閉式高精壓力機球頭銷的疲勞分析與優化

摘 要：建立球頭銷三維模型做靜態分析，并在此基礎上利用SolidWorks Simulation對球頭銷進行疲勞分析，得到等效應力和生命周期等相關數據，最后對其優化設計，在滿足應力要求和輕量化的前提下，比較分析優化前后的結果。

關鍵詞：壓力機；球頭銷；疲勞分析；SolidWorks Simulation

傳動系統是高速精密壓力機的核心，其曲柄滑塊機構之間須有圓周運動和直線運動的轉接點，經由這個機構將圓周運動轉換成滑塊的直線運動，而轉接點的連接形式主要有球頭、球臼式和柱銷、軸套式兩種。球頭式可使結構緊湊從而降低壓力機高度，而且受力面積較大具有自適應性，保證了傳動系統的高剛度和穩定性，但加工較為困難；柱銷式隨著壓力機公稱力的增大柱銷直徑就要相應加大，另外其通孔的同軸度和柱銷圓柱度是加工難點。對于中小型壓力機，球頭式連桿結構應用普遍。

壓力機在不停地高速沖裁工作時，雖單次作用力不足以導致球頭銷失效，但載荷呈周期性變化反復作用，隨著時間的推移，設計就很有可能會出現疲勞破壞。使用Solid Works Simulation對其進行疲勞分析，并在滿足高速精密壓力機對于壽命的一般要求下，實現球頭銷的優化設計。

一、靜態分析

由疲勞分析的一般過程可知，疲勞分析的前提是對零件進行力學分析，找到載荷作用下構件的結構危險部位的應力及應變。

1.三維建模

根據企業提供的工程圖紙，建立了鋼圈三維實體模型，參照有限元簡化模型的一般原則，在保證鋼圈結構力學性能不變的前提下，將所建立的模型加以簡化。

2.靜態分析

靜態分析的結果可以作為疲勞分析的前提條件。

（1）球頭銷的材料為40Cr，各項指標如表1所列。

■

（2）球頭銷只在壓力機沖壓坯料時才會受到最大負荷，其受力面積等于球頭與球臼的接觸面積；本機為400t四點壓力機，故靜態分析時每個球頭銷受到100t沖裁反力。

（3）球頭銷突臺圓柱面和螺釘孔使用“固定幾何體”夾具，并采用“基于曲率的網格”高品質劃分網格，仿真分析得到的等效應力云圖和合位移云圖。

球頭銷所受最大等效應力在球頭頸圓周節點上，大小為272.5MPa，遠小于40Cr，材料屈服強度785MPa，因此原設計是安全的。

二、疲勞分析

觀察發現，當材料或結構經常處于載荷不斷加載和卸載的變動過程中，即使材料或結構的應力值始終沒有超過材料的強度極限，甚至在低于彈性極限的情況下就可能發生破壞的現象，就叫疲勞破壞。結構或機械直至破壞前所作用的循環載荷的次數或時間稱為疲勞壽命。疲勞壽命分析是指確定疲勞壽命的方法。

定義壓力機球頭銷疲勞分析的“添加事件”按以下方法實施：（1）壓力機在兩班制工作時，且遵守使用規則的條件下，至第一次計劃大修的使用時間一般應為5～8年。本機滑塊行程次數為400spm，故“周期”輸入3072000（按8年計算）；（2）添加的材料屬性中自帶40Cr的疲勞S-N曲線，插值取雙對數，應力比率R=-1；（3）疲勞分析的屬性設置依次為“隨意交互作用”“對等應力（von Mises）”“Soderberg”“疲勞強度縮減因子（Kf）為1”。運行分析得球頭銷經過3072000次的沖裁撞擊后，其最小生命周期為4×107。

三、優化設計

由于機構間的相互制約，原設計可以在四處選取變量進行尺寸約束，其中球銷直徑知：dB=3.9～5.7■.

■

式中：P0—球頭上的作用力（kN），且P0=1000KN。

故dB=123.33mm～180.25mm，另外球頭頸直徑、球頂圓直徑和球盤直徑范圍分別設為（70mm，95mm）、（64mm，100mm）和（120mm，200mm）；約束為應力小于750MPa；目標是質量最小（原質量為10.5kg）。

■

運行優化便能夠得到新的球頭銷結構，其變量尺寸的前后值對比如表2。對此作靜態分析和疲勞分析，可以得到優化設計后的生命周期，最小生命周期為3654000，大于3072000；最大應力為401.9MPa，小于785Mpa；質量減至6.34kg。

本文針對高速壓力機球頭銷的疲勞分析，可作為其他受沖裁反力作用下機構疲勞分析的參考；利用Solid Works Simulation從建模到分析，無需導出數據和轉換界面，提高了工作效率；隨著壓力機向著的大型化、高速精密化、自動化的趨勢發展，以及加工設備和工藝的不斷升級，三點傳力柱銷式的連桿結構也有其獨特的優勢。

參考文獻：

葉修梓，陳超祥.SolidWorks Simulation高級教程[M].機械工業出版社，2009.

作者簡介：鄭佳，男，1989年2月出生，就職于江蘇徐州工程機械高級技工學校，研究方向：機械類。

編輯 孫玲娟