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數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是一種利用數(shù)控技術(shù)對板料進行加工的鍛壓設(shè)備。與一般沖床相比，它含有一個高效的數(shù)控系統(tǒng)和沖壓模具庫，通過數(shù)控編程能實現(xiàn)板料的快速移動和定位，只需安裝一次模具就可完成工件上數(shù)十個甚至成百個沖裁、淺拉延、壓印等沖壓工序，具有效率高、柔性好、精度高等特點。機械傳動數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床通常采用曲柄滑塊機構(gòu)，雖然具有急回和力放大運動特性，但由于受到機械結(jié)構(gòu)的限制，難以獲得理想的工作行程曲線，其滑塊速度不易改變。行程次數(shù)低，功率消耗大。液壓傳動數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床雖然能夠很好地控制滑塊的沖程和沖壓頻率，能夠根據(jù)沖壓板材和沖裁件很好地控制沖壓力的大小，但液壓傳動沖床也有空程和回程速度慢、生產(chǎn)效率低、所需電機功率大、易泄漏等缺陷。肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的傳動機構(gòu)實質(zhì)上是由不同形式的雙曲柄滑塊機構(gòu)組成，具有曲柄半徑小、功率消耗低、工作行程大、回程速度高、在高頻率下能夠得到低而均勻的工藝速度，同時還可以降低振動，減少噪聲到75dB(A)，比機械壓機和油壓機減少10-20dB(A)。因為減少了沖擊，模具壽命可提高3倍以上。

    數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床中機身是承受全部工作載荷的最關(guān)鍵的部件之一，因此，機身對沖床的精度起著決定性的作用。尤其是其剛度，設(shè)計時應(yīng)該重點考慮，因為一般沖床往往不是由于強度不夠而破壞，而是由于機身變形影響沖床的工作。機身的剛度不僅影響沖床的性能和使用壽命，還直接影響機床上模具的壽命及成形零件的加工精度，甚至影響到生產(chǎn)的順利完成。另外，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床喉口深度比一般沖床更大，機身剛度更難以保證。因此，我們利用有限元方法分析機身的受力，合理設(shè)計機身結(jié)構(gòu)，使機身有足夠的剛度，以保證沖床的精度，提高產(chǎn)品性能。

    2 機身的基本結(jié)構(gòu)

    傳統(tǒng)的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機身分為開式和閉式兩種，開式機身在三個方向均有開口，故容易接近模具。裝拆模具方便，前后、左右方向均可進行操作。對操作者極其便利，同時還具有機身結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、占地面積小、造價比較便宜等優(yōu)點。針對開式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的工作特點并參考相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，機身將采用板塊式框架焊接結(jié)構(gòu)。在分析機身結(jié)構(gòu)的焊接工藝性和沖床零部件安裝空間等要求后，初步設(shè)計的機身基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，機身寬度350mm，高度2200mm，喉口深度1270mm，喉口高度575mm是由鋼板焊接而成的開式結(jié)構(gòu)。

圖1 床身總體結(jié)構(gòu)圖

3 有限元模型的建立

    COSMOS是SRAC推出的一套強大的有限元分析軟件，傳統(tǒng)的方法在分析裝配體時是先把零件拆散。然后一個個分別處理，耗時耗力，又存在計算結(jié)果不精確的缺點。COSMOS提供了多場/多組件的復(fù)雜裝配分析。從而大大簡化工程師的勞動。使得分析能夠更好地模擬真實情況，結(jié)果也就更精確。同時，COSMOS采用FFE(Fast Finite Element)技術(shù)使得復(fù)雜耗時的工程分析時間大大縮短，機床工作臺對整個機床的剛度和強度影響很小，因此，在建立有限元模型的時候把工作臺及其附屬部件全部省略。在COSMOS中建立的有限元模型如圖2所示，整體采用四面體網(wǎng)格劃分，300kN的公稱力分別作用在位于軸承孔正下方的工作臺和曲柄安裝面上，在六個地腳螺栓處施加三個方向的約束，并假定鋼板為理想焊接。

圖2 床身有限元模型

4 靜態(tài)分析

    圖3和圖4分別是機身靜態(tài)分析的Von Mises應(yīng)力云圖和機身的總體變形圖(變形放大300倍)。

從圖可以看出，在肘桿機構(gòu)和伺服電機安裝位置出現(xiàn)局部的高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力分別為65MPa和64MPa同時機身喉口處四個圓角位置也出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，喉口上端圓角應(yīng)力為52.7MPa，喉口下端圓角應(yīng)力為55MPa，機身最小安全系數(shù)為3.4，顯然強度指標不會成為機身設(shè)計的難點。機身加載后，總體變形違禁詞位移為1.028mm違禁詞位移發(fā)生在機身上梁頂端，由整個機身的應(yīng)力與變形分布可得：除應(yīng)力集中的極少部分區(qū)域外，應(yīng)力值都較低因此，機身強度滿足要求；但機身上梁高度方向的位移和轉(zhuǎn)角較大，對沖床的精度有較明顯的影響，因而有必要改進機身的部分結(jié)構(gòu)或連接鋼板的厚度以提高機身的剛度。從機身應(yīng)力云圖看出，機身大部分區(qū)域應(yīng)力很小，可適當減小側(cè)板厚度，考慮到機身剛度的變化，可在喉口位置焊接加強板，修改后機身結(jié)構(gòu)見圖5。

圖3 改進后的床身示意圖

5機身優(yōu)化設(shè)計

    要對機身進行優(yōu)化設(shè)計，首先要研究構(gòu)成機身結(jié)構(gòu)的各連接鋼板厚度對機身各性能參數(shù)的影響。

    5.1側(cè)板厚度對機身強度和剛度的影響

    經(jīng)計算，兩側(cè)板的重量占機身總重量的54%，側(cè)板厚度的改變會引起機身總重量的較大變化。同時，側(cè)板承擔絕大部分的應(yīng)力，整機的強度和剛度主要是由側(cè)板的厚度來決定的。在這里，主要考慮機身變形隨側(cè)板厚度的變化情況。

    由圖6(加強板厚度為40mm時)可以看出，機身的剛度隨側(cè)板厚度的變化影響非常大，當側(cè)板厚度由20mm變化到60mm時，機身的違禁詞變形由1.512mm減小到0.739mm。

圖6 機身違禁詞變形隨側(cè)板厚度變化情況

5.2加強板對機身剛度的影響

    用同樣的方法分析加強板對機身剛度的影響。由圖7(側(cè)板厚度為40mm時)可以看出，機身的剛度隨加強板厚度的變化不是十分明顯，當加強板厚度由20mm變化到60mm時，機身的違禁詞變形僅由1.085減小到0.914。

5.3 喉口上擋板對機身剛度的影響

    從圖8看出，喉口上擋板厚度變化對機身的剛度影響很小，可以忽略不計，但考慮到擋板上要安裝其他附件，可以盡量減小鋼板厚度，以節(jié)約板材。 
        5.4 機身優(yōu)化設(shè)計

    構(gòu)成沖床機身的主要部件有側(cè)板、加強板、喉口立柱、喉口上擋板、喉口下?lián)醢濉_口立柱、工作臺以及一些其他擋板等。為了簡化優(yōu)化過程、所選取的設(shè)計變量主要是機身各部分的板厚、在這里主要選取側(cè)板、加強板、喉口立柱、喉口上擋板、喉口下?lián)醢?、底板的厚度作為設(shè)計變量，以機身的總體積作為最終優(yōu)化目標，以機身的違禁詞Von Mises應(yīng)力和機身違禁詞變形為約束條件。

    在COSMOS中經(jīng)過51次迭代、運算過程中體積隨迭代次數(shù)變化關(guān)系圖如圖9所示、從中選取一組最優(yōu)結(jié)果、并將優(yōu)化的尺寸進行圓整統(tǒng)一后作為最終優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化前后鋼板厚度對比如表1所示。

優(yōu)化后、機身違禁詞變形由1.028減小為0.942機身剛度比以前略有增強、機身總重量減小了468 kg與原來相比節(jié)約鋼材6%，降低了生產(chǎn)成本，進一步提高了產(chǎn)品的競爭力。

    6 結(jié)論

    運用有限元方法對某新型肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機身進行受力分析計算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠準確地計算出機身各個部位的應(yīng)力和應(yīng)變。在保證機身強度、剛度的前提下，提供最優(yōu)化機身的焊接結(jié)構(gòu)形式與焊接鋼板厚度。使所設(shè)計的機身具有違禁詞的使用性能和最低的材料消耗與制造成本，以便獲得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。