整體框架式雙點壓力機機身有限元分析及優化設計

文/肖政，榮璐，閆長海，盛娟·江蘇省徐州鍛壓機床廠集團有限公司

整體框架式雙點壓力機機身有限元分析及優化設計

文/肖政，榮璐，閆長海，盛娟·江蘇省徐州鍛壓機床廠集團有限公司

肖政，工程師，主要從事智能鍛壓機床的研發設計及售前售后服務技術支持工作，參與完成的SD-110型數控型開式多工位壓力機項目榮獲江蘇省科學技術進步獎三等獎，擁有2項發明專利、5項實用新型專利。

整體框架式雙點壓力機機身結構特點

機身是壓力機的主要部件之一，機身把壓力機的全部零部件聯結成為一個整體，當壓機工作時，機身承受金屬的變形力，機身在變形力的作用下出現的彈性變形會影響到沖壓件的質量和模具的壽命。另外，運動部分的速度和受力的變化引起的振動，將部分地被機身吸收。機身的特點是重量大，約占整個機器的60%；結構復雜，加工量大，約為整個壓力機加工量的30%。因此，機身的設計質量對節約金屬材料、提高產品質量及壓力機的外觀形式等方面都有很大的影響。

機身的設計要求

機身在滿足一定強度和剛度的要求下，力求重量最輕，以節約金屬；機身的結構力求簡單，便于壓力機的部件及零件的調整、修理、檢查和吊裝，還必須具有好的工藝性，易保證加工精度，減少加工量，這對降低壓力機成本和縮短制造周期都非常重要；機身必須有一定大小的底面積，以保證壓力機的穩定性。在滿足以上要求的情況下，還應力求機身外形的美觀。

曲柄壓力機的機身一般有開式機身和閉式機身兩大類，開式機身因剛度差，精度及穩定性不好，主要應用于要求不高的400t以下的壓力機中。閉式機身一般稱之為框架式機身，這類機身從組成的方面來分有整體機身和組合機身。組合機身結構復雜，加工及安裝調試周期長，成本較高，對于630t以下的閉式雙點壓力機而言，整體框架式機身在結構、交貨周期及成本面具有明顯優勢，非常受市場歡迎。本文就是針對整體框架式機身進行分析的。

建立模型

整體框架式壓力機機身結構如圖1所示。

根據機身剛度計算方法，從圖1所示結構來看，影響機身剛度與重量的主要因素在機身側板、前額板、齒輪箱板和下支承板四塊板料上，所以我們依此設定不同變量建立三維模型，對不同模型進行有限元分析，觀察不同尺寸對機身剛度與重量的影響。機身三維模型如圖2所示。

圖1 整體框架式壓力機機身圖

圖2 機身三維模型圖

有限元分析

為了簡化計算，更加突出各變量對剛度的影響，現將對機身的有限元分析分為三部分：即分別對機身側板部分、上梁部分（包括齒輪箱板及前額板）、下梁部分（包括下支承板）進行分析（在分析其中一個部分時，其余兩個部分相關數據為常量）。有限元分析圖如圖3所示。分析涉及參數：側板厚度尺寸A、前額板寬度尺寸B、前額板厚度尺寸C、下支承板寬度尺寸D、下支承板厚度尺寸E、齒輪箱板寬度尺寸F和齒輪箱板厚度尺寸H。

圖3 有限元分析圖

⑴對機身側板因素進行分析。表1是以側板厚度尺寸A為變量（其他尺寸不變）的有限元模擬結果。通過分析可以發現：側板厚度尺寸A對上梁及下梁剛度影響不明顯，對機身重量卻有較大影響，每增加10mm厚度，機身重量增加2.4t。

⑵對上梁部分進行分析。將前額板寬度尺寸B及厚度尺寸C，齒輪箱板寬度尺寸F及厚度尺寸H設為變量，其他板材尺寸不變，有限元分析結果見表2。通過有限元分析發現，前額板寬度尺寸及齒輪箱板寬度尺寸對上梁剛度影響較大，厚度尺寸對上梁剛度影響較小，因此增加這兩塊板的體積對整機重量影響較小。

⑶對下梁部分進行分析。將下支承板寬度尺寸D及厚度尺寸E設為變量，其他板材尺寸不變，有限元分析結果見表3。通過有限元分析發現，下支承板寬度尺寸對機身下梁的剛度影響較大，厚度尺寸對下梁剛度的影響次之，因此增加此塊板料的體積對整機重量影響不大。

表1 對機身側板進行分析

表2 對上梁部分進行分析

表3 對下梁部分進行分析

總結

將整體框架式雙點壓力機機身分成三大部分，通過三維建模及有限元析，我們可以很直觀地找到各塊板料對機身各單元剛度及重量的影響，為設計提供了理論依據和數據支撐。從本文所舉例的閉式雙點250t壓力機計算數據可以看出前額板、齒輪箱板、下支承板的寬度及厚度尺寸對機身剛度影響較大，尤其是寬度尺寸，我們在優化設計時可以重點考慮增加這幾塊材料的尺寸以提高機身剛度，減小其他板材尺寸以降低整機成本。舉一反三，在其他類似的結構件中，我們可采取同樣的分析方法，快速、高效地針對用戶的需求設計出最高性價比的產品。