折彎機滑塊結構分析及優化設計

丘冠軍

摘 要：綜合分析折彎機的滑塊結構，并對其進行優化設計，以提高折彎機的工作性能。對影響折彎機滑塊直線度的因素進行了探討，滑塊彈性變形的理論數據為折彎機滑塊的結構設計提供了理論指導和依據，結合折彎機的實際情況，使用軟件建立了有限元分析模型，分析了其受力情況和敏感度，說明了各模型尺寸與彈性變形的數據關系，以此制訂可行的優化方案。

關鍵詞：機械設計；折彎機；敏感度分析；結構優化

中圖分類號：TG305 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.090

文章編號：2095-6835（2015）15-0090-02

隨著我國經濟的不斷增長，工業生產進入了前所未有的發展時期，折彎機在許多行業得到了廣泛的應用。但是傳統的折彎機設計存在著許多問題，不僅不利于折彎機的運行，而且影響了加工質量。所以如何對折彎機進行優化設計，以提高加工質量成為了人們關心的問題，下面就此進行討論分析。

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。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4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有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。這里主要對此時的滑塊變形情況進行有限元分析。

1.2 材料的力學性能

折彎機滑塊采用厚度為50 mm的Q235A碳素結構鋼鋼板與4塊80 mm×200 mm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1 000 kN，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50 mm×80 mm兩端面分別施加1 000 kN向上、500 kN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。

1.4 結果分析

圖1 位移曲線圖

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，從中可以看出滑塊的最大位移為0.382 mm，調取下端面一條棱邊的位移曲線圖，如圖1所示。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3 100 mm的范圍內均有變形發生，變形量為0.04～0.382 mm。

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 滑塊加厚

在原設計模型的基礎上，將滑塊厚度尺寸50 mm定義為設計變量，定義變化范圍為40～80 mm，并建立敏感度分析，可得到滑塊厚度與最大變形量的線性關系，如圖2所示。從關系圖中可以看出，當滑塊厚度從40 mm增加到80 mm時，滑塊的最大變形量從0.70 mm減小到了0.13 mm。因此，增加滑塊厚度可以減小滑塊的剛度變形。

圖2 滑塊厚度與最大變形量的線性關系圖

2.2 滑塊加筋

在原設計模型的基礎上，在滑塊背部增加一處長3 000 mm、高100 mm、寬50 mm的筋板，重新劃分網格，施加約束與載荷并進行有限元分析，得到位移云圖和位移曲線圖。通過與原模型的分析結果進行對比可得，增加加強筋后，滑塊的最大變形量由原來的0.382 mm減小到了0.315 mm。同時，將筋板厚度尺寸50 mm定義為設計變量，變化范圍為40～60 mm，并建立敏感度分析，可得到筋板厚度與最大變形量的線性關系，如圖3所示。從曲線圖上可以看出，筋板厚度從40 mm增加到60 mm，最大變形量僅僅減小了0.025 mm。

圖3 筋板厚度與最大變形量線性關系圖

2.3 改變滑塊下端面的受力位置

考慮到加載后的滑塊在全長范圍內均有變形，嘗試改變滑塊的設計結構。重新施加載荷與約束，并劃分網格劃分、建立有限元分析，得到新結構的位移云圖，如圖4所示。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0.382 mm

減小到0.108 mm，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12 mm定義為設計變量，定義變化范圍為10～24 mm，經過敏感度分析，得到受力位置與最大變形量的線性關系，如圖5所示。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4 位移曲線圖

圖5 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在很大程度上減小滑塊變形，但同時也大大增加了滑塊重量，增加了制造成本，因此在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，增加了制造成本，給操作帶來了不便，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。可見，在三個方案中，方案三是最經濟有效的。

3 結束語

綜上所述，上文使用有限元方法對折彎機滑塊的剛性進行了分析，探討了影響滑塊變形關鍵設計參數的敏感度，得出了滑塊各設計參數與最大變形量的線性關系，并對比了幾種優化方案，找出了引起滑塊變形的主要原因，這樣的分析方法和優化設計值得我們在工業生產中推廣利用。

參考文獻

[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]武銳.折彎機機械補償及結構優化技術研究[D].揚州：揚州大學，2011.

〔編輯：王霞〕