肘杆式数控转塔冲床机身有限元分析与优化

副标题#e#    1引言
   
    数控转塔冲床是一种利用数控技术对板料进行加工的锻压设备。与一般冲床相比，它含有一个高效的数控系统和冲压模具库，通过数控编程能实现板料的快速移动和定位，只需安装一次模具就可完成工件上数十个甚至成百个冲裁、浅拉延、压印等冲压工序，具有效率高、柔性好、精度高等特点。机械传动数控转塔冲床通常采用曲柄滑块机构，虽然具有急回和力放大运动特性，但由于受到机械结构的限制，难以获得理想的工作行程曲线，其滑块速度不易改变。行程次数低，功率消耗大。液压传动数控转塔冲床虽然能够很好地控制滑块的冲程和冲压频率，能够根据冲压板材和冲裁件很好地控制冲压力的大小，但液压传动冲床也有空程和回程速度慢、生产效率低、所需电机功率大、易泄漏等缺陷。肘杆式数控转塔冲床的传动机构实质上是由不同形式的双曲柄滑块机构组成，具有曲柄半径小、功率消耗低、工作行程大、回程速度高、在高频率下能够得到低而均匀的工艺速度，同时还可以降低振动，减少噪声到75dB(A)，比机械压机和油压机减少10-20dB(A)。因为减少了冲击，模具寿命可提高3倍以上。
   
    数控转塔冲床中机身是承受全部工作载荷的最关键的部件之一，因此，机身对冲床的精度起着决定性的作用。尤其是其刚度，设计时应该重点考虑，因为一般冲床往往不是由于强度不够而破坏，而是由于机身变形影响冲床的工作。机身的刚度不仅影响冲床的性能和使用寿命，还直接影响机床上模具的寿命及成形零件的加工精度，甚至影响到生产的顺利完成。另外，数控转塔冲床喉口深度比一般冲床更大，机身刚度更难以保证。因此，我们利用有限元方法分析机身的受力，合理设计机身结构，使机身有足够的刚度，以保证冲床的精度，提高产品性能。
   
    2 机身的基本结构
   
    传统的数控转塔冲床机身分为开式和闭式两种，开式机身在三个方向均有开口，故容易接近模具。装拆模具方便，前后、左右方向均可进行操作。对操作者极其便利，同时还具有机身结构简单、重量轻、占地面积小、造价比较便宜等优点。针对开式数控转塔冲床的工作特点并参考相关产品结构，机身将采用板块式框架焊接结构。在分析机身结构的焊接工艺性和冲床零部件安装空间等要求后，初步设计的机身基本结构如图1所示，机身宽度350mm，高度2200mm，喉口深度1270mm，喉口高度575mm是由钢板焊接而成的开式结构。

    
    3 有限元模型的建立
   
    COSMOS是SRAC推出的一套强大的有限元分析软件，传统的方法在分析装配体时是先把零件拆散。然后一个个分别处理，耗时耗力，又存在计算结果不精确的缺点。COSMOS提供了多场/多组件的复杂装配分析。从而大大简化工程师的劳动。使得分析能够更好地模拟真实情况，结果也就更精确。同时，COSMOS采用FFE(Fast Finite Element)技术使得复杂耗时的工程分析时间大大缩短，机床工作台对整个机床的刚度和强度影响很小，因此，在建立有限元模型的时候把工作台及其附属部件全部省略。在COSMOS中建立的有限元模型如图2所示，整体采用四面体网格划分，300kN的公称力分别作用在位于轴承孔正下方的工作台和曲柄安装面上，在六个地脚螺栓处施加三个方向的约束，并假定钢板为理想焊接。