基于Deform仿真的沖壓機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要 利用精密沖壓機(jī)來實(shí)現(xiàn)材料的精密加工是當(dāng)前材料加工中的主流，提高沖壓機(jī)的運(yùn)行效率能夠有效的提高加工的效果。本文在原有沖壓機(jī)床的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并利用Deform仿真軟件對改進(jìn)后的沖壓機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為沖壓機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一條可行的途徑。

關(guān)鍵詞 沖壓機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；Deform仿真

中圖分類號 TH133 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)062-0210-02

1 精密沖壓加工特點(diǎn)概述

目前沖壓機(jī)加工技術(shù)主要有普通沖壓和精密沖壓兩大類型。其中精密沖壓是一種無切屑的加工方法，加工過程要求更高，具有精度高、橫斷面平整、翹曲變形少等優(yōu)點(diǎn)。精密沖壓加工所采用的模具和傳統(tǒng)的模具有所不同，采用的是結(jié)構(gòu)特殊的精沖模具，其力學(xué)原理也不一樣，精密沖壓加工是借助強(qiáng)力壓邊和反頂施壓力，利用塑性剪切原理來實(shí)現(xiàn)對材料的裁切。經(jīng)過精密沖壓加工后的零件可以刀刀直接裝備的要求，而不需要再進(jìn)行切削。同時(shí)由于在精密沖壓加工過程中材料的冷作硬化作用，能夠間接的提高零件加工后的剪切面的強(qiáng)度。鑒于以上精密沖壓加工的優(yōu)點(diǎn)，這類加工技術(shù)能夠有效提高加工效率，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，因此在材料加工中具有較高的使用價(jià)值，也是材料加工機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要研究對象。

在以精密沖壓機(jī)為基礎(chǔ)的材料加工中，主要存在問題是可加工的材料厚度受到機(jī)床公稱壓力的限制，且由于在材料加工過程中沖頭和材料之間的接觸時(shí)間非常短，對材料的裁剪通常都在瞬間完成，會在這一過程中產(chǎn)生大量熱能，零件的質(zhì)量和模具壽命會因此受到影響。這是利用沖壓力來進(jìn)行零件加工中普遍存在的問題。而要改善這種情況，就需要解決沖壓過程中熱量釋放的問題，這主要取決于沖壓時(shí)沖頭的沖壓速度。本文即針對這一問題展開研究，在保證零件加工質(zhì)量的前提下通過控制沖頭速度來減小熱量釋放對零件和模具的負(fù)面影響。

2 沖壓機(jī)工作原理與改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

為便于論述，本文的研究以FGL-300型沖鍛復(fù)合加工機(jī)為對象展開研究。FGL-300主體為鑄鐵構(gòu)件的框架結(jié)構(gòu)，其核心部分為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過齒輪帶動(dòng)擺桿的偏心作用來實(shí)現(xiàn)對零件的沖壓加工。因此提高沖壓機(jī)工作效率、減小熱量釋放對模具和零件的影響關(guān)鍵是對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行改進(jìn)，提高傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的合理性。

本文在研究傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)時(shí)主要考慮了兩種方案。方案1：添加一個(gè)滑動(dòng)副，降低沖頭速度，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿正反轉(zhuǎn)，則大螺母實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，那么與大螺母相連接的連桿就可以調(diào)節(jié)滑塊速度；方案2：添加一個(gè)曲柄，構(gòu)成雙曲柄機(jī)構(gòu)，普通電機(jī)和伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩曲柄，依靠添加的曲柄來減小沖頭速度，由于驅(qū)動(dòng)都為轉(zhuǎn)動(dòng)副，因此可以保持同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

上述兩種改進(jìn)方案中，方案1需要提供較大的扭矩，且滑動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)距離，因此需要配合提高伺服電機(jī)的功率。而方案2中的驅(qū)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)起來更為方便。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬手段

在初步擬定了沖壓機(jī)改良結(jié)構(gòu)后，還需要對具體的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行必要的優(yōu)化。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)往往需要制作實(shí)物模型來進(jìn)行分析驗(yàn)證，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，可以通過模擬軟件來完成上述工作，能夠極大的降低設(shè)計(jì)成本，同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率。利用模擬軟件來完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本是構(gòu)建虛擬樣機(jī)的計(jì)算機(jī)模型，然后改變設(shè)計(jì)參數(shù)來檢驗(yàn)參數(shù)的變化對整體機(jī)械的性能影響，從而實(shí)現(xiàn)對主要設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化。本文中將采用Deform軟件來完成沖壓機(jī)結(jié)構(gòu)改變后的力學(xué)性能分析，并對結(jié)構(gòu)改良后的沖壓設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。Deform是一款高度集成化、模塊化的有限元仿真軟件，它是由前處理器、模擬器、后處理器三大模塊組成的，前處理器用來輸入模具和坯料的材料信息、幾何信息、成形條件，建立邊界條件；后處理器的作用是可以將模擬結(jié)果可視化，支持OPGL圖形模式，輸出用戶所需要的模擬結(jié)果和圖片文件等；模擬器是具有集彈性、彈塑性、剛（粘）塑性、熱傳導(dǎo)等特征的有限元求解器。

4 參數(shù)優(yōu)化模型定義與構(gòu)建

4.1 定義設(shè)計(jì)變量

從上述兩種設(shè)計(jì)方案可見設(shè)計(jì)到的主要參數(shù)之一是桿件的長度，以及桿件在初始位置的轉(zhuǎn)角。這兩個(gè)參數(shù)的變動(dòng)可構(gòu)成不同力學(xué)性能的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。從本文沖壓機(jī)實(shí)際需要出發(fā)，將沖壓機(jī)的沖壓行程控制在150mm±5mm，各設(shè)計(jì)參數(shù)分別為主要為以下4個(gè)（此節(jié)中以方案2為例案例進(jìn)行闡述，各參數(shù)的標(biāo)注位置如圖1所示）：1曲柄長度（AB）；2AB桿初始位置夾角（θ1）；3輔助驅(qū)動(dòng)曲柄的長度（ED）；4ED的初始位置夾角（θ4）。其他設(shè)計(jì)參數(shù)和尺寸標(biāo)注如圖2所示。

4.2 構(gòu)件與設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)聯(lián)

從圖1的結(jié)構(gòu)概化圖可見，在該沖壓機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部分在于A、E、G三個(gè)節(jié)點(diǎn)，這三個(gè)點(diǎn)將決定沖壓行程，利用Deform軟件可通過將模型中的桿件和坐標(biāo)位置相關(guān)聯(lián)，其實(shí)現(xiàn)途徑是建立關(guān)聯(lián)表達(dá)式，具體方法為通過將桿件中的各節(jié)點(diǎn)標(biāo)號用幾何體位置和設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行綁定。這樣的好處是只要改變了設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)和相應(yīng)的長度、夾角等參數(shù)，與之對應(yīng)的桿件其他參數(shù)也會隨之變化，從而構(gòu)建起多種不同的組合機(jī)構(gòu)形式。此處以AB桿為例，可通過LOC_RELATIVE_TO函數(shù)來綁定AB桿件的起點(diǎn)A點(diǎn)，桿件的運(yùn)動(dòng)方向以O(shè)RI_ALONG_AXIS函數(shù)懶綁定，桿件長度以length函數(shù)來綁定，其他桿件都可以通過類似的方法來進(jìn)行綁定。經(jīng)過上述操作后可得到如下的模型，如圖2所示。

5 沖壓機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在上述計(jì)算機(jī)建模完成的基礎(chǔ)上，按如下步驟來完成參數(shù)的優(yōu)化：1在設(shè)定各設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍；2選擇某個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，在擬定范圍內(nèi)變動(dòng)，其他設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值固定；3按上述方式進(jìn)行各種參數(shù)的組合。通過上述步驟，可以獲得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在不同參數(shù)組合下的變化情況，以及在其他參數(shù)固定后某個(gè)參數(shù)變化時(shí)整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的對參數(shù)變化的敏感性。由于設(shè)計(jì)時(shí)所涉及的桿件數(shù)量較多，此處只給出ED桿件對滑塊速度的軟件仿真分析結(jié)果。在該機(jī)構(gòu)中，桿件ED的作用是作為輔助驅(qū)動(dòng)來調(diào)解滑塊的運(yùn)行速度。在設(shè)計(jì)時(shí)擬定桿件ED的長度變化范圍為180 mm～220 mm，分別以10mm步長做調(diào)節(jié)，并記錄滑塊的運(yùn)行速度變化情況，在此基礎(chǔ)上繪制桿件ED長度和滑塊運(yùn)行速度之間的關(guān)系曲線（圖略）。從該曲線可見，不同的桿件長度對滑塊速度的影響程度不大，但對滑塊在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的運(yùn)行距離影響較大，通過分析，將滑塊在機(jī)構(gòu)中的有效位移控制在8 mm～12 mm之間，在干范圍內(nèi)選擇與之對應(yīng)的桿件長度范圍。在獲得桿件ED的范圍后，再變動(dòng)其他參數(shù)，從而縮小這些參數(shù)的變化范圍。在對所有參數(shù)都完成了一輪范圍界定后，按上述步驟進(jìn)一步優(yōu)化，從而獲得相對固定的各參數(shù)組合值，最終獲得沖壓機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各參數(shù)的優(yōu)化組合設(shè)計(jì)值。

6 優(yōu)化效果分析

經(jīng)過方案對比后，選擇方案2作為最終的設(shè)計(jì)方案。為便于對比，將沖壓機(jī)優(yōu)化前后的結(jié)果進(jìn)行了對比，對比方式為模擬仿真試驗(yàn)，以凸模的運(yùn)動(dòng)速度作為主要的參考指標(biāo)，將原沖壓機(jī)的80 mm/s的沖壓速度降為40 mm/s后進(jìn)行模擬對比。模擬仿真結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化后，凸模沖裁力明顯降低，即表明，經(jīng)優(yōu)化后滑塊運(yùn)行速度降低，這有利于延長模具的使用壽命。同時(shí)精密沖壓時(shí)同樣的材料最大受力單元的力與優(yōu)化之前的相比有所下降，最大受力點(diǎn)的受力也有所降低。這表明經(jīng)過優(yōu)化后的沖壓機(jī)較之于原設(shè)備在材料加工性能和模具保護(hù)方面都有明顯的提高。由上述結(jié)果可見，將原沖壓機(jī)經(jīng)過改良設(shè)計(jì)后在材料加工和模具保護(hù)方面都有所改善，表明本文中所采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是可行。從今后進(jìn)一步研究的角度看，應(yīng)更多從尋找各參數(shù)之間的理論最優(yōu)解以及設(shè)計(jì)更為優(yōu)良的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)這兩個(gè)方面展開研究。

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