重型成型機關鍵功能部件與成型過程數值仿真

蔣文凱，馮智彥，蔣 飛

（1.天水鍛壓機床（集團）有限公司,甘肅 天水 741020；2.西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

1 引言

重型數控成型機其在大型制件的機械化生產中的地位越發凸顯，其中多缸的重型成型機具有集成一體化、加工精度高、生產效率高等一系列的顯著優勢[1]。對于重型成型機而言，其本身的結構更加復雜，關鍵零部件的工作參數和強度，剛度的檢驗和校核往往會影響到該機構本身的工作性能[2]。

對重型成型機進行有限元分析時，通常假設工作臺面直接受力，從而忽略了模具和壓力機之間的影響[3，4]。但是在實際工作中，成型機并不是獨立運行的，模具被安裝在成型機工作臺及滑塊上，兩者共同完成工件的成型過程，成型機和模具在工作過程中會互相影響。

本文模擬實際負載工況下重型成型機機架、油缸、模具等關鍵功能部件及成型過程中模具進行有限元分析，獲得模擬實際工況條件下重型成型機機關鍵功能部件及模具的應變和應力情況。并根據有限元分析結果實現對重型成型機關鍵功能部件提出優化設計意見。

2 重型成型機關鍵功能部件的有限元分析與校核

重型成型機由上下橫梁、油缸、左右立柱、出料機構等部分組成。忽略結構中的焊縫、倒角、部分螺紋孔等對機身整體的強度和剛度影響非常小的部分[5]，利用Solidworks 建模軟件建立的三維模型如圖1 所示。左右立柱、上下橫梁、工作臺作為重型成型機的主要機械支撐、運動導向和工作面，承擔著整個機構的主體工作[6]。針對這幾大功能部分進行關鍵機械部件的有限元分析，根據得到的結果進行強度校核和優化。

圖1 重型成型機三維模型

2.1 重型成型機立柱有限元分析與校核

立柱作為重型成型機的主要側向支撐結構，其應力、應變、剛度、強度等相關參數對于重型成型機本身具有非常重要的意義和價值。

2.1.1 有限元模型建立及網格劃分

去除掉小型板件，將立柱的三維模型導入Ansys，如圖2 所示。

圖2 立柱的三維模型

根據二維圖紙，立柱材料主要有Q235-A 及Q345 兩種。兩種材料的主要參數如表1 所示。網格劃分的原則是在權衡計算精度與計算時間的前提下，保證在合理時間內高質量地完成計算[7]。因此綜合考慮以上因素，網格劃分結果如圖3 所示。

圖3 立柱的網格劃分

表1 立柱立板的兩種材料參數

2.1.2 有限元模型求解

立柱所受的力為頂部的壓力，中間兩側的拉力和壓力，立板受到底部的固定約束，如圖4 所示，利用Ansys 軟件求解了其總變形和應力大小如圖5 所示。根據有限元模型求解的結果，立柱立板的最大變形為1.092mm，最大應力為184MPa，最大應力處為施加預緊螺栓處，由上述表1 中兩種材料的屈服極限可知，立柱立板的最大應力符合材料的應力屈服極限要求。

圖4 立柱的施加力和約束

圖5 立柱立板的總變形和應力分布圖

2.2 重型成型機上下橫梁的有限元分析與校核

重型成型機上下橫梁作為機構中主要的運動單元和工作平面[8]，在實際工作環境中往往受到較大的平面載荷和工作壓力。因此需要對上下橫梁在工作環境中的應力、應變情況進行分析和討論。

2.2.1 有限元模型建立及網格劃分

根據前文所述的重型成型機的整體結構，上橫梁和下橫梁的有限元模型如圖6 所示。

圖6 上下橫梁的三維模型

上下橫梁的工作采用的材料同樣為Q235-A 和Q345 兩種，其網格劃分及施加方式如圖7 所示。

圖7 上下橫梁的網格劃分

2.2.2 有限元模型求解

上下橫梁兩邊與立柱立板相連，因此在兩處施加固定約束，上橫梁底部與液壓缸相連，考慮到液壓缸的布置為對稱分布，因此在上橫梁底部施加平面載荷，下橫梁底部與工作臺面相接觸，因此在下橫梁底部同樣施加平面載荷，施加的約束和力的方式如圖8 所示。

圖8 上下橫梁的施加力和約束

同樣利用Ansys 分別計算出上下橫梁的最大變形及最大應力，如圖9 所示。

圖9 上下橫梁的應力和應變分布云圖

根據圖中結果可以看出，上橫梁的最大變形為2.87mm，最大應力為402MPa，位于施加預緊螺栓處；下橫梁最大變形為0.36mm，最大應力為112MPa。經校核，下橫梁的應力非常安全，但是上橫梁部分位置存在應力超出應力極限的問題，且應力最大處多分布在施加預緊螺栓處，可見預緊螺母的接觸面積過小或者是接觸處的材料強度不夠，擬考慮增大預緊螺母的接觸面積或者更換接觸處的材料來提高上橫梁的強度和剛度。

3 重型成型機油缸有限元分析與校核

重型成型機的主要動力部件為6 個液壓缸，液壓缸作為重型成型機的液壓執行元件，能夠實現往復運動，輸出推力和速度[9]。因此需要對液壓缸進行有限元分析和校核以滿足使用需求。

3.1 液壓缸的有限元模型建立與網格劃分

建立液壓缸的有限元模型，考慮到液壓缸自身的對稱結構，將模型分為對稱的兩部分，輸入45 鋼，40Cr，Q345 的材料數值，并分別對對應部位進行材料設置。使用Ansys-Mesh 進行網格劃分，使用Adaptive 方法對整個液壓缸進行網格劃分[10]。后續再進行網格細化，在缸底部和活塞桿的倒角和導向槽、密封槽內的面設置精度為3 的renfinement，完成網格劃分劃分后的網格如圖10 所示。

圖10 液壓缸的網格劃分

3.2 液壓缸的有限元分析過程

利用Ansys 軟件自動生成裝配關系的命令完成各部件之間的連接。載荷最大的瞬間假設液壓缸各結構件沒有發生相對位移,缸體與缸底螺栓連接的面、缸口與缸體、缸口與活塞桿，活塞桿與缸體接觸面均定義為bonded。

在成型載荷下，液壓缸下腔內部封閉且充滿高壓液體，忽略其泄漏及活塞與缸筒、導向套與活塞摩擦。在有限元仿真環境下，液壓缸壓力在同一時間點均勻分布，分別以6000t 載荷計算得到的壓力為26.743MPa，考慮液壓泵輸出壓力所設的31MPa，以及以1.25 倍安全系數的38.75MPa 為所施加的均布載荷進行仿真計算，液壓缸的施加力和約束如圖11所示。

圖11 液壓缸的施加力和約束

對液壓缸進行動態加載,進行求解,得出缸體、活塞桿應力分布情況仿真分析結果如圖12 所示。

根據圖12 中有限元分析結果，得到液壓缸載荷下應力最大的區域在缸底的密封槽內部，具體區域如上圖所示，載荷為26.743MPa、31MPa 和38.75MPa 時，缸底密封槽內部最大應力為144.62MPa、167.64MPa和209.55MPa，低于45 鋼屈服強度355MPa，均在安全范圍內。

圖12 液壓缸加載應力分布云圖

4 重型成型機模具有限元分析

4.1 工件與工況的選定

折彎成形技術是將折彎過程分解為許多細小的步驟，成型過程的每一步只對鋼板的一小段進行彎曲成型，使該段鋼板彎曲為與模具形狀相似的輪廓，通過較多的步驟使鋼板逐步彎曲成形，在數控系統和程序控制系統的作用下，使鋼板逐步接近設計的變形輪廓，最終變形為預先設定的整體形狀[11]。可以采用輕量化的通用模具和較低的成型力獲得理想的成型效果。

4.2 折彎成形過程的有限元模擬

金屬塑性成形有限元分析軟件Deform 有限元模擬軟件是一套可以完成成形工藝仿真的系統，可以實現成形、熱處理、機加工等過程的模擬計算[12]。

在進行折彎成形過程有限元模擬時，前處理過程包括：設定模擬的基本參數和網格劃分。工件的材料為Q345，在Deform 使用45 號鋼材料代替。將上模向下的運動速度設置為5mm/s，每步壓下量為1mm，總步長為30 步，上模總形成為150mm。摩擦系數為0.12。采用相對網格方式進行劃分，網格總數為180000，尺寸比為8，為了節省計算量和有較為精確的仿真結果，對工件彎曲變形部分進行局部網格劃分，如圖13 所示，網格窗口內外尺寸比為0.0001，得到26301 個節點和100189 個元素。

圖13 工件的網格劃分

先對彎曲成形工藝中第一次彎曲進行模擬，根據冷擠壓成形工藝方案建立的初始模型如圖14 所示，隨后利用Deform 軟件對工件的整個成形過程進行模擬。

圖14 折彎成形工藝初始的三維模型

折彎工藝第一個彎曲的成形過程如圖15 所示。可以看出應力集中區為上模接觸板料的區域附近，主要原因是在板料彎曲過程中，這一區域向兩邊，曲率半徑是呈逐漸減小的趨勢的，材料晶體顆粒在該位置被拉深、旋轉、變形程度最大，因此板料在此處最容易出現拉裂破壞現象。

圖15 第一次彎曲成形過程

4.3 折彎成形過程中模擬結果分析

在模具應力分析中，將上模和下模設為彈性模型，坯料則設為剛塑性模型。分別對四種工件尺寸加工時第一次彎曲成形四種工況進行模擬，得到不同工序中模具的受力情況。四種工況如表2 所示。

表2 四種工況的工藝參數表

四種工況下垂直于工件方向上的載荷（Y 方向）隨著上模行程的變化如圖16 所示。每種工況下下模和上模所受載荷基本呈同一增長趨勢，隨著上模行程增加，所受到的力也越大，最大可達2.3×108N。下模所受到的載荷在上模從接觸工件開始下壓量達到30mm 時達產生突變，最大可達2.68×108N。對比四種工況，隨著下模槽寬增加，模具整體受力減小。對比三、四工況，隨著板件的厚度減小，成形力也變小。選取四種工況下彎曲成形中上模下壓量為30mm 時模具所受到的載荷，如表3 所示。

圖16 四種工況下模具受力與行程關系

表3 四種工況的模具受力表

4.4 模具整體受力有限元分析

上述模擬過程主要討論了模具受力與行程的關系，為了更好的表述模具與重型成型機在工作過程中的相互影響。利用Ansys 軟件將上模和下模的三維模型導入Workbench 進行分析計算，網格劃分遵循前述的網格劃分原則，載荷的施加按照Deform 中受載荷最大的工況一進行模擬仿真，上模的等效應力云圖和變形云圖如圖17 所示，計算得到模具應力最大為864.23MPa，發生在上模具兩側邊的地方，最大變形為2mm。

圖17 上模的應力應變分布云圖

下模的等效應力云圖和變形云圖如圖18 所示，計算得到模具應力最大為630.67MPa，發生在與工件接觸處，最大變形為0.33mm。

圖18 上模的應力應變分布云圖

通過以上計算結果可以看出在各階段成形模具受力和模具單獨情況下的受力分析，為重型成型機模具整體機構的載荷加載提供數據及比較依據。

5 結論

（1）通過分析重型成型機上下橫梁和立柱的應力應變云圖，結論為下工作臺和立柱較為安全，但是上橫梁部分位置存在應力超出應力極限的問題，且應力最大處多分布在施加預緊螺栓處，預緊螺母的接觸面積過小或者是接觸處的材料強度不夠。在工程設計中得到了改進。

（2）對重型成型機的液壓缸進行了三種工況有限元仿真分析，計算得到的最大應力位于缸底的密封槽內部，數值為209.55MPa，低于45 鋼屈服強度355MPa。油缸設計合理。

（3）進行了實際負載工況下重型成型機及模具的有限元分析，以成形過程為例，利用Deform 軟件得到了四種工況下彎曲成形中上模下壓量為30mm時模具所受到的載荷隨行程的變化曲線，同時基于載荷最大工況對模具進行了應力應變的單獨分析。

（4）仿真成型機和模具裝配，得到工作中各部位等效應力和變形分布情況。經過與模具、機身單獨分析時的結果進行比較發現：單獨分析時的應力和變形分布與整體分析的位置基本保持一致。結論為模具和機身單獨分析的結果可以預測模具和機身的變形趨勢。