折彎機滑塊變形分析及實驗測試

周歡，馮天民，應博川，龔俊杰，趙小滿

(1.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225127;2.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇江都225200)

0 前言

折彎機是一種使用最廣泛的彎曲成形設備，在數控折彎機上可以做出不同形狀的折彎件，它們比軋制型材輕，且外形美觀。采用折彎件焊接成的構件，較同類鑄鋼件在質量上可以輕30%～50%，且制作簡單，生產效率高。折彎機滑塊是折彎機在折彎板材時最重要的執行部件之一，在折彎力的作用下，滑塊會產生變形，嚴重影響加工工件的角度和直線精度。

江蘇亞威機床股份有限公司的談傳明［1］，通過CosmosWorks分析軟件對PBB-400/5100折彎機滑塊有限元分析，通過優化減小了滑塊肩部與活塞桿接觸部位應力較大的情況。揚州大學的周歡等人［2］，通過ANSYS分析軟件對PBB-110/3100折彎機滑塊分析與優化，采用4種不同方案，并最終確定二、四組合方案為最終的優化方法，顯著的減小了滑塊肩部應力集中的現象。

文獻［1-2］計算滑塊的變形僅考慮了豎直方向的載荷，查閱國內文獻資料，目前很少有人研究過水平位移，因此對滑塊的變形計算存在著很大的誤差，主要是因為折彎力模擬不準，事實上水平折彎力很大，對滑塊水平變形的影響非常嚴重。還有一個原因是喉口應力往往較大，側板發生變形，這也導致了滑塊的翻轉，加劇了水平變形。嚴重影響了板料加工的直線度。

1 折彎載荷的數值計算

1.1 有限元模型建立與網格劃分

剛塑性有限元法是基于小應變的位移關系，但是它忽略了材料塑性變形時的彈性變形部分，而考慮了材料在塑性變形時的體積不變條件，它可以用來計算較大變形的問題，所以近年來發展迅速，現已廣泛應用于分析各種金屬塑性成形過程［3］。

文中模擬折彎過程使用的軟件為DEFORM-3D，它是在一個集成環境內綜合建模、成形、熱傳導和成形設備特性進行模擬仿真分析，適用于熱、冷、溫成形，提供極有價值的工藝分析數據。文中采用Solid-Works進行三維建模，轉換為stl格式文件，然后導入DEFORM-3D，如圖1所示。上、下模設置為剛體，下模V形槽開口角度為88°，槽寬16 mm。文中研究折彎材料是Q235，但因為DEFORM不是國內軟件，材料庫中沒有Q235對應的材料，根據AISI美國鋼鐵學會標準，低碳鋼 (AISI1005～1026)的含碳量為0.06% ～0.28%，對應國內的含碳量標準(＜0.25%)，選取 AISI-1020 為研究材料［4-6］。對板材選取溫度及材料屬性，添加邊界條件和運動條件，然后再對板材進行網格劃分，寬厚規格為60 mm×3 mm的鋼板，取長500 mm進行研究，劃分網格，三維模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.2 接觸問題處理

折彎過程是模具和板材相互作用的過程。在這個過程當中，模具連續擠壓板材，以便使材料在高溫、高速下產生塑性變形;反過來，板材又不斷摩擦和擠壓刀片。在此過程中，板材與模具的接觸是動態變化的。所以，對折彎過程的模擬，必然涉及到接觸問題。接觸是邊界條件非線性作用的復雜問題，需要準確地追蹤在接觸前與接觸后兩個物體發生的相互作用。文中設定模具為主動接觸體，板材是被動接觸體，又因為研究的是冷折彎過程，選擇shear類型，并設定摩擦因數為0.12。在折彎的接觸過程中，板材上的節點不可能總是恰好與模具接觸，因此，引入了接觸容差的概念。如果容差值設置過大，則可能把太多的節點定位到接觸表面，容易導致板材有限元網格的畸變;如果容差值過小則可能在接觸面上找不到節點，甚至沒有接觸點產生［3］。值得欣喜Deform-3D系統會自動產生一個合理的容差值。

1.3 約束與載荷

考慮到實際的折彎過程，限制上模的三個轉動自由度和X、Z方向的自由度、只保留上模向下的 (即Y方向)移動自由度，同時限制下模3個方向轉動自由度和移動自由度。對于板材，平放在下模上表面，折彎過程中模具限制了板料的Y、Z轉動與X、Z方向的移動自由度。

仿真模擬載荷的施加:給上模施加一個速度，該速度與實際折彎過程中的上模和板材接觸時的速度相等。為了真實模擬折彎過程中上模向下運動而使板材產生塑性變形并最終成型的過程，查詢該型號折彎機使用說明書可知上模運動速度v＝10 mm/s。

1.4 仿真結果

如圖2所示為折彎過程中折彎力的變化趨勢，從圖中可以看出，折彎力迅速達到最大，板材持續塑形變形直到成型，折彎力迅速下降，仿真過程中得到板厚為3 mm的折彎力行程關系曲線，由圖2可知，當工件折彎到90°時，折彎力約為96 kN，并且利用折彎力理論計算公式得到折彎力為179.34 kN，處在誤差范圍內，可以認為模擬的結果是可行的。

圖2 折彎豎直力變化

通過圖3所示，可以發現在折彎時，上模不但受到豎直方向的折彎力，水平方向還受到折彎推力。水平推力隨上模行程變化波動比較大，當最終保壓時，可以認為水平力恒定，當工件折彎到90°時，取近似平穩階段折彎水平力大約為7.84 kN。

圖3 折彎水平力變化

2 滑塊變形的有限元分析

采用ANSYS軟件對折彎機進行三維變形應力分析，定量地描述折彎機滑塊的變形和應力分布狀態，找出了其薄弱環節，并用實驗方法對分析結果進行了驗證。

文獻［2］中載荷施加僅考慮了豎直的折彎力，即油缸的滿載壓力。通過上文DEFORM有限元軟件的仿真，得知折彎過程中有水平力的產生。通過計算，應給滑塊下端安裝模具的凸臺部位施加水平推力，大小約為43.12 kN。

2.1 計算結果分析

圖4、5分別顯示了滑塊下端豎直與水平變形情況，由圖4可以看出滑塊豎直方向中間部位變形較大，中間相對于兩側最大變形達到0.471 mm。變形趨勢符合實際工作情況。圖5顯示了滑塊水平方向變形呈現中間大兩端小趨勢，中間相對于兩側最大變形達到0.907 mm。

圖4 滑塊豎直變形

圖5 滑塊水平變形

3 滑塊變形測試

為了驗證有限元計算的正確性，對折彎機結構進行了現場測試，采用位移傳感器作為測量工具對折彎機進行變形測量。測量時，將百分表固定在專門制作的工裝上，百分表的觸頭抵在被測量表面上。折彎過程中，油缸驅動滑塊，數據采集器系統將會得到電壓信號，記錄數據，通過儀器標定值將電壓值轉換成測點的位移值［7］。實驗測試現場如圖6、7、8所示。

圖6 測試現場一

圖7 測試現場二

圖8 測試現場三

圖9 滑塊下端豎直變形對比

圖10 滑塊下端水平變形對比

文中滑塊測試沿長度方向共測試16個點的變形，折彎工況為自由滿載折彎長3 m，厚3 mm的普通Q235鋼。將測試值與有限元計算結果進行對比，曲線如圖9、10所示。豎直變形對比如圖9，其中測試值為滑塊的絕對變形，計算值為滑塊的相對變形，這里面包含了由于機身剛度不足而導致的變形。因此兩條曲線存在間隙。但測試值與計算值滑塊中間部位與兩側豎直相對變形基本一致，兩條曲線趨于平行。從圖10可以看出，折彎機滑塊的水平變形測試值與有限元計算值均比較接近。

4 結論

通過DEFORM-3D有限元軟件對折彎過程進行仿真，分別得出了折彎豎直力與水平力。再通過ANSYS有限元分析軟件對折彎機變形進行計算，為驗證計算的正確性，對折彎機進行了現場剛性測試，通過數據對比，試驗測值與有限元計算值比較接近，從而驗證了剛度計算的正確性，為進一步完善和優化折彎機結構提供了理論依據。

［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］.鍛壓裝備與制造技術，2011(6):37-40.

［2］趙小滿，周歡，龔俊杰，等.基于有限元技術的折彎機滑塊分析與 改進設計［J］.鍛壓裝備與制造技術，2014(3):38-40.

［3］張莉，李升軍.DEFORM在金屬塑性成形中的應用［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［4］俞漢清，陳金德.金屬塑性成形原理［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［5］劉紅濤.基于DEFORM-3D平臺不銹鋼板材熱軋工藝模擬研究［D］.蘭州:蘭州理工大學，2011.

［6］沈明.鉑金工藝及模擬仿真分析［D］.蘇州:蘇州大學，2011.

［7］南京安正軟件工程有限責任公司.安正CRAS振動及動態信號采集分析軟件使用說明書［Z］.2007.