基于CosmosWorks的折彎機液壓補償能力的分析

張子東，王志明，談傳明，曹光榮

（1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 江都 225200）

基于CosmosWorks的折彎機液壓補償能力的分析

張子東1，王志明1，談傳明2，曹光榮2

（1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 江都 225200）

建立了折彎機的三維模型，分析了下橫梁液壓補償機構的原理并對其進行了設計計算。采用有限元軟件CosmosWorks對折彎機下橫梁進行了靜力分析，定量地描述了下橫梁的變形和應力分布狀態。通過折彎角度的誤差分析以及折彎機滑塊與下橫梁上表面的撓度曲線的對比研究，得到液壓補償裝置的變形規律，驗證了液壓補償系統具備對下橫梁的撓曲變形進行補償的能力，為液壓補償裝置的設計和使用提供了理論依據。

機械制造；液壓補償裝置；折彎機；撓度

1 引言

折彎機是制造業中廣泛使用的板材折彎設備。隨著人們對各類工業產品數量和質量要求的不斷提高，對工作母機的要求也越來越高。折彎機在對板材進行折彎加工時，機器滿載或接近滿載時，滑塊和下橫梁會產生彈性變形，即滑塊中間向上拱起，下橫梁中間向下凹，改變了板料折彎時中間部位的凸模進入凹模的深度，導致下橫梁上壓力的不均勻，嚴重影響了折彎工件的角度及直線精度。為了消除下橫梁變形帶來的不利影響，需要對下橫梁的撓度進行補償。液壓補償通過在下橫梁下部布置輔助液壓缸，在折彎時使得下橫梁中部產生向上的彈性變形，形成撓度自動補償系統。下橫梁的變形抵消了機床滑塊的變形，保證了加工結合面的精度，有效地克服了被加工件的撓度[2]。

我國折彎機的整體設計水平還比較落后，絕大多數生產企業基本沿用了傳統的設計方法，即以經驗和產品試制為基礎的設計方法。隨著CAE技術的進步和普及，有限元方法等現代結構分析方法已廣泛應用于工程設計，尤其在壓力機械設計中取得了顯著的技術經濟效益[3]。

利用CosmosWorks，對PBB-400/5100數控板料折彎機下橫梁進行靜力分析，定量地描述下橫梁的變形和應力分布狀態。通過折彎角度的誤差分析，以及對折彎機滑塊與下橫梁上表面的撓度曲線的對比研究，驗證了液壓補償系統對下橫梁的撓曲變形的補償能力，為液壓補償裝置的設計和使用提供了理論依據。

2 幾何模型

2.1 折彎機三維模型

這里的折彎機架體模型是以PBB-400/5100數控板料折彎機架體為原型設計的。折彎機架體主要由左右立柱、滑塊、上橫梁、下橫梁、下橫梁立板及相關連接件組成。見圖1所示。

1.2 下橫梁液壓補償機構的原理與設計計算

液壓補償裝置由多個小油缸——補償缸、主板、及柱塞等組成，如圖2所示。

補償油缸的底座與外側的前后立板相接觸，中間的柱塞桿作用在下橫梁上。在補償壓力的作用下，柱塞桿對下橫梁產生一個向上的作用力，使下橫梁產生向上的撓度變形，形成加凸的理想曲線，保證其受力后與滑塊的相對位置關系不變，提高加工零件的精度。與此同時，在前后立板上產生一與之大小相等、方向相反的反作用力。液壓補償的優勢在于充分利用液壓原理，補償量隨著負載的增大而增大，不需要或者很少需要對補償量進行調整[4]。啟動液壓撓度補償時，使得工作臺面是連續、平滑的變形曲線，能夠得到理想的折彎工件，更加方便用戶的使用，但其成本高，結構較復雜[5]。

PBB-400/5100數控板料折彎機公稱折彎力為4000kN，為了分析折彎機在滿負荷作用下機架、滑塊、前后立板以及中立板的應力分布以及變形情況，在折彎機滑塊下端面與中立板上端面上分別施加4000kN向上、向下的壓力。

根據滑塊與下橫梁的撓曲變形計算公式，可得滑塊的撓曲變形[6]、下橫梁的撓曲變形[7]為：

由此可以估算出每個補償油缸的理想補償力的大小，約為960kN。

3 下橫梁靜力分析

CosmosWorks運用單元大小為25mm劃分網格。下橫梁用材Q235A，彈性模量210000MPa，泊松比 0.28，密度 7800kg/m3。

折彎時，油缸對滑塊產生一向下的折彎力，這一折彎力經折彎工件傳遞到下橫梁，在下橫梁上產生一向下的壓力4000kN。同時為了補償折彎力對滑塊和下橫梁產生的撓度變形，在下橫梁與前后立板上安裝了撓度補償機構，機構會對下橫梁產生一向上的理想補償力960kN，同時在前后立板的撓度補償油缸的支撐面上施加480kN的壓力。在下橫梁上施加折彎力與補償壓力的外部載荷，在折彎力與補償壓力作用下，下橫梁的應力分布如圖3所示。從圖中可以看出，在補償油缸安裝孔的角上以及下橫梁與墊塊的接觸處會產生比較大的應力集中，最大的應力σmax=379MPa產生在下橫梁與墊塊的接觸處。圖4為得到的下橫梁的位移情況，從圖中可看出，最大的撓曲變形發生在下橫梁的中點處，最大的撓曲變形量為0.534mm。圖5為下橫梁鉛直方向撓曲變形圖。

影響折彎零件精度的主要因素為滑塊與下橫梁相對撓曲變形，文中滑塊相對撓曲變形曲線已知。將滑塊與下橫梁的撓度變形合成在一個圖形中，得到圖6。

從圖6可以看出，此類型折彎機滑塊與下橫梁的撓曲變形方向相同，撓曲變形的曲線基本吻合，有利于減小折彎零件的角度誤差。下橫梁撓度相對滑塊的撓度較小，說明理論計算得到的補償壓力還不足以補償滑塊的撓曲變形。

4 液壓補償能力分析

通過對無液壓補償機構時折彎工件的角度誤差和加入液壓補償機構后折彎工件的角度誤差進行計算分析，定量分析折彎機撓度補償能力。

4.1 折彎角度誤差分析

折彎力作用下，折彎機滑塊與下橫梁會產生撓曲變形，如果不加以補償，折彎工件將產生角度誤差。角度誤差計算模型見圖7。

折彎工件角度誤差為：

表1對無補償與補償后不同規格板材的角度誤差進行了理論計算，其中補償缸的壓力為主油缸壓力的0.9倍。從表中可看出，折彎機無補償時，折彎工件的角度誤差較大，加入補償后，折彎工件的角度誤差大大減小。理論計算的補償壓力值偏小，并不能較好對滑塊與下橫梁的撓度誤差進行補償，如需進一步提高精度，實際使用中可加大補償壓力的大小。

4.2 液壓補償機構補償能力驗證

表1 不同規格板材折彎時無補償時與補償后折彎工件角度誤差

折彎機設計的補償缸最大壓強為28MPa，補償油路經比例閥后作用在補償油缸上，補償油缸直徑245mm，因而補償油缸最大補償壓力為1319kN。將此補償壓力作用在下橫梁上，重新對下橫梁進行有限元分析得下橫梁的撓曲變形如圖8所示。

下橫梁的撓曲變形為1.256mm。將滑塊變形與下橫梁撓曲變形合成在一個圖形見圖9。

從圖9中可以看出，下橫梁的撓曲變形曲線在滑塊撓曲變形曲線的上方，說明液壓補償系統完全有能力對滑塊與下橫梁的撓曲變形進行補償。

5 結束語

本文通過CosmosWorks軟件對折彎機下橫梁進行了靜力分析，定量地描述下橫梁的變形和應力分布狀態。通過折彎角度的誤差分析以及折彎機滑塊與下橫梁上表面的撓度曲線的對比研究，經分析，可以得到以下結論：

折彎機無補償時，折彎工件的角度誤差較大，加入補償后，折彎工件的角度誤差大大減小。當精度要求較高，撓度補償機構是必不可少的。理論計算的補償壓力值偏小，并不能較好對滑塊與下橫梁的撓度誤差進行補償，實際使用中需進一步加大補償壓力的大小。

最后驗證了液壓補償系統完全有能力對滑塊與下橫梁的撓曲變形進行補償，從而為液壓補償裝置的設計和使用提供了理論依據。

[1]吳焱明，高宏濤，王 勇，田 杰，趙 韓.基于BP神經網絡的板材折彎桶狀變形補償研究[J].組合機床與自動化加工技術,2008，（9）:30-32.

[2]潘殿生.折彎機機械補償裝置數值模擬結果分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（3）:29.

[3]劉 晗.應變電測技術在狀態測試與評估中的應用研究[J].寶鋼技術，2004，（3）:51-55.

[4]吳國富.解析板料折彎機的撓度補償[J].裝備機械，2003，（3）:19-21.

[5]田萬英.基于有限元的折彎機壓力補償技術研究[D].揚州:揚州大學，2010.

[6]劉鴻文.材料力學（下冊）[M].北京:高等教育出版社，1983-02.

[7]北京科技大學，東北大學.工程力學[M].北京:高等教育出版社，2008.

Analysis of hydraulic compensation ability on press brake based on CosmosWorks

ZHANG Zidong1，WANG Zhiming1，TAN Chuanming2，CAO Guangrong2
（1.Mechanical Engineering College，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu China；2.Yawei Machine Tool Co.，Ltd.,Jiangdu 225200，Jiangsu China）

A three-dimensional model of press brake has been established.The principle of lower beam hydraulic compensation mechanism has been analyzed and designed.The finite element software CosmosWorks has been used to conduct the static analysis of lower beam on press brake.The deformation and stress distribution of lower beam have been quantitatively described.The deformation rules of hydraulic compensation device have been obtained by error analysis of the folding angle and comparative study on flexibility curves of press brake slider and upper surface of lower beam.It is verified that the hydraulic compensation system is capable of compensating for the lower beam，which provides theoretical reference for design and application of the hydraulic compensation mechanism.

Hydraulic compensation mechanism；Press Brake；Deflection

TG315.5+4

B

1672－0121（2011）06－0040－04

2011-08-21

張子東（1986-），男，碩士在讀，主攻智能檢測與控制技術