大型冲压机的有限元分析和设计优化

文：张 伟，邱全富（郑州电力职业技术学院）

0 引言

某专用冲压机，在初步设计中，6 个缸体由 12 根拉杆联接，缸体底部有通油孔，腔内有活塞。 6 个活塞在导向机构的作用下，实现同步的伸缩运动。 冲压机的一个缸体与地面接触，6 个油孔通入 170 MPa 高压油，活塞同步向冲压机中心移动挤压磨具，达到成型目的。该冲压机结构特殊、尺寸较大，也无类似工程经验可供借鉴。 为保证冲压机设计的合理性， 笔者利用有限元分析软件ANSYS对其进行变形和应力分析，并提出优化设计方案。

1 有限元模型建立

1．1 模型建立方法

在工作过程中，该冲压机主要受力结构为拉杆、主缸体和大活塞。因此，建立大活塞模型和机体外架模型 （去除大活塞及与大活塞相连的导向机构后的冲压机机体模型）2 个模型。由于冲压机关于轴对称及中心对称，可将模型进一步简化。 即，中间水平布置的任意两缸体模型各取 1 ／ 4，将它与其共同相连的拉杆作为机体外架模型。 选用 SOLID185 实体单元建模，如图 1 所示。 在处理非线性塑形变形强化时，按Rice 强化规则建立材料的塑性强化模型。

1．2 网格划分

大活塞采用智能网格划分， 网格粗糙度等级为 6 级，如图 1（a）所示，机体外架整体网格控制在 30 mm，局部进行细化，拉杆网格尺寸为 50，mm，如图 1（b）所示。

1．3 模型材料特性

冲压机的活塞、 缸体和拉杆所用材料分别是 42CrMo 调质、30CrNiMo 调质、20CrNiMo 调质，其特性参数如表 1 所示。

2 模型静态分析

对模型进行静态分析求解， 包括模型的线弹性分析以及非线性塑性分析。

2．1 加载方式

载荷的施加分 2 步：（1）用 170 MPa 工作压力施加到载荷面，写入载荷步文件；（2）用 0 MPa 工作压力施加到载荷面，即清除载荷，写入载荷步文件。

最后，从载荷步文件中求解。

2．2 大活塞的应力和变形分析

为防止大活塞内部出现看不到的节点应力状态，对模型的所有节点按照应力大小排序。图 2 为大活塞应力云图。

可知， 大活塞所有节点的应力值均未达到材料的屈服极限（815．42 MPa）。其中，应力较大节点位于大活塞与工件的接触面上和大活塞内部两小活塞的通气孔交叉处。从冲压机的工作要求看，大活塞内部的两小活塞通气孔有轻微破坏， 但不影响使用。大活塞端面固定有磨具等附属结构，应力会分散到整个端面上，少量过载不会引起端面破坏。

受缸体的束缚，大活塞的径向变形很小，可忽略不计。 若轴向变形较大，将影响加工件的尺寸。 通过计算，大活塞的轴向最大位移为 0．555X10^－3mm。 按照设计要求，大活塞上小活塞导向套装配孔的直径为 130^＋0．043mm。经查看，导向套装配孔变形的数量级为10^－6～10^－4mm。 由此可知，大活塞各部分变形量较小，该部分设计合理。

2．3 机体外架的应力和变形分析

2．3．1 机体外架的应力分析

图 3 为机体外架应力云图。 由图 3 可知，机体外架应力最大的部分主要集中在模型内腔表面 R30 圆角、拉杆、拉杆圆头与拉杆沉头孔的接触区域及附近。

（1） 缸体内腔表面应力分析。按照图 4 选取内腔表面上的节点，并定义为作图路径。该路径上的应力分布如图 5 所示。由图 5 可知，缸筒内的表面应力值普遍偏小，较大的值集中在圆角上，并且最大应力值小于 650 MPa， 小于材料的屈服应力 835 MPa。 因此，该结构强度满足要求。

（2） 拉杆应力分析。拉杆的 2 个圆头受到缸体的拉力作用，其他部分不与缸体接触，且其各个截面形状相同。因此，取拉杆中心截面上的所有节点查看应力状态。 经计算，最小应力值为 630．18 MPa，最大应力值为 730．13 MPa，较接近材料屈服强度 785 MPa。

因此，拉杆安全系数较低，应进行优化。