機械壓力機氣墊頂冠失效原因分析及優(yōu)化設(shè)計

周黨蘭，趙玲莉，徐孟誠，談?chuàng)P，康國偉

（1.江蘇傲世鍛壓科技有限公司，江蘇 揚州 225000；2.江蘇正鼎重工有限公司，江蘇 揚州 225000）

0 引言

一臺閉式四點多連桿機械壓力機在拆機檢修過程中發(fā)現(xiàn)氣墊頂冠導(dǎo)軌板附近存在多處裂紋。為恢復(fù)該壓力機的使用功能，針對該氣墊頂冠存在的問題，首先對該氣墊頂冠裂紋情況進(jìn)行概述，然后分析在一個沖壓周期內(nèi)氣墊頂冠承載情況，采用Solid-Works 軟件對機械壓力機的氣墊頂冠進(jìn)行建模，分析其承載情況，進(jìn)行有限元靜態(tài)受力分析，計算其應(yīng)力和變形，判斷其強度和剛度是否符合設(shè)計要求，對該裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析；最后對氣墊頂冠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使板材分布情況更合理，保證氣墊頂冠強度和剛度的同時減輕其總重量，提高其抗偏載能力，延長氣墊頂冠的疲勞壽命，恢復(fù)壓力機的使用功能。

1 氣墊頂冠裂紋情況概述

該閉式四點多連桿機械壓力機氣墊頂冠導(dǎo)軌支撐板附近存在多處裂紋，現(xiàn)場頂冠圖片如圖1 所示。由圖可知，該氣墊頂冠左右兩側(cè)面的兩個導(dǎo)軌支撐板開裂,左側(cè)支撐板上部有兩處裂紋，右側(cè)支撐板下部有兩處裂紋。

圖1 現(xiàn)場頂冠圖片

使用檢測儀器PXUT-350+全數(shù)字智能超聲波探傷儀對該氣墊頂冠進(jìn)行探傷檢測，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)四處裂紋，裂紋深度已經(jīng)貫穿整個板厚，氣墊頂冠裂紋位置與長度如圖2 所示。由圖2 可知，左側(cè)支撐板有兩處裂紋，在氣墊頂冠上半部分，一處裂紋高960mm，另一處裂紋高510mm；右側(cè)支撐板有兩處裂紋，在氣墊頂冠下半部分，一處裂紋高640mm，另一處裂紋高635mm；四處裂紋深度最大16mm，支撐板厚度16mm，裂紋已經(jīng)貫穿整個板厚。

圖2 氣墊頂冠裂紋位置與長度

氣墊頂冠左右兩側(cè)面的兩個導(dǎo)軌支撐板開裂后如果繼續(xù)使用，有裂紋的支撐板強度和剛性不足，壓力機工作時支撐板受力后變形增加，支撐板上裂紋會進(jìn)一步擴展，并且頂冠上載荷偏載時，頂冠上平面傾斜角度增加，頂桿受力不均勻，將增大模具失效風(fēng)險，減少模具使用壽命，降低產(chǎn)品質(zhì)量，增加制件廢品率。頂冠上平面傾斜也導(dǎo)致氣墊導(dǎo)軌局部載荷增加，導(dǎo)軌磨損加劇，導(dǎo)軌壽命縮短。為恢復(fù)設(shè)備使用功能，需對氣墊頂冠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，重新制作氣墊頂冠。

2 氣墊頂冠失效原因分析

2.1 氣墊頂冠一個沖壓周期內(nèi)的載荷分析

該氣墊為單頂冠結(jié)構(gòu)，中間設(shè)有氣墊滯后閉鎖裝置，氣墊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。壓力機開機一段時間后，氣墊內(nèi)充滿有壓氣體，在一個沖壓周期內(nèi)氣墊頂冠承載情況如下：①沖壓前氣墊頂冠兩側(cè)的A 面和B 面承載，載荷大小為3500000N，方向相反；②沖壓過程中，氣墊頂冠B 面和D 面承載，載荷大小為3500000N，方向相反；③沖壓完成后，閉鎖釋放前，閉鎖缸工作，氣墊頂冠B 面和D 面承載，載荷大小為3500000N，方向相反；④閉鎖釋放后，此時氣墊頂冠A 面和D 面承載，向下的力合計3500000N，B 面承受向上的載荷，載荷大小為3500000N；⑤完成退料后，此時氣墊頂冠兩側(cè)的A 面和B 面承載，載荷大小為3500000N，方向相反。

圖3 氣墊結(jié)構(gòu)圖

采用SolidWorks 軟件對該氣墊頂冠進(jìn)行建模，材料為Q235-A 焊接件，材料密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa。建模前對其進(jìn)行合理簡化，將不作為主要受力部位的小孔略去，將深度較小的沉孔略去。其模型如圖4所示。

圖4 氣墊頂冠模型

采用Simulation 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于墊頂冠總體尺寸較大，定義總體網(wǎng)格控制尺寸為60mm，關(guān)鍵部位網(wǎng)格尺寸為4mm，網(wǎng)格比率1.1，對墊頂冠進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)1596897，單元數(shù)量1026420。按載荷對稱均布方式加載，對上述工況分別進(jìn)行有限元靜態(tài)受力分析，其計算結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，一個沖壓周期內(nèi)，氣墊頂冠最大應(yīng)力為116.9MPa，導(dǎo)軌支撐面最大應(yīng)力8.08MPa。氣墊頂冠材料為Q235-A，其屈服強度為235 MPa。該氣墊頂冠全部應(yīng)力值小于材料的屈服強度，該氣墊頂冠強度滿足使用要求。由表1 可知，一個沖壓周期內(nèi)，最大位移為0.602mm。該氣墊頂冠許用撓度為0.655mm，氣墊頂冠剛度滿足使用要求。

表1 氣墊頂冠多個工況限元靜態(tài)受力分析結(jié)果

當(dāng)沖壓過程中，氣墊頂冠D 面載荷向左偏置75mm 時。按偏置載荷方式加載進(jìn)行有限元靜態(tài)受力分析，此時氣墊頂冠最大應(yīng)力為128.71MPa，最大位移為0.653mm，導(dǎo)軌支撐面最大應(yīng)力18.4MPa。該氣墊頂冠全部應(yīng)力值小于材料的屈服強度，最大位移小于許用值，氣墊頂冠強度和剛度滿足使用要求。

由上述載荷分析可知，理論載荷下氣墊頂冠強度和剛度滿足使用要求；但載荷偏置后，左右方向的載荷偏置會使氣墊頂冠承受翻轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)軌支撐面應(yīng)力和變形隨之增加，變形接近許用值。

2.2 氣墊頂冠失效原因分析

由圖2 裂紋位置可知，左側(cè)支撐板上半部分和右側(cè)支撐板下半部分局部載荷較大，在該周期性沖擊載荷作用下，氣墊頂冠支撐板易于出現(xiàn)疲勞失效。氣墊頂冠導(dǎo)軌支撐板產(chǎn)生該局部較大載荷的原因如下：

（1）載荷向左偏置。當(dāng)作用于氣墊頂冠的載荷向左偏置時，左右方向的載荷偏置會使氣墊頂冠承受翻轉(zhuǎn)力矩，左側(cè)支撐板上半部分和右側(cè)支撐板下半部分局部載荷快速增加。

（2）氣墊頂冠D 面的平行度超差。當(dāng)氣墊頂冠D面的平行度超差，左側(cè)高于右側(cè)時，將導(dǎo)致氣墊頂冠承受翻轉(zhuǎn)力矩，左側(cè)支撐板上半部分和右側(cè)支撐板下半部分局部載荷快速增加。拆機前檢測D 面的平行度為0.63mm，大于許用值。

（3）氣墊頂冠兩側(cè)的導(dǎo)軌板與D 面垂直度超差。當(dāng)氣墊頂冠兩側(cè)的導(dǎo)軌板與D 面垂直度超差或者氣墊頂冠兩側(cè)的導(dǎo)軌間隙超差，載荷偏置時，翻轉(zhuǎn)力矩使D 面傾斜，氣墊頂冠左右兩側(cè)面的兩個導(dǎo)軌支撐板局部載荷將大幅增加，在該周期性沖擊載荷作用下，氣墊頂冠支撐板易于出現(xiàn)疲勞失效。拆機后檢測舊導(dǎo)軌板與D 面垂直度為0.35～0.57mm，大于許用值。

3 解決方案

3.1 氣墊頂冠優(yōu)化設(shè)計

由表1 氣墊頂冠多個工況限元靜態(tài)受力分析結(jié)果可知，該氣墊頂冠全部應(yīng)力值小于材料的屈服強度，且部分非承載區(qū)域應(yīng)力值小于25MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強度，可對該區(qū)域內(nèi)的板材進(jìn)行優(yōu)化。

拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。

運用Workbench 軟件的拓?fù)鋬?yōu)化模塊對氣墊頂冠進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。選擇優(yōu)化區(qū)域為全部幾何體。將所有約束面和受力面設(shè)置為優(yōu)化排除區(qū)域。目標(biāo)設(shè)置為氣墊頂冠的質(zhì)量最小化；設(shè)定響應(yīng)約束為質(zhì)量保留85%，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。經(jīng)過21 次優(yōu)化迭代結(jié)束，拓?fù)鋬?yōu)化密度如圖5 所示。由拓?fù)涿芏葓D可知，氣墊頂冠左右兩塊側(cè)板下半?yún)^(qū)域密度趨向于0，氣墊頂冠前后兩塊側(cè)板下半?yún)^(qū)域密度趨向于0，氣墊頂冠中間筋板底部密度趨向于0，可對該區(qū)域內(nèi)的板材進(jìn)行去除優(yōu)化。

圖5 拓?fù)涿芏葓D

為提高該氣墊頂冠的抗偏載能力，在導(dǎo)軌板的內(nèi)側(cè)增加十字交叉支撐筋板。采用SolidWorks 軟件對該氣墊頂冠模型進(jìn)行修改，用Workbench 軟件進(jìn)行有限元靜態(tài)受力分析，重新計算優(yōu)化后的氣墊頂冠應(yīng)力和變形，沖壓過程中氣墊頂冠最大應(yīng)力120.58MPa，總變形為0.574mm，剛性提高。

表2 為氣墊頂冠偏載時優(yōu)化前后應(yīng)力、變形、質(zhì)量對照表。優(yōu)化后的氣墊頂冠最大應(yīng)力降低6.32%，最大變形減少12.1%，重量下降7.79%。

表2 氣墊頂冠優(yōu)化前后應(yīng)力、變形、質(zhì)量對照表

3.2 氣墊頂冠加工制作和裝配要求

按優(yōu)化設(shè)計后的氣墊頂冠重新制作該氣墊頂冠，新制作的氣墊頂冠D 面的平面度為0.05/1000mm，導(dǎo)軌面與D 面的垂直度度為0.06/1000mm。

裝配氣墊頂冠時，先向氣缸內(nèi)充有壓氣體，通過修磨調(diào)整墊，保證氣墊頂冠上平面與底座上平面平行，允差為0./1000mm。氣墊導(dǎo)軌與底座之間的裝配總間隙應(yīng)保證在0.3～0.4mm 之間。裝配間隙保證措施：底座相臨兩面耐磨板裝好，在頂冠裝好的情況下，吊頂冠測間隙拆出導(dǎo)軌板，配磨尺寸，裝好耐磨板保證頂冠與底座間隙0.3～0.4mm。

使用期間定期復(fù)測上平面平行度、導(dǎo)軌垂直度和導(dǎo)軌間隙。

4 結(jié)論

本文針對某機械壓力機檢修中發(fā)現(xiàn)的氣墊頂冠裂紋問題，首先分析該氣墊頂冠的裂紋外觀，采用超聲波探傷儀進(jìn)行檢測；然后分析在一個沖壓周期內(nèi)氣墊頂冠承載情況，進(jìn)行有限元靜態(tài)受力分析，分析其產(chǎn)生裂紋的原因；最后提出解決方案，對氣墊頂冠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使板材分布情況更合理，給出新制作的氣墊頂冠形位公差和裝配質(zhì)量要求，保證氣墊頂冠強度和剛度的同時提高其抗偏載能力，減輕其總重量，延長氣墊頂冠的疲勞壽命，最終恢復(fù)壓力機的使用功能。