數(shù)控折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)測(cè)試與分析

馮天民，應(yīng)博川，周 歡，龔俊杰

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005）

1 前言[1-2]

高精密數(shù)控折彎?rùn)C(jī)作為板材加工設(shè)備中最常見(jiàn)的一類設(shè)備，在板材加工過(guò)程中扮演了非常重要的角色。作為使用最為廣泛的彎曲成形設(shè)備，折彎?rùn)C(jī)可生產(chǎn)出不同形狀的折彎件，制件比軋制型材輕，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)量上減小30%～50%，且制作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高。

文中以某高精密數(shù)控折彎?rùn)C(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)對(duì)床身結(jié)構(gòu)做了強(qiáng)度及剛度測(cè)試，為后續(xù)折彎?rùn)C(jī)有限元建模及優(yōu)化分析提供了基礎(chǔ)。

2 測(cè)試概述

2.1 測(cè)試意義

在工程領(lǐng)域內(nèi)，通過(guò)測(cè)試可以分析零部件或結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，考量工作狀態(tài)的可靠性，以保證結(jié)構(gòu)安全性，也可用于檢查設(shè)計(jì)是否合理。在眾多應(yīng)力測(cè)試方法中，應(yīng)變電測(cè)法具有方法簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的一種測(cè)試方法。通過(guò)該測(cè)試[3-4]：①可以了解測(cè)量構(gòu)件的受力及分布情況，為分析構(gòu)件設(shè)計(jì)的合理性、安全裕度提供依據(jù)；②可驗(yàn)證相關(guān)理論公式，更加合理地設(shè)計(jì)構(gòu)件；③可提供生產(chǎn)制造過(guò)程或者物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型；④是設(shè)計(jì)制造用于測(cè)量多種機(jī)械參量的應(yīng)變式傳感器的理論基礎(chǔ)。

根據(jù)受力情況，構(gòu)件的應(yīng)力測(cè)量常溫下可分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種，當(dāng)載荷基本不變或緩慢變化時(shí)，構(gòu)件應(yīng)力隨之不變或緩慢變化，此時(shí)屬靜態(tài)應(yīng)力測(cè)量。折彎?rùn)C(jī)在保壓時(shí)其載荷達(dá)到最大值并保持一段時(shí)間不變，本次折彎?rùn)C(jī)的應(yīng)力測(cè)試即為靜態(tài)測(cè)試。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)儀器組成

折彎?rùn)C(jī)應(yīng)力與變形測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)主要由電阻應(yīng)變片、位移傳感器、測(cè)量電路、顯示與記錄儀器或計(jì)算機(jī)等組成，測(cè)試框圖分別如圖1、2所示。

圖1 折彎?rùn)C(jī)應(yīng)力測(cè)試框圖

圖2 折彎?rùn)C(jī)變形測(cè)試框圖

2.3 測(cè)試原理及數(shù)據(jù)處理[5-6]

應(yīng)變電測(cè)法只適用于被測(cè)量構(gòu)件在彈性變形范圍內(nèi)?；驹硎窍葴y(cè)量出構(gòu)件的變形量，再根據(jù)胡克定律換算出待測(cè)件的應(yīng)力值。

其中，電阻應(yīng)變片屬于電阻式傳感器，通過(guò)改變自身電阻來(lái)反映被測(cè)構(gòu)件的機(jī)械應(yīng)變。將若干電阻應(yīng)變片構(gòu)成測(cè)量電橋，當(dāng)某個(gè)橋臂電阻發(fā)生改變時(shí)，該電橋就輸出一個(gè)與其大小變化成線性關(guān)系的電壓。由計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄，并對(duì)電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)統(tǒng)一設(shè)置，就能得到與實(shí)際應(yīng)變大小相對(duì)應(yīng)的電壓大小，因此可確定構(gòu)件所受應(yīng)力情況。

根據(jù)力學(xué)理論，測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變與應(yīng)力間存在對(duì)應(yīng)的數(shù)量關(guān)系，根據(jù)不同的應(yīng)力測(cè)量狀態(tài)，應(yīng)力計(jì)算方式如下。

2.3.1 單向應(yīng)力狀態(tài)

該應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)量關(guān)系比較簡(jiǎn)單，由胡克定律確定為

顯然，在測(cè)出應(yīng)變值ε后，直接根據(jù)上式就可以計(jì)算出應(yīng)力，再根據(jù)構(gòu)件的形狀與截面尺寸就可計(jì)算得到所受載荷大小。

2.3.2 平面應(yīng)力狀態(tài)

許多場(chǎng)合下需要獲知一般平面應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的主應(yīng)力，但主應(yīng)力方向可能是未知的，此時(shí)通常采用貼應(yīng)變花的方式進(jìn)行測(cè)試。應(yīng)變花示意圖如圖3所示。對(duì)于平面應(yīng)力狀態(tài)，只需測(cè)得某一點(diǎn)三個(gè)方向的應(yīng)變?chǔ)臕、εB和εC，就能夠根據(jù)計(jì)算公式得出該點(diǎn)的主應(yīng)力大小及方向。

圖3 應(yīng)變花示意圖

對(duì)于平面應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)點(diǎn)， 令 εx=εA，εy=εC，γxy=2εB-εA-εC，則應(yīng)力計(jì)算公式為：

主應(yīng)力

式中：ε——應(yīng)變；

v——泊松比；

E——被測(cè)構(gòu)件材料的楊氏模量。

2.3.3 位移計(jì)算

為了將應(yīng)變放大器和數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)得到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成測(cè)點(diǎn)的位移，需要對(duì)位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定，即每1mV的電壓信號(hào)所對(duì)應(yīng)的位移傳感器的位移。將位移傳感器標(biāo)定，正確安裝并經(jīng)過(guò)校零，則測(cè)試信號(hào)位移的計(jì)算公式為：

測(cè)試位移值=標(biāo)定值×測(cè)試信號(hào)峰值

2.4 測(cè)試內(nèi)容

折彎?rùn)C(jī)應(yīng)力測(cè)試主要針對(duì)典型工況下2.5m長(zhǎng)度的普通Q235鋼板材對(duì)中放置、偏移放置，補(bǔ)償缸工作與不工作兩種情況進(jìn)行。位移測(cè)試主要針對(duì)行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多的折彎情況。詳見(jiàn)表1、2所示。

表1 應(yīng)力測(cè)試工況

表2 位移測(cè)試工況

（1）運(yùn)用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)，對(duì)折彎?rùn)C(jī)工作應(yīng)力（應(yīng)變）進(jìn)行整體測(cè)試，獲得機(jī)床各個(gè)部位（機(jī)床側(cè)板、滑塊、工作臺(tái)、油缸座、補(bǔ)償缸等）的應(yīng)力分布情況。

（2）運(yùn)用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)，測(cè)試滑塊和工作臺(tái)壓力分布，從而了解滑塊與工作臺(tái)的壓力均勻性情況。

（3）運(yùn)用位移傳感器對(duì)折彎?rùn)C(jī)滑塊和工作臺(tái)沿機(jī)床長(zhǎng)度方向及前后方向的變形進(jìn)行測(cè)試，了解滑塊和工作臺(tái)的變形分布規(guī)律以及滑塊的水平翻轉(zhuǎn)等情況。

2.5 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)測(cè)試構(gòu)件與截面的選擇原則，分別對(duì)折彎?rùn)C(jī)的主要受力部件機(jī)身側(cè)板、滑塊、工作臺(tái)等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)布片。當(dāng)機(jī)床進(jìn)行折彎時(shí)，側(cè)板承受主要的載荷，其C型喉口處存在著較高的應(yīng)力，極易發(fā)生撕裂；除此以外，工作臺(tái)與側(cè)板、油缸座與側(cè)板的聯(lián)接處由于大量的焊接加工也存在著較大的應(yīng)力。所以選取左側(cè)板、滑塊與工作臺(tái)為測(cè)試構(gòu)件，一般情況下主應(yīng)力方向已知的測(cè)點(diǎn)選用單向應(yīng)變片即可；如果測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力方向未知的，通常應(yīng)該選用應(yīng)變花。

位移測(cè)試時(shí)，沿滑塊及工作臺(tái)長(zhǎng)度方向分別選取8個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)試滑塊下端面與工作臺(tái)上端面豎直變形，滑塊下端與工作臺(tái)上端水平變形。

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)示意圖如圖4所示。

圖4 各測(cè)點(diǎn)位置示意圖

3 測(cè)試結(jié)果分析[7]

3.1 側(cè)板應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可以看出側(cè)板喉口應(yīng)力偏大，偏置折彎工況上喉口最大達(dá)230.1MPa，下喉口最大可達(dá)215MPa，該處將發(fā)生較為明顯的塑形變形，加劇并導(dǎo)致了滑塊的前后翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生水平位移。其余各測(cè)點(diǎn)所測(cè)應(yīng)力值均不大。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，7號(hào)測(cè)點(diǎn)（圖4a）油缸安裝座齊縫處的切應(yīng)力并不大。另補(bǔ)償油缸壓力對(duì)側(cè)板應(yīng)力影響較小。

3.2 滑塊應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

分析結(jié)果可知油缸座的臺(tái)階處應(yīng)力較大，其中11號(hào)、15號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力高達(dá)260MPa。從壓力分布情況可以看出，在無(wú)補(bǔ)償時(shí)滑塊中間部位所受壓力較小，兩側(cè)壓力較大，壓力具有中間小、兩側(cè)大的不均勻性。補(bǔ)償開(kāi)啟后中間所受壓力有所上升，兩側(cè)與中間壓力比較均勻。

3.3 工作臺(tái)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

工作臺(tái)整體所受應(yīng)力不大，分析結(jié)果可知補(bǔ)償缸的開(kāi)啟與關(guān)閉，對(duì)中立板補(bǔ)償油缸安裝座的小圓弧處的應(yīng)力影響較明顯。對(duì)于輔板而言，關(guān)閉補(bǔ)償缸時(shí)，幾乎不受壓力。而當(dāng)補(bǔ)償缸開(kāi)啟時(shí)，輔板在補(bǔ)償油缸安裝座的小圓弧處的應(yīng)力發(fā)生明顯變化，而且輔板中間部位的應(yīng)力明顯小于兩側(cè)。由數(shù)據(jù)可知中立板上邊緣壓力分布較散亂無(wú)規(guī)則，補(bǔ)償開(kāi)啟后，中立板所受壓力明顯上升，但左右兩端并不對(duì)稱。

3.4 滑塊豎直變形測(cè)試結(jié)果

工況1、2、3為自由折彎方式，工況4、5為壓底折彎方式。因滑塊始終處于上下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此對(duì)滑塊的零位狀態(tài)取值較困難。工況4、5所得變形包含了折彎板材1.5mm的厚度與模具間的縫隙，因不能得到準(zhǔn)確的縫隙大小，此處給出了絕對(duì)變形值，但滑塊中間相對(duì)于兩端的變形量符合實(shí)際情況。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)，滑塊撓曲變形隨折彎壓力增大而增大，整體變形趨勢(shì)呈現(xiàn)兩端小中間大，符合實(shí)際情況。當(dāng)滿載自由折彎工況時(shí)，滑塊相對(duì)最大撓曲變形為0.39mm。

3.5 工作臺(tái)豎直變形測(cè)試結(jié)果

對(duì)于壓底折彎普通鋼板工況，補(bǔ)償關(guān)閉時(shí)，工作臺(tái)與滑塊的撓度變形趨勢(shì)相反，工作臺(tái)向下的變形很大，最大值達(dá)到-0.57mm，導(dǎo)致折彎精度差。補(bǔ)償開(kāi)啟后，工作臺(tái)變形明顯改善，變形曲線趨于水平，最大變形量為-0.046mm，說(shuō)明補(bǔ)償效果顯著，但折彎工件的精度還是不能滿足要求，分析原因是補(bǔ)償油缸壓力不足，今后還需對(duì)補(bǔ)償油缸的位置、壓力大小、油缸數(shù)量作詳細(xì)研究。

3.6 滑塊水平變形測(cè)試結(jié)果

在自由滿載折彎工況時(shí)，滑塊中間部位的水平翻轉(zhuǎn)變形量最大可達(dá)0.666mm；其余工況下，滑塊水平翻轉(zhuǎn)變形趨勢(shì)相同，由于折彎力較小，變形量小于自由滿載工況，但折彎不銹鋼鋼板時(shí)，中間水平變形的最大值達(dá)到0.417mm。后續(xù)設(shè)計(jì)中還要對(duì)滑塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高滑塊的整體剛性。

3.7 工作臺(tái)水平變形測(cè)試結(jié)果

經(jīng)分析測(cè)量數(shù)據(jù)，中立板水平方向變形量較小，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)兩端變形大于中間的趨勢(shì)，最大變形量為0.2 4 6 m m，總體來(lái)說(shuō)工作臺(tái)剛性較高。

3.8 部分測(cè)試照片（圖5）

圖5 部分測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了機(jī)械工程中應(yīng)力測(cè)試的意義及方法，應(yīng)變電測(cè)原理等。根據(jù)折彎?rùn)C(jī)的工作情況選擇側(cè)板、滑塊及工作臺(tái)三個(gè)主要部件作為測(cè)試對(duì)象，并確定測(cè)點(diǎn)位置，擬定測(cè)試方案。通過(guò)測(cè)試得到各典型工況下的應(yīng)變與變形，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到各測(cè)點(diǎn)的數(shù)值。

分析測(cè)試數(shù)據(jù)可知，側(cè)板局部高應(yīng)力區(qū)主要為上下喉口，且上喉口應(yīng)力大于下喉口，側(cè)板與工作臺(tái)聯(lián)接小圓弧處；滑塊肩部方孔處應(yīng)力集中，為高危險(xiǎn)區(qū)域，其余部分較小，強(qiáng)度存在裕度；工作臺(tái)總體受力較小，由于補(bǔ)償壓力不均，個(gè)別測(cè)試工況存在應(yīng)力突然增大情況，但不影響折彎?rùn)C(jī)使用。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，為后續(xù)折彎?rùn)C(jī)有限元建模及優(yōu)化分析提供了基礎(chǔ)。

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