（材料加工工程专业论文）液压机系列装备机械耦合刚度标准化研究.pdf

摘要 液压机是制造业的基础，随着我国大轮船、大飞机、核电、化工等大型项目的实施， 如何使液压机系列化、高刚度、轻量化变的尤为重要。本文以大型六轴数控回转压头框 式液压机t h p 3 4 y - 1 0 0 0 g 、t h p 3 4 y - 1 5 0 0 d 为样机，对液压机系列装备机械耦合刚度进 行了标准化研究。 1 船首船尾典型板材成型件工艺分析。提出了通过控制移动液压机压头及工作台 位置，对板材进行不同位置的精确压制；通过控制液压机压头及工作台的回转角度，对 板材复杂曲面进行精确压制的方法。利用通用模具，通过控制凸模的压下量得到不同曲 度板材，并对压下量的控制进行了精确量化，制成了通用表格，为船首船尾典型板材成 型件的成型提供了方便。在此基础上，对液压机的成形精度提出了要求。 2 对大型六轴数控回转压头框式液压机进行了刚度有限元分析及样机检测。本文 采用制件，模具，装备耦合刚度分析研究方法，建立制件、模具和机身结构耦合刚度分 析模型，通过软件接口，将各实体模型的数据进行传送，完成有限元分析。采用激光跟 踪仪对大型六轴数控回转压头框式液压机t h p 3 4 y 1 0 0 0 g 、t h p 3 4 y 15 0 0 d 样机进行荷 刚度检测，获得刚度检测数据。两种方法对液压机刚度分析结果高度一致，误差保持在 1 0 以内，验证了液压机产品设计模型进行计算机模拟分析结果的可靠性，使有限元分 析可为以后的研究提供更广泛的准确的数据库。 3 根据t h p 3 4 y 1 0 0 0 g 液压机有限元分析及样机检测的结果，在考虑模具结构刚 度和机身预紧- 力日载条件下，分析上、下横梁承载后的变形规律。用方程对液压机在不 同载荷下的变形进行了非线性曲线方程回归，并在t h p 3 4 y 1 5 0 0 d 液压机上得到了验 证。该回归方程可用来预测液压机刚度。 4 提出了根据灵敏度提取大型六轴数控回转压头框式液压机结构部件的优化设计 参量的方法采用制件，模具，装备耦合刚度分析研究方法，建立参数化的主机有限元 分析模型，进行主机上横梁和下横梁结构参数的质量灵敏度分析、刚度灵敏度分析。综 合质量灵敏度和刚度灵敏度，以整机质量小、刚度大为目标，提取对整机质量及刚度影 响显著的关键结构参数，上横梁提取出上横梁肋板厚度、上横梁侧板厚度，下横梁提取 出下横梁肋板厚度、下横梁侧板厚度，将这四个结构参数作为该类型液压机的优化设计 参量。 5 基于制件模具组合框架式机身刚度分析，建立人工神经网络模型，进行优化设 计。针对根据灵敏度对大型六轴数控回转压头框式液压机t h p 3 4 y 1 0 0 0 g 上下横梁提出 的四个关键结构参数：上横梁肋板厚度、上横梁侧板厚度、下横梁肋板厚度、下横梁侧 板厚度，并添加压机载荷和该类型液压机特有的工艺参数液压机压头工作台位置， 对该液压机进行了优化设计，之后不仅达到了轻量化，同时大大提高了液压机的机械耦 合刚度。以上可为其它类似液压机的标准化设计研究提供经验。 关键词：液压机，成型工艺，回归方程，灵敏度分析，标准化设计 a b s t r a c t h y d r a u l i cp r e s si st h ef o u n d a t i o no f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , a l o n gw i t ht h el a r g es h i p s ， a i r c r a f t ，n u c l e a rp o w e r , c h e m i c a la n do t h e rl a r g ep r o j e c t si no u rc o u n t r y , h o wt om a k e t h e h y d r a u l i cm a c h i n es e r i e s ，h i g hs t i f f n e s s ，a n dl i g h tw e i g h ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t b a s e do n t h el a r g e - s c a l es i xa x e sn u m e r i c a lc o n t r o ll o c o m o t i v eg y r a t o r yh e a df r a m et y p e h y d r a u l i cp r e s st h p 3 4 y - 10 0 0 g , t h p 3 4 y - 1 5 0 0 da st h ep r o t o t y p e ，t h eh y d r a u l i cm a c h i n e s e r i e se q u i p m e n tm e c h a n i c a lc o u p l i n gs t i f f n e s sw e r er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s 1 a n a l y s i so ft y p i c a ls h e e tm o l d i n gp r o c e s s t h em e t h o dt h a tt h ed i f f e r e n tp o s i t i o no f t h es h i ps h e e ti sa c c u r a t ep r e s s e dt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h em o b i l eh y d r a u l i cp r e s s u r eh e a da n d p o s i t i o ni sp u tf o r w a r d t h et y p i c a ls h e e ti sp r o c e s s e du s i n g t h eg e n e r a lm o l d ，a n dt h r o u g ht h e d i f f e r e n tc a p a c i t yo fp r e s s a l lo fi ti sac o n v e n i e n tt ot h ep r o c e s so fs h i ps h e e t o nt h eb a s i s ， a c c u r a t er e q u i r e m e n t st oh y d r a u l i cp r e s sa r ea d v a n c e d 2 t h es t i f f n e s so ff r a m et y p eh y d r a u l i cp r e s sw i t hl a r g e - s c a l es i xa x e sn u m e r i c a l c o n t r o ll o c o m o t i v eg y r a t o r ) h e a di st e s t e dt h r o u g he l e m e n ta n a l y s i sa n dt e s t w i t ht h e c o u p l e ds t i f f n e s sa n a l y s i sm e t h o d ，t ob u i l dp a r t s ，m o l da n dt h eh y d r a u l i cp r e s s ，t r a n s f e rt h e d a t at ot h ea n a l y s i ss o , w a r e u s i n gl a c e rt r a c k e rt ot e s tt h es t i f f n e s so ff r a m et y p eh y d r a u l i c p r e s sw i t hl a r g e - s c a l es i xa x e sn u m e r i c a lc o n t r o ll o c o m o t i v eg y r a t o r yh e a d t h es t i f f n e s s t e s t i n gd a t ai so b t a i n e d t w ok i n d so f m e t h o d sf o rh y d r a u l i cm a c h i n es t i f f n e s sa n a l y s i sr e s u l t s w e r eh i g h l yc o n s i s t e n t , w i t he r r o rl e s st h a nlo t h er e l i a b i l i t yo ft h ee l e m e n ta n a l y s i st o h y d r a u l i cp r e s si sv e r i f i e d s om o r ee x t e n s i v ea n d a c c u r a t ed a t a b a s ec o u l db ep r o v i d e df r o m f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 3 a c c o r d i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h ep r o t o t y p e t e s tr e s u l t so f t h p 3 4 y - 10 0 0 gh y d r a u l i cm a c h i n e ，t h ed e f o r m a t i o no ft h eu p p e rb e a ma n dl o w e rb e a mi s a n a l y z e d ，r e g a r d i n gt ot h es t r u c t u r a ls t i f f n e s sa n dp r e - t i g h t e n i n g t h ed e f o r m a t i o no f h y d r a u l i cm a c h i n eu n d e rd i f f e r e n tl o a di sr e g r e s s e db yn o n l i n e a rc u r v ee q u a t i o n , a n dt h e e q u a t i o ni sv e r i f i e di nt h p 3 4 y 1 5 0 0 d t h er e g r e s s i o ne q u a t i o nc a nb eu s e dt op r e d i c tt h e s t i f f n e s so f h y d r a u l i cp r e s s 4 a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r so fs e n s i t i v i t ya n a l y s i st oh y d r a u l i cp r e s s 丽n ll a r g e - s c a l es i xa x e sn u m e r i c a lc o n t r o ll o c o m o t i v eg y r a t o r yh e a d u s i n gp a r t s ，m o l d ， e q u i p m e n tc o u p l e ds t i f f n e s sa n a l y s i sm e t h o d ，e s t a b l i s h i n gp a r a m e t e rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m o d e lo f h o s t ，t h es t i f f n e s ss e n s i t i v i t ya n dt h eq u a l i t ys e n s i t i v i t yo f u p p e rb e a ma n dt h el o w e r b e a ma r ea n a l y z e d c o m p r e h e n s i v eq u a l i t ys e n s i t i v i t ya n ds t i f f n e s ss e n s i t i v i t y , w i t ht h eg o a l o fs m a uq u a l i t ya n dl a r g er i g i d i t y , t h es i g n i f i c a n tk e ys t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nt h eq u a l i t ya n d s t i f f n e s sa r ee x t r a c t e d 5 b a s e do nt h ep a r t s m o l d f la m ef u s e l a g es t i f f n e s sa n a l y s i s ，t h r o u g he s t a b l i s h i n gt h e m o d e lo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，t h es t r u c t u r eo p t i m i z e d b a s e do nt h ei n t e g r a t e ds e n s i t i v i t y o nt h eh y d r a u l i cp r e s sw i t hl a r g e s c a l es i xa x e sn u m e r i c a lc o n t r o ll o c o m o t i v eg y r a t o r y h e a dt h p 3 4 y 10 0 0 g f o u rk e yp a r a m e t e r so fu p p e ra n dl o w e rb e a m sa r ep r e s e n t e d ：t h er i b o ft h eu p p e rb e a m ，t h es i d ep l a t eo ft h eu p p e rb e a m ，t h er i bo ft h el o w e rb e a m ，t h es i d ep l a t e o f t h el o w e rb e a m a n da d dt h e1 0 a da n dt h ep r e s sh e a dp o s i t i o nt ot h e4d e m e n t s ，f i v el e v e l s o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s t h e nt h eh y d r a u l i cp r e s si ss t r u c t u r a lo p t i m i z e d 1 1 1 eh y d r a u l i cp r e s s n o to n l yr e a c h e st h el i g h th e a v y , a tt h es a m et i m e ，g r e a t l yi m p r o v i n gt h es t i f f n e s sa f t e r o p t i m i z e d t h eh y d r a u l i cp r e s sr e a c h e dt h es t i f f n e s sr e q u i r e m e n to f t h ep r o d u c t k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ；m o l d i n gp r o c e s s ；r e g r e s s i o ne q u a t i o n ；s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ； s t a n d a r d i z a t i o nd e s i g n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 制造业是人类物质财富和精神文明的基础，它担负着提高人民生活质量的任务。制 造科学的研究对象是人造系统的能量与物质转换规律，同时人类的需求又是制造科学的 动力来源【n 。 制造装备是制造产业的基础，体现着国家的制造能力和制造水平，是国民经济和国 防安全的重要保障。近十几年来，伴随着世界高新技术惊人的发展，人类进行的工程也 越来越庞大，对设备提出了越来越高的质量要求，设备的服役条件趋于极端化。如百万 千瓦级核电设备、超超临界发电机组、超大型造船工业等。 因此，制造科学的研究要永远围绕社会发展的需求，必须能够适应现代社会以及现 代经济可持续发展的生存环境。制造业要为国家全面工业化提供物质制造的能力，它承 担着史无前例的国家重任。同时制造业面临着世界能源、环境的挑战，要为我国全面工 业化的实现提供与之相适应技术。国家重大战略工程靠制造业的极端制造能力提供保证 和支撑。 美国、德国、日本、韩国等工业发达国家高度重视制造领域的研究，在研究快速发 展工业方面取得了很多的经验。如美国在2 0 0 0 年就已经在设立的2 8 项国家关键技术研 究计划把制造列为第一位；2 0 0 8 年，美国标准局发布a p t 计划，5 个领域包括：能源、 材料、电器、信息、制造；还是在2 0 0 8 年，美国政府联合高精尖企业共同设立“2ur n 计划，目的就在于要大幅度提高工业产品的制造质量【引。 这些在极端环境中服役的大型复杂装备构件的制造，依赖于重载制造装备的能力与 水平。代表性的重载加工装备包括大型压机、自由锻压机、重型锻造操作机、重型机床、 轧钢机等。重型制造装备的特点是大尺度、大载荷、大惯量、多自由度、操控能力强、 工作服役环境恶劣等。 随着5 0 年的科学技术的发展与进步，液压技术已经成为了一门影响现代机械装备 技术的重要基础技术和基础学科，液压机是一种利用液体压力来实现各种压力加工工艺 的机床【3 】。随着液压机新工艺及新技术的应用，在金属成形及非金属加工方面的应用越 来越广泛，在机床行业中的占有份额正在大幅度的攀升。 1 2 液压机的应用领域 液压机几乎适用于所有需要压力, h i 的领域。例如：金属薄板件的冲压及拉深成 第一章绪论 形工艺：汽车、家电等行业中金属覆盖件的成形加工；一些金属零件的压力加工，主 要有、自由锻造、金属型材挤压成形、模压成形、冷热模锻等加工工艺；粉末压制 制品行业，如粉末冶金；非金属材料的压制成形，如玻璃钢成型、汽车内饰件成型、 橡胶制品成形等；木制品热压加工，比如植物纤维型材、板材的热压成型；其他 应用：如校正、压印、塑封、压装等工艺【3 1 。 1 3 液压机结构类型简介 液压机按照工艺用途划分，类型已近百种。但是从主机结构来划分，则可分为单柱 式、四柱式、框架式和复合式结构。 无论哪种结构类型的液压机，都由不同功能的组件组成，液压机的主机结构主要包 括机身，各个执行机构，各油缸和滑块。 整体外形包括：机身，机架平台，移动工作台，拖动装置、封闭装置、护罩等。 动力系统包括：执行机构，管路，蓄势器，充液装置，泵站等。 执行系统包括：操纵机构，分油口，限程装置，减速装置。 运动系统包括：顶出机构，上顶出缸，装料机构，取件装置，送料机构，接件装置， 盛料装置。 辅助系统包括：冷却装置，润滑装置，气动装置。 1 3 1 四柱式结构 图1 1 四柱式万能压机 f i 9 1 1f o u rc o l u m n u n i v e r s a lh y d r a u l i cp r e s s 2 第一章绪论 四柱式结构在液压机中最常见的是三梁四柱式结构，如图1 1 所示。该结构液压机 主缸布置在上横梁的中心。顶出缸布置在工作台中心。活动横梁和主缸活塞是刚性连接， 并由主缸活塞驱动。由四柱导向完成压制以及回程动作。最显著的特点是整机结构简单， 工艺性好。但是最大的缺点是承受偏心载荷能力比较差，偏心距一般只能在跨度的百分 之三左右。由于滑块导向全部依靠立柱，所以立柱的应力集中比较严重。这也造成在偏 载下活动横梁与工作台间极易产生倾斜和水平位移，而且立柱的导向面在磨损后不能调 整和补偿，这更加限制了它的使用范围。 1 3 2 框架式结构 框架式结构在各种液压机中的应用相当广泛。主机结构可分为以下几种。 一整体框架式 整体框架结构大多用于小型液压机。由于机架在工作过程中主要承受拉力和弯曲 力，因此大多采用型钢和钢板焊接或整体铸钢结构。只有在小吨位和小台面的液压机上 才采用铸铁铸造。 整体框架式结构的优点：制造周期比较短，并且构件的刚度大，在结构设计上还可 根据受力情况合理的布置和选用不同厚度的钢板，所以重量轻。缺点：各个部件的重量 比较大，钢板焊前加工量也比较大、需要尽量减少焊接变形和残余内应力；需要合理的 布置焊缝，适当加大转角处的断面面积【4 】。否则，其应力集中点的应力可能比计算的应 力大1 5 3 倍，形成薄弱的环节，焊后的加工也较为复杂。 二组合框架式结构 对于巨型多向模锻液压机来说，能够承受大负载对压机的刚度提出了更高要求，整 体框架式结构的刚性虽然比较优越，但是受制造工艺和制造水平的影响，难以实现整 体制造，为交通运输环节提出了非常大的挑战。组合式框架可以在保证压机的刚度和强 度的要求的同时较好的解决这个问题，组合预紧框架式结构是现今大型液压机采用较多 的结构类型【5 】，如图1 2 所示 3 第一章绪论 1 3 3 钢丝缠绕式结构 图1 2 组合框架式乐机 f i g 1 2c o m b i n e df r a m et y p eh y d r a u l i cp r e s s 钢丝缠绕式预应力液压机机架是随着超高压技术的应用而发展起来的。钢丝缠绕式 机架由上横梁，下横梁以及立柱组成，通过钢丝绳缠绕在一起。这种结构通过钢丝绳进 行预紧，预紧力一般为1 2 到1 5 倍的公称压力。在非工作状态机架就承受较大的压应 力，在工作状态机架仍处于受压的状态，因此提高了机架的抗疲劳性能【6 j 。 预应力钢丝缠绕结构的缺点是： ( 1 ) 当机架结构较大时，钢丝绳难以缠绕； ( 2 ) 钢丝缠绕应力分布不均匀，会导致机架整体应力分布不均匀； ( 3 ) 钢丝绳一旦断裂，整个设备都会受影响，可靠度较低。 所以目前这种结构常用于公称力较小的中小型液压机。 1 4 液压机的发展方向和趋势 1 4 1 自动上下料液压机 目前，由于劳动力成本以及技术问题，国内企业大多采用人工上下料。但是在一些 发达国家，在上世纪的六七十年代已基本普及自动化生产线。现在我国国内企业也逐步 开始使用和采购自动生产线或者带有自动上下料装置的液压机 7 1 。有的企业采用的方法 是，在原人工上下料的液压机生产线上配上机器人，将人工操作改造成半自动的生产线， 这样也大幅提高了生产效率，提高了产品质量。 4 圜 雪 第一章绪论 1 4 2 快速高速液压机 快速、高速液压机在批量生产中能成倍提高生产效率。提高了液压机的压制速度， 就可以减少生产线的数量，普通液压机的压制及回程速度大约为5 0 到2 0 0 m m s ，快速 液压机的压制及回程速度已经能够达到5 0 0 m m s 。汽车生产线上原来几乎全部采用机械 压力机，现在随着高速液压机的出现，高速液压机已占到了6 0 。液压机在速度及效率 方面有很大潜力，应加强在这方面的研究与开发，实现高效率工作。 1 4 3 远程控制液压机 液压机的性能可以依托电液比例技术、传感器、电子、计算机、网络等得到提升。 上世纪8 0 年代电液比例元件得到快速发展，比例阀和比例泵在液压机中也顺势得到应 用，通过电气即可控制液压机的各项功能，使液压机的控制系统发生了质的变化。一些 高档液压机现在普遍采用了精密的控制技术，如比例调压、比例调速、同步控制等。另 外可以把网络技术应用到设备管理中，把液压机作为网络中的一个控制点，实现对液压 机的远程管理、远程监控。 1 4 4 环保节能液压机 在环保、节能方面做好以下几点：降低液压机的装机功率，减少工作中能量的损 失。提高密封质量，减少液压油的泄漏，减少对环境的污染。降低噪声，对大的噪 声源进行隔离封闭【8 】。 5 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 素有水上城市之称的船舶，不仅要承担各种特殊使命，而且由于其远离大陆，它必 须要具备独立生存的能力。所以它要能承受海水的侵蚀和各种载荷应力，这样对其主体 结构，尤其是受冲击最大的船首、船尾零件提出了更高的性能要求。2 0 0 6 年4 月1 日， 全球造船业对散装轮和油轮实施共同结构规范，该规范要求船舶的安全使用年限延长到 2 5 年【9 】。主要方法就是提高板厚，如双壳船体用钢量将增加2 至7 。新规范使原来的 船体板材加工工艺不再适应新型造船业的发展。 2 1 国内外船舶制造技术现状 船舶建造工序是： 际耐 霈多商：商 ? 。 j i ，剃啊删嘲嘲嗍岬嘲嗍_ 噼- _ 矿，削肩嘲蝌聊嘲堋嘲嗍婀嗍矿，舻榭嘲卿嘲螂螂帮删榭捌嗍目舞r，绅庸嬲嘲鼎删嘲嘲嘲嗍嘲秭* o 碍r 掌每安装篇警性实肇鬟爱。当士够彤薹蠖笋体焊棼二 磊萄瓢氟 赢貔艘舶涂糍矿矿五移放下水痧矿薮试骏试航，；缓交船验收夕纱 船体的成型加工是船舶生产的基本前列工序，船体成型加工的效率和生产质量，将 直接影响整体船舶的生产周期和使用寿命。 船体成型加工基本上可以分为两类：冷加工和热加工。 冷加工即在室温下对船体板材进行加工。热加工是指材料在加热状态下，对其进行 加工成型。由于热加工耗费能源，劳动条件差，质量也不好，而且对于大型厚板，热加 工具有局限性。所以随着冷加工的发展，在造船行业中，冷加工成型所占比重日益增大。 在造船行业技术比较先进的国家中，冷加工的比重已达到了9 0 以上【l o l ，所以对大型厚 板成型装备的需求也日益明显。 2 2 国内外船体板材成型液压机技术现状 2 2 1 国内船体板材成型液压机技术现状 目前我国的造船工业使用最普遍的船体板材成型设备，主要是单臂液压机，单臂液 压机为整体“c 形结构，机身由经完全退火消除应力的钢板焊接，精密加工而成，规 6 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 格一般为2 0 0 - - 8 0 0 吨，最大为天津市天锻压力机有限公司在2 0 0 0 年为某海军造船基地 生产的1 2 5 0 吨的“c 型组合机身结构的单臂液压机，主要用于船体板材的热加工。后 造船业中出现压头固定的框式液压机【l l l ：十五年前，天锻压力机有限公司与上海船舶九 院合作设计，生产了中国第一代移动回转压头造船液压机。近几年又开发了众多规格的 移动回转压头造船液压机，分布在大连、葫芦岛、山海关、靖江、青岛、常州、南通、 上海、泉州、福州、舟山、广州等造船业发达的省市地区，用于船体板材的冷加工。但 是以上装备在主机结构和性能方面存在一定欠缺，不能适应先进的造船模式对加工装备 提出的高刚度、成套性、数控化、自动化等要求，代表着目前我国造船业船体板材成型 液压机的装备水平，见表2 1 不同类型船体板材的成形装备性能分析。 表2 1 不同类型船体板材成型装备性能分析 f i g 2 1d i f f e r e n tt y i n go fh u l lp l a t ef o r m i n ge q u i p m e n tp e r f o r m a n c e 2 2 2 国外船体板材成型液压机技术现状 船用板材造型不规则，曲度复杂，所以船板成型加工一直是造船业中最困难的作业 今年来，美国、日本、韩国、芬兰、挪威、瑞士、英国，以及东南亚等造船国家和地 区都在投入巨资对现有设备进行改造，其中提高船体加工设备的自动化是重要内容。途 径主要是提高加工辅助作业的机械化程度【l2 1 。日本在9 0 年代中期建设了三菱重工长崎 造船厂香烧分厂，工艺水平和建造的规模达到世界一流，压机吨位大，功能多，输送辊 道和起重设备齐全。设计规模为年产2 0 - - 3 0 万吨级巨型油轮6 艘。该厂所使用的两台框 架式液压机都为1 5 0 0 吨，工作台左右尺寸分别为6 0 0 0 m m 和6 3 0 0 m m ，代表日本造船 业船体板材加工装备的水平【l 引。 单就成型加工设备的水平而言，我国的一些船厂也达到了同样水平，但辅助作业的 机械化与之相比还存在很大差距，工人劳动强度大，零件等待时间长。更重要的是，我 国的船体板材加工装备所生产出的零件尺寸没有精确控制，造成船体焊接不规整，为船 7 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 体的安全埋下了隐患【1 4 1 。 目前国外大多造船厂采用最多的船体板材加工装备仍旧是单臂液压机，或可移动压 头液压机。一些大型船舶造船厂采用框式可移动压头液压机，压制吨位大多在8 0 0 , - , 1 5 0 0 吨之间【1 5 1 。 2 3 船首船尾零件成型采用的模具 船体零件尺寸各一，形状复杂，但归结来说都为各种不同曲度的曲面1 6 1 ，为此，通 常将船体板材成形模具设计成通用压模，长度为8 0 0 , - , 2 5 0 0 m m 左右，以便能加工各种曲 度的船体板材，通用性强，可用于矫平、折边、压圆、折角等【1 7 1 。通用模具主要分为以 下三种： ( a ) ( b ) ( c ( d ) 图2 1 船板成型中的通用模具 f i g 2 tu n i v e r s a lm o l di nt h es h i pp l a t ef o r m i n g 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 ( 1 ) 平压模平压模的工作面为平面，凸凹模均为平直的，专用于各种厚度零件的 矫平。 ( 2 ) 角形模角形模的工作面为两个相交的平面。凸模可用厚板刨成一定角度，凹 模用铸钢支撑，如图2 1 ( a ) 所示，可刨成不同规格的角度槽。一般角形模用于各种厚 度船体板材的折边、折角、弯曲和压圆等，也可用于辊弯加工件预弯，或者槽形舱壁的 压制等【1 8 】。 ( 3 ) 半圆压模半圆压模的工作面为圆柱面。凸模用半圆钢焊接或者铸造而来，凹 模可用铸钢，或者做成自由支点形式，如图2 1 ( b ) 、( c ) 、( d ) 所示。半圆形压模可以压弯 一般曲形零件【1 9 】。当采用自由支点形式时可以压制护舷管等。此类模具一般用于压制不 规则曲面的厚板。 2 4 目前船体板材成型工艺存在的问题 2 4 i 工艺的制约 在工件加工过程中，采用逐点成型，但是每个弯曲弧度的压下量没有经过计算得到， 而是人为的、凭经验控制压机压头的压下量，每次压头压下再抬起后，都要用样板检测， 肉眼观察弯曲的尺寸是否达到了要求尺寸，如图2 2 所示。如果弯曲弧度不够，就重新 再压一次，重复该项工作直到达到要求尺寸为止f 2 0 1 。如果压下量没控制好，超过了要求 的尺寸，把板料反过来从背面压制，矫正弯曲尺寸，完全人工控制，成型精度低，加工 效率低。 图2 2 观察工件的形状尺寸 f i g 2 2o b s e r v et h es h a p ea n ds i z eo f w o r k p i e c e 西 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 2 4 2 单臂液压机的制约 目前造船工业所使用的船体板材加工装备，主要是“c 型结构的单臂液压机，受 其结构限制，存在两方面不足。 ( 1 ) “c 型结构的单臂液压机的压制力不能太大，通常公称压力为2 0 0 - - , 8 0 0 吨， 这样的吨位对于厚板材是有限制的，所以为了降低材料的变形力，往往在加热状态下压 制复杂曲度的厚板材。 ( 2 ) “c ”型结构的单臂液压机的压头和工作台是三面敞开的，所以喉深参数不能 太大。压头位置固定，压制板材时需要移动板材才能加工，所以板材的尺寸受到限制【2 。 所以该类型液压机不能完成大型船体板材的成型加工。 为此，针对船首船尾典型厚板成型件，在通用模具的基础上，提出更加先进、有效 的工艺方法，由天津市天锻压力机有限公司开发满足该种工艺的液压机，实现对板材、 型材的弯曲成型等多种工艺操作。 2 5 船首船尾零件加工改进工艺原理 2 5 1 单角或单段弧成型原理 根据弯曲的基本原理，以v 形板料弯曲件的弯曲变形为例进行说明，如图2 3 所示， 其过程为： 1 凸模运动接触板料( 毛坯) 由于凸，凹模不同的接触点力作用而产生弯矩，在弯 矩作用下发生弹性变形，产生弯曲。 2 随着凸模继续下行，毛坯与凹模表面逐渐靠近接触，使弯曲半径及弯曲力臂均 随之减小，毛坯与凹模接触点由凹模两肩移到凹模两斜面上【2 2 1 。( 塑变开始阶段) 。 3 随着凸模的继续下行，毛坯两端接触凸模斜面开始弯曲。( 回弯曲阶段) 。 4 压平阶段，随着凸凹模间的间隙不断变小，板料在凸凹模间被压平。 5 校正阶段，当行程终了，对板料进行校正，使其圆角直边与凸模全部贴合而成 所需的形状【2 3 1 。 彳一 爿； 1 0 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 ( c )( d ) 图2 3v 形板料弯曲件的弯曲变形过程 f i g 2 3s h e e tb e n d i n gd e f o r m a t i o np r o c e s so f vs h a p e d 所以，板料的弯曲角度和弧度可以在通用模具上，通过凸模的压下量来控制。 2 5 2 复杂曲面成型原理 缈m 一 v 7 j 磐| ? 挲；j 图2 4 增量压弯成型模型 f i & 2 4t h ei a 蝴t a l b e n do f f o r m i n gm o d e l 船体板材面积和厚度很大，大型厚板成型不同于普通板材成型过程，它对模具的反 载荷很大，所以很难在模具中进行一次整体成型得到零件，需要分步、逐次成型 2 4 1 ，最 终获得船体所需要的曲面形状。 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 图2 5 增量弯曲的船板 f i g 2 5i n c r e m e n tb e n d i n go fs h i pp l a t e 船体板材压弯采用增量压弯成型，即压力机驱动压头，按照一定的轨迹，在板料表 面上分段逐点进行三点弯曲f 2 5 1 ，如图2 4 所示，最后使整个板料成型为所需要的形状， 如图2 5 所示。基本原理是板材增量成型理论。板材增量成型过程的主要特征是：一、 板材按照给定的路径或轨迹成型；二、板料的变形是逐点、逐步的，而且每一点、每一 步的交形量都不能太大【2 6 1 。 2 6 大型六轴数控回转压头可移动式液压机 天津市天锻压力机有限公司承担的国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装 备一大型六轴数控移动回转压头框式液压机成套设备 开发公称力分别为6 0 0 0 k n ( 或 1 2 5 0 0 k n ) 、1 0 0 0 0 k n 、1 5 0 0 0 k n 、2 0 0 0 0 k n 四种规格的大型六轴数控回转压头框式液 压机产品。 大型六轴数控回转压头框式液压机由五部分组成：进料遥控起吊装置、上料输送装 置、主机、下料输送装置、出料遥控起吊装置。其中，以触摸屏和p l c 可编程控制器 构成的数控系统，对辊道双向运输、升降、压头移动和旋转及压制、移动工作台移动和 旋转进行6 轴控制。如图2 6 所示。从而可以实现对不同的大型船体板材吊装、输送、 弯曲、折边、矫平等冷成型加工工序【2 。丌。 1 2 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 图2 6 大型六轴数控回转压头框式液压机 f i g 2 6f r a m et y p eh y d r a u l i cp r e s sw i t hl a r g e s c a l es i xa x e sn u m e r i c a lc o n t r o ll o c o m o t i v eg y r a t o r yh e a d 由于该类型液压机压头和工作台都具备移动、回转功能，所以在压制、弯曲、矫正 各种复杂曲面的船体板材时，只要将压头和工作台调整到所需要加工的位置，即可对其 进行准确加工。取代了人工搬运工件的繁重工作，大大提高了压机的生产效率和自动化 程度。且由于压头和工作台具备的移动、回转功能，使该该类型液压机比具有同等内净 宽度的框式液压机具有大一倍的压制宽度【2 引。 压头的移动、回转，工作台的移动、回转，辊道的输送，控制精度经由船首船尾典 型板材成型件工艺要求得到。压机前后设有升降辊道，可实现加工板材的顶升和送料， 并使用升降辊道更换模具【2 9 1 。 2 7 船首船尾典型板材成型件加工工艺 2 7 1 船首船尾简单曲面零件加工工艺 以图2 7 所示模具为例，模具长度为2 5 0 0 m m ，对厚度为2 0 m m 的板料进行0 - - 8 5 。 之间任意角度加工，通过凸模的压下量来控制板料的弯曲角度，计算凸模的压下量，以 及模具承受的载荷。 1 3 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 图2 7 角弯曲通用模具装配图 f i g 2 7a s s e m b l ya n g l eb e n d i n gu n i v e r s a lm o l d 根据实验目的，绘制出模具，并在s o l i d w o r k s 三维软件中绘制出模具和板料的三维 模型，板料厚度为2 0 m m ，长度2 5 0 0 m m ，然后进行模具装配，装配后效果如图2 7 所示。 凸模压制速度为5 m m 秒： 经过5 5 秒，此时压下量2 7 5 m m ，弯曲角度为1 5 7 4 。，凸模抬起后( 考虑回弹) ， 弯曲角度为1 7 7 9 。，载荷为4 7 8 1 0 6 n ，如图2 8 ( a ) 所示； 经过1 1 秒，此时压下量5 5 m m ，弯曲角度1 3 6 4 。，凸模抬起后( 考虑回弹) 弯曲 角度为1 5 4 1 0 ，载荷为4 3 9 1 0 6 n ，如图2 8 ( b ) 所示： 经过1 6 5 秒，此时压下量8 2 5 m m ，弯曲角度1 1 8 1 。，凸模抬起后( 考虑回弹) ， 弯曲角度为1 3 3 5 。，载荷为4 6 8 1 0 6 n ，如图2 8 ( 0 所示； 经过2 2 秒，此时压下量11 0 m m ，弯曲角度1 0 2 7 。，凸模抬起后( 考虑回弹) ，弯 曲角度为1 1 6 1 。，载荷为1 7 4 1 0 6 n ，如图2 8 ( d ) 所示。 j ：囊。 ( a )( b ) ( c ) 图2 8 凸模下行不同距离对应板料不同形状 f i g 2 8d i f f e r e n ts h a p eo fs h e e tm e t a l 1 4 鬟叩 嚣蘩i 彩叠。埘誊誊 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 ( b ) 图2 9 凸模一卜行距离对应板料的应力 f i g 2 9d i f f e r e n ts t r e s so fp l a t em a t e r i a l 依此类推，对于固定的模具和板料，凸模不同的压下量( 0 1 3 0 m m ) 对应板料不同 的弯曲角度、弯曲弧度，以及板料产生的应力( 如图2 9 所示) ，模具所承受的载荷( 如 图2 1 0 所示) ，通过模拟，可以得到一系列的对应值。在加工之前，在软件中进行模拟， 就能找到所需要加工的板料尺寸对应得的凸模压下量，以及模具所要承受的载荷。例如 厚2 0 m m 的板料折弯角度为1 1 8 0 ，那么在加工时模具压下量为1 1 0 m m 。 图2 1 0 凸凹模承受载荷 f i g 2 10p u n c hl o a d 第二章船首船尾典型板材成型件工艺分析 2 7 2 船首船尾复杂曲面零件加工工艺 以图2 1 l 所示船板为例：船板为喇n a n 型，高35 0 0 m m ，底端直径35 0 0 m m ，两 侧边的夹角为6 0 。，厚3 0 m m ，截面弧形不规则，小批量生产，所以采用通用模具加工 p o l 。板材尺度大，且为厚板n - r ，在大型六轴数控移动回转压头框式液压机上进行。 双 图2 1 1 船首船尾复杂曲面零件 f i g 2 11c o m p l e xc u r v e ds u r f a c ep a r t so fs h i ps h e e t 一根据工件弧度，在软件中计算凸模的压下量。 凸模压制速度为5 m m 秒，对于固定的模具和板料，凸模不同的压下量( 0 - - 1 3 0 m m ) 对应板料不同的弯曲角度、弯曲弧度，以及模具所承受的载荷，通过模拟，可以得到一 系列的对应值，绘入附表2 。在加工之前，在软件中进行模拟，就能找到所需要加工的 板料尺寸对应得的凸模压下量，以及模具所要承受的载荷。 例如： 凸模下行2 0 步时，时间1 0 4 4 秒，压下量为5 2 2 m m ，凸模抬起后( 即考虑回弹) 此时弯曲半径r 为4 1 0 5 m m ，如图2 1 2 ( a ) 所示： 凸模下行3 0 步时，时间1 5 6 6 秒，压下量为7 8 3 m m ，凸模抬起后( 即考虑回弹) 此时弯曲半径r 为3 5 1 0 m m ，如图2 1 2 ( b ) 所示： 凸模下行4 0 步时，时间2 0 8 8 秒，压下量为1 0 4 4 m m ，凸模抬起后( 即考