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數控轉塔沖床是一種利用數控技術(shù)對板料進(jìn)行加工的鍛壓設備。與一般沖床相比，它含有一個(gè)高效的數控系統和沖壓模具庫，通過(guò)數控編程能實(shí)現板料的快速移動(dòng)和定位，只需安裝一次模具就可完成工件上數十個(gè)甚至成百個(gè)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(diǎn)。機械傳動(dòng)數控轉塔沖床通常采用曲柄滑塊機構，雖然具有急回和力放大運動(dòng)特性，但由于受到機械結構的限制，難以獲得理想的工作行程曲線(xiàn)，其滑塊速度不易改變。行程次數低，功率消耗大。液壓傳動(dòng)數控轉塔沖床雖然能夠很好地控制滑塊的沖程和沖壓頻率，能夠根據沖壓板材和沖裁件很好地控制沖壓力的大小，但液壓傳動(dòng)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。肘桿式數控轉塔沖床的傳動(dòng)機構實(shí)質(zhì)上是由不同形式的雙曲柄滑塊機構組成，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(shí)還可以降低振動(dòng)，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。

    數控轉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(zhù)決定性的作用。尤其是其剛度，設計時(shí)應該重點(diǎn)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，數控轉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，合理設計機身結構，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 機身的基本結構

    傳統的數控轉塔沖床機身分為開(kāi)式和閉式兩種，開(kāi)式機身在三個(gè)方向均有開(kāi)口，故容易接近模具。裝拆模具方便，前后、左右方向均可進(jìn)行操作。對操作者極其便利，同時(shí)還具有機身結構簡(jiǎn)單、重量輕、占地面積小、造價(jià)比較便宜等優(yōu)點(diǎn)。針對開(kāi)式數控轉塔沖床的工作特點(diǎn)并參考相關(guān)產(chǎn)品結構，機身將采用板塊式框架焊接結構。在分析機身結構的焊接工藝性和沖床零部件安裝空間等要求后，初步設計的機身基本結構如圖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(kāi)式結構。

圖1 床身總體結構圖

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，傳統的方法在分析裝配體時(shí)是先把零件拆散。然后一個(gè)個(gè)分別處理，耗時(shí)耗力，又存在計算結果不精確的缺點(diǎn)。COSMOS提供了多場(chǎng)/多組件的復雜裝配分析。從而大大簡(jiǎn)化工程師的勞動(dòng)。使得分析能夠更好地模擬真實(shí)情況，結果也就更精確。同時(shí)，COSMOS采用FFE(Fast Finite Element)技術(shù)使得復雜耗時(shí)的工程分析時(shí)間大大縮短，機床工作臺對整個(gè)機床的剛度和強度影響很小，因此，在建立有限元模型的時(shí)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(chēng)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(gè)地腳螺栓處施加三個(gè)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，在肘桿機構和伺服電機安裝位置出現局部的高應力區，應力分別為65MPa和64MPa同時(shí)機身喉口處四個(gè)圓角位置也出現明顯的應力集中，喉口上端圓角應力為52.7MPa，喉口下端圓角應力為55MPa，機身最小安全系數為3.4，顯然強度指標不會(huì )成為機身設計的難點(diǎn)。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(gè)機身的應力與變形分布可得：除應力集中的極少部分區域外，應力值都較低因此，機身強度滿(mǎn)足要求；但機身上梁高度方向的位移和轉角較大，對沖床的精度有較明顯的影響，因而有必要改進(jìn)機身的部分結構或連接鋼板的厚度以提高機身的剛度。從機身應力云圖看出，機身大部分區域應力很小，可適當減小側板厚度，考慮到機身剛度的變化，可在喉口位置焊接加強板，修改后機身結構見(jiàn)圖5。

圖3 改進(jìn)后的床身示意圖

5機身優(yōu)化設計

    要對機身進(jìn)行優(yōu)化設計，首先要研究構成機身結構的各連接鋼板厚度對機身各性能參數的影響。

    5.1側板厚度對機身強度和剛度的影響

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

    由圖6(加強板厚度為40mm時(shí))可以看出，機身的剛度隨側板厚度的變化影響非常大，當側板厚度由20mm變化到60mm時(shí)，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(側板厚度為40mm時(shí))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(shí)，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，以節約板材。 
        5.4 機身優(yōu)化設計

    構成沖床機身的主要部件有側板、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(jiǎn)化優(yōu)化過(guò)程、所選取的設計變量主要是機身各部分的板厚、在這里主要選取側板、加強板、喉口立柱、喉口上擋板、喉口下?lián)醢濉⒌装宓暮穸茸鳛樵O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應力和機身違禁詞變形為約束條件。

    在COSMOS中經(jīng)過(guò)51次迭代、運算過(guò)程中體積隨迭代次數變化關(guān)系圖如圖9所示、從中選取一組最優(yōu)結果、并將優(yōu)化的尺寸進(jìn)行圓整統一后作為最終優(yōu)化結果。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(lái)相比節約鋼材6%，降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的競爭力。

    6 結論

    運用有限元方法對某新型肘桿式數控轉塔沖床機身進(jìn)行受力分析計算與結構優(yōu)化，能夠準確地計算出機身各個(gè)部位的應力和應變。在保證機身強度、剛度的前提下，提供最優(yōu)化機身的焊接結構形式與焊接鋼板厚度。使所設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(huì )效益。