限元模型,并将理论模态分析结果与模态试验结果进行比较,还模拟计算了冷击、锻击情况下压力机的振动响应,为摩擦压力机的动态设计提供一定的参考。对闭式压力机机身研究的文章有文献[24],文章利用 MARC 软件对闭式压力机机身进行了三维有限元分析,并将计算结果与实测值进行比较,同时对机身进行了优化,提出了改进方案。最后还用 Lanczos方法计算了机身的前十阶模态,分析了各阶模态对设备的影响,又对机身进行了进一步的优化,使机身的动态特性得到进一步的提高,为高速压力机的动态设计提供了非常有用的资料。

        对于其它机床大件的研究,汤文成教授等根据机床结构件的特点,提出了用于机床大件结构拓扑生成的方法,并对结构进行了有限元分析后优化设计,从而实现结构的自动设计,为结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试[25]。谷祖强等应用“结构系统设计灵敏度分析”理论,把有限元分析和最优化技术有机结合起来,应用于机床结构件的优化设计,有效地提高了设计效率[26]。毛海军等将 BP 神经网络理论与有限元建模方法相结合,提出了采用 BP 神经网络

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