机械毕业设计715高精密折弯机的关键技术研究.docx

1、机械毕业设计715高精密折弯机的关键技术研究摘 要 折弯机是广泛使用的板料加工设备,其机身的强度和刚度直接影响工件的加工质量和加工精度。针对折弯机的结构设计,传统的方法通常采用应力校核,或按照材料力学、结构力学理论,采用大量简化基础上的计算方法。由于对研究对象的受力情况分析得不够透彻,不能得到准确的计算结果,更不能根据应力分布情况来确定其结构,从而造成了不必要的浪费,通常只能得到一个可行却并非最优的设计方案。本文介绍了数控折弯机的发展趋势，折弯机机身结构分析的发展现状及分析设计的一般方法，本文以PBB-110/3100型数控折弯机为研究对象，使用大型通用化有限元分析软件ANSYS对折弯机进行有

2、限元静态特性分析，并根据分析结果进行机身的优化设计。首先，对折弯机的主要部件进行了结构的静态特性分析，建立各部件的有限元模型，利用 ANSYS 计算出它们的强度，刚度和位移，并依据结构受力特点提出结构修改方案。通过分析的结果对机身提出优化方案，对优化方案进行有限元分析。并把分析结果与优化前的机身静态特性做比较。对比优化后与优化前机床性能是否提高，是否改善了机床的性能，解决了机床的不足之处。关键词：折弯机 有限元 优化设计ABSTRACT The plate bender is a kind of equipment which broadly used to sheet metal formi

3、ng, its strength and stiffness of body of plate bender greatly influences quality and accuracy of work pieces. The traditional design method usually adopts stress check, or the calculate method based on the material mechanics and structural mechanics. As a result, the analysis of force is not thorou

4、gh, and the solution is not exact. Furthermore, the structure of the flank could not be determined by the stress distribution, and it caused unnecessary waste. Usually a feasible design program can be gained, but not the best one. The development trend of CNC bender, the present situation and the ge

5、neral design method of the forging machine are introduced in this paper, Taking CNC bender as the object of this study, the static characteristics of CNC bender are analyzed in ANSYS, which is a kind of general finite element analysis software. Frame structure has been optimized based on the analysi

6、s results.First, the static characteristic of the main part of CNC bender is analyzed. The finite element model of these part are established, the stress, the strain and the displacement of every part is computed by ANSYS. Plan of redesigning of the structure is proposed based on the analysis.Throug

7、h analysis of the results of the optimization program fuselage made of optimized solutions for finite element analysis. And static characteristics of the fuselage before the results of the analysis and optimization of comparison. After comparing before optimizing machine performance optimization and

8、 whether to raise, is to improve the machines performance to solve the shortcomings of the machine.Key words: Bending machine FEA optimized design 第一章 绪论1.1研究背景和课题来源自 2001 年中国加入世界贸易组织以来，我国经济发展迅速进入快车道阶段，其中制造业的发展更为迅速。世界著名的制造业跨国企业集团纷纷落户中国，不断将中国发展成为自己的研发和制造基地，提高自身产品的综合竞争实力，以角逐全球市场，致使中国的传统制造业面临前所未有的生存挑战和

9、发展机遇。作为制造业基础行业的金属板材、管材、型材及线材切割、冲压、成形、制作零部件制造企业及其设备、模具、材料和相关技术行业企业，同样面临着类似的局面：国内外市场的不断扩大，国内企业面临结构调整和技术更新，国外先进同行企业在华投资建厂的竞争压力。在这种形势下，国内的金属板材、管材、型材和线材切割、冲压、成形、制作技术和设备行业企业急需了解国内外市场的需求、发展方向以及目前的技术和设备水平，确定自己的市场位置，提高自身产品的核心竞争力。此外，我国是制造大国，在制造业方面，要强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础1。 锻压

10、机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备。锻压机械包括成形用的锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机，以及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助机械。锻压设备广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业领域。数控折弯机是锻压机械中的一种，利用数控技术对板料进行加工。采用较简单的通用模具，可把金属板料压制成一定的几何形状，配备相应的工艺设备，还可以用作冲槽、浅拉伸、冲孔、压波纹等。随着工业技术的飞速发展，在电器、电子、容器、金属结构、仪器仪表、日用五金、建筑材料等工业部门得到了广泛的应用23。 随着中国加入 WTO，中国的机床制造企业的形势将变得更加严峻，并面临更为强大的竞争对手，为此，中

11、国的锻压机械制造企业必须改变原有的传统设计方法，以先进的设计制造手段作为技术支撑，来提高我国锻压机械的设计与制造水平，在新的市场环境中积极参与竞争4。随着 CAD/CAM/CAE 技术的日益普及和应用，有限元方法等现代结构分析方法已为工程技术设计人员广为认识和发展，在机床设计中得到广泛的应用，并取得了显著的技术经济效益5。 1.2数控折弯机国内外发展概况数控折弯机在国外应用相当广泛。例如 Amada 公司自 60 年代中期引进法国 Promecam 公司下动式折弯机生产技术以来，一直致力于下拉折弯机的生产和改进。80 年代中期开发了 Fine&Bender 系列紧密下动式折弯机。它采用平行加压

12、技术，在不同载荷和不同折弯长度时能使上横梁和下滑块产生同样的均匀变形，并采用两组或三组滚轮导向，提高了抗偏载能力6。 LVD 公司是国外规模最大的折弯机制造厂商之一。其开发的 MMC8500和 MNC9000 的数控系统采用 CAD/CAM 技术，开发了一套三维软件，在折弯加工过程中完全实现了自动化。将折弯工件参数输入系统，系统便能自动计算出折弯工序所需的所有数据，确定控制程序，操纵计算机系统实施折弯加工7。 Hammerle 公司在 70 年代中期开发了结构独立的三点式折弯机，在折弯工艺上和结构上都有不少创新和突破。如今，该公司生产的折弯机除了仍然具有三点式折弯模具、滑块液压垫等特点之外，两

13、个油缸各自采用比例阀和光栅尺构成闭环控制系统，实现对滑块位置、速度和压力的精确控制，同步精度为0.005mm8。 FASTI 公司开发了 904125/30 型折弯机。两个油缸各自的比例阀和光栅尺构成闭环控制系统，实现对滑块位置、同步、速度和压力的精确控制。两个油缸活塞位置可以倾斜 10mm，用来补偿板厚偏差和进行锥形件折弯9。 小松产株式会社的 PHS 折弯机采用伸长抵消机构，依靠独自的构造抵消负荷及油温变化引起的机架开口变型量，使深度位置保持一致；配有角度控制器，可以简单的调整全长角度，配有 3D CAD/CAM 系统，自动计算折弯工序并可在屏幕上同时显示 8 道工序的折弯形状。另外该公司

14、开发的 pas 系列折弯机，由 AC 伺服电机直接驱动，并装备了折弯角度检测传感器，可以实现高精度的折弯加工10。 村田公司开发的 HPB8525A 型折弯机采用传统的扭矩控制实现滑块同步，涡轮蜗杆装在油缸的下盖中，转动螺母套，使螺母套上下移动控制活塞的下死点位置。上模的微调装置不同于一般的斜模式，而是每组有两个偏心轴，用旋钮转动进行调节。此外，国外还有机器人和折弯机组成的柔性折弯机系统，用于实现柔性折弯。如日本天田公司 5500KFDB 型精密折弯机和意大利普力玛公司设计的由机器人组成的“折弯机机器人”系统11。近20年来，国内数控折弯机技术发展迅速。从 1986 年 10 月第一台 W67

15、Y160K/3200 数控折弯机由天水锻压机厂研制成功以来，国内出现了一批从事数控折弯机技术研究开发的单位，其中较为有代表性的有江苏扬力集团富力数控机床有限公司、济南铸造锻压机械研究所、江苏金方圆数控机床有限公司、黄石锻压机床有限公司和上海冲剪机床厂等。黄石锻压机床股份有限公司和济南铸造锻压机械研究所联合先后完成了 W67K-100/3000、W67K-100/3100、W67K-100/3200 型数控三点板料折弯机。上海冲剪机床厂从 1986 年以来先后成功开发了具有国际水平的 QC12K 与 WC67K 两大系列数控折弯机和具有先进水平的高精度数控三点式折弯机12。应当指出，虽然国内产品

16、与国外同类产品的技术水平大体相当，但在性能和质量上还存在一定的差距，代表当今顶尖水平的仍是国外著名公司开发的产品。1.3 锻压机械结构分析发展概况机身在锻压设备中起重要作用，早期人们对机身的研究是采用材料力学的方法，计算出设备在公称压力下危险点的应力和机身的最大变形，再引入许用应力和许用变形，使其应力和变形低于设备许用应力和许用变形即可。由于这种方法不需要先进的设备，所以国内外绝大部分的压力机生产企业都使用这种方法。但是材料力学研究的对象主要是横截面积尺寸远小于轴线长度的杆件，往往采用了一些关于变形的近似假设，如平面假设等，近似地求得所研究杆件在外力作用下的应力及变形，最后再加入许多人为的经验

17、才能满足工程要求。将机身简化成材料力学中的杆件或杆件组合，其计算结果是非常粗糙的，很难说明问题。设计者为了保险，往往加大安全系数，结果使得设备非常笨重，既增加了成本，又浪费了原材料。在此基础上的优化，也不过是局部和近似的优化而已。并且在工程中更常见的不是杆件，而是形状非常复杂的结构，就很难用材料力学的方法来研究。机器中有很多零件的截面尺寸经常变化，如轴肩、切槽和油孔等。在这些截面上，实际应力与材料力学公式计算的结果相差很大。弹性力学研究的是理想弹性体在外力作用下的变形与应力。它所研究的变形从几何形状来说比较广泛，并不局限于杆，由于经典弹性力学要求的条件比较严格，以至于许多实际问题用经典弹性力学

18、很难求解。而有限元法是对弹性力学的补充，弥补了经典弹性力学的不足，在机床结构的动力学方面得到了广泛的应用。 有限元法实际上是古典变分法的一种变体和发展，其基本思想离散化的观点，早在二十世纪四十年代就已经提出来了。到了五十年代初，英国的一个航空系教授阿吉里斯（Argysis）和他的合作者打破了十年沉默的局面，使有限元成功地应用于结构分析问题。与此同时，美国教授克劳夫（R.W.Clough）运用三角形单元对飞机结构进行计算，并在 1960 年首先提出了“有限元法”的概念。此后的十年是有限元法在国际上蓬勃发展的十年。六十年代中、后期，数学家开始介入对有限元法的研究，促使有限元法有了坚强的数学基础。我

19、国著名计算数学家冯康早在 1956 年就发表了研究论文。1965 年英国教授辛克维茨（O.C.Zienkiewicz）及其合作者提出了有限元法可应用于所有场的问题。有限元法首先应用于航空工程，由于其方法的有效性，迅速被推广应用于造船、机械、动力、建筑和核子等工程部门。并从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学、声学和振动学等领域，并伴随高速数字电子计算机的发展和有限元理论的研究得到迅速发展13。 锻压机械的静态有限元分析主要是从上个世纪七十年代开始的，我国具有代表性的文章是文献14,主要是根据 J23-80 型压力机机身左半部分的受力简图，利用平面问题的有限元程序计算出各单元节点的位移与应

20、力，并求出机身的线刚度和角刚度，与实测和材料力学的计算值进行比较验证。随后这方面的研究逐渐增多，领域不断扩大和深入。王留德是利用自编的空间板系通用程序SPS 对闭式 40 吨数控回转头压力机机身进行计算，并把计算结果与实测结果进行了比较并找出存在误差的原因15。李明典等用有限元法分析了锤杆在对中和偏心载荷作用下应力沿锤杆的分布，探讨了不同偏心、加速度和材质对锤杆动应力分布的影响，为锤杆的改进设计提供有用的理论依据16。王俊领通过对轧机机架的有限元分析，找出了危险点的位置，确定了极限安全系数17。王苏安等针对某厂 25 吨曲柄连杆式飞剪机机架使用中存在的问题，采用 ALGOR软件对飞剪机机架进行

21、了有限元分析和强度研究，得出了飞剪机机架的应力、应变分布，找出了薄弱环节，并应用电阻应变仪在现场作了多点测试，其理论值和实际测试值吻合较好。并对飞剪机架提出了改进措施，对改进后的机架又进行了有限元分析。实践证明通过改进的曲柄连杆式飞剪机架其性能比以前更好18。李陪武等以 J53-1600 型双盘摩擦压力机为例，较为全面地分析了中心载荷、扭转载荷和偏心载荷对机身强度和刚度的影响，提出了允许偏载域的概念及一些解决问题的方法与设计准则19。史宝军、管延锦等对压力机的强度和刚度进行了研究，并结合机身的结构特点，分别采用了许多措施,使机身的结构更加合理20,21。史宝军等主要对 J21-160 型开式压

22、力机机身进行有限元分析和结构优选，取得了既减轻重量又提高强度、刚度的显著效果22。这说明锻压机械的有限元分析已从原来的应力和变形分析走向结构的静态优化。锻压机械的动态有限元分析主要是从八十年代开始的，主要集中在开式压力机和螺旋压力机，其中文献23是较早的一篇，文章主要对 J23-80 型开式压力机机身进行有限元剖析，并用 Wilson-法得出机身主截面的动应力和机身动态角变形，均比静态大 25%左右。到九十年代，随着数值模拟技术的引入，锻压机械动态有限元应用的广度和深度不断增加，接着李德军等以 J53-1600 型双盘摩擦压力机为对象，建立机身有限元模型，并将理论模态分析结果与模态试验结果进行

23、比较，还模拟计算了冷击、锻击情况下压力机的振动响应，为摩擦压力机的动态设计提供一定的参考。对闭式压力机机身研究的文章有文献24，文章利用 MARC 软件对闭式压力机机身进行了三维有限元分析，并将计算结果与实测值进行比较，同时对机身进行了优化，提出了改进方案。最后还用 Lanczos方法计算了机身的前十阶模态，分析了各阶模态对设备的影响，又对机身进行了进一步的优化，使机身的动态特性得到进一步的提高，为高速压力机的动态设计提供了非常有用的资料。对于其它机床大件的研究，汤文成教授等根据机床结构件的特点，提出了用于机床大件结构拓扑生成的方法，并对结构进行了有限元分析后优化设计，从而实现结构的自动设计，

24、为结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试25。谷祖强等应用“结构系统设计灵敏度分析”理论，把有限元分析和最优化技术有机结合起来，应用于机床结构件的优化设计，有效地提高了设计效率26。毛海军等将 BP 神经网络理论与有限元建模方法相结合，提出了采用 BP 神经网络建立机床整机主要部件的动力学模型，并应用大型有限元分析软件ANSYS 的 APDL 进行 BP 神经网络样本的快速采样的方法。根据所提出的方法，建立了机床双 W 筋板床身的筋板位置、厚度与床身前 5 阶频率之间的 BP神经网络模型，并以床身第 1 阶固有频率最高为目标进行了设计变量的自动搜索寻优计算且获得了满意的结果，表明神经网络

25、理论与传统的数值方法相结合应用于实体结构的动态分析计算具有重要的现实意义27。徐燕申等提出数控机床大件结构设计元结构和基本框架的概念，把由床身筋板围成的栅格称为筋格，床身的宏观构形为基本框架。筋格的动态特性直接影响机床床身的动态特性。分别以筋格各边长、板厚和清砂孔径为设计变量，以筋格的固有频率为优化目标，进行有限元动态设计，得到相应的筋格的基频随设计变量变化的曲线图，通过有限元分析，发现当床身的高度与宽度接近时，床身的动态特性较好。用有限元分析法对简化的床身结构动态特性进行研究，总结出对数控机床床身设计具有普遍指导意义的规律，可用于数控机床床身结构初步设计28。 国外对于压力机的机身也有所研究

26、，德国的 M.Neumann 和 H.Hahn 建立了机械压力机的三种不同复杂程度的工程模型，并通过实验进行验证模型的参数，从而对压力机进行计算机仿真和动态设计29。丹麦的 M.Arentoft，M.Eriksen和 T.Wanheheim 设计了一种压力机实验来确定了压力机的六个刚度，从而为压力机的设计提供了有益的帮助30。 综上所述，在机床床身的研究的上，已从静态向动态上发展，而且应用了各种各样的技术。随着控制技术的提高，锻压机械向着高速度、高精度、高效率和轻量化的方向发展，机身设计从材料力学的机身危险点应力和机身最大变形的校核，到有限元的使用和数值模拟技术的引入对其进行模态分析和动态响应

27、分析，使机身的设计水平有很大的提高，但还存在以下几个问题：1. 建立的计算模型和实际结构差距较大。2. 对机身静态的特性研究得比较多，对动态的研究得比较少；对低速设备研究得比较多，对高速的研究比较少。3. 在设计上解决静态与动态的联合设计问题。4. 在结构动力学优化设计中去除求解盲目性问题，应该比较清楚地研究其解的存在性与惟一性问题。5. 只注重研究，不注重应用。特别是如何应用有限元法和数值模拟技术设计机身方面。1.4 大型有限元分析软件 ANSYS 简介ANSYS 是目前国际上著名的有限元软件之一，该软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体。ANSYS 广泛应用于机械、航空航天

28、、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学研究等众多领域。ANSYS 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几个方面：1 数据统一。ANSYS 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。2 强大的建模能力。ANSYS 具备三维建模能力，仅靠 ANSYA 的 GUI（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型。3 强大的求解功能。ANSYS 提供了数种求解器，用户可根据分析要求选择合适的求解器。4 强大的非线性功能。ANSYS 可以进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。5 智能网格划分。ANSYS 可根据

29、模型的特点自动生成有限元网格。6 良好的优化功能。利用 ANSYS 的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案;利用 ANSYS 的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳利用。7 可实现多场耦合功能。ANSYS 可以研究各物理场间的相互影响。8 提供与其他程序接口。ANSYS 提供了与多数 CAD 软件及有限元分析软件的接口程序，可实现数据共享和交换。9 良好的用户开发环境。ANSYS 开放式的结构使用户可以利用 APDL，UIDL 和 UPFS 对其进行二次开发。结构分析是 ANSYS 功能之一，其中包括：静力分析（用于分析结构的静态行为，可以考虑结构的线性及非线性特性

30、）；模态分析（计算线性结构的自振频率及振型）；谱分析（是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变）；协响应分析（确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应）；瞬态动力学分析（确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，可以考虑与静力分析相同的结构非线性特性）；特征屈曲分析（用于计算线性屈曲荷载，并确定屈曲模态形状）；专项分析（断裂分析，复合材料分析，疲劳分析）等31。1.5 本课题研究的目的和意义近年来，由于我国国民经济的飞速发展，各行各业对折弯机的需求越来越多，国内外市场竞争非常激烈。折弯机的设计水平，对折弯机制造成本、技术性能和使用寿命有着决定性的影响。世界许多折弯机生产厂家

31、都把精力集中在开发大吨位、高精度的折弯机上，研究的方向不但在机身上，而且己转移到整个折弯机装配上，在研究的手段上不仅有计算机仿真，而且应用了许多有效的实验模拟装置。然而我国折弯机的整体设计水平还比较落后，尽管一些大中型企业的设计部门在某些重要的折弯机设计工作中，对其关键部件已经采用了先进的分析方法和优化设计方法，但是绝大多数生产厂家和设计单位，包括大中型企业的设计单位，基本上还沿袭了传统的设计方法，主要采用的是以工程人员经验和产品试制为基础的传统设计方法。由于缺乏功能完善的现代设计手段，所以导致折弯机本体结构过于保守、产品开发的周期较长，成本也较高，效率也较低，随着企业的发展，这一点已严重制约

32、了企业技术水平的提高，因此企业迫切需要引进先进的设计方法。 CAE 技术的应用，有着非常重要的意义。一方面，能够在折弯机制造之前从理论上论证结构设计的可行性，减少折弯机设计方案的风险，从而达到以低成本、短周期进行折弯机机身设计制造的目的；另一方面，可以实现折弯机机身设计和工艺参数的优化，利用 CAE 技术可以模拟折弯机机身在工作过程中的真实变形和应力变化状况，能够实现结构静力、模态振型、瞬态冲击等多方面的模拟仿真，从而分析各个部位的结构、形状和尺寸对冲压过程的影响，并进行灵敏度分析和优化设计。以提高产品的核心竞争力，提高企业经济效益。 结合企业的产品设计和制作情况，本课题以江苏亚威数控机床有限公司PBB-110/3100型数控折弯机为研究对象，应用有限元方法对机床进行静、动态分析，并选取适当的参数对机床结构进行优化设计，使所设计的机身具有最好的使用性能和最低的材料消耗与制造成本，以便获得最佳的经济效益和社会效益。提高该企业的市场竞争力。1.6 本课题研究的主要内容 本课题采用有限元分析软件 ANSYS 作为分析工具，对 PBB-110 /3100型数控折弯机的机