基于Abaqus 的開卷落料線托料系統(tǒng)力學(xué)仿真優(yōu)化

文/謝亮·一汽-大眾成都分公司

李艷·四川大學(xué)

一汽-大眾成都工廠于2012 年10 月引入德國舒勒公司的800t 伺服開卷落料線，并于2013 年6 月投入使用，承擔(dān)了捷達(dá)NF、速騰以及捷達(dá)VA3、VS5、VS7 車型的板料落料生產(chǎn)，最大生產(chǎn)節(jié)拍為105 次/分鐘，可適應(yīng)模具和擺剪兩種生產(chǎn)模式，預(yù)留鋁板料生產(chǎn)能力，在堆垛模式中，支持停落和拋落兩種模式。來自寶鋼、韓國浦項(xiàng)、德國蒂森等優(yōu)質(zhì)鋼廠的原卷料，經(jīng)過開卷線的穿卷、開卷、矯直、落料、堆垛等工序完成汽車鈑金料片的生產(chǎn)。在板料向前傳輸?shù)倪^程中，支撐滾輪要按一定時(shí)間向上升起，過渡板料，在升起和板料下表面接觸過程中，對板料下表面產(chǎn)生沖擊，從而產(chǎn)生下表面質(zhì)量缺陷。2018 年因?yàn)樯炜s皮帶托料桿鋁輪沖擊造成的質(zhì)量停臺550 分鐘，產(chǎn)生廢品6000 件。

2019 年我公司沖壓開卷落料線首次采用了聚乙烯PP 毛刷滾輪，通過增大滾輪直徑和寬度，增加了滾輪與板料的接觸面積，進(jìn)一步減少了支撐輪對板料的沖擊。據(jù)統(tǒng)計(jì)2019 年全年，基本消除了因?yàn)橹螡L輪對板料的沖擊造成的質(zhì)量停臺。通過PROE 對鋁輪和PP 毛刷輪進(jìn)行建模，通過Abaqus 進(jìn)行顯性力學(xué)仿真和有限元分析，最終驗(yàn)證了支撐滾輪采用新結(jié)構(gòu)后，對板料的沖擊力大大的減少，消除了因此產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷。

開卷落料線伸縮皮帶托料系統(tǒng)

開卷落料線伸縮皮帶托料系統(tǒng)(圖1)將原卷料穿過壓機(jī)推進(jìn)到板料堆垛區(qū)域進(jìn)行板料落料，在原卷料推進(jìn)的過程中，伸縮皮帶通過調(diào)整高度和寬度進(jìn)行原卷料的板料過渡傳輸，在伸縮皮帶上根據(jù)板料的型面，按照一定的步進(jìn)時(shí)間升起降下托料系統(tǒng)，板料通過伸縮皮帶托料系統(tǒng)的過渡傳輸，將壓機(jī)成形的板料傳輸至堆垛裝置的運(yùn)送機(jī)上。在送料進(jìn)給和壓機(jī)切割過程期間，伸縮皮帶托料系統(tǒng)用于將平放的板材保持在模具通過的高度上，氣動操作的多排高度保持滾輪式支撐托料系統(tǒng)根據(jù)具體的切割樣式進(jìn)行開關(guān)。只要進(jìn)行了切割，滾輪式支撐托料桿就上升，并按照一定的時(shí)間順序逐排上升，并使板料順利的通過傳送機(jī)運(yùn)出。

產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷

托料桿上鋁制滾輪在按照時(shí)間步進(jìn)進(jìn)行上升送料過程中，沖擊力與鋁輪本身的材制及鋁制滾輪與板料接觸面積的受力面的大小相關(guān)，在板料下表面被托料滾輪頂出包缺陷(圖2)，缺陷產(chǎn)生的頻次高，由于在板料的下表面難以排查，單次因?yàn)槿毕莸耐Ｅ_時(shí)間長，缺陷無法根除。

伸縮皮帶托料系統(tǒng)改造優(yōu)化

改變托料系統(tǒng)滾輪材質(zhì)

更改前，伸縮皮帶托料系統(tǒng)滾輪式支撐桿采用鋁制的材質(zhì)(圖3)，材質(zhì)較硬，在托料導(dǎo)向支撐沖擊過程中，容易產(chǎn)生板料下表面包的缺陷。更改后，使用聚乙烯PP 毛刷滾輪(圖4)，使托桿系統(tǒng)支撐桿在向上升起導(dǎo)向托料過程中，對板料下表面的沖擊力更加柔性。

改變托料系統(tǒng)滾輪尺寸

更改前，伸縮皮帶托料系統(tǒng)支撐桿鋁制滾輪寬度為15mm，在板料托料導(dǎo)向過程中接觸面較小，單位面積受力較大。更改后，對托料系統(tǒng)支撐桿聚乙烯PP 滾輪的寬度進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化為35mm，通過滾輪寬度的優(yōu)化使?jié)L輪與板料的接觸面增大到原來接觸面的2.33 倍，減少了單位面積受力，同時(shí)減少了對板料下表面的沖擊力。

改變托料系統(tǒng)滾輪布局

更改前，伸縮皮帶托料系統(tǒng)支撐桿鋁制滾輪數(shù)量布局為前排3 個(gè)，后排4 個(gè)，與板料接觸數(shù)量較少，單位受力面積大。更改后，通過對托料系統(tǒng)滾輪布局的優(yōu)化，前排滾輪數(shù)量由3 個(gè)增加到5 個(gè)，后排滾輪數(shù)量由4個(gè)增加到10個(gè)，使?jié)L輪與板料的接觸面增大，減少了單位面積受力，同時(shí)減少了對板料下表面的沖擊力。

對力學(xué)模型進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證

對力學(xué)模型進(jìn)行PROE 建模

通過PROE 建模軟件對滾輪、支撐桿以及固定部件、運(yùn)動部件分別進(jìn)行建模，并在Abaqus 里進(jìn)行裝配，如圖5 所示。

對力學(xué)模型進(jìn)行Abaqus 有限元分析

在Abaqus 中裝配好后，通過設(shè)置材料屬性、分析步、定義接觸、定義邊界條件和載荷(圖6)、劃分網(wǎng)格，最后進(jìn)行分析運(yùn)算，得出前后兩種方式，改變材質(zhì)、寬度和布局后，板料下表面的受力情況。

通過有限元分析驗(yàn)證板料沖擊

通過有限元分析，對兩種方式進(jìn)行了板料下表面受力計(jì)算，從受力計(jì)算中可以明顯的看出對聚乙烯PP 材質(zhì)毛刷滾輪寬度和布局上進(jìn)行優(yōu)化后，板料下表面單位面積受力要小很多。

結(jié)束語

通過改進(jìn)成都大眾德國舒勒800t 伺服開卷落料線的三個(gè)環(huán)節(jié)：分別對滾輪材質(zhì)、滾輪寬度、滾輪布局進(jìn)行了優(yōu)化，并采用PROE 進(jìn)行了模擬建模，通過Abaqus 進(jìn)行組裝及有限元力學(xué)分析，避免了因?yàn)殇X質(zhì)滾輪沖擊造成的板料質(zhì)量缺陷，減少了質(zhì)量停臺和板料生產(chǎn)廢品率。