桁條彎形設(shè)計(jì)研究

鄭娜娜，趙 乾，趙志峰，張 勇，余春華

(駐長(zhǎng)治地區(qū)軍事代表室，山西 長(zhǎng)治 046012)

0 引言

在裝備生產(chǎn)制造企業(yè)中，桁條作為關(guān)鍵零組件保護(hù)筒的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于型號(hào)產(chǎn)品中。桁條斷面形狀為U型，其成形的精度和質(zhì)量直接影響保護(hù)筒的生產(chǎn)質(zhì)量，因此對(duì)桁條進(jìn)行彎形設(shè)計(jì)研究尤為重要。

目前，保護(hù)筒桁條彎形常用設(shè)備為折彎?rùn)C(jī)，成型時(shí)需要在折彎?rùn)C(jī)上折彎兩次，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直角邊的彎形。折彎模頭作為成型關(guān)鍵因素，依據(jù)桁條高度和折彎角度選定，若模頭規(guī)格參數(shù)選用不當(dāng)，在折彎第二個(gè)直角邊時(shí)，先折彎好的直角邊會(huì)與模頭產(chǎn)生干涉，無(wú)法達(dá)到預(yù)期折彎效果，因此，迫切需要對(duì)保護(hù)筒桁條進(jìn)行彎形設(shè)計(jì)研究。

本文對(duì)保護(hù)筒桁條彎形設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，從參數(shù)確定(模頭角度、刀尖位置、接口尺寸)、干涉檢驗(yàn)、強(qiáng)度校核等方面考慮，提出滿(mǎn)足裝備需求的保護(hù)筒桁條彎形模頭設(shè)計(jì)方法。通過(guò)反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)、分析計(jì)算、仿真模擬，對(duì)模頭結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，滿(mǎn)足了多種類(lèi)型裝備保護(hù)筒桁條生產(chǎn)需求。

1 桁條折彎成型基本原理

目前金屬薄板折彎有兩種方法：①是模具折彎，用于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積較小、大批量加工的金屬薄壁件；②折彎?rùn)C(jī)折彎，用于加工結(jié)構(gòu)尺寸比較大的或產(chǎn)量不是太大的金屬薄壁件。其中，折彎?rùn)C(jī)折彎基本原理就是利用折彎?rùn)C(jī)的折彎模頭(上模)、凹槽(下模)對(duì)金屬薄板進(jìn)行折彎和成型。

本文保護(hù)筒桁條為金屬薄壁U型結(jié)構(gòu)件，成型包括以下步驟：根據(jù)桁條斷面中性層長(zhǎng)度確定待折彎U型結(jié)構(gòu)件的板件尺寸，在板件上畫(huà)出中心線和兩條折彎線；分別沿兩條折彎線折彎90°，形成U型結(jié)構(gòu)件的兩邊；根據(jù)桁條兩直角邊長(zhǎng)度去除多余材料，使U型件滿(mǎn)足圖紙尺寸要求。

2 參數(shù)確定

本文桁條截面形狀為U形，材料為Q345A，厚度t=3 mm，內(nèi)半徑R0=5 mm，長(zhǎng)度L=1 000 mm，如圖1所示。

圖1 桁條截面形狀

2.1 模頭角度確定

模頭形狀如圖2所示。

2.1.1 模頭圓角半徑R確定

根據(jù)金屬板材彎曲件凸模圓角半徑計(jì)算公式，可得圖2中模頭圓角半徑R(mm)：

(1)

其中：E為桁條材料的彈性模量,MPa;σs為桁條材料的屈服極限，MPa。

已知R0=5 mm,E=200 GPa,t=3 mm,σs=205 MPa,將各參數(shù)代入式(1)可得：R=4.97 mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，考慮回彈，選擇模頭圓角R=4.75 mm。

2.1.2 回彈角確定

依據(jù)回彈前后中性層長(zhǎng)度不變的條件，可得回彈角為：

(2)

其中：φ0為零件要求的角度。

已知φ0=90，將相關(guān)參數(shù)代入式(2)計(jì)算可得：Δφ=4.74°。

因此，考慮回彈后，圖2所示模頭角度α=90°-4.74°=85.26°，取85°。

2.2 模頭施力點(diǎn)選取

在折彎過(guò)程中，為防止模頭在施力點(diǎn)位置產(chǎn)生彎矩，降低使用壽命，模頭施力點(diǎn)應(yīng)置于設(shè)備對(duì)模頭施力面的對(duì)稱(chēng)中心線上，如圖2所示。

圖2 模頭形狀

2.3 模頭形狀參數(shù)及接口尺寸確定

圖3 模頭長(zhǎng)度及卡槽尺寸

根據(jù)上述確定的模頭角度、模頭施力點(diǎn)、折彎設(shè)備接口尺寸，利用三維制圖軟件UG確定模頭形狀參數(shù)，如圖4所示。

圖4 模頭形狀參數(shù) 圖5 干涉檢驗(yàn)

3 干涉檢驗(yàn)

桁條折彎過(guò)程中，若模頭規(guī)格參數(shù)選用不當(dāng)，折彎第二個(gè)直角邊時(shí)會(huì)出現(xiàn)工件與模頭干涉的現(xiàn)象，無(wú)法保證桁條成型要求。

利用三維制圖軟件UG模擬折彎過(guò)程中產(chǎn)品與設(shè)備干涉情況，調(diào)整模頭形狀尺寸，使產(chǎn)品與設(shè)備無(wú)干涉。實(shí)際成型過(guò)程先將桁條右側(cè)直角邊進(jìn)行折彎，之后再折彎左側(cè)直角邊，調(diào)整模頭形狀尺寸，使第二個(gè)直角邊折彎時(shí)工件與模頭的最小距離大于0，本例調(diào)至3.1 mm，如圖5所示。

4 強(qiáng)度校核

4.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

為簡(jiǎn)化幾何建模過(guò)程，導(dǎo)入外部幾何體模型(File→Import External Geometry File)。雙擊Engineering Date進(jìn)入材料參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置材料參數(shù)，選擇材料Structural Steel。

本文采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格法，在Outline(分析樹(shù))中選擇Mesh節(jié)點(diǎn)，單擊Mesh工具欄上的refinement命令對(duì)模頭尖點(diǎn)位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，單擊Generate Mesh生成網(wǎng)格，如圖6所示。

圖6 模頭網(wǎng)格劃分

4.2 施加載荷與邊界條件

在Outline(分析樹(shù))中選擇Static Structural節(jié)點(diǎn)，單擊Static Structural工具欄上的Fixed Support命令，選擇如圖7所示刀尖位置添加約束，單擊Static Structural工具欄上的Force命令，在受力面添加載荷，載荷大小根據(jù)WE67K-600/6000DA69設(shè)備條件6 m長(zhǎng)度受力600 t，模頭長(zhǎng)度l=500 mm時(shí)受力500 000 N。

圖7 約束及載荷 圖8 模頭的變形云圖 圖9 模頭的應(yīng)力云圖

4.3 設(shè)置求解項(xiàng)

在Outline(分析樹(shù))中選擇Solution節(jié)點(diǎn)，單擊Solution工具欄上的Deformation│Total命令，在分析樹(shù)中插入Total Deformation(變形)項(xiàng)，單擊Solution工具欄上的Stress│Equivalent命令，在分析樹(shù)中插入Equivalent Stress(應(yīng)力)項(xiàng)。

4.4 求解并顯示分析結(jié)果

單擊工具欄上的Solve按鈕，啟動(dòng)求解，得到模頭的變形云圖及應(yīng)力云圖，如圖8和圖9所示。

保護(hù)筒桁條折彎模頭材料選用T10鋼，熱處理后許用應(yīng)力為900 MPa，刀尖位置許用應(yīng)力為1 700 MPa，有限元分析可得模頭最大應(yīng)力274.96 MPa，滿(mǎn)足使用要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行試模，折彎設(shè)備及模頭如圖10所示。選用材料Q345A，厚度t=3 mm的下料毛坯進(jìn)行試制，折彎加工后U形結(jié)構(gòu)件截面高度為50 mm、寬度為40 mm，總長(zhǎng)L=1 000 mm，圓角為5 mm，如圖11所示。經(jīng)測(cè)量鑒定，尺寸符合圖紙要求。

圖10 折彎設(shè)備及模頭 圖11 試制U形件

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)保護(hù)筒桁條折彎模頭進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，從參數(shù)確定、干涉檢驗(yàn)、強(qiáng)度校核等方面考慮，設(shè)計(jì)了模頭模型，并通過(guò)反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)、分析計(jì)算、仿真模擬，對(duì)模頭結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)試制驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。該技術(shù)研究保證了裝備生產(chǎn)需求，為同類(lèi)產(chǎn)品彎形模頭設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。