大型组合框架立式液压机机身关键构件分析与研究

赵昕，男，1969/01/15北京市，现职称讲师和工程师，要评副教授，方向：机械设计与制造大型组合框架立式液压机机身关键构件分析与研究绵阳职业技术学院赵昕621000Theauthor：ZhaoXin，male,1969/01/15borninBeijing,Nowtitlelecturerandengineers,toreviewassociateprofessors.Direction:MechanicaldesignandmanufacturingTheTitle:LargecombinationframeverticalhydraulicpressfuselagekeycomponentanalysisandresearchMianyangvocationaltechnicalcollegeTheauthor：ZhaoXin621000摘要：本文通过对大型组合框架立式液压机的机身中的关键构件，以及其工艺要求做出具体分析，总结了对机身精度造成影响的几个因素。本文对此类型液压机的设计具有一定指导意义。关键词：组合框架；液压机身；精度研究Abstract：Thekeypartsanddemandsoftechnicalprocessforheavycombinationframeinhydraulicpresshavebeendiscussedinthetext.Andsomefactorswhichinfluencetheprecisionofframehavebeenobtained.Itishopedtoprovidereferenceforthedesignofheavyhydraulicpress.Keywords：Combinationframework；Parts；Precision一、引言随着制造业的飞速开展，对各类冲压件以及汽车覆盖件等的加工要求越来越高，不断向精密化，大型化方向迈进。对于液压机类锻压设备不仅要求台面大、吨位大，更要求具有精度高、刚性大等特点，为此，通常将此类液压机机身设计为组合框架立式结构。具体的讲，就是通过四根拉紧螺栓3将上横梁1、左右立柱5和下横梁8连接成一封闭的受力框架，如图1所示。[1]图1组合框架立式液压机机身结构图1.上横梁2.液压张紧装置3.拉紧螺栓4.环形键5.立柱6.立柱调节导轨7.矩形键8.下横梁此结构忽略了对立柱结构进行合理性优化，如刚度指标和预紧方式等，而且对加工和装配工艺要求也很少作细节上的处理，所以，在垂直和水平方向上仍会产生与应力相应的变形，如图2所示。[1]图2载荷作用下机身的变形图由于垂直变形使液压机在升压和卸压过程中产生缝隙，引发强烈振动，而水平变形会影响导轨间隙的变化，使导轨在运行过程中受阻而产生水平力，导致立柱在水平方向上出现严重变形或错移等，直接影响液压机的整体工作性能，从而影响液压机的成形加工精度。此外，设备安装精度和导轨调整间隙等也对液压机的成形加工精度有影响。二、立柱结构形式对机身精度性能的影响1、分体结构立柱的设计要求由于立柱在承受最大载荷后要产生弹性变形和弯曲现象，并承受剩余预紧力和上下横粱变形后产生的角弯矩，因此，立柱外侧受压应力要比内侧大得多。在结构设计中通常将立柱设计成箱形截面的全钢板焊接结构，应力控制在50MPa以内；合理增加靠近拉紧螺栓处的板材厚度，提高刚性和抗偏载能力；在立柱与上、下梁结合面处均采用圆环键加两个垂直的矩形键来定位，防止立柱与上下横梁之间出现错移或扭转；同时在内侧加工出导轨的定位基准面，以便安装立柱调节导轨。具体结构见图3所示。图3立柱结构及技术要求图2、分体结构立柱的加工工艺要求尽管立柱结构形式简单，焊接工艺容易保证，如果对加工工艺要求没有控制好，将出现以下两种情况：一是机身在受最大载荷或偏载时四个立柱出现菱形或平行四边形状态；另是机身导轨的定位基准面与水平面不垂直，滑块在垂直运动过程中有受阻现象。为解决以上现象的发生，在加工时必须做到：1〕将四个立柱拼焊在一起，对上下平面进行同时加工，保证四立柱在高度方向上等高，误差控制在±0.05mm。2〕要求导轨定位基准面的不平直度允差为0.06/1000mm，上下两定位面与基准面的不垂直度允差为0.05/1000mm，且两面的不平行度允差为0.08/1000mm。3〕圆环键槽和两个垂直的矩形键槽均与上下两定位面垂直，形位公差要控制好。4〕在安装机身固定导轨时，不能有偏置或倾斜现象，确保导轨与水平面垂直。通过对这些加工工艺的可靠控制，能够有效的减少加工误差对整机精度的影响。[2]3、立柱预紧措施对机身精度性能的影响为了防止立柱和上下横梁接触面之间出现间隙和错移，保持压机能够正常工作并具有良好的精度保持性，除了在立柱设计中要有键定位外，还需在装配机身部件时，对拉紧螺栓施加超过最大工作载荷的预紧力，对机身进行预紧。1〕张紧装置结构。过去通常采用加热法进行预紧，由于预紧力都是间接计算并忽略了上下横梁的变形，因此，预紧力的均匀性受到刚度与计算误差的影响，况且加热时间较长，耗能高。图4所示的液压张紧装置其工作过程：在拧紧螺母2后，给张拉缸体3通入压力油，使拉紧螺栓1伸长，同时通过件4将力传到上横梁上，使机身受压，并具有一定的压缩量，此时，锁紧螺母5与横梁结合面间产生缝隙，这时可通过环形垫块4上的预留长孔区间将扳手插入，旋转锁紧螺母5并将其锁紧，当缸体3卸压后由拉紧螺栓的弹性伸长量对框架机身产生预紧力，直接由锁紧螺母贴合面传到横梁上。这种结构的优点是无须配制垫片，仅在拉紧螺栓处于张拉状态下旋紧锁紧螺母即可，操作简便，省去了繁杂的间隙测量与垫片配制工作。[4]2〕预紧措施及实验数据分析。在框架机身预紧计算中，假设上下横梁均为刚体，仅考虑立柱受压，拉紧螺栓受拉情况，其受力与变形关系如图5所示。据此得到在工作载荷F作用下不开缝的条件为接触面上存在剩余预紧力。如果四根拉紧螺栓的预紧力施加得缺乏或不均匀，在载荷作用下立柱内侧仍然会出现缝隙，影响压机的整体精度。采取的措施是将两套液压张紧装置通过对角线布置，用软管连接起来，使用手动泵轮番进行逐级升压加载。例如最大加载压力为40MPa的可按表1次序进行加载，然后换成另一对角采用相同方法进行。如果条件允许最好采用应变仪来监控拉紧螺栓与立柱在加载与卸载后的应变情况。通过实验数据分析，在公称压力作用下预紧力7与垂直变形的关系如图6所示。从图中明显看出，随着预紧压力的不断升高，立柱垂直变形逐渐减小，当超过最大预紧力时，变形几乎趋于某向一定值。三、整体框架式液压机产品族设计实例1、整体框架式液压机虚拟柔性模块族的创立整体框架式液压机主机是一个大部件,在设计和制造中为一个整体。为确保分析优化结果准确、可靠,在有限元分析过程中将其视为一个模块,而在CAD设计中,对照组合式液压机结构,为设计方便,将其划分为如图1所示的上梁、工作台和立柱虚拟柔性模块,其产品族的建立均以虚拟模块为单位。应用上述建模技术建立的单动单缸整体框架式液压机上梁虚拟柔性模块族见表4[5]2、整体框架式液压机产品族的创立。首先从虚拟柔性模块族中选择各个组成虚拟模块的模型,然后按照客户定制的参数将其实例化,得到各组成虚拟模块,最后按照接口参数将各虚拟模块拼合成整机产品,再经整机有限元结构分析后,得到优化模型。[3]表5所示为单动单缸整体框架式液压机产品族。四、结束语通过对大型组合框架立式液压机关键构件进行分析和研究，我们认为，要保证机身具有较高的精度性能，必须要做到：①立柱须强度高、刚性好，结构合理，符合加工工艺要求；②应采用科学的预紧方式，合理确定立柱拉紧螺栓的预紧力，使机身充分的预紧并形成一个封闭的整体结构；③合理选择立柱的导轨调节结构形式，弥补零件制造和装配造成的累积误差。在设计和加工制造中综合考虑到以上因素将大大提高机身的整体精度。参考文献：[1]徐燕申，侯亮，液压机广义模块化设计原理及其应用[J]，机械设计，2001，18(7):1-4[2]张兴朝，基于有限元分析的模块化数控机床结构动态设计技术[N]，天