基于Pro／Mechanica的联合冲剪机床身结构优化设计.pdf

第 4期 总第 1 9 1 期 2 0 1 5年 O 8月 机 械工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MAT1 0N No． 4 Aug ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 5 0 4 0 0 5 5 0 2 基于 P r o ／ Me c h a n i c a的联合冲剪机床身结构优化设计豢 童宝宏 ，杨庆庆。 ，刘晓东 ，李学林 1 ． 安徽工业大 学 机械 工程学院 ，安徽 马鞍 山 2 4 3 0 3 2 ；2 ．安徽华德机床 制造有限公 司，安徽 马鞍 山 2 4 3 1 0 0 摘要 为 了对联 合冲剪机床身结构进 行优 化设计 以有效 降低材 料成本 ，基于 P r o ／ E软件及 其 Me c h a n i c a 模 块 分析平 台，对联合冲剪机床身 的整体 结构进行静态有 限元分 析和结构参数灵敏度分析 ，找到机床 床身受到 的 最 大应力和最大变形 的位置 ，提 出床身结构 的优化设计 方案。仿真结果表 明，通过合理设计侧板 厚度 和虎 口 处 的张角可 以有效减轻床身 的重量，优化后 的床身 结构 满足各 工况下 的使用 需求。 关键词 联合冲剪机 ；床身 ；优 化设计 ；有 限元 中图分 类号 TP 3 9 1 ． 7 T G3 8 5 ． 3 文献标识码 A 0 引言 联合冲剪机是一种常见金属剪断分离装 备 ， 它能 完 成 的剪 切工 艺形 式 较多 ， 不 仅可 以对 金 属板材 、 型材 进 行剪 断 分离 加工 ， 还 可 以在 板 材 和 型材 的平 面 部 分 进行冲孔和模剪。有限元建模技术在各类剪板机部件 的性能优化中得 到了广泛的应用_ 1 ] ， 同样 也为联合 冲剪机床身的改进设计提供了极大便利L 4 ] 。本文以某 Q型联合 冲剪机床身为研究对 象， 借助 P r o ／ E软件及 其 Me c h a n i c a 模块[ 5 ] ， 对床身 的整体结 构进行有限元 静力学分析。并通过分析结果找到机床床身受到的最 大应力和最大变形位置。然后 ， 在静力学分析 的基础 上 ， 对床身的结构进行灵敏度分 析和结构优化设计仿 真， 为床身结构的性能改进和优化设计提供参考 。 1 联 合 冲 剪机床 身 有 限元静 力 学分析 1 ． 1 联 合 冲剪机 工 作原 理与 受力分析 图 1为某 Q型液压联合 冲剪机工作原理 图。该 联合冲剪机具有冲孑 L 、 型材剪切和板材剪切等多种功 能。液压驱动系统为冲剪工作 提供源动力 ， 冲孔和剪 切功能分别通过冲压缸和剪切缸驱动完成 。其 中， 型 材剪 切功 能提 供 了多 个 型 剪 窗 口， 可 利用 剪 切 刀 架 上 各 个 位置 安装 的刀 具完 成方 钢 、 圆钢 、 槽 钢和工 字 钢等 普通钢材构件的剪切加工。为了实现对联合冲剪机床 身结构 的优化设计 ， 需要对各个工况下 床身 的受力情 况进行分析。图 2为该型联合冲剪机床身在几种常用 加工模式下承受的主要载荷形式 。 图 1 联合冲剪机工作原理 图 a 冲孔 b 型材剪切1 c 型材剪切2 d 板材剪切 图 2 联合 冲剪机工作载荷分析 图 2中， 和 z 分别为 冲孔加工时床身承受的 冲压 缸 底座 反作 用 力 和冲压 力 ； F 、 F c 和 F 分 别 为 两 种型材剪切模式和板材剪切模式下床身承受 的剪切载 荷 ； F b l 、 F 、 F m 、 F 胁、 F 山 、 F 山、 F 池 、 F 西、 F 、 F m 、 F 和 F 扔 分别 为在 各种 加 工模 式下 剪 切 刀 架支 点 和 剪 切缸 安装 支 点承 受 的载荷 。 床身 的材 料 为 Q2 3 5 ， 弹性 模 量 E一2 ．11 0 MP a ， t t 松 比 一0 ． 2 8 ， 床身许用应力为 2 1 0 MP a 。冲 安徽 工业大学一安徽华德机床制造有 限公 司产学研合作项 目 J Xl 2 6 7 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 2 7 ；修订 日期 2 0 1 5 0 6 2 0 作者简介 童宝宏 1 9 7 8 一 ，男 ，安徽舒城人 ，副教授 ，博士 ，主要研究方 向现代 机械设计理论 与方法 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 第 4期 机 械 工 程 与自 动 化 5 9 制退器所受合力 的冲量 J 4 9 1 3 ． 3 4 4 6 Ns ， 进而计 算 出该模型炮 口制退器效率 7 7 7 ． 8 6 3 9 2 1 6 。 图 9 7 o 一 5 0炮 口制退器 受力 图 l O 7 O 一 6 O炮 口制退器合力 图 1 1 7 0 7 0炮 口制退器 受力 随时间变化 曲线 随 时间变化 曲线 随时间变化 曲线 将 以上计算结果汇总得到不 同侧孔及挡板角度对 3 炮 口制退器效率随着挡板角度和 ll f L 倾角 的 应的炮 口制退器效率 ， 见表 1 。 增大而减小 ， 挡板角度较侧孑 L 倾角对炮 口制退器效率 表1 不同侧孔倾角及挡板角度对应的炮口制退器效率 的影响作用更显著。 挡板角度 。 侧孔倾角 。 5 O 6 O 7 0 5 O 1 2 ． 9 81 2 5 0 5 1 l _ O 1 0 73 O 2 9 ． 5 2 7 1 1 4 4 6 0 1 1 ． 71 3 8 4 3 1 9 ． 6 6 3 7 5 4 7 8 ． 7 4 4 9 8 9 3 7 0 l 1 ． 42 8 9 6 0 2 9 ． 2 7 3 2 5 9 7 ． 8 6 3 9 2 1 6 3 结 论 1 当 炮 口制 退 器 的 挡 板 角 度 及 侧 孑 L 倾 角 均 为 5 O 。 时 ， 炮 口制退器 的效率最高。 2 当 炮 口制 退 器 的 挡 板 角 度 及 侧 孔 倾 角 均 为 7 0 。 时 ， 炮 口制退器的效率最低 。 参考文献 [ 1 ] 谭 中林 ． 基 于 C F D 的低 冲击 波炮 口制 退 器研 究 [ D] ． 南 京 南京理工大学 ， 2 0 0 9 2 0 - 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h o n g ，YANG Qi n g - q i n g 2 ，LI U Xi a o - d o n g ．LI Xu e - l i n ． ．S c h o o l o f M e c h a n i c a l En gi n e e r i n g，An hu i Uni v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，M a ’ a n s h a n 2 4 3 0 3 2， Chi n a；H u a d e M a e h i n e To o l M a n uf a c t u r i n g Co ．，Lt d ．， M a a ns h a n 2 4 3 1 0 0， Chi n a Ab s t r a c ． t I n o r d e r t o r e a c h t h e b o d y o p t i m i z a t i o n o f c o mb i n e d p u n c h i n g a n d s h e a r i n g ma c h i n e a n d r e d u c e t h e c o s t o f ma t e r i a 1 ，t h e s t a t i c l i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s a n d s e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f t h e s t r u c t u r e p a r a m e t e r s o f t h e c o mb i n e d p u n c h i n g a n d s h e a r i n g ma c h i n e we r e c a r r i e d o u t b y u s e o f Pr o ／ Me c h a n i c a ．Th e d a n g e r o u s p o s i t i o n o f b o d y wh e r e t h e s t r e s s a n d t h e d e f o r ma t i o n‘ r e a c h e -d o t h e ma x i mu m wa s t o u n d o u t b y n u me r i c a l s i mu l a t i o n，a n d o p t i mi z a t i o n s c h e me wa s p u t f o r wa r d ． I t f i n d s t h a t t h e h e a v i n e s s o f t h e b o d v c a n b e r e d u c e d e f f e c t i v e l y b y o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f t h e ma c h i n e ’ s j a w a n d b o a r d wi d t h ． An d t h e o p t i ma l s t r u c t u r e i s s a t i s f i e d。wi t h t h e de ma n ds un de r a l l ki nd s o pe r at i ng c ond i t i o ns ． Ke y wo r d s c o mb i n e d p u n c h i n g a n d s h e a r i n g ma c h i n e ；b o d y ；o p t i ma l d e s i g n；f i n i t e e l e me n t me t h o d 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m