折弯机机械补偿机构的强度校核

折弯机机械补偿机构的强度校核

1机械补偿机构的结构与分析在曲线工作的过程中，滑块和工作台受到很大的工作压力，滑块下端和工作台端发生凹形变形，影响了弯曲工作的转向角度和一致性。为了减小滑块变形带来的不利影响,需要对滑块与工作台的挠曲变形进行补偿。折弯机中常用的补偿方式有两种:一种是液压补偿;另一种是机械补偿。液压补偿机构由一组安装在下工作台内的油缸组成,工作台是三立板结构,油缸体与外侧的两立板接触,中间与柱塞杆接触,当油缸作用时,使工作台相对移动,形成加凸的理想曲线,保证受力后与滑块的相对位置关系不变。机械补偿通过丝杠驱动工作主板上的波浪形斜楔,由于斜楔各部分的角度不一样,中间大,两端小,使得工作台变形产生向上的加凸曲线,工作台的变形抵消了机床滑块与工作台的变形,保证了加工结合面的精度,提高了工件的加工质量。机械补偿机构相比液压补偿机构不需要使用前后立板和液压油,具有较好的经济性与环保性,近年来得到了越来越广泛的应用。折弯过程中折弯机机械补偿机构受到反复的挤压与拉伸,容易产生强度和疲劳破坏,对机械补偿机构进行强度校核有着重要的意义。由于机械补偿机构的结构比较复杂,采用经典的力学分析方法较难得到分析结果。本文尝试采用三维弹性接触有限单元法对折弯过程中某型机械补偿机构的接触应力和变形进行数值模拟。2机械补偿原理机械补偿装置由凹槽台面、上、下楔块以及补偿底板组成(图1),凹槽台面与补偿底板通过蝶形弹簧和螺栓连接,补偿机构的上、下楔块安装在凹槽台面内。下面取其一段说明机械补偿的原理。如图2所示,“0”位时,上、下楔块紧密贴合在一起,当下楔块向右移动时,上、下楔块的下降段紧密贴合在一起,上升段产生间隙(图3),由于楔块各段的斜率不同,中间大而两端小,因而中间部分的楔块被抬起的高度大,两端楔块被抬起的高度小,楔块整体形成加凸曲线。随着下楔块向右移动量的加大,补偿量也逐渐加大。凹槽台面经蝶簧与补偿底板相连,在折弯力的作用下,凹槽台面产生变形,与上楔块贴合在一起,凹槽台面也产生与上楔块相一致的加凸曲线。3在机械补偿机构中，接触能力的有限分析3.1接触的有限元平衡方程在机械补偿机构各组件的接触过程中,各组件除满足弹性力学的一般方程外,在接触面法线上应满足位移非嵌入条件,在切向方向上应满足库仑摩擦定律。如图4所示,假设有相互接触的弹性体A和B,A上编号为1的节点和B上编号为2的节点是一对接触对,在外载荷PA和PB的作用下,产生位移和,根据有限元基本理论,其平衡方程为:式中:[KA]、[KB]——物体A和B的整体刚度矩阵;μA、μB——物体A和B的节点位移向量;RA、RB——物体A和B的整体接触力向量。(1)连续接触状态(2)滑动接触状态(3)分离状态式中:RA1n和RB2n——接触点对的法向接触力;RA1t和RB2t——接触点对的切向接触应力;μA1t和μB2t——接触点对的切向位移;可见对于一种特定的接触状态,假设有m个接触点对,就可以找到4m个定解条件作为补充方程,式(1)和式(2)就可以求解了。有限元接触求解的过程为:对于有限元模型中的一个接触点对首先给它一个假定的接触状态,将其定解条件代入平衡方程式(1)和(2),求出节点位移和接触点对力向量。然后根据节点位移和接触点对向量检查计算得到的接触状态是否相符,如不符合即要重新假定接触状态,再次选择定解条件,重新进行迭代求解平衡方程,直到计算前后接触状态完全符合。3.2有限元分析时的变形通过压力和均布载荷的方式来传递折弯时,补偿底板固定在工作台上,工作台、补偿底板与下楔块的接触面都为平面,且相互之间都不存在间隙,因而,在折弯力作用下三者之间不会产生相对的变形。为简化计算,有限元分析时,可将补偿底板省去,同时认为下楔块的底面是固定不动的,在下楔块的底面上施加固定约束。折弯时,折弯力经下模传递到凹槽台面上。有限元分析时,在凹槽台面的上表面施加1100kN的均布载荷。凹槽台面与各段楔块之间、上下楔块之间可以产生分离但彼此不能进入对方,定义凹槽台面与上楔块之间以及上下楔块之间的接触条件为不可穿透。机械补偿机构的力学模型如图5所示。4分析的结果4.1接触应力分析对上面建立的机械补偿机构进行迭代求解可以得到上、下楔块的接触应力如图6所示,放大后的第一与第二段斜楔的接触应力如图7所示。最大接触应力产生在第一段斜楔上升段与下降段的转折处,大小为194MPa,而楔块所使用材料合金钢的屈服强度约为620MPa,折弯力作用下,上、下楔块不会产生强度破坏。4.2生活质量对抗压强度的影响分析得到凹槽台面与上楔块的接触应力如图8所示,最大的接触应力246MPa,远小于合金钢的强度极限,因而,凹槽台面也不会发生强度破坏。凹槽台面的变形曲线与理想补偿曲线见图10。从图中可以看出,左右两端,凹槽变形曲线与理想补偿曲线吻合较好,中间部分的吻合程度较差。5弹性接触有限单元法在折弯机机械补偿机构中的应用本文建立了某型折弯机机械补偿机构接触应力分析的有限元模型,采用三维弹性接触有限单元法对折弯过程中该补偿机构的接触应力和变形进行了数值模拟。分析结果表明:设计的机械补偿结构的接触应力满足材料的强度要求,得到的实际补偿曲线与理想补偿曲线有较高的吻合程度。三维弹性接触有限单元法在折弯机机械补偿机构中的应用,对折弯机机械补偿机构的强度校核与设计具有实际的指导意义。PA、PB——物体A和B的整体载荷向量;如果确定了物体的材料和外载荷条件,并且选定了单元类型,则式(1)和式(2)中的[KA]、[KB]、PA和PB为已知量,μA、μB、RA和RB为未知量。要想计算出未知量,还必须结合接触条件。对于一