折彎機(jī)滑塊變形分析及實驗測試

周歡，馮天民，應(yīng)博川，龔俊杰，趙小滿

(1.揚州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚州225127;2.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇江都225200)

0 前言

折彎機(jī)是一種使用最廣泛的彎曲成形設(shè)備，在數(shù)控折彎機(jī)上可以做出不同形狀的折彎件，它們比軋制型材輕，且外形美觀。采用折彎件焊接成的構(gòu)件，較同類鑄鋼件在質(zhì)量上可以輕30%～50%，且制作簡單，生產(chǎn)效率高。折彎機(jī)滑塊是折彎機(jī)在折彎板材時最重要的執(zhí)行部件之一，在折彎力的作用下，滑塊會產(chǎn)生變形，嚴(yán)重影響加工工件的角度和直線精度。

江蘇亞威機(jī)床股份有限公司的談傳明［1］，通過CosmosWorks分析軟件對PBB-400/5100折彎機(jī)滑塊有限元分析，通過優(yōu)化減小了滑塊肩部與活塞桿接觸部位應(yīng)力較大的情況。揚州大學(xué)的周歡等人［2］，通過ANSYS分析軟件對PBB-110/3100折彎機(jī)滑塊分析與優(yōu)化，采用4種不同方案，并最終確定二、四組合方案為最終的優(yōu)化方法，顯著的減小了滑塊肩部應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

文獻(xiàn)［1-2］計算滑塊的變形僅考慮了豎直方向的載荷，查閱國內(nèi)文獻(xiàn)資料，目前很少有人研究過水平位移，因此對滑塊的變形計算存在著很大的誤差，主要是因為折彎力模擬不準(zhǔn)，事實上水平折彎力很大，對滑塊水平變形的影響非常嚴(yán)重。還有一個原因是喉口應(yīng)力往往較大，側(cè)板發(fā)生變形，這也導(dǎo)致了滑塊的翻轉(zhuǎn)，加劇了水平變形。嚴(yán)重影響了板料加工的直線度。

1 折彎載荷的數(shù)值計算

1.1 有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

剛塑性有限元法是基于小應(yīng)變的位移關(guān)系，但是它忽略了材料塑性變形時的彈性變形部分，而考慮了材料在塑性變形時的體積不變條件，它可以用來計算較大變形的問題，所以近年來發(fā)展迅速，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于分析各種金屬塑性成形過程［3］。

文中模擬折彎過程使用的軟件為DEFORM-3D，它是在一個集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析，適用于熱、冷、溫成形，提供極有價值的工藝分析數(shù)據(jù)。文中采用Solid-Works進(jìn)行三維建模，轉(zhuǎn)換為stl格式文件，然后導(dǎo)入DEFORM-3D，如圖1所示。上、下模設(shè)置為剛體，下模V形槽開口角度為88°，槽寬16 mm。文中研究折彎材料是Q235，但因為DEFORM不是國內(nèi)軟件，材料庫中沒有Q235對應(yīng)的材料，根據(jù)AISI美國鋼鐵學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，低碳鋼 (AISI1005～1026)的含碳量為0.06% ～0.28%，對應(yīng)國內(nèi)的含碳量標(biāo)準(zhǔn)(＜0.25%)，選取 AISI-1020 為研究材料［4-6］。對板材選取溫度及材料屬性，添加邊界條件和運動條件，然后再對板材進(jìn)行網(wǎng)格劃分，寬厚規(guī)格為60 mm×3 mm的鋼板，取長500 mm進(jìn)行研究，劃分網(wǎng)格，三維模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.2 接觸問題處理

折彎過程是模具和板材相互作用的過程。在這個過程當(dāng)中，模具連續(xù)擠壓板材，以便使材料在高溫、高速下產(chǎn)生塑性變形;反過來，板材又不斷摩擦和擠壓刀片。在此過程中，板材與模具的接觸是動態(tài)變化的。所以，對折彎過程的模擬，必然涉及到接觸問題。接觸是邊界條件非線性作用的復(fù)雜問題，需要準(zhǔn)確地追蹤在接觸前與接觸后兩個物體發(fā)生的相互作用。文中設(shè)定模具為主動接觸體，板材是被動接觸體，又因為研究的是冷折彎過程，選擇shear類型，并設(shè)定摩擦因數(shù)為0.12。在折彎的接觸過程中，板材上的節(jié)點不可能總是恰好與模具接觸，因此，引入了接觸容差的概念。如果容差值設(shè)置過大，則可能把太多的節(jié)點定位到接觸表面，容易導(dǎo)致板材有限元網(wǎng)格的畸變;如果容差值過小則可能在接觸面上找不到節(jié)點，甚至沒有接觸點產(chǎn)生［3］。值得欣喜Deform-3D系統(tǒng)會自動產(chǎn)生一個合理的容差值。

1.3 約束與載荷

考慮到實際的折彎過程，限制上模的三個轉(zhuǎn)動自由度和X、Z方向的自由度、只保留上模向下的 (即Y方向)移動自由度，同時限制下模3個方向轉(zhuǎn)動自由度和移動自由度。對于板材，平放在下模上表面，折彎過程中模具限制了板料的Y、Z轉(zhuǎn)動與X、Z方向的移動自由度。

仿真模擬載荷的施加:給上模施加一個速度，該速度與實際折彎過程中的上模和板材接觸時的速度相等。為了真實模擬折彎過程中上模向下運動而使板材產(chǎn)生塑性變形并最終成型的過程，查詢該型號折彎機(jī)使用說明書可知上模運動速度v＝10 mm/s。

1.4 仿真結(jié)果

如圖2所示為折彎過程中折彎力的變化趨勢，從圖中可以看出，折彎力迅速達(dá)到最大，板材持續(xù)塑形變形直到成型，折彎力迅速下降，仿真過程中得到板厚為3 mm的折彎力行程關(guān)系曲線，由圖2可知，當(dāng)工件折彎到90°時，折彎力約為96 kN，并且利用折彎力理論計算公式得到折彎力為179.34 kN，處在誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為模擬的結(jié)果是可行的。

圖2 折彎豎直力變化

通過圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)在折彎時，上模不但受到豎直方向的折彎力，水平方向還受到折彎推力。水平推力隨上模行程變化波動比較大，當(dāng)最終保壓時，可以認(rèn)為水平力恒定，當(dāng)工件折彎到90°時，取近似平穩(wěn)階段折彎水平力大約為7.84 kN。

圖3 折彎水平力變化

2 滑塊變形的有限元分析

采用ANSYS軟件對折彎機(jī)進(jìn)行三維變形應(yīng)力分析，定量地描述折彎機(jī)滑塊的變形和應(yīng)力分布狀態(tài)，找出了其薄弱環(huán)節(jié)，并用實驗方法對分析結(jié)果進(jìn)行了驗證。

文獻(xiàn)［2］中載荷施加僅考慮了豎直的折彎力，即油缸的滿載壓力。通過上文DEFORM有限元軟件的仿真，得知折彎過程中有水平力的產(chǎn)生。通過計算，應(yīng)給滑塊下端安裝模具的凸臺部位施加水平推力，大小約為43.12 kN。

2.1 計算結(jié)果分析

圖4、5分別顯示了滑塊下端豎直與水平變形情況，由圖4可以看出滑塊豎直方向中間部位變形較大，中間相對于兩側(cè)最大變形達(dá)到0.471 mm。變形趨勢符合實際工作情況。圖5顯示了滑塊水平方向變形呈現(xiàn)中間大兩端小趨勢，中間相對于兩側(cè)最大變形達(dá)到0.907 mm。

圖4 滑塊豎直變形

圖5 滑塊水平變形

3 滑塊變形測試

為了驗證有限元計算的正確性，對折彎機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，采用位移傳感器作為測量工具對折彎機(jī)進(jìn)行變形測量。測量時，將百分表固定在專門制作的工裝上，百分表的觸頭抵在被測量表面上。折彎過程中，油缸驅(qū)動滑塊，數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)將會得到電壓信號，記錄數(shù)據(jù)，通過儀器標(biāo)定值將電壓值轉(zhuǎn)換成測點的位移值［7］。實驗測試現(xiàn)場如圖6、7、8所示。

圖6 測試現(xiàn)場一

圖7 測試現(xiàn)場二

圖8 測試現(xiàn)場三

圖9 滑塊下端豎直變形對比

圖10 滑塊下端水平變形對比

文中滑塊測試沿長度方向共測試16個點的變形，折彎工況為自由滿載折彎長3 m，厚3 mm的普通Q235鋼。將測試值與有限元計算結(jié)果進(jìn)行對比，曲線如圖9、10所示。豎直變形對比如圖9，其中測試值為滑塊的絕對變形，計算值為滑塊的相對變形，這里面包含了由于機(jī)身剛度不足而導(dǎo)致的變形。因此兩條曲線存在間隙。但測試值與計算值滑塊中間部位與兩側(cè)豎直相對變形基本一致，兩條曲線趨于平行。從圖10可以看出，折彎機(jī)滑塊的水平變形測試值與有限元計算值均比較接近。

4 結(jié)論

通過DEFORM-3D有限元軟件對折彎過程進(jìn)行仿真，分別得出了折彎豎直力與水平力。再通過ANSYS有限元分析軟件對折彎機(jī)變形進(jìn)行計算，為驗證計算的正確性，對折彎機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場剛性測試，通過數(shù)據(jù)對比，試驗測值與有限元計算值比較接近，從而驗證了剛度計算的正確性，為進(jìn)一步完善和優(yōu)化折彎機(jī)結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

［1］談傳明，張子?xùn)|，曹光榮，等.折彎機(jī)滑塊的有限元分析及優(yōu)化［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011(6):37-40.

［2］趙小滿，周歡，龔俊杰，等.基于有限元技術(shù)的折彎機(jī)滑塊分析與 改進(jìn)設(shè)計［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014(3):38-40.

［3］張莉，李升軍.DEFORM在金屬塑性成形中的應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］俞漢清，陳金德.金屬塑性成形原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［5］劉紅濤.基于DEFORM-3D平臺不銹鋼板材熱軋工藝模擬研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2011.

［6］沈明.鉑金工藝及模擬仿真分析［D］.蘇州:蘇州大學(xué)，2011.

［7］南京安正軟件工程有限責(zé)任公司.安正CRAS振動及動態(tài)信號采集分析軟件使用說明書［Z］.2007.