YW-1020型全自動(dòng)深壓紋機(jī)的有限元分析與優(yōu)化

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(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

深壓紋機(jī)是紙制品、塑料、皮革等印刷品表面整飾加工的一種重要設(shè)備，廣泛用于包裝裝潢、產(chǎn)品廣告、書刊封面、彩盒面紙、請柬和其它特殊產(chǎn)品表面的壓紋加工[1]。與傳統(tǒng)的深壓紋機(jī)相比，YW-1020型全自動(dòng)深壓紋機(jī)具有自動(dòng)化程度高、壓紋精度高、無需冷卻系統(tǒng)、能耗小等優(yōu)點(diǎn)[2]。深壓紋機(jī)壓紋過程是一個(gè)往復(fù)的過程，工作過程中存在著復(fù)雜的受力情況，并且長期承受著交變載荷的作用，這使得各個(gè)鉸鏈處的徑向滑動(dòng)軸承發(fā)生疲勞破壞進(jìn)而影響機(jī)器的穩(wěn)定性與安全性[3]。故在對深壓紋機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需對其受力相對較惡劣工作位置進(jìn)行分析，以便于對關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

該研究以YW-1020型全自動(dòng)深壓紋機(jī)為對象，結(jié)合工廠反饋的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用有限元的方法對該機(jī)器的兩個(gè)工作位置進(jìn)行了分析，得出其受力較惡劣工作位置下各個(gè)軸承的Mises應(yīng)力分布情況。最后使用優(yōu)化模塊Design Exploration對深壓紋機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為深壓紋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更加合理提供一定支持。

1 深壓紋機(jī)有限元模型的建立

1.1 初壓紋/動(dòng)平臺(tái)閉合工作位置下深壓紋機(jī)模型的建立

YW-1020型全自動(dòng)深壓紋機(jī)是結(jié)合三梁四柱的液壓機(jī)與膜切機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)而成的，其主要結(jié)構(gòu)包括四組運(yùn)動(dòng)擺桿裝置、動(dòng)平臺(tái)和底部的集成板。該機(jī)器的12個(gè)關(guān)節(jié)處各有一組關(guān)節(jié)軸承，且它們的型號都是免維護(hù)徑向滑動(dòng)軸承GE60 TXE-2LS。該軸承由內(nèi)圈和外圈組成，外圈裝在擺桿和軸座的軸孔中，內(nèi)圈與軸徑相配，軸徑擺動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)圈在球面上擺動(dòng)。徑向滑動(dòng)軸承的基本參數(shù)為[4]：內(nèi)圈寬度為44 mm；內(nèi)圈直徑為60 mm；外圈寬度為36 mm；徑向游隙0.3 mm～0.6 mm；滑動(dòng)摩擦副為鋼/PTFE編織材料，滑動(dòng)接觸面組合不要使用潤滑劑。

深壓紋機(jī)的下擺桿運(yùn)動(dòng)到與豎直方向成3.325°時(shí)稱之為初壓紋工作位置。從該位置繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)下擺桿運(yùn)動(dòng)到與豎直方向成0°時(shí)，此時(shí)為動(dòng)平臺(tái)閉合加壓的工作位置。有限元模型如圖1。

圖1 深壓紋機(jī)有限元模型

1.2 深壓紋機(jī)的受力分析

深壓紋機(jī)是在絲杠組件驅(qū)動(dòng)下完成壓紋工作的(絲杠組件的驅(qū)動(dòng)作用在分析時(shí)用力的作用代替，故有限元模型中未體現(xiàn)出絲杠組件)，圖2(a)、(b)為工廠反饋的深壓紋機(jī)在壓紋工作中絲杠水平力、動(dòng)平臺(tái)的受力曲線。由兩條曲線可以看出，在下擺桿從初始位置逐漸趨于豎直狀態(tài)的過程中，絲杠對支撐軸施加的水平方向的力在不斷增大，當(dāng)下擺桿的擺角為3.325°時(shí)，絲杠施加的力達(dá)到最大，從此時(shí)刻起，深壓紋機(jī)動(dòng)平臺(tái)開始受到向下的壓力，并隨下擺桿的擺角的減小而增大，當(dāng)下擺桿的擺角為0°時(shí)，動(dòng)平臺(tái)受到的向下的壓力最大，絲杠的水平力減小為0。該研究是對絲杠水平力最大的時(shí)刻和動(dòng)平臺(tái)受到最大壓力(平臺(tái)閉合保壓)時(shí)兩個(gè)工作位置進(jìn)行分析。圖2(c)、(d)為初壓紋、動(dòng)平臺(tái)閉合保壓兩位置時(shí)的受力情況。

圖2 深壓紋機(jī)受力情況

1.3 深壓紋機(jī)動(dòng)載系數(shù)的計(jì)算

深壓紋機(jī)壓紋過程中，承載機(jī)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生動(dòng)載荷作用。應(yīng)將深壓紋機(jī)壓紋時(shí)的靜載荷乘以動(dòng)載系數(shù)。動(dòng)載系數(shù)的取值對深壓紋機(jī)的安全性、經(jīng)濟(jì)性有很大影響。國內(nèi)外對計(jì)算動(dòng)載系數(shù)的方法和理論有大量的研究[5]。

根據(jù)深壓紋機(jī)壓紋時(shí)的載荷峰值與動(dòng)平臺(tái)上升段均值[6]，深壓紋機(jī)動(dòng)載系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

式中：Fmax載荷峰值(N)；Fm上升段均值(N)。

根據(jù)深壓紋機(jī)已知數(shù)據(jù)計(jì)算出動(dòng)載系數(shù)k≈1.4。

2 深壓紋機(jī)的有限元分析

2.1 材料參數(shù)與網(wǎng)格的劃分

深壓紋機(jī)的各個(gè)零部件均設(shè)為柔性體。在仿真模型中，上軸座、下軸座、轉(zhuǎn)動(dòng)軸1、轉(zhuǎn)動(dòng)軸2、上擺桿、下擺桿材料均45#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；支撐軸的材料為38CrMoAl；軸承內(nèi)、外圈的材料為GCr15。具體參數(shù)如表1。

表1 材料參數(shù)

圖3 壓紋機(jī)網(wǎng)格劃分結(jié)果

在網(wǎng)格劃分過程中，將對分析影響不大的動(dòng)平臺(tái)與集成板采用默認(rèn)生成網(wǎng)格方式，對其他構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分后，生成734941個(gè)單元和1594108個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3。

2.2 接觸模型的建立

在進(jìn)行有限元分析前，需要檢查各個(gè)零件的接觸并對不正確的進(jìn)行修改。正確的約束和定義接觸對是深壓紋機(jī)強(qiáng)度分析的重要環(huán)節(jié)，約束模擬必須限制深壓紋機(jī)所有的運(yùn)動(dòng)可能，并不得有多余約束。接觸定義必須更加符合機(jī)器的真實(shí)情況。由于深壓紋機(jī)工作時(shí)，徑向滑動(dòng)軸承內(nèi)、外圈有相對滑動(dòng)，為了使仿真結(jié)果更加真實(shí)可靠，將軸承內(nèi)、外圈的接觸類型設(shè)置為摩擦接觸(Frictional)，其摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。其余各部件之間的接觸設(shè)置為綁定(bonded)。

分別對兩種狀態(tài)下的模型施加約束和載荷，對兩種工作位置下的集成板底部施加固定約束(Fix-Support)來模擬地面對壓紋機(jī)的固定和支撐；與深壓紋機(jī)閉合加壓狀態(tài)相比，深壓紋機(jī)在處于初壓紋位置時(shí)，除了有動(dòng)平臺(tái)受到向下的壓力外，還有絲杠對支撐軸的水平推力；最后對整機(jī)深壓紋機(jī)整體施加重力(Standard Earth Gravity)。

2.3 仿真結(jié)果的分析

對深壓紋機(jī)兩種工況進(jìn)行靜力分析，結(jié)果如圖4所示，在初壓紋工作位置時(shí)，最大變形出現(xiàn)在動(dòng)平臺(tái)上，變形量約為0.05 mm左右。最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在下擺桿與上擺桿接觸關(guān)節(jié)處的軸承上，等效應(yīng)力值為234.61 MPa；深壓紋機(jī)動(dòng)平臺(tái)閉合加壓位置時(shí)，最大變形同樣是在動(dòng)平臺(tái)上，變形量約為0.61 mm左右。最大等效應(yīng)力亦在上擺桿和下擺桿接觸關(guān)節(jié)處的軸承上，等效應(yīng)力值為971.39 MPa。通過以上分析結(jié)果的比較可得出，深壓紋機(jī)在動(dòng)平臺(tái)閉合加壓位置時(shí)受力情況較為惡劣，所以應(yīng)該關(guān)注該位置的受力情況，特別是各關(guān)節(jié)處的徑向滑動(dòng)軸承。

圖4 壓紋機(jī)的變形、應(yīng)力分布云圖

2.4 深壓紋機(jī)動(dòng)平臺(tái)閉合加壓位置時(shí)滑動(dòng)軸承的應(yīng)力分析

為了進(jìn)一步了解深壓紋機(jī)在動(dòng)平臺(tái)閉合加壓位置時(shí)的受力情況，結(jié)合之前的分析，提取出12個(gè)鉸鏈處徑向滑動(dòng)軸承的應(yīng)力分布情況，如圖5所示。由圖5可知，徑向滑動(dòng)軸承內(nèi)、外圈相接觸區(qū)域的應(yīng)力較大，且該型號軸承的最大Mises應(yīng)力為971.39 MPa，此軸承位于下擺桿與上擺桿相連的鉸鏈處。說明此處是受力最不理想的部位。在長期的工作生產(chǎn)中，該處軸承是一個(gè)較為薄弱的環(huán)節(jié)，所以在以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)著重關(guān)注該關(guān)節(jié)處的軸承。

圖5 徑向滑動(dòng)軸承應(yīng)力分布情況

3 深壓紋機(jī)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化參數(shù)的選擇

3.1.1 設(shè)計(jì)變量的選擇

基于深壓紋動(dòng)平臺(tái)閉合加壓位置的分析結(jié)果，結(jié)合ANSYS的優(yōu)化模塊Design Exploration對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在分析了深壓紋機(jī)可變參數(shù)優(yōu)化的可行性后，以其下擺桿的長度為設(shè)計(jì)變量，同時(shí)約束該位置上、下擺的總長度與優(yōu)化前一致。桿長的變化可能引起壓紋機(jī)發(fā)生干涉現(xiàn)象，通過SolidWorks的“干涉檢查”功能排除干涉得出兩桿長的變化范圍后，再利用SolidWorks的全局變量模塊對下擺桿長度L1、上擺桿長度L2進(jìn)行參數(shù)化定義。其定義形式如下：

3.1.2 目標(biāo)變量的選擇

根據(jù)深壓紋機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與有限元分析可知，在該機(jī)器工作時(shí)，各關(guān)節(jié)處的徑向滑動(dòng)軸承是主要承載的關(guān)鍵部件，易發(fā)生疲勞破壞且成本相對比較高，故以分析結(jié)果中上擺桿與下擺桿處的軸承Mises應(yīng)力達(dá)到最小為目標(biāo)變量對壓紋機(jī)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化參數(shù)如表2。

表2 優(yōu)化參數(shù)

3.2 桿長的尺寸優(yōu)化及結(jié)果分析

圖6 關(guān)系響應(yīng)曲線

圖7 優(yōu)化前后目標(biāo)參數(shù)對比

通過優(yōu)化可得如圖6所示的下擺桿長度與軸承最大應(yīng)力之間的關(guān)系響應(yīng)曲線。通過該曲線可以清楚地看出，在下擺桿長度可變化的范圍內(nèi)，擺桿長度越長，徑向滑動(dòng)軸承的最大Mises應(yīng)力越小。優(yōu)化結(jié)束后，自動(dòng)生成如表3所示的3個(gè)候選點(diǎn)。根據(jù)3個(gè)候選點(diǎn)，最后圓整取下擺桿的長度為128 mm。根據(jù)圓整后的尺寸，對該裝置模型進(jìn)行再生。優(yōu)化后目標(biāo)參數(shù)對比如圖7。

表3 優(yōu)化候選點(diǎn)

由圖7可以看出，優(yōu)化后軸承的應(yīng)力有明顯的改善，最大應(yīng)力減小了10.7%，使壓紋機(jī)的性能得到改善，大大降低了關(guān)節(jié)軸承被破壞的可能性。

4 結(jié)論

該研究通過有限元的方法對YW-1020型深壓紋機(jī)的兩個(gè)工作位置做了整機(jī)的有限元分析，并提取出受力相對惡劣位置下軸承的Mises應(yīng)力分布情況，通過分析得出以下結(jié)論：

1)對兩種位置下深壓紋整機(jī)進(jìn)行分析研究后，得出動(dòng)平臺(tái)閉合加壓位置下深壓紋機(jī)的受力情況相對惡劣，需著重關(guān)注；

2)通過對深壓紋機(jī)動(dòng)平臺(tái)閉合加壓位置的分析，可知其Mises應(yīng)力最大的部件為徑向滑動(dòng)軸承，最大Mises應(yīng)力達(dá)到了971 MPa，結(jié)合軸承材料的屬性分析，雖未超過軸承鋼的屈服極限，但在長期的交變載荷的作用下較容易失效。

3)提出了對深壓紋機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)方法。通過Design Exploration模塊，以下擺桿長度為設(shè)計(jì)變量，徑向滑動(dòng)軸承最大應(yīng)力為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后關(guān)節(jié)軸承的最大應(yīng)力從971 MPa降低到867.5 MPa，應(yīng)力值約減少了10.7%，使該機(jī)器的強(qiáng)度得到了改善，為以后深壓紋機(jī)加工改進(jìn)提供參考。

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