折彎機滑塊的敏感度分析及結構優化

陳 博，井溢濤，陳玉蘭，趙 輝

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

0 引言

折彎機廣泛應用于機械制造、汽車、造船、家用電器及輕工等行業。隨著技術的發展，折彎機已進入數控時代。人們對折彎精度的要求越來越高。滑塊作為折彎機的重要組成部分，是主要的受力部件，在對板材進行折彎加工時，滑塊會產生彈性變形，嚴重影響折彎工件的角度和直線精度。因此，滑塊結構的設計合理性，對提高滑塊的強度和剛性、提升加工質量、降低制造成本具有直接影響。

傳統的折彎機設計方法，即以經驗和產品試制為基礎的設計方法，因傳統的材料力學計算方法過于理想化，很難得到準確數據，通過傳統計算找到設計參數與變形量的線性關系則更是耗時費力。有限元技術的發展為折彎機滑塊的力學分析提供了一個方便快捷的途徑。本文以WDB100-3100型數控液壓折彎機為例，采用Pro/E集成的分析模塊對折彎機滑塊進行有限元分析，定量描述滑塊的變形狀態，通過建立敏感度分析，得出各關鍵設計參數與滑塊變形量的線性關系，為折彎機滑塊的結構優化與剛性校核提供理論依據。

1 創建分析模型

1.1 模型建立

數控液壓折彎機主要由床身、滑塊、撓度補償、換模裝置、后擋料裝置、安全防護、液壓系統和電氣系統等組成（圖1）。折彎時，兩側油缸對滑塊產生向下的折彎力。滑塊通過球面塊與油缸活塞桿球鉸連接，在滑塊的背面有四對導向輪對滑塊的上下運動提供平面約束。滑塊下部通過快速換模裝置連接折彎模具的上模。下模工作臺中部安裝由數組不同斜度的楔塊和電動推桿組成的維拉補償裝置用以補償工作臺的變形。折彎機滑塊在運行到下極限位置時，油缸處于保壓狀態，此時的滑塊與床身、油缸之間不會產生相對位移，滑塊處于靜力平衡狀態，這里主要是對此時的滑塊變形情況進行有限元分析。

圖1 折彎機示意圖

1.2 材料的力學性能

折彎機滑塊采用厚度為50mm的Q235A碳素結構鋼鋼板與四塊80mm×200mm的連接板焊接而成，其材料力學性能如表1所示。

表1 材料Q235A碳素結構鋼力學性能

1.3 滑塊的載荷與約束

WDB100-3100型數控液壓折彎機的公稱壓力是1000kN，在靜力平衡狀態時，受到兩側油缸向下的壓力和模具向上的反作用力。在滑塊的下端面和肩部50mm×80mm兩端面分別施加1000kN向上、500kN向下的壓力。因為在靜力平衡狀態時，滑塊與床身之間不會產生相對位移，因此在滑塊背部安裝導向輪的四個平面上創建位移約束。載荷與約束情況見圖2所示。

圖2 滑塊載荷、約束和網格劃分示意圖

1.4 結果分析

對滑塊的三維模型進行網格劃分，建立靜態分析，得到滑塊的位移云圖（圖3），通過云圖可以看出滑塊的最大位移為0.382mm，調取下端面一條棱邊的位移曲線圖（圖4），從曲線圖上可以看到滑塊變形呈對稱狀態分布，最大位移點位于下端面的中間部位，并且在全長3100mm的范圍內均有變形發生，變形量為0.04mm～0.382mm。

圖3 位移云圖

圖4 位移曲線圖

2 優化方案的比較

將滑塊的結構和尺寸進行修改，重新建立模型，進行有限元分析。通過指定設計變量，在給定的變化范圍內對新模型進行敏感度分析，從而確定設計尺寸與最大變形量的線性關系，為結構改進提供數據支持，并得出可行的優化方案。

2.1 方案一：滑塊加厚

在原設計模型的基礎上，將滑塊厚度尺寸50mm定義為設計變量，定義變化范圍為40mm～80mm，建立敏感度分析，可得到滑塊厚度與最大變形量的線性關系（圖5）。從關系圖中可以看出，當滑塊厚度從40mm增加到80mm時，滑塊的最大變形量從0.70mm減小到了0.13mm。因此，增加滑塊厚度可以減小滑塊的剛度變形。

圖5 滑塊厚度與最大變形量的線性關系圖

2.2 方案二：滑塊加筋

在原設計模型的基礎上，在滑塊背部增加一處長3000mm、高 100mm、寬 50mm的筋板（圖6），重新劃分網格，施加約束與載荷，進行有限元分析，得到位移云圖（圖7）和位移曲線圖（圖8），通過與原模型的分析結果進行對比可看出，增加加強筋后，滑塊的最大變形量由原來的0.382mm減小到了0.315mm。同時，將筋板厚度尺寸50mm定義為設計變量，變化范圍40mm～60mm，建立敏感度分析，可得到筋板厚度與最大變形量的線性關系（圖9），從曲線圖上可以看出，筋板厚度從40mm增加到60mm，最大變形量僅僅減小了0.025mm。

圖6 增加筋板示意圖

圖8 位移曲線圖

圖9 筋板厚度與最大變形量線性關系圖

圖10 原設計結構—改進后結構圖

2.3 方案三：改變滑塊下端面受力位置

基于加載后的滑塊在全長范圍內均有變形的考慮，嘗試改變滑塊的設計結構，改變后的結構如圖10所示。重新施加載荷與約束，進行網格劃分，建立有限元分析，得到新結構的位移云圖（圖11），從位移云圖上可以看出，改變結構后，滑塊的最大變形量從原來的0.382mm減小到0.108mm，滑塊的變形得到了很好的改善。為進一步找出受力位置與最大變形量的關系，將滑塊厚度方向的位置尺寸12mm定義為設計變量，定義變化范圍為10mm～24mm，進行敏感度分析，得到受力位置與最大變形量的線性關系（圖13）。從曲線圖上可以看出，當位置尺寸在12左右時，滑塊的最大變形量最小，也就是滑塊下端面的受力位置在板厚中央時，滑塊的變形量最小。

圖11 位移云圖

圖12 位移曲線圖

圖13 受力位置與最大變形量的線性關系圖

2.4 方案比較

綜合分析上述結果，三種優化方案都在一定程度上減小了滑塊的最大變形量。方案一通過加厚滑塊可很大程度上減小滑塊變形，但同時也大大增加滑塊重量，增加制造成本，因此實際設計中應慎重選擇；方案二增加加強筋對減小滑塊變形的效果不是很明顯，同時也增加了滑塊本身的重量，加大制造成本，給操作帶來不便，因此，增加加強筋的方法并不可取；方案三改變受力位置能夠很好地改善滑塊在工作時的受力狀況，減小滑塊的剛性變形，該方案僅僅改變了滑塊的結構尺寸，不會增加生產制造成本，三個方案中，該方案是最經濟有效的。

3 結論

本文采用有限元方法對公司WDB100-3100型數控液壓折彎機滑塊的剛性進行了分析，對影響滑塊變形的關鍵設計參數進行敏感度分析，得出了滑塊各設計參數與最大變形量的線性關系。并對幾種優化方案進行了分析比較，認為引起滑塊變形的主要原因是載荷在板厚方向上不對稱，產生了彎矩，造成滑塊在受載時，向位移約束的方向變形。因此，滑塊在結構設計時應盡量使油缸的壓力和模具的反作用力在板厚的中心位置，可以很大程度地減小滑塊的變形。

本文運用有限元方法對滑塊進行了敏感度分析，得出各關鍵設計參數與滑塊最大變形量的線性關系，對折彎機滑塊的結構優化與剛性校核具有一定的指導意義。

[1]談傳明，張子東，曹光榮，等.折彎機滑塊的有限元分析及優化[J].鍛壓設備與制造技術，2011，46（6）：37-40.

[2]喬建軍，王保平，胡仁喜，等.Pro/ENGINEER wildfire 5.0動力學與有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2010.