大噸位高速精密沖床關(guān)鍵部件仿真分析

黎近秋，牟聯(lián)滿，吳光明

（1.東莞市高技能公共實(shí)訓(xùn)中心，廣東東莞 523297；2.東莞市泰基山機(jī)械設(shè)備有限公司，廣東東莞 523770）

0 引言

大噸位高速精密沖床的關(guān)鍵是在沖壓不同工件時(shí)以不同加工速度進(jìn)行持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備依然保持高精度。8圓導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)組件中，最為關(guān)鍵的零部件是滑塊。滑塊采用4條長(zhǎng)導(dǎo)柱定位結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)導(dǎo)柱上、下端與機(jī)身過(guò)盈配合，使滑塊下工作面的“平行度”，模具在沖壓負(fù)載不斷變化的狀態(tài)下，能保持平衡不變[1]。在高速?zèng)_壓交變負(fù)載狀態(tài)下，“4條長(zhǎng)導(dǎo)柱定位”確保了“滑塊與臺(tái)盤(pán)”的高精度。整機(jī)平行度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；整機(jī)垂直度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。使高速精密沖床能穩(wěn)定地沖壓出的“產(chǎn)品”均能達(dá)到高精度的要求[2-4]。

1 分析軟件

對(duì)于大噸位高速精密沖床關(guān)鍵部件仿真分析，采用的是ABAQUS軟件。ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問(wèn)題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。加工成形過(guò)程的數(shù)值模擬受到材料非線性、幾何非線性和邊界非線性的綜合影響，直接計(jì)算的難度非常大[5-7]。采用ABAQUS進(jìn)行仿真模擬可以節(jié)約開(kāi)發(fā)成本、加快研發(fā)速度和提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，ABAQUS還提供了種類豐富的用戶子程序接口，用戶可以根據(jù)需要編寫(xiě)特殊的本構(gòu)關(guān)系曲線、復(fù)雜的載荷和邊界條件以及靈活多樣的用戶單元等。

2 關(guān)鍵部件仿真分析

對(duì)于8圓導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)組件中，最為關(guān)鍵的零部件是滑塊。因此選擇對(duì)它進(jìn)行仿真分析。首先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理并在Pro/E中進(jìn)行三維建模，如圖1所示，根據(jù)實(shí)際加工情況建立相對(duì)應(yīng)的約束和載荷，整個(gè)上面建立固定約束，下表面2個(gè)凸起處的小圓臺(tái)施加載荷。隨后將其導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行仿真分析。首先進(jìn)行靜力學(xué)求解，看最大應(yīng)力是否超過(guò)材料極限，然后對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

圖1 簡(jiǎn)化后的三維模型

在ABAQUS中對(duì)導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先對(duì)模型進(jìn)行分割使其各部分能夠進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖2所示，淺色部分已分割，可進(jìn)行網(wǎng)格劃分，深色部分未進(jìn)行分割，無(wú)法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 模型進(jìn)行分割過(guò)程

在完成全部模型的分割后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為C3D10M（修正的10節(jié)點(diǎn)二次四面體單元）。全局網(wǎng)格大小設(shè)置為20，劃分后節(jié)點(diǎn)總數(shù)143 842，單元總數(shù)：76 291。模型如圖3所示。設(shè)置材料參數(shù)，在ABAQUS中沒(méi)有單位所以必須統(tǒng)一量綱使用SI(mm)，材料為球墨鑄鐵，密度7.3E-9 t/mm3，楊氏模量1.55E5 MPa，泊松比0.27。

圖3 模型網(wǎng)格圖

施加約束和載荷情況如圖4所示，圖4(a)為施加約束的情況，圖4(b)為施加載荷情況，載荷為面載荷大小為400 MPa，圖4(c)為施加載荷作用時(shí)間，沖壓過(guò)程是極短促的時(shí)間內(nèi)完成，大約0.01 s。

圖4 約束和載荷施加情況

設(shè)置分析步為一般（General）中的靜力學(xué)分析（stat?ic，General），進(jìn)行求解。查看結(jié)果如圖5所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在與曲軸鏈接的圓孔處，為51 MPa，若取安全系數(shù)3的話此處最大應(yīng)力為153 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力400 MPa。該零部件在靜力情況下滿足使用要求。

圖5 零件靜力學(xué)分析結(jié)果

動(dòng)態(tài)分析：在模態(tài)分析中，因振動(dòng)被假定為自由振動(dòng)，所以只有邊界條件起作用，其他載荷對(duì)分析結(jié)果毫無(wú)影響。設(shè)置分析步為線性攝動(dòng)步（liner perturbation）中的頻率提取分析步（frequency）。由于高階模態(tài)的固有頻率已遠(yuǎn)高于實(shí)際工況所能達(dá)到的激振頻率，一般不會(huì)發(fā)生共振，故只提取前30階固有頻率和振型。該零件的前10階固有頻率如表1所示。前2階的振型如圖6所示。

表1 零件前10階固有頻率

圖6 前2階振型圖

通過(guò)模態(tài)分析可見(jiàn)，該零件的1階固有頻率較低，為42.1 Hz，當(dāng)激振頻率達(dá)到固有頻率時(shí)，其振幅將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其允許的位移量，直接影響結(jié)構(gòu)性能甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。根據(jù)實(shí)際工況提供動(dòng)力的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為300 r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1周帶動(dòng)該零件完成1次沖壓，所以工作時(shí)的頻率最大為5 Hz，遠(yuǎn)小于該零件的固有頻率，但為了安全起見(jiàn)可在1階、2階振型中紅色區(qū)域添加肋板。當(dāng)達(dá)到共振頻率時(shí)可減小共振帶來(lái)的損害。

整個(gè)機(jī)器的加工精度取決于該零件4個(gè)腳處的圓孔的精度，在靜力學(xué)中可以看到對(duì)4個(gè)腳處的圓孔沒(méi)有影響，接下來(lái)看一下該零件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。瞬時(shí)模態(tài)動(dòng)態(tài)分析中時(shí)間增量應(yīng)取一個(gè)略小于固有頻率的周期值1/42.1=0.006 s，因此選定時(shí)間增量為0.004 s，載荷加載情況與靜力學(xué)相同在底部圓盤(pán)上加載，持續(xù)時(shí)間0.01 s，為觀察振動(dòng)的衰減過(guò)程，選定分析步時(shí)間為1.5 s。阻尼使用Rayleigh阻尼，即阻尼矩陣C是質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K的線性組合：

式中：α、β為用戶定義系數(shù)，對(duì)于不同的情況取不同的值，本例中取α=3，β=0。

設(shè)置分析步為線性攝動(dòng)步（liner perturbation）中的模態(tài)動(dòng)力學(xué)（Modal dynamics）。設(shè)置阻尼系數(shù)、起始模態(tài)、終止模態(tài)、時(shí)間增量、分析步時(shí)間等工況條件。設(shè)置歷史變量輸出集合set-2點(diǎn)如圖6所示，選取位移作為歷史輸出量。

圖7 歷史變量輸出集合點(diǎn)

提交任務(wù)進(jìn)行分析，得到如圖8所示的該點(diǎn)set-2 U3位移歷史輸出，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間0～1.5 s，縱坐標(biāo)為位移，可以看到最大值為8E-5 mm。這是一個(gè)非常微小的位移量，基本可以確定該點(diǎn)在動(dòng)態(tài)分析中也不會(huì)受到影響。可以很好地保證精度。

圖8 該點(diǎn)U3的歷史輸出

通過(guò)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析可以看到，該零件無(wú)論是最大應(yīng)力，還是模態(tài)分析，以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)都能夠滿足使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

大噸位高速精密沖床加工的穩(wěn)定性效果在眾多高速精密沖床中有著巨大的優(yōu)勢(shì)。它主要由曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)組件、滑塊調(diào)模組件、大直徑長(zhǎng)導(dǎo)柱機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑油回油路系統(tǒng)等組成。4個(gè)大直徑滑塊長(zhǎng)導(dǎo)柱與2條大直徑的調(diào)整螺桿穿過(guò)滑塊均布連接，使滑塊在沖壓動(dòng)作時(shí)高效、平穩(wěn)地完成沖壓動(dòng)作。

通過(guò)軟件ABAQUS對(duì)滑塊進(jìn)行仿真分析，把成形過(guò)程簡(jiǎn)化為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，對(duì)不同的加工成形過(guò)程進(jìn)行模擬，得到令人滿意的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)沖床在加工過(guò)程中高精度、高可靠性、高效率，最終在優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理協(xié)作、有序運(yùn)行前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后加工精度、加工效率穩(wěn)定的效果。同時(shí)，也提升了企業(yè)的生產(chǎn)水平和生產(chǎn)效益。