重型成型机关键功能部件与成型过程数值仿真

蒋文凯，冯智彦，蒋 飞

（1.天水锻压机床（集团）有限公司,甘肃 天水 741020；2.西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049）

1 引言

重型数控成型机其在大型制件的机械化生产中的地位越发凸显，其中多缸的重型成型机具有集成一体化、加工精度高、生产效率高等一系列的显著优势[1]。对于重型成型机而言，其本身的结构更加复杂，关键零部件的工作参数和强度，刚度的检验和校核往往会影响到该机构本身的工作性能[2]。

对重型成型机进行有限元分析时，通常假设工作台面直接受力，从而忽略了模具和压力机之间的影响[3，4]。但是在实际工作中，成型机并不是独立运行的，模具被安装在成型机工作台及滑块上，两者共同完成工件的成型过程，成型机和模具在工作过程中会互相影响。

本文模拟实际负载工况下重型成型机机架、油缸、模具等关键功能部件及成型过程中模具进行有限元分析，获得模拟实际工况条件下重型成型机机关键功能部件及模具的应变和应力情况。并根据有限元分析结果实现对重型成型机关键功能部件提出优化设计意见。

2 重型成型机关键功能部件的有限元分析与校核

重型成型机由上下横梁、油缸、左右立柱、出料机构等部分组成。忽略结构中的焊缝、倒角、部分螺纹孔等对机身整体的强度和刚度影响非常小的部分[5]，利用Solidworks 建模软件建立的三维模型如图1 所示。左右立柱、上下横梁、工作台作为重型成型机的主要机械支撑、运动导向和工作面，承担着整个机构的主体工作[6]。针对这几大功能部分进行关键机械部件的有限元分析，根据得到的结果进行强度校核和优化。

图1 重型成型机三维模型

2.1 重型成型机立柱有限元分析与校核

立柱作为重型成型机的主要侧向支撑结构，其应力、应变、刚度、强度等相关参数对于重型成型机本身具有非常重要的意义和价值。

2.1.1 有限元模型建立及网格划分

去除掉小型板件，将立柱的三维模型导入Ansys，如图2 所示。

图2 立柱的三维模型

根据二维图纸，立柱材料主要有Q235-A 及Q345 两种。两种材料的主要参数如表1 所示。网格划分的原则是在权衡计算精度与计算时间的前提下，保证在合理时间内高质量地完成计算[7]。因此综合考虑以上因素，网格划分结果如图3 所示。

图3 立柱的网格划分

表1 立柱立板的两种材料参数

2.1.2 有限元模型求解

立柱所受的力为顶部的压力，中间两侧的拉力和压力，立板受到底部的固定约束，如图4 所示，利用Ansys 软件求解了其总变形和应力大小如图5 所示。根据有限元模型求解的结果，立柱立板的最大变形为1.092mm，最大应力为184MPa，最大应力处为施加预紧螺栓处，由上述表1 中两种材料的屈服极限可知，立柱立板的最大应力符合材料的应力屈服极限要求。

图4 立柱的施加力和约束

图5 立柱立板的总变形和应力分布图

2.2 重型成型机上下横梁的有限元分析与校核

重型成型机上下横梁作为机构中主要的运动单元和工作平面[8]，在实际工作环境中往往受到较大的平面载荷和工作压力。因此需要对上下横梁在工作环境中的应力、应变情况进行分析和讨论。

2.2.1 有限元模型建立及网格划分

根据前文所述的重型成型机的整体结构，上横梁和下横梁的有限元模型如图6 所示。

图6 上下横梁的三维模型

上下横梁的工作采用的材料同样为Q235-A 和Q345 两种，其网格划分及施加方式如图7 所示。

图7 上下横梁的网格划分

2.2.2 有限元模型求解

上下横梁两边与立柱立板相连，因此在两处施加固定约束，上横梁底部与液压缸相连，考虑到液压缸的布置为对称分布，因此在上横梁底部施加平面载荷，下横梁底部与工作台面相接触，因此在下横梁底部同样施加平面载荷，施加的约束和力的方式如图8 所示。

图8 上下横梁的施加力和约束

同样利用Ansys 分别计算出上下横梁的最大变形及最大应力，如图9 所示。

图9 上下横梁的应力和应变分布云图

根据图中结果可以看出，上横梁的最大变形为2.87mm，最大应力为402MPa，位于施加预紧螺栓处；下横梁最大变形为0.36mm，最大应力为112MPa。经校核，下横梁的应力非常安全，但是上横梁部分位置存在应力超出应力极限的问题，且应力最大处多分布在施加预紧螺栓处，可见预紧螺母的接触面积过小或者是接触处的材料强度不够，拟考虑增大预紧螺母的接触面积或者更换接触处的材料来提高上横梁的强度和刚度。

3 重型成型机油缸有限元分析与校核

重型成型机的主要动力部件为6 个液压缸，液压缸作为重型成型机的液压执行元件，能够实现往复运动，输出推力和速度[9]。因此需要对液压缸进行有限元分析和校核以满足使用需求。

3.1 液压缸的有限元模型建立与网格划分

建立液压缸的有限元模型，考虑到液压缸自身的对称结构，将模型分为对称的两部分，输入45 钢，40Cr，Q345 的材料数值，并分别对对应部位进行材料设置。使用Ansys-Mesh 进行网格划分，使用Adaptive 方法对整个液压缸进行网格划分[10]。后续再进行网格细化，在缸底部和活塞杆的倒角和导向槽、密封槽内的面设置精度为3 的renfinement，完成网格划分划分后的网格如图10 所示。

图10 液压缸的网格划分

3.2 液压缸的有限元分析过程

利用Ansys 软件自动生成装配关系的命令完成各部件之间的连接。载荷最大的瞬间假设液压缸各结构件没有发生相对位移,缸体与缸底螺栓连接的面、缸口与缸体、缸口与活塞杆，活塞杆与缸体接触面均定义为bonded。

在成型载荷下，液压缸下腔内部封闭且充满高压液体，忽略其泄漏及活塞与缸筒、导向套与活塞摩擦。在有限元仿真环境下，液压缸压力在同一时间点均匀分布，分别以6000t 载荷计算得到的压力为26.743MPa，考虑液压泵输出压力所设的31MPa，以及以1.25 倍安全系数的38.75MPa 为所施加的均布载荷进行仿真计算，液压缸的施加力和约束如图11所示。

图11 液压缸的施加力和约束

对液压缸进行动态加载,进行求解,得出缸体、活塞杆应力分布情况仿真分析结果如图12 所示。

根据图12 中有限元分析结果，得到液压缸载荷下应力最大的区域在缸底的密封槽内部，具体区域如上图所示，载荷为26.743MPa、31MPa 和38.75MPa 时，缸底密封槽内部最大应力为144.62MPa、167.64MPa和209.55MPa，低于45 钢屈服强度355MPa，均在安全范围内。

图12 液压缸加载应力分布云图

4 重型成型机模具有限元分析

4.1 工件与工况的选定

折弯成形技术是将折弯过程分解为许多细小的步骤，成型过程的每一步只对钢板的一小段进行弯曲成型，使该段钢板弯曲为与模具形状相似的轮廓，通过较多的步骤使钢板逐步弯曲成形，在数控系统和程序控制系统的作用下，使钢板逐步接近设计的变形轮廓，最终变形为预先设定的整体形状[11]。可以采用轻量化的通用模具和较低的成型力获得理想的成型效果。

4.2 折弯成形过程的有限元模拟

金属塑性成形有限元分析软件Deform 有限元模拟软件是一套可以完成成形工艺仿真的系统，可以实现成形、热处理、机加工等过程的模拟计算[12]。

在进行折弯成形过程有限元模拟时，前处理过程包括：设定模拟的基本参数和网格划分。工件的材料为Q345，在Deform 使用45 号钢材料代替。将上模向下的运动速度设置为5mm/s，每步压下量为1mm，总步长为30 步，上模总形成为150mm。摩擦系数为0.12。采用相对网格方式进行划分，网格总数为180000，尺寸比为8，为了节省计算量和有较为精确的仿真结果，对工件弯曲变形部分进行局部网格划分，如图13 所示，网格窗口内外尺寸比为0.0001，得到26301 个节点和100189 个元素。

图13 工件的网格划分

先对弯曲成形工艺中第一次弯曲进行模拟，根据冷挤压成形工艺方案建立的初始模型如图14 所示，随后利用Deform 软件对工件的整个成形过程进行模拟。

图14 折弯成形工艺初始的三维模型

折弯工艺第一个弯曲的成形过程如图15 所示。可以看出应力集中区为上模接触板料的区域附近，主要原因是在板料弯曲过程中，这一区域向两边，曲率半径是呈逐渐减小的趋势的，材料晶体颗粒在该位置被拉深、旋转、变形程度最大，因此板料在此处最容易出现拉裂破坏现象。

图15 第一次弯曲成形过程

4.3 折弯成形过程中模拟结果分析

在模具应力分析中，将上模和下模设为弹性模型，坯料则设为刚塑性模型。分别对四种工件尺寸加工时第一次弯曲成形四种工况进行模拟，得到不同工序中模具的受力情况。四种工况如表2 所示。

表2 四种工况的工艺参数表

四种工况下垂直于工件方向上的载荷（Y 方向）随着上模行程的变化如图16 所示。每种工况下下模和上模所受载荷基本呈同一增长趋势，随着上模行程增加，所受到的力也越大，最大可达2.3×108N。下模所受到的载荷在上模从接触工件开始下压量达到30mm 时达产生突变，最大可达2.68×108N。对比四种工况，随着下模槽宽增加，模具整体受力减小。对比三、四工况，随着板件的厚度减小，成形力也变小。选取四种工况下弯曲成形中上模下压量为30mm 时模具所受到的载荷，如表3 所示。

图16 四种工况下模具受力与行程关系

表3 四种工况的模具受力表

4.4 模具整体受力有限元分析

上述模拟过程主要讨论了模具受力与行程的关系，为了更好的表述模具与重型成型机在工作过程中的相互影响。利用Ansys 软件将上模和下模的三维模型导入Workbench 进行分析计算，网格划分遵循前述的网格划分原则，载荷的施加按照Deform 中受载荷最大的工况一进行模拟仿真，上模的等效应力云图和变形云图如图17 所示，计算得到模具应力最大为864.23MPa，发生在上模具两侧边的地方，最大变形为2mm。

图17 上模的应力应变分布云图

下模的等效应力云图和变形云图如图18 所示，计算得到模具应力最大为630.67MPa，发生在与工件接触处，最大变形为0.33mm。

图18 上模的应力应变分布云图

通过以上计算结果可以看出在各阶段成形模具受力和模具单独情况下的受力分析，为重型成型机模具整体机构的载荷加载提供数据及比较依据。

5 结论

（1）通过分析重型成型机上下横梁和立柱的应力应变云图，结论为下工作台和立柱较为安全，但是上横梁部分位置存在应力超出应力极限的问题，且应力最大处多分布在施加预紧螺栓处，预紧螺母的接触面积过小或者是接触处的材料强度不够。在工程设计中得到了改进。

（2）对重型成型机的液压缸进行了三种工况有限元仿真分析，计算得到的最大应力位于缸底的密封槽内部，数值为209.55MPa，低于45 钢屈服强度355MPa。油缸设计合理。

（3）进行了实际负载工况下重型成型机及模具的有限元分析，以成形过程为例，利用Deform 软件得到了四种工况下弯曲成形中上模下压量为30mm时模具所受到的载荷随行程的变化曲线，同时基于载荷最大工况对模具进行了应力应变的单独分析。

（4）仿真成型机和模具装配，得到工作中各部位等效应力和变形分布情况。经过与模具、机身单独分析时的结果进行比较发现：单独分析时的应力和变形分布与整体分析的位置基本保持一致。结论为模具和机身单独分析的结果可以预测模具和机身的变形趋势。