T30數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的優(yōu)化設(shè)計(jì)

阮康平，潘志華，嚴(yán) 偉

（1.江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210016）

T30數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的優(yōu)化設(shè)計(jì)

阮康平1，潘志華1，嚴(yán) 偉2

（1.江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210016）

采用有限元方法對T30數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身的強(qiáng)度、剛度和自身模態(tài)做了計(jì)算分析，在此基礎(chǔ)上，對機(jī)身進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化機(jī)身比原機(jī)身節(jié)約材料20%左右，在有效降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，也為沖床的合理設(shè)計(jì)提供了借鑒。

機(jī)械制造；機(jī)身；優(yōu)化；數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；有限元

1 引言

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床集機(jī)、電、液、自動(dòng)化技術(shù)于一體，帶有自身的模具庫和自動(dòng)換模裝置，通過數(shù)控編程能實(shí)現(xiàn)板料的快速移動(dòng)和定位，能夠依次進(jìn)行沖裁、拉延、壓印等多道工序的加工，具有加工效率高、生產(chǎn)柔性好、沖壓精度高、重復(fù)精度高等特點(diǎn)。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是目前使用最為廣泛的金屬板材成形高端設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于電力、汽車、航天航空、電子等行業(yè)，在工業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用。

鍛壓機(jī)械向著高速度、高精度、高效率和輕量化的方向發(fā)展。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身設(shè)計(jì)從材料力學(xué)的機(jī)身危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力和機(jī)身最大變形的校核，到有限元法的使用和數(shù)值模擬技術(shù)的引入對其進(jìn)行模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，使機(jī)身的設(shè)計(jì)水平有了很大的提高。國外早在上世紀(jì)80年代就已經(jīng)將有限元法應(yīng)用到?jīng)_床的設(shè)計(jì)上來，現(xiàn)在機(jī)身設(shè)計(jì)已基本趨于成熟，主要的研究方向在于如何降低振動(dòng)和噪聲以提高其功能。國內(nèi)，沖床機(jī)身的設(shè)計(jì)相當(dāng)一段時(shí)間主要采用傳統(tǒng)材料力學(xué)的方法。近年來，國內(nèi)不少企業(yè)認(rèn)識到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性，紛紛與各高校、研究院所合作，引進(jìn)有限元數(shù)值模擬技術(shù)，做轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身優(yōu)化設(shè)計(jì)。但這些設(shè)計(jì)對機(jī)身靜態(tài)研究較多，動(dòng)態(tài)研究較少。

本文結(jié)合揚(yáng)力集團(tuán)數(shù)控機(jī)床有限公司T30數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床新機(jī)型研發(fā)項(xiàng)目，分別從機(jī)身靜態(tài)力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面對沖床機(jī)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證機(jī)身安全的強(qiáng)度和剛度的前提下，相比原機(jī)身，優(yōu)化后的機(jī)身節(jié)約鋼材1983kg左右。在有效降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，也為今后沖床的合理設(shè)計(jì)提供了借鑒。

2 原機(jī)身有限元分析

2.1 機(jī)身應(yīng)力分析

機(jī)身主要受到自身重力和液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的沖壓力的作用，本文的計(jì)算結(jié)果均在沖床產(chǎn)生最大工作壓力300kN的工況下獲得。機(jī)身整體應(yīng)力云圖如圖1所示。

在300kN工作載荷作用下，機(jī)身具有很好的強(qiáng)度，機(jī)身平均應(yīng)力在10MPa以下，機(jī)身喉口、沖壓頭安裝板和兩側(cè)板頂部處的應(yīng)力相對較大。喉口位置最大應(yīng)力達(dá)到29MPa，產(chǎn)生在圖2中的A處。應(yīng)力云圖如圖2所示。

由于直接受到工作壓力的沖擊作用，沖壓頭安裝板上產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，最大應(yīng)力達(dá)到133MPa，產(chǎn)生在圖3中的B處。應(yīng)力云圖如圖3所示。

兩側(cè)板頂部也承受了較大的拉應(yīng)力，最大應(yīng)力達(dá)到32MPa，產(chǎn)生在圖4中的C處。應(yīng)力云圖如圖4所示。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，機(jī)身平均應(yīng)力很小。最大應(yīng)力發(fā)生在沖壓頭安裝板的螺栓處，在130MPa左右。總體說來，機(jī)身的強(qiáng)度非常好，有著很大的優(yōu)化空間。

2.2 機(jī)身位移分析

機(jī)身最大位移也產(chǎn)生在沖壓頭安裝板處，主要表現(xiàn)為鉛垂方向的位移分量。在300kN滿負(fù)荷工況下，機(jī)身總位移最大值在0.57mm左右，產(chǎn)生在圖5中A處（即圖6中的B處），其鉛垂方向位移云圖如圖5、6所示。

因?yàn)闆_床所受載荷只發(fā)生在沖壓頭一處，而且沖壓力方向恒定為鉛垂方向，所以機(jī)身總位移主要表現(xiàn)為鉛垂方向的位移分量，而其鉛垂方向的位移對沖床加工平面內(nèi)的加工精度影響很小。

2.3 機(jī)身模態(tài)分析

第一階自振頻率為61.66Hz，振型表現(xiàn)為機(jī)身上梁整體的側(cè)向移動(dòng)，如圖7所示，這主要是由于圖中A、B兩點(diǎn)剛度較薄弱導(dǎo)致。

第二階自振頻率為74.74Hz，振型表現(xiàn)為機(jī)身尾部側(cè)向的同向擺動(dòng)，如圖8所示，擺動(dòng)發(fā)生在圖中C點(diǎn)處。

第三階自振頻率為77.51Hz，振型表現(xiàn)為機(jī)身尾部側(cè)向的反向擺動(dòng)，如圖9所示，擺動(dòng)發(fā)生在圖中D點(diǎn)處。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，機(jī)身的自振頻率較高，說明機(jī)身的整體剛度相當(dāng)好，有著很大的優(yōu)化空間。

3 機(jī)身優(yōu)化方案

從上面的計(jì)算可以看到，機(jī)身在300kN載荷下具有很好的強(qiáng)度和剛度，所以有很大的優(yōu)化空間。下面的優(yōu)化主要通過改變板材的厚度，在滿足強(qiáng)度的情況下減少用材。

T30機(jī)身由鋼板焊接而成，焊接用的各板厚度均是沿用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，為了保證機(jī)床的安全使用，鋼板厚度設(shè)計(jì)得比較保守，經(jīng)過多次的計(jì)算分析，最終確定優(yōu)化方案如表1所示。表1中的具體優(yōu)化位置見圖10所示。

表1 機(jī)身優(yōu)化方案表

4 優(yōu)化后的機(jī)身有限元分析

4.1 優(yōu)化后的機(jī)身應(yīng)力分析

優(yōu)化后的機(jī)身在300kN的工況下整體應(yīng)力云圖如圖11所示。喉口處、沖壓頭安裝板處和側(cè)板頂部應(yīng)力最大值分別為46MPa、127MPa和54MPa，它們的應(yīng)力云圖分別如圖12、圖13和圖14所示。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，由于板間的減薄，喉口處和側(cè)板頂部的應(yīng)力均有所增加，但幅度不大，應(yīng)力值也遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力，而沖壓頭安裝板由于厚度得到增加，該處應(yīng)力稍微減小。

4.2 優(yōu)化后的機(jī)身位移分析

優(yōu)化后的機(jī)身最大位移仍然發(fā)生在沖壓頭連接板處，其總位移最大值0.73mm左右，鉛垂方向位移云圖如圖15、16所示。

4.3 優(yōu)化后的機(jī)身模態(tài)分析

第一階自振頻率為45.35Hz，振型表現(xiàn)為機(jī)身尾部側(cè)向的同向擺動(dòng)，如圖17所示，擺動(dòng)發(fā)生在圖中A點(diǎn)處。

第二階自振頻率為46Hz，振型表現(xiàn)為機(jī)身尾部側(cè)向的反向擺動(dòng)，如圖18所示，擺動(dòng)發(fā)生在圖中B點(diǎn)示。

第三階自振頻率為56.17Hz，振型表現(xiàn)為機(jī)身上梁整體的側(cè)向移動(dòng)，這主要是由于圖中C、D兩點(diǎn)剛度較薄弱導(dǎo)致，如圖19所示。

5 結(jié)論

機(jī)身主要位置優(yōu)化前、后應(yīng)力水平對比如表2所示。

優(yōu)化前機(jī)身鉛垂方向最大位移0.57mm，優(yōu)化后機(jī)身鉛垂方向最大位移0.73mm，鉛垂方向位移對沖床加工精度影響很小，該位移也在允許范圍之內(nèi)。

表2 主要位置應(yīng)力對比表/MPa

機(jī)身優(yōu)化前、后前三階自振頻率對比如表3所示。

表3 前三階自振頻率對比表

對比優(yōu)化前后的應(yīng)力水平，優(yōu)化后由于用料減少，應(yīng)力水平變化不大，在安全許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。對于沖板的優(yōu)化，由于6個(gè)螺孔的位置不能改動(dòng)，要提高沖板的強(qiáng)度只能通過增加厚度來達(dá)到。

用料減少后，機(jī)身整體剛度有稍許降低，使得機(jī)身的自振頻率降低。第一階自振頻率為45Hz，振型為機(jī)身尾部局部的振動(dòng)。因?yàn)闄C(jī)床控制系統(tǒng)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的頻率在20Hz范圍內(nèi)，所以機(jī)身自振頻率在45Hz以上是安全的。

從優(yōu)化前后機(jī)身情況來看，優(yōu)化方案使得機(jī)身用料減少1983kg，為原機(jī)身的20%，減重效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1]謝君翌.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.

[2]陳 松.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床伺服電機(jī)主傳動(dòng)的研究[D].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

[3]潘殿生，潘志華，阮康平，等.折彎機(jī)機(jī)械補(bǔ)償裝置數(shù)值模擬結(jié)果分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（3）:29-32.

[4]潘殿生，潘志華，阮康平，等.有效降低折彎機(jī)喉口處應(yīng)力的機(jī)身優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（1）:55-58.

Optimized design of T30 CNC turret punch press

RUAN Kangping1，PAN Zhihua1，YAN Wei2
（1.Jiangsu Yangli CNC Machine Tool Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，Jiangsu China;2.School of Mechanical Engineering，Nanjing University Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，Jiangsu China）

The strength，rigidity and own mode of the frame for T30 CNC turret punch press have been calculated and analyzed through finite element method.On the basis of analysis results，the structure design of frame on the CNC turret punch has been optimized.The optimized frame has saved about 20%steel consumption.The manufacturing cost has been effectively decreased，which provides reference for the reasonable design of the turret punch press.

Frame;Optimization;CNC turret punch press;Finite element

TG315.5

B

1672－0121（2011）06－0048－04

2011-09-22

阮康平（1982-），男，碩士在讀，工程師，從事數(shù)控板材加工設(shè)備的研發(fā)