基于CosmosWorks的折弯机液压补偿能力的分析.pdf

文章编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 1 0 6 0 0 4 0 0 4 基 于 Co s mo s W o r k s的 折 弯机 液压 补偿 能 力 的分 析 张子 东 ，王 志 明 ，谈 传 明 z 。曹 光荣 z 1 ． 南京理 工大 学 机械 工程 学院 ， 江 苏南京 2 1 0 0 9 4 ； 2 ． 江苏 亚威机 床股 份有 限公 司 ， 江苏江都 2 2 5 2 0 0 摘要 建 立 了折 弯机 的三维模 型 ， 分析 了下 横梁 液压 补偿机构 的原理并 对其进 行 了设计 计算 。采 用有 限 元 软件 C o s m o s Wo r k s 对折 弯机 下横 梁进 行 了静力 分析 ， 定 量地 描述 了下横梁 的变形 和应 力分 布 状 态。 通过 折 弯角度 的误 差分析 以及 折弯 机滑块 与 下横梁 上表 面 的挠度 曲线 的对 比研 究 ，得 到液 压补偿 装置 的变形规 律 ， 验证 了液 压补偿 系 统具备 对下横 梁 的挠 曲变形进 行补偿 的能力 ， 为液压 补偿装 置 的设计 和使用 提供 了理 论 依据 。 关键 词 机械 制造 ； 液压补 偿装 置 ； 折 弯机 ； 挠度 中图分 类 号 T G3 1 5 ． 5 4 文 献标识 码 B 1引 言 折 弯 机 是制 造 业 中广 泛使 用 的 板材 折 弯设 备 。 随着人 们对 各类 工业产 品数 量和质 量要 求 的不 断提 高 ， 对 工作母 机 的要求 也越来 越高 。 折 弯机 在对板 材 进 行折 弯加 工 时 ， 机器 满载或 接 近满载 时 ， 滑块 和下 横 梁会 产生 弹性 变形 ， 即滑块 中间向上拱 起 ， 下横 梁 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 8 2 1 作者简介 张子东 1 9 8 6 一 ， 男， 硕士在读， 主攻智能检测与控制技术 中间 向下 凹 ，改 变 了板料 折弯 时 中间部位 的 凸模进 入 凹模 的深度 ， 导致下 横 梁上压 力 的不均匀 ， 严 重影 响 了折弯 工件 的角度 及直 线精度 。为 了消除下 横梁 变形 带来 的不利 影 响 ，需要 对下 横梁 的挠 度进 行补 偿 。 液压 补偿 通过 在下横 梁下 部布 置辅 助液压 缸 ， 在 折弯 时使 得下横 梁 中部产 生 向上 的 弹性变 形 ，形成 挠度 自动补偿 系统 。下横 梁 的变 形抵 消 了机 床滑块 的变 形 ， 保 证 了加工结 合 面的精度 ， 有 效地 克服 了被 加工 件 的挠度 闭 。 【 参 考文献 】 [ 1 ] 王宏 ， 刘翠．折弯机机架变形应力的有限元分析叨． 重型机 械 ， 2 0 0 7， 5 5 6 5 9 ． [ 2 】 詹俊勇， 黄建民， 张锦义． 双点压力机滑块有限元分析与优化[J ] ． 锻压装备与制造技术， 2 0 1 0 ， 4 5 6 4 2 4 4 ． [ 3 】 王定贤， 陈思林， 王香丽等． 基于 M A T L A B和 C O S MO S Wo r k s 的 机械结构优化设计田． t l l 兵工学报 ， 2 0 1 0 ， 6 9 2 9 4 ． 【 4 ] 胡仁喜 ， 郭军 ， 王仁广 ， 等．S o l i d Wo r k s 2 0 0 5中文版机械设计 高级应用实例【 M 】 ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 ． [5 】 张志兵 ， 余健， 陆闻海， 等． 数控折弯机两种补偿机构的比较[ J 】 ． 锻压装备与制造技术 ， 2 0 1 0 ， 4 5 5 3 7 3 8 ． Th e fin i t e e l e me nt a na l y s i s a n d o p t i mi z a t i o n o f s fide r o n p r e s s br a k e 我 国折 弯机 的整 体设 计水 平还 比较 落后 ，绝 大 多数 生产 企业 基本 沿 用 了传 统 的设计 方 法 ，即以经 验 和产 品试 制为基 础 的设计 方 法 。随着 C AE技 术 的 进 步和普 及 ，有 限元 方法 等现 代结 构分 析 方法 已广 泛应 用 于工 程设计 ，尤其 在压 力机 械设 计 中取 得 了 显 著 的技术 经济 效益 [3 ] 。 利 用 C o s mo s Wo r k s ， 对 P B B一 4 0 0 ／ 5 1 0 0数 控 板 料 折 弯机 下横 梁 进行静 力 分析 ，定 量地 描 述下 横梁 的 变 形 和应力 分 布状态 。 通过 折弯 角度 的误 差分 析 ， 以 及 对折 弯机 滑块 与下 横 梁上 表 面的挠 度 曲线 的x ,-J 比 研 究 ，验证 了液压 补偿 系统 对下 横梁 的挠 曲变形 的 补 偿 能力 ，为 液压 补偿 装置 的设 计 和使 用提 供 了理 论 依 据 。 2几何模 型 2 ． 1 折 弯 机三 维模 型 这里 的折 弯 机架 体 模 型是 以 P B B一 4 0 0 ／ 5 1 0 0数 控 板 料折 弯机 架体 为原 型设 计 的 。折弯 机架 体 主要 由左 右立 柱 、 滑块 、 上 横梁 、 下横 粱 、 下横 梁立 板及 相 关 连 接件 组成 。见 图 1所示 。 图 1 折弯机模型 1 ． 2下横 梁液 压补 偿机 构 的原理 与设 计计 算 液 压补 偿装 置 由多个 小油 缸 补 偿 缸 、 主板 、 及柱 塞 等组 成 ， 如 图 2所示 。 前立板 中立板 后立板 柱塞 补偿缸 图2 下横梁挠度补偿机构示意图 补 偿 油缸 的底 座 与外 侧 的前 后 立 板相 接 触 ， 中 间 的柱 塞杆 作用 在下 横梁 上 。 在 补偿 压力 的作 用下 ， 柱 塞杆对 下 横梁 产生 一个 向上 的作 用力 ，使下 横梁 产 生 向上 的挠度 变形 ， 形 成加 凸 的理想 曲线 ， 保 证其 受力 后与 滑块 的相 对位 置关 系不变 ，提高加 工零 件 的精 度 。 与 此 同时 ， 在 前后立 板 上产生 一与 之大 小相 等 、 方 向相 反 的反作 用力 。 液压 补偿 的优势 在于 充分 利用 液压 原理 ， 补偿 量 随着负 载 的增大 而增 大 ， 不需 要 或者很 少需 要对 补偿 量进 行调 整嗍 。 启 动液压 挠度 补 偿 时 ， 使 得 工 作 台面 是 连续 、 平 滑 的变 形 曲线 ， 能 够 得到 理想 的折 弯工 件 ， 更 加方便 用户 的使 用 ， 但其 成 本高 ， 结 构较 复杂[ 5 1 。 P B B 一 4 0 0 ／ 5 1 0 0数控 板 料 折 弯 机 公 称 折 弯 力 为 4 0 0 0 k N，为 了分 析 折 弯机 在满 负 荷作 用 下机 架 、 滑 块 、 前后 立 板 以及 中立 板 的应力 5 - 布 以及 变形情 况 ， 在 折 弯 机 滑 块 下 端 面 与 中立 板 上 端 面 上分 别 施 加 4 0 0 0 k N向上 、 向下 的压力 。 根据 滑块 与下横 梁 的挠 曲变形计 算 公式 ，可 得 滑块 的挠 曲变形 [6 1 、 下横 梁 的挠 曲变形 为 器 0 ．3 5 6 m m 1 | r c -Y Yd ’c 3 -ya F ／ , m 3 L Z - 4 L ff x I 皿 24EI a 24EI a 一 r 2 、 48 EI a 3 8 4 EI a ‘ 。 令 ， y 吲l ， 可 求得 9． 5 9x1 0 N 由此 可 以估算 出每 个补偿 油缸 的理 想补 偿力 的 大小 ， 约 为 9 6 0 k N。 3下横 梁静 力分 析 C o s mo s Wo r k s运 用 单 元 大 小 为 2 5 mm 划 分 网 格 。下 横梁 用材 Q2 3 5 A， 弹性模 量 2 1 0 0 0 0 MP a ， 泊松 比 0 ． 2 8， 密度 7 8 0 0 k m 。 折 弯时 ， 油缸对 滑 块产 生一 向下 的折弯 力 ， 这一 折弯 力经 折弯 工件传 递 到下横 梁 ，在下 横梁 上产 生 一 向下 的压力 4 0 0 0 k N。同时为 了补偿 折 弯力对 滑块 和下 横梁 产生 的挠 度变 形 ，在下横 梁 与前后 立板 上 安装 了挠 度补 偿机 构 ，机构会 对 下横梁 产 生一 向上 的理 想补 偿 力 9 6 0 k N，同时在 前后 立板 的挠 度补 偿 油缸 的支 撑 面上施 加 4 8 0 k N的压力 。在下 横梁 上施 加 压 可 垫 力 为 挠 量 图 3 下横梁应力分布 图 4 下横梁位移云图 ／ 。 ／ ＼ 。 { ／ ＼ O．2 U U 0 ． 4 0 0 0 ． 6 0 0 0． 8 O 0 1 ．0 0 0 参数距离 图5 下横梁铅直方向挠曲变形图 影 响折 弯零 件精度 的主要 因素 为滑块 与下 横梁 相 对挠 曲变 形 ， 文 中滑 块相 对挠 曲变形 曲线 已知 。 将 滑 块与 下横 梁 的挠度变 形合 成在 一个 图形 中 ，得到 图 6。 从 图 6可 以看 出 ，此类 型折 弯机 滑块 与下 横梁 的挠 曲变形 方 向相 同 ， 挠 曲变形 的 曲线 基本 吻合 ， 有 利 于减 小折 弯零 件 的角度误 差 。下横 梁挠度 相 对滑 块 的挠 度较 小 ，说 明理论计 算得 到 的补偿 压力 还不 图6 滑块与下横梁挠曲变形 足 以补 偿滑块 的挠 曲变 形 。 4液 压补偿 能 力分析 通 过对无 液压 补偿 机构 时折 弯工件 的角度误 差 和加入 液压补 偿机 构后 折弯工 件 的角度 误差 进行 计 算 分析 ， 定量 分析 折弯 机挠度 补偿 能力 。 4 ． 1折弯 角度误 差分 析 折 弯力作 用下 ，折 弯机 滑块 与下横 梁会 产生 挠 曲变形 ，如果 不加 以补 偿 ，折弯 工件将 产 生角度 误 差 。角 度误差 计算模 型 见 图 7 。 一 图 7 工件折弯角度误差计算模型 模口宽度日 一因滑块与下横梁挠曲变形产 生的滑块实际位置与滑块理想下死点的位置偏 差 一实际的折弯角度， 理想折弯角度为 9 O o 折 弯工件 角度误 差 为 0 - 9 0 2 a r g t a n 一 9 0 。 表 1对无 补偿 与补 偿后不 同规 格板 材 的角度 误 差 进行 了理论 计算 ，其 中补偿 缸 的压力 为 主油缸 压 力 的 0 ． 9倍 。从表 中可看 出 ， 折 弯机无 补 偿 时 ， 折弯 工 件 的角度误 差较 大 ， 加入 1 - 偿后 ， 折 弯工 件 的角度 误 差大 大减小 。 理论计 算 的 1- 偿 压力 值偏 小 ， 并 不能 较 好对 滑块 与下 横梁 的挠度 误差 进行 补偿 ，如 需进 一 步提 高精度 ， 实 际使 用 中可加 大补偿压 力 的大小 。 4 ． 2 液压补 偿机 构补偿 能力 验证 表 1 不 同规 格 板材折 弯 时无补偿 时与补偿 后 折 弯 工 件 角度 误 差 板材厚度／ m m 2 3 4 5 6 8 1 0 模口宽度 V ／ m m 1 6 2 4 3 2 4 0 4 8 6 4 8 0 折弯力／ k N 7 6 0 1 1 4 0 1 5 2 0 1 9 0 0 2 2 8 0 3 0 4 0 3 8 0 o 油缸压力／ MP a 4 ． 7 2 7 ．0 9 9 ．4 5 l 1 ． 8 1 1 4 ． 1 7 1 8 ． 9 O 2 3 ． 6 2 补偿油缸压力， M P a 4 ．2 5 6 - 3 8 8 ． 5 1 1 0 ． 6 3 1 2 ． 7 5 1 7 ． O l 2 1 ．2 6 补偿力／ l ￡ N 2 o o 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 8 0 2 1 0 0 2 滑块挠度／ m m 0 ． 1 4 0 0 ．2 1 1 0 - 2 8 1 O - 3 5 1 0 ． 4 2 2 0 ． 5 6 2 0 ．7 0 3 下横梁挠度／ ram 0 ． 1 6 6 O ．2 5 1 0 ． 3 3 4 0 ． 4 2 8 O ． 5 O 2 0 ．6 6 9 0 ． 8 3 7 补偿后下横梁挠度／ m m 0 ． 1 2 7 0 ． 1 9 2 0 ．2 5 6 0 ． 3 2 0 0 ． 3 8 4 O ．5 l 3 0 ． 6 4 1 无补偿时角度误差／ 。 2 ．2 3 4 2 ． 2 4 8 2 ． 2 4 5 2 ． 2 7 5 2 ． 2 4 8 2 ．2 4 7 2 ． 2 4 9 补偿后角度误差『 o O ．O 9 3 O ． o 9 O 0 ． 0 8 9 0 ．0 8 8 0 ．O 9 O 0 ．0 8 7 0 ．O 8 9 6 5 4 3 2 1 O 1 O 0 O O 0 0 O O 折 弯机 设计 的补 偿缸 最 大压 强为 2 8 MP a ，补 偿 油路 经 比例 阀后 作用 在补 偿 油缸 上 ，补偿 油 缸直 径 2 4 5 mm， 因而 补偿 油 缸最 大补 偿 压 力 为 1 3 1 9 k N。将 此 补偿 压力 作 用在下 横 梁上 ，重 新对 下横 梁 进行 有 限元分 析得 下 横梁 的挠 曲变形 如 图 8所示 。 下 横梁 的挠 曲变 形 为 1 ． 2 5 6 mm。将 滑块 变形 与 下 横梁 挠 曲变 形合 成在 一个 图形 见 图 9 。 从 图 9中可 以看 出 ，下 横 梁 的挠 曲变形 曲线 在 滑 块挠 曲变 形 曲线 的上 方 ，说 明液压 补偿 系统完 全 有 能力 对 滑块 与下 横梁 的挠 曲变形进 行 补偿 。 1 ． 2 1 ． O 0 ． 8 l 0 ． 6 言 0 ． 4 0 ． 2 0 ． O - 0 ． 2 ．， 、 ． ／ ＼ ．f l } r { } { } l ＼ ． 0．2 o 0 0 ． 4 0 0 0．6 0 0 0．8 0 0 1 ．0 0 0 参数距离 图 8最大补偿量时下横梁的挠曲变形 l 。 0 旺4 0 0 1． o 0 E 均 0 8． 0 旺 - 0 l 6 ． 0 - 0 1 4． O 0 毫 一 0 l 2 ． O 嘴_ o 1 0． O O E O 0 2． O O E - O l - 喀 ∞B - 0 l 图9 最大补偿量时滑块与下横梁的挠曲变形 5 结 束 语 本 文通 过 C o s m o s Wo r k s 软 件对折 弯机 下横 梁进 行 了静 力分 析 ，定 量 地描 述下 横梁 的变形 和应 力分 布 状态 。通 过折 弯角 度 的误 差 分析 以及折 弯机 滑块 与 下横 梁上 表 面的挠 度 曲线 的对 比研 究 ， 经分 析 ， 可 以得到 以下 结论 折 弯机 无补偿 时 ， 折 弯工件 的角 度误 差较 大 ， 加 入 补偿 后 ， 折弯 工件 的角 度误 差大 大减小 。 当精度 要 求 较高 ， 挠 度补偿 机 构是必 不 可少 的。 理 论计 算 的补 偿 压力 值偏 小 ，并不 能较 好对 滑块 与下 横梁 的挠 度 误 差进 行补 偿 ，实 际使用 中需 进一 步加 大补偿 压 力 的大小 。 最 后验 证 了液压 补偿 系统 完全 有能 力对 滑块 与 下 横 梁 的挠 曲变形进 行 补偿 ，从而 为液 压补 偿装 置 的设计 和使 用提 供 了理论 依据 。 【 参考文献 】 [ 1 】 吴焱明， 高宏涛， 王勇， 田杰， 赵韩．基于B P神经网络的板 材折弯桶状变形补偿研究[ J 】 ． 组合机床与自 动化加工技术， 2 0 0 8 ， 9 3 0 3 2 ． [ 2 】 潘殿生． 折弯机机械补偿装置数值模拟结果分析[ J ] ． 锻压装备与 制造技术， 2 0 0 9 ， 4 4 3 2 9 ． 【 3 ]3 刘晗．应变电测技术在状态测试与评估中的应用研究[ J 】 ． 宝钢 技术 ， 2 0 0 4， 3 5 1 5 5 ． [ 4 】 吴国富．解析板料折弯机的挠度补偿[ J ] ．装备机械， 2 0 0 3 ， 3 1 9 2 1 ． 【 5 】 田万英． 基于有限元的折弯机压力补偿技术研究【 D ] 扬 州扬州大 学 ， 2 0 1 0 ． [ 6 】 刘鸿文．材料力学 下册 【 M 】 ．北京高等教育出版社， 1 9 8 3 0 2 ． 【 7 】 北京科技大学， 东北大学． 工程力学【 M ] ． 北京 高等教育出版社， 2 o 8 ． An a l y s i s o f h y d r a u l i c c o mp e n s a t i o n a b i l i t y o n p r e s s b r a k e b a s e d o n Co s mo s W o r k s ZHANG Z i d o ng ，W ANG Z hi mi n g ，TAN Chu a n mi ng ，CAO Gua n g r o n g 1 ． Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g C o l l e g e ，Na n j i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Na n j i n g 2 1 0 0 9 4，J i a n g s u Ch i n a ； 2 ． Ya w e i Ma c h i n e T o o l C o ． ， L t d ． ， J i a n g d u 2 2 5 2 0 0， J i a n g s u Ch i n a Abs t r a c t A t h r e e- di me n s i o n a l mo d e l o f p r e s s b r a k e h a s b e e n e s t a b l i s h e d．Th e p r i n c i p l e o f l o we r b e a m K e y w o