基于有限元分析的精冲液压机机身结构优化

第35卷第2期Vo l 135 No 1

2

FORGING &STAMPING TECH NOLOGY

2010年4月

A pr.2010

基于有限元分析的精冲液压机机身结构优化

吕 琳,邓 明,李艳霞,王正立

(重庆理工大学材料科学与工程学院,重庆400050)

摘要:针对精冲机复杂、瞬时、重载的受力条件和精冲模的高精度对设备刚度提出的高要求,设计精冲机机身结构,建立精冲机机身结构有限元分析模型;根据精冲机机身的上横梁、立柱、下横梁3部分的有限元分析结果,提出机身结构的改进方案并进一步模拟分析;得到了更优的结构方案,改进了精冲机机身结构;改进后的机身刚度和强度均满足要求,最后绘出优化的精冲机机身结构。关键词:精冲液压机;机身结构;有限元DOI:1013969/j 1issn 11000-3940120101021025

中图分类号:TG315 文献标识码:A 文章编号:1000-3940(2010)02-0102-05

Optimization of fine blanking machine p s frame based on finite element analysis

LV Lin,DENG Ming,LI Yan -xia,WANG Zheng -li

(M aterial Science and Eng ineer ing Co lleg e,Cho ng qing U niver sity o f T echno log y,Cho ng qing 400050,China)Abstract:Fo r the fine blanking machine p s complex it y,instantaneo us,heavy str ess conditions and f ine -blanking die p s high -precisio n,w hich put for war d a hig h st iffness requirement of the equipment,the structur e of fine -blanking machine p s fr ame was designed,and its finite element analysis model was established,then based on t he result of t he fine blanking machine p s entablature,crutch and lo wer separato r,a mo dified scheme of frame str ucture was put for war d and fur ther simulat ion was carr ied o ut to get the best scheme and impr ove the st ruct ur e o f fine blanking machine p s frame.A fter the modification,bo th the st iffness and the streng th met the r equirements o f frame st ruct ur e,and finally the mo st optimized fr ame structur e of fine blanking machine w as dr awn.Keywords:f ine blanking machine;frame structure;finite element

收稿日期:2009-11-03;修订日期:2009-12-03

基金项目:重庆市科技攻关项目(CS TC,2010AC3032)作者简介:吕 琳(1968-),女,硕士,副教授

电子信箱:lulin@cqut 1edu 1cn

由于精冲模具间隙很小,当精冲过程中精冲机变形量过大时,将影响精冲质量甚至可能使凸模与凹模发生冲撞,因此,针对精冲工艺对精冲机刚度的高要求,拟采用作为精冲机机身的一种结构进行分析,找出一种精冲机结构的最佳化。即应用有限元分析方法,在产品开发初期,对结构进行计算仿真,了解变形和应力分布,以便投入生产前对其强度有充分的认识,对不足之处进行改进及优化,从而缩短设计试制周期,降低生产成本[1]

。

1 精冲液压机机身结构分析模拟

111 结构模型与单元划分

目标精冲液压机机身采用碳素钢,牌号为Q235-A,弹性模量E =200GPa,泊松比L =0125,

屈服极限R s =225M Pa,强度极限R b =375MPa 。结构模型见图1。

图1 机身结构模型Fig 11 Frame structu ral model

112 边界条件与载荷分布

根据机身对称性,不考虑偏载,取机身1/4进行分析,边界条件与载荷的施加见图2。边界条件如下:

(1)对称面上施以法向位移约束;

(2)机身底部平面施以法向(Y 向)位移约束;(3)地角螺栓孔面施以X ,Y 向位移约束;(4)上横梁与预紧螺栓接触面上施加X ,Y,Z 向位移约束;

(5)拉杆的预紧力以外载荷的形式均匀地施加在螺母与上横梁接触的环形平面上;

图2机身(1/4)网格划分以及边界条件

Fig12Frame(1/4)mesh division and boundary conditions

(6)在上横梁下平面与工作台面上分别施加公称力1000kN的1/4,即250kN均布载荷[2-6]。113有限元模拟结果与分析

图3是精冲机机身位移云图,在计算结果中,机身位移的最大变形为01228mm,位置在上横梁底部中心孔附近,机身刚度普遍不能满足要求。图4是精冲机机身应力云图,在计算结果中,机身的最大应力为01102M Pa,位置在立柱中部方孔圆角处,与机身材料Q235-A的屈服强度R s=235M Pa相比,机身的强度完全能够满足要求。

所以,侧重考虑精冲机机身刚度问题,将机身分为上横梁、立柱、下横梁三部分来分析。

11311上横梁有限元模拟结果

上横梁的Z向位移分布和Z

向位移曲线分别如

图3机身位移云图

Fig13Frame dis placem ent neph

ogram

图4机身应力云图

Fig14Frame stress nephogram

图5和图6所示。

从上横梁Z向位移云图和Z向位移曲线看,

上

图5上横梁Z向位移云图

Fig15Z-direction dis placem ent neph ogram of upp er beam

横梁的最小挠度为01083mm#m-1,位置在上横

梁外侧平面(垂直于X轴)上部棱角处;上横梁

的最大挠度为01237m m#m-1,位置在上横梁主

缸轴线所在平面(垂直于X轴)主缸孔附近;且从

上横梁外侧向中心孔处挠度逐渐增加。根据精冲机

挠度要求,公称力为1000kN的精冲机床身弹性变

形量最大为011m m[9],因此上横梁的刚度不满足要

求。

11312立柱有限元模拟结果及分析

立柱的Z向位移分布和Z向位移曲线分别如图

7和图8所示。

从立柱Z向位移云图和Z向位移曲线看,立柱

的Z向最小挠度为01007m m#m-1,位置在立柱内

侧平面靠近工作台面处;立柱的Z向最大挠度为

103第2期吕琳等:基于有限元分析的精冲液压机机身结构优化

图6 上横梁中部沿X 轴方向Z 向位移曲线

Fig 16 Z -direction dis placement n eph ogram of upper b eam middle position along X

-axis

图7 立柱上Z 向位移云图

Fig 17 Z -direction displacement nephogram of crutch

0180mm #m -1

,位置在立柱内侧平面靠近上横梁

底面处;且从靠近工作台面向靠近上横梁底面挠度逐渐增加。根据精冲机挠度要求,看出立柱的刚度不满足要求,须进行改造。

11313 下横梁有限元模拟结果

下横梁的Z 向位移分布和Z 向位移曲线分别如图9、图10所示。

从下横梁Z 向位移云图和Z 向位移曲线看,下横梁的Z 向最小挠度为01001m m #m -1

,位置在下横梁外侧平面靠近立柱处;下横梁的Z 向最大为挠

度01038m m #m -1,位置在工作台中心孔处。根据精冲机挠度要求,

下横梁的刚度符合要求。

图8 立柱中部沿Z 轴方向的Z 向位移曲线

Fig 18 Z -direction displacement n ephogram of middle crutch along Z

-axis

图9 下横梁Z 向位移云图

Fig 19 Z -direction displacem ent nephogram of low er b eam

2 精冲液压机机身结构改进与计算

根据以上分析结果中上横梁和立柱的刚度不

足的问题,对上横梁、立柱、下横梁进行如下改动。

(1)上横梁的筋板向中间平移10mm,使应力

104锻 压 技 术 第35卷

图10 下横梁中部沿X 轴方向Z 向位移曲线

Fig 110 Z -direction dis placem ent neph og ram of low er beam m iddle position alon g X -axis

分布更均匀。增加上横梁的筋板厚度10mm,增加

底板厚度10m m,以增加上横梁刚度。

(2)立柱的筋板增加一个,使应力分布更均匀。方孔圆角大小由R 10m m 增至R 30m m,以减少应力集中。增加立柱板厚5m m,立柱上面3个筋板厚度增加10mm,下面筋板厚度增加5m m,以增加立柱刚度。

(3)下横梁的筋板向中间平移10m m,使应力分布更均匀。方孔圆角大小由R 10mm 增至R 30mm,以减少应力集中。

对改进后的机身方案进行三维线性分析,计算出机身应力、位移,如图11、图12所示。计算结果为,机身的最大变形为0107m m,位置在上横梁底部中心孔附近,机身刚度满足要求;机身的最大应力为01025M Pa,位置在上横梁上部中心孔附近,与机身材料Q235-A 的屈服强度R s =235M Pa 相比,

机身的强度完全足够。

图11 改进后机身位移云图

Fig 111 Improved fram e displacement nephogram

通过反复的改进与计算,得到相对最优的机身结构方案,如图13

所示。

图12 改进后机身应力云图Fig 112 Impr oved frame stress

nephogram

图13 优化后的1/4机身结构图Fig 113 Optimiz ed frame (1/4)stru cture

3 结论

根据对精冲机机身的上横梁、立柱、下横梁三部分的有限元分析结果,提出机身结构的改进方案

并进一步模拟分析,以得到更优的结构方案。改进后机身的最大变形为0107m m,最大位移与最小位移的差值约为原来的1/3,位移分布更均匀,机身

105第2期吕 琳等:基于有限元分析的精冲液压机机身结构优化

第35卷第2期Vo l135No1

2FORGING&STAMPING TECH NOLOGY 2010年4月A pr.2010

模具

高压大电机转子冲片通风孔斜刃式冲裁模设计

张宏飞,伍宇红,聂和林

(山西汾西重工有限责任公司电机事业部,山西太原030027)

摘要:从高压大电机转子冲片通风孔冲裁模的设计角度出发,根据公司设备现状,充分利用小吨位高速冲床的滑块行程,提出斜刃冲裁和模具后部泄料的设计方案,使冲裁力由17163t降为8116t,降低了5317%,后置倾斜漏料槽式下模座使废料顺利排出,节约了大吨位设备的投资,加快了新产品的研发进度,为实现超范围大面积冲裁提供了一种新的思路和工艺方案。实践证明,该工艺方案可行,具有精度高、成本低、效率高的优点,可供同行设计同类产品模具参考。

关键词:通风孔;冲裁模;斜刃冲裁;后部泄料

DOI:1013969/j1issn11000-3940120101021026

中图分类号:TG385;TG386文献标识码:A文章编号:1000-3940(2010)02-0106-03

Oblique cutting die design of large and high voltage generator rotor iron core sheet

ZHA NG Hong-fei,WU Yu-hong,NIE He-lin

(Shanx i Fenx i H eavy Industr y Co.,Lt d.,Elect rical Eng ineering Depar tment,T aiyuan030027,China)

Abstract:T he oblique cutt ing die desig n for the lar ge and high voltag e g ener ator r oto r iro n cor e sheet w as set out,tak-ing the co nsiderat ion o f the company equipment conditio n.M aking use of a slide ro ute of small to nnage hig h speed punch,the cutting die with oblique cutting and back bottom dischar ge w as designed,therefo re,the cutting strength was declined to8t fr om1716t,that is,low ered by5317%.T he design mode of oblique cutt ing and the back bo ttom discharg e made it easy to dischar ge w aste.U sing such techno lo gical plan,equipment investment can be low ered,t he development o f the new pr oducts can be speeded up and a new kind o f techno lo gical plan w ith t he no vel ideas can be pr ov ided.It has been found t hat the techno log ical plan is do able w ith the advantag es of hig h precisio n,low co st and gr eat eff iciency.It can prov ide a reference fo r the designers to desig n the similar pr oduct dies.

Keywords:f lue aper tur e;cutting die;oblique cutting;back botto m dischar ge

我公司最新研制的某型号大功率高压电机转子的冲片形状及通风孔尺寸见图1和图2,冲片外径及通风孔尺寸较大,经计算,通风孔冲裁至少需要选用18~20t冲床(计算详见21111),而我公司现有设备为芜湖电工产16t间歇式高速冲床和德国舒

收稿日期:2009-11-20;修订日期:2009-12-20

作者简介:张宏飞(1972-),男,工程师

电子信箱:myty163@1631com 乐公司产N8高速冲床,这两种冲床冲裁吨位均小于本产品通风孔冲裁力。由于转子冲片落料模已提前安排生产,模具即将完工,此时将通风孔冲制安排在落料模上进行,势必造成落料模和凸凹模报废重制,因费用和进度的要求,此种方案已不可能。经多次分析研究,决定采用现有较小的设备进行生产,为此,更改了冲裁方式和出料方式,进行了模具设计[1-3]。

刚度满足要求;机身的最大应力为01025M Pa,机身的强度完全足够。

参考文献:

[1]周开华,幺延先,译.简明精冲手册[M].北京:国防工业

出版社,1993.

[2]张秀玲.梁位移的有限单元法[J].企业技术开发,2003,

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度分析[J].重庆大学学报,2008,31(9):977-981.

[4]王羽亮,任国峰,王健.LCK6890G城市客车车身结构有限

元分析[J].客车技术与研究,2008,(5):5-8.

[5]陈永光,陈旭,郭钢,等.某型液压机工作台和上横梁有限

元分析研究[J].计算机辅助工程,2001,10(4):1-4. [6]杨秀平,宗升发,曹晓邮.液压机结构设计的有限元法[J].

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