基于有限元的带材缝合机机架优化设计

张园园

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳 471039)

随着对铝合金、铜合金带材生产质量与精度要求不断提高，带材精整处理技术的重要性日益突出，其连续生产工艺也逐渐成为需求非常广的一项生产技术，该技术是确保整个精整机组作业时间和生产节奏的关键环节，同时，其头尾连接性能的好坏会直接影响到连续生产中产品的质量和成品率。

为实现连续生产，一般配置焊接机、冲裁式缝合机等带材接头设备，其中冲裁式缝合机因其结构简单、性能可靠、维护方便而被广泛采用【1】。在设计冲裁式缝合机时，为保证缝合性能与带材成材率，控制刀座变形，一般对机架刚度特性要求较高，同时为控制生产成本，对设备的轻量化要求也越来越高。目前一般采用经验设计，不易同时满足对机架设计高刚性与低重量的要求，针对上述问题，本文利用有限元方法对机架进行了静力分析与优化设计，为今后机架的结构改进提供指导。

1 缝合机工作原理与工作载荷分析

1.1 缝合机结构与工作原理

冲裁式缝合机根据缝合接口形式可分为两类：一类为简单冲裁后人工穿带连接材料，即冲裁式缝合机；另一类为锁扣式缝合机，即缝合后靠带材相互搭接。由于前者刀在缝合过程须人工参与，而后者缝合过程无须人工参与，因此应用日益广泛。下面以铝合金锁扣式缝合机进行探讨，其结构如图1所示。

缝合机工作时，液压缸有塞腔接通压力油，工作形式为上刀固定，下刀油缸上升。带材入出口各设有导板，缝合前导板先搭接带材的头部和尾部，避免缝合时带材之间相对滑动。该缝合机采用单排”凸”字形刀具，在较大压力下将两层带材冲开并锁扣。同时设备还配有脱模机构，使带材能顺利从刀具中脱出。

1机架 2上刀具 3下刀具 4缝合液压缸

1.2 缝合力的理论计算

铝带拉矫机组中的缝合机计算缝合力时，一般采用冲压工艺学中的冲裁力计算公式【2】：

F1=2nKLtτ(1)

L=0.01745rα(2)

式中：F1——冲裁力 ，N；

n——切口数量 (带材最大宽度/刀具宽度 = 15，故应16个切口)；

K——系数，一般取1.3；

L——冲裁周边长度,此处为刀具缝透带材的接触弧长,mm；

τ——材料抗剪强度,此处按最大值 τb=340 MPa。

r—— 刀具半径，r=5 mm；

α—— 最大接触角度，α=157°

铝合金材料特性如下【3】：

σb=100～480 MPa

τb=0.6 ～0.7σb = 60 ～340MPa

σs=35 ～500 MPa

δ=1 ～45%

带材宽度 B=800～1800 mm

厚度 t=0.5～2.5 mm

经计算，F1 为484078N

根据设备结构和缝合力，利用以下公式选取液压缸规格：

式中D——油缸活塞直径，mm;

F1——缝合力，N；

P——液压介质的压力，P=14MPa;

η——摩擦损失，η=0.95

据此选择两个规格的液压缸可满足要求。则可推出单个液压缸对支架的反力F2=5.3e5N。

2 缝合机机架有限元模型构建

Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，本文采用workbench对机架进行分析。先建立机架三维实体模型，然后将其导入有限元分析软件workbench 应用平台中【4】。

2.1 机架材料特性与网格划分

机架材料为Q235，其杨氏模量为2e11Pa，泊松比为0.3。

图2 机架网格划分

模型的网格划分直接影响模型的计算精度与计算效率，网格过小则计算精度大为降低而精度提高有限，网格过大则计算精度难以保证，由于机架尺寸较大，单元尺寸大小为40mm，划分好的机架网格如图2所示，共有38114个节点、26276个单元。

2.2 机架静力分析边界条件

在机架实际工作中，机架主要受上刀座对机架横梁部位的压力及液压缸对下部的压力，通过地脚螺栓对机架进行固定。因此考虑机架的极限工作情况，根据上面计算的缝合力并考虑摩擦力作用，静力分析模型的边界条件如图3(a)(b)所示，其中施加的压力为面载荷，具体如下：

位移约束：对机架底面进行位移约束，约束其X/Y/Z三个方向自由度，如图3(a)；

受力：上刀座对横梁压力即为缝合力F1，即由公式(1)和公式(2)计算可得，分别施加在两个面上，压力分别为：F1/2=2.4e5N，如图3(a)；

受力：液压缸对机架压力F2，即根据系统压力及所选取的液压缸，可计算出。分别施加在图3(b)所示的四个面上，分别为F2/4=1.3e5N。

图3 机架边界条件

由于机架由众多零件焊接而成，因此有限元模型中零件的结合面按照粘接处理。

3 缝合机机架静力分析与优化设计

3.1 静力分析结果

根据上述模型进行计算，结果如图4：

图4 机架静力分析结果

根据图4可以看出机架的最大总变形在上横梁处为0.6mm，特别是横梁在垂直方向的变形达到0.59mm，而最大等效米赛斯应力为48Mpa，因此横梁处的变形特别是其在垂直方向的变形成为机架的薄弱环节。

4.2 机架筋板优化

图5所示的筋板结构对于机架横梁的刚度有重要的影响，特别是图中标注的筋板厚度t与整个筋板结构的高度h对刚度影响更大，因此对下面尺寸分别计算：

t：增加10mm、20mm、30mm(即筋板厚度为：30、40、50mm)

h：增加10mm、20mm、30mm、40mm、50mm(350、360、370、380、390mm)

图5 修改的筋板尺寸

按照上面的尺寸重新修改三维模型并重建有限元模型进行静力分析，得到如图6所示的机架最大变形量随筋板尺寸h、t变化而变化的情况。

根据图6可以看出横梁变形对筋板厚度更加敏感，特别是在厚度增加较少的情况下，但是根据筋板的几何模型，高度h增加10mm，质量增加18.06Kg，而厚度t增加10mm，质量增加73.46Kg，因此为减小0.1mm变形，增加高度，仅须增加质量90.3Kg，而增加厚度则须增加质量220.38Kg，因此横梁刚度对高度的敏感度为厚度敏感度的2.44倍。

图6

因此建议增加h50mm，此时横梁变形减小16.9%，而机架质量仅增加1.6%(根据三维模型，机架原质量为5598.8Kg)

4 结论

(1) 经过有限元分析，极限载荷下，机架横梁在垂直方向变形最大，此处刚度最薄弱；

(2) 对横梁筋板整体高度与关键筋板厚度的不同尺寸下静力分析及机架重量的综合考虑：增加筋板高度比增加筋板厚度更加有效，其敏感度为2.44∶1；

(3) 筋板整体高度增加50mm后，机架横梁变形减小16.9%，而机架质量仅增加1.6%，因此建议增加筋板高度。

[1] 侯定坤.带材缝合机的缝合力计算.有色金属加工[J].有色金属加工，2003(5)：45～47

[2] 吴诗淳.冲压工艺学[M].西安.西北工业大学出版社，1987

[3] 王祝堂，田荣璋.铝合金及其加工手册[M].长沙.中南大学出版社，2002

[4] 龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析[M].北京.机械工业出版社，2003