（机械设计及理论专业论文）基于有限元的折弯机压力补偿技术研究.pdf

困万英基于有限是的辑弯机压力於偿技术研究 摘要 板料折弯枧是一种完成板料弯莹成型的压力设备，采爝较简单的通用模具，可把金属 板料压制成一定的几何形状，配备相应的工艺设备，还可用作浅拉伸、冲槽、冲孔、压波 纹等。它具有模具简单、通用性好、调整和更换方便的特点，通过调整滑块的压深距离能 进行各种惫度的折弯成形，折弯枫是一种量大面广、适用于很多行她的板材加工设备。随 着工业技术的飞速发展，板料折弯机在电器、电子、容器、金属结构、仪器仪表、日用五 金、建筑材料等工业部门得到了广泛的应用。 叛料折弯机等压力机床的传统设计方法是根据材料力学或弹性力学理论，进行结构的 应力或变形的计算。对于实际结构，由公式计算的结果往往误差较大，特别是高应力区域， 难以精确计算，工程上只能采用经验设计，这样会导致结构的局部强度不足或整体安全裕 度过舞等不合理现象。 随着计算机技术、计算力学理论特别是有限元方法的发展，利用现代设计方法对折弯 机进行设计研究成为可能。本文以某型号1 0 0 t 折弯机为研究对象，对折弯机进行静态有限 元分析，结合实验测试进行模型修正，以此为基础对结构进行优化。并基于弹性理论，对 工作螽的弹性变形进行分析，着重对工作台的压力补偿进行优化设计。论文主要研究内容 如下： l 。分析板料拆弯机豹结构及受力特点，采用应变点测法对其进行应力测试，获得折弯 机各个部件的威力、位移分布； 2 使用通用化有限元软件a n s y s 作为分析工具，采用折弯机整体建模方法，并建立 滑块与工作台的接触对模型模拟实际折弯避程，进行折弯机酌线性静态分析，得出各个部 件的刚度及其强度值。结合测试结果，对模型进行修正，为折弯机的结构优化提供基础； 3 。根据折弯机的结构薄弱环节以及工作特性，对各个部件进行结构优化，改进折弯机 的结构，提高溺部强度，减轻结构重量； 4 依据弹性力学理论，将工作台简化为平面梁结构，分析工作台受均布载荷作用时的 弹性变形，及等厚上下横梁对压接触面的应力情况，为挠度补偿提供理论依据； 5 针对工露台的压力奉 偿效果进行分桥，并以工作台压力均匀为晷标丞数，选取补偿 缸的压力、水平位置及垂直位置进行优化，获得典型工况下最优补偿效果。 关键词：折弯机，有限元分析，结构优化，弹性变形，压力补偿 一 扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e n d e ri st h ep r e s s u r ee q u i p m e n tu s e dt ob e n ds h e e tm e t a l b yt h es i m p l ec o m m o nm o l d ，i t n o to n l yc a np r e s st h em e t a ls h e e ti n t oc e r t a i ng e o m e t r y , b u ta l s ob eu s e da sl i g h ts t r e t c h i n g ， n o t c h i n g ，p u n c h i n g ，w a v ep r e s s i n g ，e t c w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , t h e b e n d e rh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r ys e g m e n t s ，s u c h 勰t h ee l e c t r i c a l ，e l e c t r o n i c s ，c o n t a i n e r , m e t a ls t r u c t u r e i n s t r u m e n t a t i o n ，h a r d w a r e ，b u i l d i n gm a t e r i a l sa n ds oo n 1 1 1 et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do fp r e s s u r em a c h i n ei n c l u d i n gb e n d e ri sb a s e do nt h e m e c h a n i c so fm a t e r i a l so rt h et h e o r yo fe l a s t i c i t yt oc a l c u l a t es t r u c t u r a ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o n b u tt ot h ea c t u a ls t r u c t u r e ，t h ef o r m u l a so f t e nm a k el a r g ee r r o r s ，p a r t i c u l a r l yi nh i g hs t r e s sa r e a s s oi ti sh a r dt oa c c u r a t e l yc a l c u l a t e ，a n dt h ed e s i g no n l yw o r k sb ye x p e r i e n c e ，w h i c hw i l lr e s u l t i nt h el a c ko fl o c a ls t r e n g t ho re x c e s s i v es a f e t ym a r g i na n ds oo n 鼢t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m p u t a t i o n a lm e c h a n i c st h e o r y , e s p e c i a l l y t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i tm a k e sp o s s i b l et or e s e a r c ht h eb e n d e rb ym o d e md e s i g nm e t h o d s 喇n ga10 0t o nb e n d e ra st h eo b j e c to ft h i ss t u d y , w em a k et h es t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c o m b i n i n gt h ee x p e r i m e n t a lt e s tf o ru p d a t i n gt h em o d e l ，t h es t r u c t u r ei so p t i m i z e do nt h i sb a s i s t h e nu s i n gn l e o r yo fe l a s t i c i t y , w ea n a l y s i st h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h ew o r k b e n c h ，a n d o p t i m i z et h ed e s i g no fh y d r a u l i cc o m p e n s a t i o nw i t ht h ee m p h a s i so nw o r k b e n c h t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t t h eb e n d e ri se x p e f i m e n t a lt e s t e d ，a n dt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o n so ft h em a i n c o m p o n e n t si sg o t s e c o n d u s i n gt h eg e n e r a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss 0 1 a r ea n s y s 邪t h et o o l ，t h ew h o l e m o d e lo ft h eb e n d e ra n dt h ec o n t a c tm o d e lb e t w e e ns l i d e ra n dw o r k b e n c ha r ee s t a b l i s h e d ，a n d l i n e a rs t a t i ca n a l y s i so ft h eb e n d e ri sp e r f o r m e d w h i c hg e t st h es t i f f n e s sa n di n t e n s i t yo fe a c h p a r t c o m b i n a t i o no ft e s tr e s u l t st om o d i f yt h eb e n d e rm o d e l ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h e s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lw e a k n e s s e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em a i np a r t so ft h e b e n d e ra r eo p t i m i z e d i no r d e rt oi m p r o v et h es t r u c t u r e ，i n c r e a s et h ep a r t i a ls t r e n g t ho fb e n d e r a n dr e d u c et h es t r u c t u r ew e i g h t f o r t h b yt h et l l e o r yo fe l a s t i c i t y , t h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no fs i m p l i f i e dw o r k b e n c hs t r u c t u r e i sa n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e f l e c t i o nc o m p e n s a t i o n f i n a l l y , t a k i n gp r e s s u r eh o m o g e n i z a t i o no ft h ew o r k b e n c ha so b j e c t i v ef u n c t i o n , t h e h y d r a u l i cc o m p e n s a t i o ns t r u c t u r ei sa n a l y z e da n do p t i m i z e d k e yw o r d s ：b e n d e r ，f e a ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，e l a s t i cd e f o r m a t i o n ，h y d r a u l i cc o m p e n s a t i o n 豳万英基予有限元酶折弯机遂力_ 枣 偿技术研究垄 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。 除文串已经标瞬弓| 震的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成采。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：i 龟j 夹 签字目期：砷i 拳年j f i 胃彬e t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，郎：学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大 学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 摇等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文佟者签名：；氯 薨 签字日期： 扣i 年y , 9 垆日 导师签名： 、 帮匆 签字目期：扣扩年r 月型归 豳万英基于有限元的折弯机压力补偿技术研究 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 快速、精密和批量生产是现代工业文明的基础，板材加工设备自动化技术囱2 0 世纪 6 0 年代起步至今，已取得很大的发展。随着计算机技术的应用，板材加工设备的自动化更 是匿新胃异，已完成了从单机自动化，柔性制造单元、系统，到秃入化工厂及计算机集成 翻造系统的历程，改变了过去板材加工的手工操作形式单一、劳动强度大、生产效率低、 不适合多品种小批量的局面。从2 0 世纪9 0 年代以来国内陆续开发研制的数控板材成形设 备经过多年的不断完善，正日趋成熟【i j 。 板料折弯机是一种使用广泛的板材加工设备。叛料折弯机使用最简单的通用折弯模 具，麓折出各种各样的复杂零箨，配备相应的工艺设备，还可以焉作冲槽、浅挝伸、冲旄、 压波纹等。它具有模具简单、通用性好、调整和更换方便的特点，通过调整滑块的压深距 离能进行各种角度的折弯成形，折弯机是一种量大面广、适用于很多行业的板材加工设备。 随着工业技术的飞速发展，在电器、电子、容器、金属结构、仪器仪表、日用五金、建筑 材料等工业郝门褥到了广泛的应用。 由于国民经济的发展，各行各业对板料折弯机的需求越来越多。板料折弯机的设计水 平，对其制造成本、技术性能和使用寿命有着决定性的影响。许多企业将精力集中在研发 大吨位、高精度的折弯机上，研究方向不但在机架上，且转移到整个折弯机的装配上；在 研究的手段上不仅进行计算机仿真，丽且采用许多实验测试技术。我国折弯机的整体设计 水平还比较落后，绝大多数生产企监基本沿用了传统的设计方法，主要是以工程入员经验 和产品试制为基础的传统设计方法。由于缺乏现代设计手段，导致折弯机本体结构过于保 守、产品开发的周期较长，成本较高，效率较低，随着企业的发展，已经严重制约了企业 的产品质量的提高，因此企业迫切需要引进先进的设计方法。 在现代设计制造中计算机辅助4 e 系统( c a d c a e c a p p c a m ) 得到广泛运用，c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 方法就是运用有限元对结构离散化，即将实际结构离散为有 限数目的规则单元组合体，是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳 定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的 优化设计等阀题的一种遥似数值分柝方法。c a e 技术经过近五十年的发展，其理论和算法 都日趋成熟，大量大型应用程序的面市，现已成为工程和产品结构分析中( 如航空、航天、 机械、土木结构等领域) 必不可少的数值计算工具。将c a e 技术运用于折弯机设计与优化， 一方面，栽够在折弯机制造之前从理论上论证结构设计的可行性，减少设计风险，从丽达 到以低成本、短周期进行折弯祝设计制造的爱的；另方面，可实现折弯机机身设计和工 艺参数的优化，利用c a e 技术模拟板料折弯机在工作过程中真实变形和应力变化情况， 能够实现结构静应力、模态振型、瞬态冲击等多方面的仿真，从而分析各个部位的结构、 形状和尺寸对冲压过程的影响，因此，提高了产品的核心竞争力，也提高了企业经济效益。 扬州大学硕士学位论文 1 2 板料折弯机发展现状与趋势 1 2 1 扳料折弯机的发展现状 国外生产板料折弯机的著名厂家有很多l z 】，如德国通快( t r a m p f ) 、瑞士百超 ( b y s t r o n i c ) 、意大利葛斯巴利尼( g a s p a r i n ) 、美国斯垂里普特( s t r i p p i t ) 、意大利萨瓦瓦 尼尼( s a l v a g n i n i ) 、日本天田( a m a d a ) 、日本村田( m u r a m ) 、比利时l v d 、瑞典萨耀( s 由o ) 等公司，如图卜1 所示。 日本天田( a m a d a ) 公司自6 0 年代中期引进法国p r o m c c a m 公司下动式折弯机生产技 术以来，一直致力于研发和生产下传动式折弯机。8 0 年代中期开发了f i n e & b e n d e r 系列紧 密下动式折弯机。它采用平行加压技术，在不同载荷和不同折弯长度时能使上横粱和下滑 块产生同样的均匀变形，并采用两组或三组滚轮导向，提高了抗偏载能力。 德国h a m m e r l e 公司在7 0 年代中期开发出结构独立的三点式折弯机在折弯工艺和结 构上都有不少创新和突破。发展至今，该公司生产的折弯机除了具有三点式折弯模具、滑 块液压垫等特点之外两个油缸各自采用比例阀和光栅尺构成闭环控制系统，实现对滑块 位置、速度和压力的精确控制”j 。 瑞士b y s t r o n i c 随z z 一3 甘本k o m a b u 壁 比利时l v d意火利s a l v a g n i n i 图i - i 国外先进扳料折弯机 比利时l v d 公司开发的m m c 8 5 0 0 和m n c 9 0 0 0 的数控系统，实现了在折弯加工过程 中的自动化。将折弯板料参数输入系统，便能自动计算出折弯过程所需的所有数据，确定 折弯程序控制计算机系统实施折弯加工。该三维软件系统有如下功能：( 1 ) 在c a d 系统 中，折弯工件以三维模式或者展开模式显示在屏幕上，该工件图的尺寸数据、文字图形及 田万英基于有限元的折弯机压力补偿技术研究 折弯角度和折弯半径，都能清楚的显示出来。( 2 ) 展开模式由l v d 公司的c a d m a n b 软件 制成，折弯程序也可手动输入，且工件可依三个方向回转，可从不同角度观察其形状并 通过消除隐色及表面涂色的方式在屏幕上显示其形状。( 3 ) 数控程序通过工控机与机床间 的连线直接输进机床进行操作加工h 。 日本村m ( m u r a t a ) 公司开发的f i p b 一8 5 2 5 a 型折弯机，折弯力为8 5 0 k n ，工作台长 度2 5 0 0 m m 。该折弯机采用传统的扭矩控制实现滑块同步，涡轮蜗杆装在油缸的下盖中， 转动螺母套，使螺母套上下移动控制活塞的下死点位置。上模的微调装置不同于一般的斜 模式，而是每组有两个偏心轴，用旋钮转动进行调节。采用t n c t x r 3 轴数控系统，控制 y 、x 和r 轴。但由于采用扭轴和机械挡块，该型号折弯机结构复杂笨重。 此外，日本天田公司5 5 0 0 k f d b 型精密折弯机和意大利普力玛公司设计的机器人组成 了柔性折弯机系统，用于实现板料的柔性折弯p 】。 国内生产板料折弯机的厂家有江苏亚威机床公司、扬州扬力集团、湖北三环锻压机床 公司、江苏金方圆数控机床公司、济南捷迈数控机床公司、天水锻压机床公司、上海冲剪 机床厂、徐州压力机械公司、无锡金力锻压机床公司、无锡金球机械公司、安徽中德机床 厂、靖江三力锻压机床制造公司、黔南锻压机床公司、都匀东方机床厂、南通市江海机床 厂、泰安联达锻压设备制造公司、株洲锻压机床厂等等1 2 1 。 江苏! i e 威机床公司湖j 匕三环锻压机床公司 亨摩蠢静 ： 江苏扬力集团无锡金立锻压机床公司 圈i - 2 国山先进板料折弯机 湖北三环锻压机床公司生产的p p e b l 0 0 3 0 型1 0 0 0 k n 数控板料折弯机采用比利时 l v d 公司最新技术，由比利时l v d 公司与湖北三环锻压机床有限公司合作生产的。该机 公称压力1 0 0 0 k n 、最大折弯长度3 0 5 0 m m 、滑块最大行程2 0 0 m m 、空程速度1 1 0 m m s 、 折弯速度l l m m s 。该机可选择配置9 个数控轴，即滑块位置y i 、y 2 ，后挡料装置定位x ， 后挡料器高度调节r ，挡料块横向位置调节z 1 、z 2 ，挡料块x 方向的独立位置调节x 1 、 x 2 以及工作台加凸装置v 。该机工作台数控加凸装置，由带若干个斜面的两块加凸板组成， 4 一 扬州大学硕士学位论文 可相对移动，形成位置加凸的理想曲线。工作台与折弯滑块之间的挠度补偿，可根据压力 的大小而增减。当板材厚度及抗拉强度、下模开口量等数据输入数控系统后，折弯力和工 作台与折弯滑块的补偿值将自动确定，每次折弯时便可得到精确的预加凸1 6 j 。 济南沃兹的数控机械有限公司推出了最新专利产品，a b 3 0 1 2 系列数控气液折弯机，外 形尺寸仅为1 7 0 0 m m x l 3 0 0 m m x 2 3 5 0 m m ，其折弯能力为3 0 0 k n 。它综合了气液传动的优点， 打破了由液压提供动力的传统，以气液缸为动力，驱动折弯滑块上下移动。具有噪声低、 速度快、节能、环保等特点l7 。 江苏亚威机床公司的w e m 、w e m k 、w e h 、w e h k 系列，均为刚性扭轴保证滑块同 步，内置式机械挡块保证滑块定位，带k 的系列采用e 2 0 数控系统，w e m k 为后挡料单 轴控制，w e h k 为后挡料二轴控制。另外，该公司生产的p b b 系列板料折弯机有工作台 液压挠度补偿和喉口变形补偿机构，工作台挠度补偿由一组安装在工作台内的油缸组成， 由数控系统( d e l e md a 6 5 w 、6 6 w ) 根据不同工艺要求来控制，并有液压随动前托料可 选配【8 j 。并且该公司研制的2 x p b h 2 5 0 0 1 3 0 0 0 1 6 c 高端数控双机联动折弯机，已在德国公 司成功开机运行。此套设备重达5 5 0 t ，工作台总厂2 7 m ，拥有3 2 个数控轴，是迄今为止 我国自主研制的技术最先进、数控轴最多、自动化程度较高的大型数控折弯单元，与该设 备配套的还有一条1 2 x 2 0 0 0 的大型数控开卷校平剪切线p j 。 1 2 2 板料折弯机的发展趋势 1 、数控系统控制 折弯机使用简单的通用模具，通过工作油缸带动滑块上下往复运动，实现各种形状板 料的折弯。由于板料折弯过程是板材加工中较复杂的过程之一，在普通折弯机上只有熟练 的操作人员才能生产出良好的工件。即使如此，也需花费较长的时间进行调整，用先进数 控系统装备的折弯机不仅可以缩短调整时间，而且操作人员也不需要多次试折就能折弯出 良好的工件，各国企业生产的折弯机都明显的表示出这一趋势 1 0 , l l j 。 2 、智能化 数控技术已广泛应用于板料折弯机，随着数控系统的发展，折弯机具有一定智能化的 系统，智能化表现在多个方面：为提高加工效率和加工质量的智能化，如加工过程的自适 应控制，工艺过程自动控制：为提高驱动性能及使用方便的智能化，如前馈控制，电机参 数自适应运算；简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程；还有智能诊断等等l l 厶j 。 3 、柔性化 为了满足单件小批量生产的需要，压力机械的柔性自动化发展成为趋势。很多生产企 业开发的板材柔性制造系统( f m s ) 中都包括板料折弯机以及由数控折弯机与机械手组成 的柔性制造单元( f m c ) 。柔性化制造系统实现了板料的连续加工，而且加工精度、产品 的均匀性可得到保证，提高了效率，具有良好前景【l 训。 4 、高精度 为了提高折弯机精度，国内外有些折弯机公司开发了板料厚度自动检测装置、折弯角 度自动检测装置、折弯角度回弹自动检测及挠度补偿装置，并已经在折弯机上得到了实际 应用。其中为解决折弯工件回弹问题，国际上正在展开自适应控制技术在系统应用中的研 究，技术一旦成熟，对提供工件加工精度无疑是一突破性进展，到时候折弯机数控系统的 使用将更加方便，应用范围也会不断扩大l l 弘1 7 j 。 5 、交流伺服驱动 由于液压型数控系统，液压缸响应较慢，在液压系统速度切换时会产生短暂停顿现象， 不利于提高加工效率，且液压传动数控系统结构较为复杂，维修成本较高。采用交流伺服 电机滚珠丝杆驱动方式，可以使滑块运动更敏捷，生产效率更高，且操作方便、调整 田万英基于有限元的折弯机压力补偿技术研究 容，基于交流伺服驱动的折弯机数控技术将会得到迅速发展f 凋。 1 3 课题的来源及意义 5 一 国内压力机械传统的设计方法，是将机床大幅度简化后进行应力和变形的计算，根据 计算结果试制出产品，再根据产品实际使用情况进行修改设计，这种设计方法效率低，也 增加了成本。板料折弯机的结构在几何形状、外载荷和约束条件等方面比较复杂，传统的 设计方法难以对折弯机的各区域提供准确的分析，与实际情况相差较大，不能准确反映折 弯机实际的应力和变形。随蓿生产技术的发展，对折弯机的精度要求越来越高，传统的设 计方法已不能适应当前的需要，故需采用更为准确的方法对折弯机的强度和刚度进行设计 计算p 9 1 。 在实际生产加工中，当折弯机在满载或接近满载时，滑块和工作台会产生弹性变形， 即滑块中间向上拱起，工作台中间向下凹，改变了板料折弯时中间部位的凸模进入凹模的 深度，导致工作台上压力的不均匀，严重影响了折弯工件的角度及直线精度，因此国家标 准及行业标准对板料折弯机的工作精度作出检验规定。 l 、国家标准 根据国家标准g b f r1 4 3 4 9 9 3 ，折弯机工作精度检验主要包含试件折弯角度及直线度 两部分内容，见表1 1 ： 表1 1 板料折弯机工作精度检验 检验检验 项目 简图允差检验方法 工具 1 3 精度 等级 在全长上 将万能角度尺靠在折 弯试件的外表西上依 试件 至4 - 3 0 万能 次多次测量( 每米至少 折弯 角度三处) ，误差以测得的 角度 尺最大、最小角度与规定 i i 圭1 0 折弯角度9 0 。的差值 计 4 - i 。3 0 a 精度在1 0 0 0 等级 长度土 将长度1 0 0 0 的平尺的 试俘 io 3 0 塞尺 检验面靠在折弯试件 折弯 的棱边上，用塞尺测量 壹线 检验 平尺 两者之闯驰闻隙6 ，误 度 1 10 7 5 差以任意一米长度内 的最大闾黧值计 m l 。0 0 6 扬州大学硕士学位论文 工作精度检验时对试件的要求： a 、试件长度：工作台长度_ 2 0 0 0 - 3 2 0 0 m m 时为2 0 0 0 m m ； 工作台长度 3 2 0 0 m m 时为3 0 0 0 m m ： b 、试件宽度不应小于1 0 0 m m ： c 、试件厚度：公称力s l 0 0 0 k n 为2 m m ： 公称力 1 0 0 0 2 5 0 0 k n 为3 m m ： 公称力 2 5 0 0 - - - 6 3 0 0 k n 为4 m m ： d 、试件材料为a 3 钢板，其抗拉强度o b _ 4 5 0 m p a 。 2 、行业标准 行业标准d b s 0 0 2 9 1 对板料折弯机的刚度测试进行了规定，其中工作台的挠度测试方 法及精度等级要求具体如下： ( 1 ) 试验方法 长形支座借两端的三点置于地面上，三只百分表绑放在支座上，百分表测头垂直地分 别于工作台中间和两侧( 距端点0 0 4 l ) 相接触。无载时百分表对零，加载到公称力时记 录各百分表的读数值并记录读数的方向( 左侧读数值，中间读数值a m ，右侧读数r ) 。 工作台的挠度a = a m ( 5 + 5 r ) 2m i l l l 工作台的全长； ( 2 ) 说明 a 、对于液压板料折弯机用随机模具压工件给机器加载，工作位于工作台中间，加载长 度为0 6 l ，试验时行程挡块应不起作用。 b 、对于机械板料折弯机，用液压加载器借手动油泵给机器加载、滑块位于下死点， 加载器位于工作台中间，加载长度约为0 6 l 。 c 、带凸度的工作台挠度值应为减去凸度值。 d 、工作台挠度等级如表1 2 。 表1 2 工作台挠度等级 精度等级允差 等级a 等级b 等级c l 8 0 0 0 l 5 0 0 0 l 2 5 0 0 从以上标准内容可以看出，对于折弯机的工作精度主要通过检验试件的折弯角度、直 线度和工作台的挠度来进行评价，而对由于变形导致的工作台压力不均匀却没有提及，因 此关于折弯机工作台压力的研究就显得尤为必要。 随着c a e 技术的日益普及和应用，有限元方法等现代结构分析方法已被工程技术人 员广为认识和发展，尤其在压力机械设计中得到广泛应用，并取得了显著的技术经济效益 2 0 1 。本文即利用有限元技术，对折弯过程中各部件的应力和变形进行数值模拟，对影响折 弯质量的工作台压力均匀性进行优化分析。 江苏扬力机床有限公司是国内规模较大的一家压力机床生产企业，长期致力于数控冲 床、数控剪板机、数控液压折弯机、激光等各类板材加工机械的生产研发，产品已经远销 国外。在这样的发展背景下，江苏扬力机床有限公司与高校合作，积极推进技术革新。基 于以上问题，本文将该公司的m b 系列数控折弯机作为研究对象，结合有限元技术，进行 产品的研究改造。本课题是企业和高校合作的自选课题。 田万英基于有限元的折弯机压力补偿技术研究 1 4 板料折弯机结构简介 7 一 板料折弯机的本体结构分为上传动和下传动两类。下传动式液压折弯机是将工作油缸 布置在工作台中间，工作时下工作台向上运动。由子圈程时下工作台是靠重力落下，因此 工作油缸可采用单作用的柱塞式缸，结构简单。但板料在下工作台上升过程中需要操作人 员一直扶持，操作不方便，不适用于大批量的生产。一般适合于小吨位、工件长度较短、 行程也短的折弯机上进行薄板折弯。 本文研究对象m b 系列折弯机为液压传动的上传动式板料折弯机，如图1 3 所示，主 要由以下几部分组成： ( 1 ) 油缸：提供折弯板料所需的折弯力，且驱动滑块上下往复运动。 ( 2 ) 视架部件：由厚钢板焊接两成，主要由左、右两块侧板及由梁组成，娜于油缸、 机床导轨及工作台等的固定。液压工作油缸安装于左、右两侧，侧板的c 形喉口结构便 予送料。 ( 3 ) 滑块：与上模和机床导轨相连，由工作油缸带动上下往复运动，完成板料折弯。 ( 4 ) 模具：由上、下模具组成，通过跟换模具实现不同的冲裁功能。 ( 5 ) 工作台：在长度方向上与两个立板联接，下模安装其上。为补偿加载时工作台 的弹性变形，丽在工作台上安装了三个液压补偿缸。 图1 3 板料折弯机结构示意图 板料折弯规所采用的相关系统包括：数控控制系统、液压系统、传动系统、光栅反馈 机构、辅助定位系统及补偿机构。 折弯机的下模安装在工作台上，上模安装在滑块上。折弯机通过伺服比例阍来同步驱 动左右工作油缸的活塞伸长与返回，从而带动滑块上下往复运动；两油缸的同步运动由两 套光栅尺位置反馈系统检测滑块位嚣并反馈给数控系统进行比较，再由数控系统分别控制 两同步阀组，以保持两油瓤的同步运动。滑块上下往复运动一次，完成一次折弯。 8 一 扬州大学硕士学位论文 m b 系列板料折弯机主要参数见表1 3 。 表1 3m b 系列折弯机技术参数 类别 6 3 x 2 5 0 01 0 0 3 2 0 0 公称力k n6 3 01 0 0 0 最大折弯长度n u n 2 5 0 03 2 0 0 立柱间距离m m 2 0 6 02 7 0 0 最大开启高度m m 4 4 04 8 0 滑块行程n u n 2 0 0 喉口深度m m 3 0 04 0 0 工作台宽度n u n 1 5 02 0 0 快进速度( m m s ) 1 0 0 工进速度( m m s ) 8 返程速度( m m s ) 1 0 0 后挡料行程m m 5 0 0 1 5 论文的主要研究内容 本文以江苏扬力集团生产的m b 系列数控板料折弯机为研究对象，主要工作包括：分 析折弯机的结构，进行应力测试，主要获得机床主要部件的应力分布及工作中的薄弱环节， 为结构优化提供依据；利用大型通用有限元软件a n s y s 作为分析工具，采用折弯机整体 建模，对其进行静态分析、结构优化：针对精确折弯中存在的压力沿长度方向不均匀问题， 利用弹性理论对工作台应力及弹性形变进行了分析；最后，基于某型号折弯机的压力补偿 效果进行测试和分析，并对压力补偿结构进行优化分析。 本文结构安排如下： 第一章，绪论。介绍了课题的研究背景，板料折弯机的发展现状及趋势，概述了有限 元方法的基本思想及分析步骤，最后介绍了课题的来源及研究对象的结构。 第二章，应力测试。介绍了应力测试的目的及方法，根据板料折弯机的结构，拟定测 试方案，并对测试结果进行分析，研究折弯机的强度和刚度。 第三章，静态分析。介绍接触问题概况，及建模方法的选择，在此基础上对板料折弯 机进行整机实体建模，并建立滑块与工作台的接触对，进行有限元静态分析。再将计算结 果与实验测试结果进行对比，修正分析模型，为优化设计提供基础。 第四章，结构优化。概述结构优化的原理，并对影响折弯机性能的侧板厚度、喉口半 径进行设计分析，在了解折弯机薄弱环节及影响因素的基础上，分别对侧板、滑块及工作 台进行结构优化，提高折弯机的强度、刚度。 第五章，工作台压力补偿研究。根据弹性力学理论对工作台弹性变形进行分析，为压 力补偿优化提供理论依据。利用有限元软件，建立折弯机的参数化模型，对影响补偿效果 的因素进行优化分析，并绘制折弯效果与影响因素的特性曲线。 第六章，总结与展望。对本文研究内容做简要的总结，并对论文的后续工作提出建议。 田万英基于有限元的折弯机压力享 偿技术研究 2 1 应力测试概述 第二章板料折弯机应力测试 2 1 1 应力测试意义及方法 9 一 l 、应力测试的意义 在机械工程中，通过测量可以分析零件或结构的受力状态及工作状态的可靠性，验证 设计计算结果的正确性，确定整机在实际工作时负载情况等。应力测试是测试技术中应用 最广泛的测量方法，通过测量： 可以获得被测构件的应力值及分布规律，为分析构件的破坏原因、强度储备提供 了依据； 可验证相应的理论公式，合理设计构件； 可提供生产过程或者物理现象的数学模型； 是设计制造用于测试诲多机械量的各种应变式传感器的理论基础。 常温下结构构件的应力测量随载荷情况分为静态和动态两种情况，当载荷基本不变或 缓慢变化时，构件应力应变随之不交或缓慢变化，这时属静态威力测量。折弯机的应力测 试即为静态测试过程。 2 、应力测试方法综述l 列 ( 1 ) 应变片电测法 应变电测法是工程中常用的应力测量方法之一。它通过电阻应变片，先测出构件表面 的应变，再根据应力、应变的关系式来确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。 测量时，将电阻应变片粘贴在被测构件表面，当构件在载荷作用下产生变形时，电阻应变 计发生相应的电阻变化，即可计算出擒l 孛被测点的应变和斑力。 应变电测法所使用的传感器( 应变片) 具有尺寸小、重量轻、灵敏度高、频率响应快、 测量范围大等优点，且可在较恶劣的环境下使雳遥测系统进行测量。并且发展至今还可以 实现自动记录、数字处理和图形显示，因此目前在各个领域中有着极其广泛的应用。 ( 2 ) 光纤b r a g g 光栅测试法 光纤b r a g g 光栅测试法，简称光纤光栅法，是近2 0 年来快速发展起来的一种应力应变 测量方法。裸光纤光栅传感器是一种未经封装的传感元件，它以裸光纤为载体，通常由纤 芯和外瑟的保护层组成，光线在其志部进行全反射传播，当芯层折射率受到周期性调制后， 即成为b r a g g 光栅。 b r a g g 光栅对入蒡重的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相 位相匹配的窄带光，此中心波长称之为b r a g g 波长。如果拉伸或压缩光纤，b r a g g 波长就 会发生变化。通过光纤光栅解调仪监测光栅反射光的波长，并通过相应的程序对测试数据 进行计算、分析和处理，就能获得光纤光栅传感器的应变傻。 光纤光栅法属于光学测试技术范畴，传感器体积小、重量轻，容易满足被测结构件对 狭小空闯的安装需求，抗电磁干扰，适合用于长距离信号传输，由予非常容易构件分布式 传感网络，目前广泛应用于桥梁、建筑、船舶和化工等领域。 ( 3 ) 光弹性法 光弹性法是刹用材料的双折射效应进行应力应变测试。用具有双折射效应的材料，如 l o _ _ 一 扬州大学硕士学位论文 常耀的环氧树脂材料，按一定比例捌成结构件模型或者在结构件表面直接采用光贴片处理 后，将被测对象置于偏振光场中，施加一定的载荷，模型上便产生干涉条纹。被测对象受 力越大，出现的干涉条纹越多，越密集。通过直接观测结构上的条纹，可以对结构的应力 应变进行定性分析。 光弹性方法是国防、航空航天领域中不可或缺的一种测试手段，属于非接触测量，具 有电测方法不能达到的全场测量有事，既可测量表面应力，也可测量内部应力，方法直观， 能够清晰地反映应力集中现象；但工艺比较复杂，测量周期比较长，且需要将被测对象置 予偏振光环境中，光学系统相对复杂。 ( 4 ) 双目立体视觉测量方法 双褥立体视觉测量方法是适瘸子物体的外貌与变形的菲接触全场滚l 量方法。测量时， 被测对象受力引起被测量表面图案发生畸变，该变化分别被两台摄像机记录下来，两台摄 像机同步采集测量现场范露内的特征点图像信息，并通过计算视图像处理方法对嚣幅图像 中同一特征点进行匹配计算，获得该点在三维空间的坐标值。被测构件产生变形时，通过 计算被测构件土若干特征点的三维坐标值及其变化量，即可得到被测构件的三维变形量、 三维应变、应力及动态条件下的振动参数等信息。 双嚣立体视觉测量方法是2 0 世纪8 0 年代逐渐发展起来的几何量测量技术，与计算机 图像处理技术有着密切的相关性，属于光学非接触测量，系统结构简单，具有可移动性， 但只能以摄像机视场范围内的区域作为被测区域。 2 1 。2 测试系统的基本要求 对于应力测试系统的基本要求包括1 2 l l ： 1 、整个测试系统应具有较高的灵敏度，以便记录测量。为了提高系统总的灵敏度， 必须提高各组成环节的灵敏度。 2 、测试系统的各个环节要求在线性状态下工作，即其输出与输入呈线性关系，以保 证不产生失真。 3 、测试系统的备个环节要求其有较好的频率特性，以保证被测量的各谐波分量在幅 值上得到相同的放大，相位上得到相应的相位关系，避免产生幅值失真和相频失真。 4 、测试系统的响应速度要快，能及时反应出测量的瞬交过程。 5 、测试系统应具有良好的工作稳定性和抗干扰性。 2 1 3 折弯机的应力测试 板料折弯机的结构设计，传统的方法通常采用应力校核，或按材料力学、结构力学理 论，经过大量简化基础上的计算算法，实际构件的受力情况要复杂得多。因此，要求出较 为真实的构件内力，就必须进行构件的应力测试。 l 、测试原理 在各种应力测试方法中，应变电测法是一种表面应力逐点测量方法，结构简单、性能 稳定，量它仍是当前技术最成熟、应用广泛的一种测力方法，对于折弯机的应力测试即采 用应变电测法，能够满足其工程中的应力测试的需要。 应变电测法原理就是先测量受力构件的变形量，褥根据麓克定律换算出待测力的大 小。显然，这种测量方法只能用在被测构件在弹性范围内的条件下。 其中，电隰应变片是一种电阻式传感器，通过自身电阻的变化来反映被测构件的机械 应变。将电阻应变片组成测量电桥，当桥臂电阻变化时，电桥就输出一个与其变化大小成 田万英基于有限元的折弯机压力补偿技术研究 线性关系的电压。通过应变仪对该电压进行放大，并对电阻应变片的灵敏度系数进行归 化，就能使输出的电压大小和实际应变大小相对应，从而确定构件应力情况。 2 、应力状态及应力计算 根据力学理论，某一测点的应变和应力之间的量值关系是和该点的应力状态相关的， 根据测点所处应力状态的不同，应力计算如下。 1 ) 单向应力状态 该应力状态下的应力与应变关系比较简单，由胡克定律确定为 口然e s 显然，在测得应变值s 后，就可根据上式计算出应力，在根据零件的几何形状和截面 尺寸计算出所受载荷的大小。 2 ) 平面应力状态 谗多情况下需要测量一般平面减力场内的主应力，其主应力方向可能是已知嚣，或者 未知的，一般采用贴应变花的办法进行测试，应变花的示意图如图2 1 所示。对于平面应 力状态，如能测出某点三个方向的应变幻、岛和，就可以计算出该点的主应力大小及 方向。 y c a 劂2 - l 愿爻砭不惑圈 对于平面应力状态的测点，应力计算公式为： 令：s x = s a ，s p2 c ，7 罐- - 2 e b s a s c 贼 吒= 专( & 恻 q ：忑e ( 鬈+ 毂) q 2 而( 鬈+ 毂) e 2 丽丽岛 x 主应力：拶= 三 ( 吒+ ) 主i = 瓣 式中：s 为应变；e 为被测构件材料的杨氏模量，声材料的泊松比。 扬州大学硕士学位论文 2 2 测试方案的拟定 2 2 1 测点位置的确定 折弯机的应力测试按如下步骤进行；对折弯机进行受力分析； 确定测点位置及 布片方式：确定组桥方式；测得数据处理计算。 测点的选择和布置对能否正确了解结构的受力情况和实现正确的测量影响很大。 应力测试中，首先遇到的问题就是应该测量哪些构件；构件上主要测量那些截面；截面上 测点布置方式以及应布置几枚应变片等。 测试构件的选择原则田l 为：i ) 机构的主要受力构件：2 ) 曾发生过破坏损伤的构件。 构件的测量截面选择原则如下： 1 ) 设计计算书提供的应力较大的断面； 2 ) 受力分析中承载较大的断面： 3 ) 有损伤或曾经发生过损伤的断面； 4 ) 具有代表性，便于分析与计算的断面； 5 ) 现场测试中，对稚片测量工作是方便的、安全的断面； 6 ) 对结构与受力具有对称性的构件，以一边构件为主，而在另一边构件的对应截面上 适当布置几个校核测点，以保证测量值的准备可靠。 根据以上测