數控折彎機結構測試與分析

馮天民，應博川，周 歡，龔俊杰

（1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127；2.鹽城工業職業技術學院，江蘇 鹽城 224005）

1 前言[1-2]

高精密數控折彎機作為板材加工設備中最常見的一類設備，在板材加工過程中扮演了非常重要的角色。作為使用最為廣泛的彎曲成形設備，折彎機可生產出不同形狀的折彎件，制件比軋制型材輕，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減小30%～50%，且制作簡單，生產效率高。

文中以某高精密數控折彎機為研究對象，運用應變電測技術對床身結構做了強度及剛度測試，為后續折彎機有限元建模及優化分析提供了基礎。

2 測試概述

2.1 測試意義

在工程領域內，通過測試可以分析零部件或結構的受力狀態，考量工作狀態的可靠性，以保證結構安全性，也可用于檢查設計是否合理。在眾多應力測試方法中，應變電測法具有方法簡單、成本低廉、可靠性強等優點，是目前研究最多、應用最廣泛的一種測試方法。通過該測試[3-4]：①可以了解測量構件的受力及分布情況，為分析構件設計的合理性、安全裕度提供依據；②可驗證相關理論公式，更加合理地設計構件；③可提供生產制造過程或者物理現象的數學模型；④是設計制造用于測量多種機械參量的應變式傳感器的理論基礎。

根據受力情況，構件的應力測量常溫下可分為靜態、動態兩種，當載荷基本不變或緩慢變化時，構件應力隨之不變或緩慢變化，此時屬靜態應力測量。折彎機在保壓時其載荷達到最大值并保持一段時間不變，本次折彎機的應力測試即為靜態測試。

2.2 測試系統儀器組成

折彎機應力與變形測試測量系統主要由電阻應變片、位移傳感器、測量電路、顯示與記錄儀器或計算機等組成，測試框圖分別如圖1、2所示。

圖1 折彎機應力測試框圖

圖2 折彎機變形測試框圖

2.3 測試原理及數據處理[5-6]

應變電測法只適用于被測量構件在彈性變形范圍內。基本原理是先測量出構件的變形量，再根據胡克定律換算出待測件的應力值。

其中，電阻應變片屬于電阻式傳感器，通過改變自身電阻來反映被測構件的機械應變。將若干電阻應變片構成測量電橋，當某個橋臂電阻發生改變時，該電橋就輸出一個與其大小變化成線性關系的電壓。由計算機進行記錄，并對電阻應變片的靈敏度系數統一設置，就能得到與實際應變大小相對應的電壓大小，因此可確定構件所受應力情況。

根據力學理論，測點的應變與應力間存在對應的數量關系，根據不同的應力測量狀態，應力計算方式如下。

2.3.1 單向應力狀態

該應力狀態下的應力與應變數量關系比較簡單，由胡克定律確定為

顯然，在測出應變值ε后，直接根據上式就可以計算出應力，再根據構件的形狀與截面尺寸就可計算得到所受載荷大小。

2.3.2 平面應力狀態

許多場合下需要獲知一般平面應力場內的主應力，但主應力方向可能是未知的，此時通常采用貼應變花的方式進行測試。應變花示意圖如圖3所示。對于平面應力狀態，只需測得某一點三個方向的應變εA、εB和εC，就能夠根據計算公式得出該點的主應力大小及方向。

圖3 應變花示意圖

對于平面應力狀態的測點， 令 εx=εA，εy=εC，γxy=2εB-εA-εC，則應力計算公式為：

主應力

式中：ε——應變；

v——泊松比；

E——被測構件材料的楊氏模量。

2.3.3 位移計算

為了將應變放大器和數據采集器系統得到的電壓信號轉換成測點的位移，需要對位移傳感器進行標定，即每1mV的電壓信號所對應的位移傳感器的位移。將位移傳感器標定，正確安裝并經過校零，則測試信號位移的計算公式為：

測試位移值=標定值×測試信號峰值

2.4 測試內容

折彎機應力測試主要針對典型工況下2.5m長度的普通Q235鋼板材對中放置、偏移放置，補償缸工作與不工作兩種情況進行。位移測試主要針對行業內應用較多的折彎情況。詳見表1、2所示。

表1 應力測試工況

表2 位移測試工況

（1）運用應變電測技術，對折彎機工作應力（應變）進行整體測試，獲得機床各個部位（機床側板、滑塊、工作臺、油缸座、補償缸等）的應力分布情況。

（2）運用應變電測技術，測試滑塊和工作臺壓力分布，從而了解滑塊與工作臺的壓力均勻性情況。

（3）運用位移傳感器對折彎機滑塊和工作臺沿機床長度方向及前后方向的變形進行測試，了解滑塊和工作臺的變形分布規律以及滑塊的水平翻轉等情況。

2.5 測點布置

根據測試構件與截面的選擇原則，分別對折彎機的主要受力部件機身側板、滑塊、工作臺等進行實驗布片。當機床進行折彎時，側板承受主要的載荷，其C型喉口處存在著較高的應力，極易發生撕裂；除此以外，工作臺與側板、油缸座與側板的聯接處由于大量的焊接加工也存在著較大的應力。所以選取左側板、滑塊與工作臺為測試構件，一般情況下主應力方向已知的測點選用單向應變片即可；如果測點主應力方向未知的，通常應該選用應變花。

位移測試時，沿滑塊及工作臺長度方向分別選取8個測點，分別測試滑塊下端面與工作臺上端面豎直變形，滑塊下端與工作臺上端水平變形。

應力測點示意圖如圖4所示。

圖4 各測點位置示意圖

3 測試結果分析[7]

3.1 側板應力測試結果

由測試結果可以看出側板喉口應力偏大，偏置折彎工況上喉口最大達230.1MPa，下喉口最大可達215MPa，該處將發生較為明顯的塑形變形，加劇并導致了滑塊的前后翻轉而產生水平位移。其余各測點所測應力值均不大。

測試發現，7號測點（圖4a）油缸安裝座齊縫處的切應力并不大。另補償油缸壓力對側板應力影響較小。

3.2 滑塊應力測試結果

分析結果可知油缸座的臺階處應力較大，其中11號、15號測點的應力高達260MPa。從壓力分布情況可以看出，在無補償時滑塊中間部位所受壓力較小，兩側壓力較大，壓力具有中間小、兩側大的不均勻性。補償開啟后中間所受壓力有所上升，兩側與中間壓力比較均勻。

3.3 工作臺應力測試結果

工作臺整體所受應力不大，分析結果可知補償缸的開啟與關閉，對中立板補償油缸安裝座的小圓弧處的應力影響較明顯。對于輔板而言，關閉補償缸時，幾乎不受壓力。而當補償缸開啟時，輔板在補償油缸安裝座的小圓弧處的應力發生明顯變化，而且輔板中間部位的應力明顯小于兩側。由數據可知中立板上邊緣壓力分布較散亂無規則，補償開啟后，中立板所受壓力明顯上升，但左右兩端并不對稱。

3.4 滑塊豎直變形測試結果

工況1、2、3為自由折彎方式，工況4、5為壓底折彎方式。因滑塊始終處于上下運動狀態，因此對滑塊的零位狀態取值較困難。工況4、5所得變形包含了折彎板材1.5mm的厚度與模具間的縫隙，因不能得到準確的縫隙大小，此處給出了絕對變形值，但滑塊中間相對于兩端的變形量符合實際情況。通過測試數據，滑塊撓曲變形隨折彎壓力增大而增大，整體變形趨勢呈現兩端小中間大，符合實際情況。當滿載自由折彎工況時，滑塊相對最大撓曲變形為0.39mm。

3.5 工作臺豎直變形測試結果

對于壓底折彎普通鋼板工況，補償關閉時，工作臺與滑塊的撓度變形趨勢相反，工作臺向下的變形很大，最大值達到-0.57mm，導致折彎精度差。補償開啟后，工作臺變形明顯改善，變形曲線趨于水平，最大變形量為-0.046mm，說明補償效果顯著，但折彎工件的精度還是不能滿足要求，分析原因是補償油缸壓力不足，今后還需對補償油缸的位置、壓力大小、油缸數量作詳細研究。

3.6 滑塊水平變形測試結果

在自由滿載折彎工況時，滑塊中間部位的水平翻轉變形量最大可達0.666mm；其余工況下，滑塊水平翻轉變形趨勢相同，由于折彎力較小，變形量小于自由滿載工況，但折彎不銹鋼鋼板時，中間水平變形的最大值達到0.417mm。后續設計中還要對滑塊的結構進行改進設計，以提高滑塊的整體剛性。

3.7 工作臺水平變形測試結果

經分析測量數據，中立板水平方向變形量較小，數據呈現兩端變形大于中間的趨勢，最大變形量為0.2 4 6 m m，總體來說工作臺剛性較高。

3.8 部分測試照片（圖5）

圖5 部分測試現場

4 結束語

本文主要介紹了機械工程中應力測試的意義及方法，應變電測原理等。根據折彎機的工作情況選擇側板、滑塊及工作臺三個主要部件作為測試對象，并確定測點位置，擬定測試方案。通過測試得到各典型工況下的應變與變形，根據測點的應力狀態，經過數據處理得到各測點的數值。

分析測試數據可知，側板局部高應力區主要為上下喉口，且上喉口應力大于下喉口，側板與工作臺聯接小圓弧處；滑塊肩部方孔處應力集中，為高危險區域，其余部分較小，強度存在裕度；工作臺總體受力較小，由于補償壓力不均，個別測試工況存在應力突然增大情況，但不影響折彎機使用。

通過實驗測試，為后續折彎機有限元建模及優化分析提供了基礎。

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