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小吨位门架上横梁制造工艺的优化摘要：本文针对叉车门架上横梁的结构特点，提出其下料成形工艺的优化方案。运用成熟的计算机有限单元法非线形分析模块，对叉车门架上横梁的成形方案进行可行性分析模拟验证，再进行试制检测。结果证明：其外形尺寸和机械性能完全能够满足设计要求。这一工艺优化设计方案大大节约了成本，并为以后类似梁的下料成形工艺提供了可行性经验指导。关键词：叉车门架；横梁；工艺优化设计；有限元法The Optimizing Design about the Upper Crossbeam Cutting Technics of Forklift MastAbstract: Through the technics design theory analysis,putting forward optiming scheme, using finite element method to simulate and verify the theme, then to trial-produce and batch-produce. Significantly saved costs and improved market competitive ability.Key words:Forklift mast;Crossbeam;Technics Optimizing Design;Finite element method.4随着原材料价格的大幅上涨，企业制造成本显著增加。如何在保证产品质量的前提下，降低材料消耗，是各生产制造企业面临的迫切问题。依据现有设备及生产能力，综合应用优化产品设计和工艺设计，可以显著降低生产成本。本文主要针对3吨门架上横梁的结构特点，对其提出下料成形工艺的优化方案，并运用有限元法对方案的可行性进行模拟分析、验证。1、结构工艺分析1.1 叉车门架上横梁结构特点叉车门架上横梁是叉车提升系统中重要的受力部件之一，其结构如图1所示。以3吨门架上横梁为例，材质为Q235A，结构主要有以下特点：（1）mm，尺寸较大；（2）料厚t40mm；（3）b60mm。图1 叉车门架上横梁结构简图1.2下料工艺分析若直接采用火焰切割下料，材料利用率仅为30%左右，即使采用嵌入套料的方式下料，也只有60%左右，材料利用率很低，而且不便组织大批量生产，因为在生产过程中，转换下料方式需要不少的费用和时间，既提高了生产成本，又降低了生产效率。1.3 优化下料工艺图的确定通过研究分析，若采用图2下料压形得到图1产品，进行批量套料，其套料排样如图3所示，将可以大幅度提高材料的利用率。图2 叉车门架上横梁工艺优化下料简图图3 套料排样示意图虽然工件热压比冷压后的机械性能好，但热压对设备要求高，成本消耗大，因此，该横梁不易选择热压，而采用冷压成形。由图2下料件压形得到图1产品，须满足以下要求： （1）中性层展开长度不变（工艺要求可以放大12mm）；（2）中间圆O圆弧切线交角90；（3）工件料厚t允许有2mm的误差。根据弯曲件展开长度计算公式(1) 、(2) (1) (2)其中，为弯曲件展开长度常数，为弯曲件两端压形后形状不变部分展开长度和，也是常数，为弯曲部分直线段长度，为圆O圆弧中性层圆角半径（等于内圆半径R1与厚度b/2的和）。利用Solidworks软件，通过试值就可以得出内圆半径R1和边长，再由R1很容易得到R2值。由此可以确定如图2所示的优化的下料工艺图。根据弯曲力计算公式（3）计算出弯曲力F： (3)其中，F为弯曲力；C为常系数； t为弯曲件的厚度；b为弯曲件的宽度； 2S为支点间的距离，为材料的抗拉强度。工件变形所需顶件力：Fq（3080）F；弯曲设备标称压力：。通过以上分析计算，可以设计出合理的工艺尺寸以及所需设备，进行下一步试制工作。2、下料成形优化方案的可行性分析2.1 压形过程的有限元分析对图2下料件压形过程进行分析模拟，运用大型有限元分析软件ANSYS，考虑到压力机相对于零件属刚性材料，故在此定义两种材料属性，其中压力机底座和压块定义成刚性材料属性，零件定义成塑性材料属性，其有限单元模型网格图如图4所示，其中不同颜色代表不同的材料属性。图4 成形分析有限元模型网格图ANSYS支持刚体柔体的面面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，此模型中使用Targe170来模拟3D的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用Conta174来模拟。一个目标单元和一个接单元叫做一个“接触对”程序，通过一个共享的实常号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”给目标单元和接触单元指定相同的实常号。接触检查点位于接触单元的积分点上，在积分点上，接触单元不渗透进入目标面，然而，目标面能渗透进入接触面。定义好零件接触参数，对底座约束其所有自由度，压块施加位移约束，进行非线形求解分析，得到其最终结果如图5所示。图5 CAE分析变形前后对比图 上横梁厚度方向在求解的迭代收敛计算过程中，程序每迭代计算一次，判断是否收敛，如果收敛，进行下一步迭代计算，依次类推，最终得出要求的变形结果收敛，计算结束。其中，上横梁厚度方向迭代计算过程变形曲线如图6所示，可以看出，其最大变形量仅为0.8mm，远小于工艺允许的误差（2mm）。图6 上横梁厚度方向迭代计算过程变形曲线图 由图7应力分布图可知弯曲过程在转弯半径结构薄弱处几乎不产生任何应力，满足工件的设计要求。图7 横梁应力分布图由于优化下料图2中，b较厚（b60mm）， 且图1中A的设计要求为正偏差。因此，较小的反弹量对工件成形是有利的。以上分析结果可以得出：采用优化的工艺方案下料压形后尺寸满足要求。而且还可以通过查看模型在变形过程中的动画模拟，得知在不同时刻模型变形过程，为以后的工艺设计提供参考。同时由分析结果得出，由于模型在长度方向尺寸较长，无法进行一次成型，还需要在图8中箭头所示方向再进行两次局部压形，即可得到最终所需的零件。图8 二次局部压形示意图2.2 试制检测按照优化方案对零件进行下料试制，并将压形好的最终成品取样后在试验机上进行抗拉强度试验，检测结果如表1所示:表1 样件检测结果数据表标准件样件1样件2样件3(MPa)215205210205(MPa)450430445435由表1可知，优化方案对此零件的机械性能影响很小，完全可以满足实际强度要求。同时，对此横梁与整体节点连接进行模型疲劳试验，实测应力值为103.33MPa，疲劳加载200万次后，试验模型未出现裂纹，因此可以认为：在正常养护和维修情况下，门架上横梁构造在其使用寿命期间内不会发生疲劳开裂，疲劳强度满足要求。3、下料成形工艺的确定通过CAE分析和试制后进行的机械性能检测，可以得出按图2下料方案经过压形修正后得到图1产品，满足变形以及应力分布要求。其最终工艺流程如图9所示。下料打磨第二次用、在下料件中心两侧局部压形修正最终成形第一次用Fq在下料件中心压形图9 门架上横梁制作工艺流程图以上下料成形工艺流程已应用到批量最大的3吨及3吨以下吨位叉车门架上横梁上，材料利用率达到80%以上，零件合格率100%。4、总 结通过对3吨门架上横梁下料成形工艺优化方案的设计，并运用有限元对其变形过程进行模拟分析验证，节约了研发时间，提高了劳动效率，显著降低了生产成本，取得了良好效果。今后，对类似“U”形结构件的下料成形工艺具有很好的借鉴作用。参考文献：【1】郝滨海. 冲压模具简明设计手册.北京： 化学工艺