全自動深壓紋機(jī)機(jī)架的應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

李建功，郝國凱

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北　唐山　063210)

0　引言

深壓紋機(jī)是紙制品、塑料、皮革等印刷品表面整飾加工的一種重要設(shè)備，廣泛用于包裝裝潢、產(chǎn)品廣告、書刊封面、彩盒面紙、請柬和其他特殊產(chǎn)品表面的壓紋加工[1]。機(jī)架是深壓紋機(jī)的重要組成部分，各種關(guān)鍵零部件都以其為基體，同時還要承受壓紋機(jī)工作時的全部載荷，所以機(jī)架的強(qiáng)度和剛度是否滿足工作要求直接關(guān)系到深壓紋機(jī)的可靠性、安全性及工作壽命等[2]。

本文以某機(jī)械廠生產(chǎn)的新型全自動深壓紋機(jī)機(jī)架為研究對象，通過ANSYS Workbench對機(jī)架在承受最大載荷情況下(滿載工況)進(jìn)行應(yīng)力分析，并結(jié)合分析結(jié)果對該機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使壓紋機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度與剛度得到很好的提升。

1　深壓紋機(jī)機(jī)架的受力分析

深壓紋機(jī)做上下往復(fù)運(yùn)動的動平臺與固定的上平臺產(chǎn)生擠壓即可完成一次壓紋動作，其壓紋原理如圖1所示。在機(jī)器的實(shí)際工作中，必須將壓紋模板與上平臺進(jìn)行調(diào)試，使動平臺與上平臺壓合時保證兩者之間的受力均勻，從而達(dá)到高精度壓紋的要求。

與空行程相比，壓紋機(jī)壓紋過程運(yùn)行速度較慢，時間相對較長，故壓紋時的載荷可以近似看作靜載荷[3]，機(jī)架上平臺可以簡化為簡支梁模型對其進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

機(jī)架上平臺彎曲正應(yīng)力應(yīng)滿足：

(1)

圖1　壓紋機(jī)壓紋原理

圖2　機(jī)架上平臺受力分析

上平臺彎曲切應(yīng)力應(yīng)滿足：

(2)

其中：FS,max為上平臺的最大剪切力；SZ,max為剪切力的最大截面積；δ為上平臺厚度。

上平臺剛度應(yīng)滿足：

(3)

(4)

其中：ymax為上平臺最大撓度；θmax為上平臺最大轉(zhuǎn)角；[y]為上平臺的許可撓度； [θ]為上平臺的許可轉(zhuǎn)角；E為材料的彈性模量。

在深壓紋機(jī)工作時，機(jī)架墻板主要承受軸向拉力，僅考慮抗拉強(qiáng)度即可。墻板強(qiáng)度應(yīng)滿足：

(5)

其中：F為機(jī)架墻板軸向拉力；S為墻板的橫截面積；[σ]為許用強(qiáng)度。

2　深壓紋機(jī)機(jī)架的有限元分析

2.1　深壓紋機(jī)機(jī)架模型的建立

為了減少計算時間，在保證深壓紋機(jī)機(jī)架強(qiáng)度與剛度的前提下，刪除一些對機(jī)架分析影響較小的圓角與倒角等不必要的特征[4]，簡化后的機(jī)架模型如圖3所示。

圖3　簡化后的機(jī)架模型

2.2　材料模型的建立與網(wǎng)格的劃分

機(jī)架的材料為Q235，其彈性模量為221 GPa，泊松比為0.28，密度為7 800 kg/m3，屈服強(qiáng)度為235 MPa。在有限元分析之前，需要對機(jī)架做網(wǎng)格的劃分，設(shè)置網(wǎng)格大小并劃分后產(chǎn)生139 410個單元和216 002個節(jié)點(diǎn)。機(jī)架網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4　機(jī)架網(wǎng)格劃分情況

2.3　約束及載荷的設(shè)置

根據(jù)深壓紋機(jī)機(jī)架實(shí)際工作時的情況，對深壓紋機(jī)機(jī)架底臺的4個支撐臺底部施加固定約束(Fix-Support)，以模擬地面對機(jī)架的固定和支撐；深壓紋機(jī)在滿載工況下，機(jī)架上平臺受到垂直于平臺且方向向上的載荷，其值可以達(dá)到100 t，故對上平臺施加向上的100 t的力；最后，對滿載工況下的機(jī)架整體施加重力。

2.4　仿真結(jié)果分析

通過對深壓紋機(jī)機(jī)架的有限元分析，得到了滿載工況下機(jī)架的應(yīng)力分布云圖，如圖5所示。從圖5可以看出，應(yīng)力最大出現(xiàn)在操作面板窗口左上角處，最大應(yīng)力值達(dá)到了118 MPa，機(jī)架操作面板墻受力并不均勻，并出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

通過對機(jī)架的受力分析可知，深壓紋機(jī)在滿載工況下工作時，機(jī)架的上平臺部分承受較大的載荷，可能由于機(jī)架剛度并不是足夠大，以至于機(jī)器工作時造成機(jī)架操作面板墻處應(yīng)力相對較大。同時，操作面板墻上有一個窗口，在機(jī)器工作時機(jī)架兩側(cè)的面板除了承受較大的拉應(yīng)力外，還承受了一定的彎矩作用[5]，造成了窗口拐角處產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，導(dǎo)致此處成為相對薄弱的部位。

3　深壓紋機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

應(yīng)力集中在工程上造成了極大的破壞，在機(jī)械零件結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象。為了減少應(yīng)力集中，機(jī)械零件中應(yīng)減少尖銳轉(zhuǎn)角的出現(xiàn)。由理論分析可知，當(dāng)圓角或倒角的曲率半徑趨向于零時，其應(yīng)力集中系數(shù)趨向無窮大，用圓角或倒角代替尖銳轉(zhuǎn)角能有效緩解應(yīng)力集中的現(xiàn)象[6]。所以，機(jī)械零件中常用倒角或圓角來保證構(gòu)件外形的圓滑過渡，從而降低應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

為了降低操作面板墻窗口的最大應(yīng)力值，在窗口的各個拐角處添加倒角或圓角，改進(jìn)后的操作面板墻如圖6所示。

為了驗(yàn)證改進(jìn)后深壓紋機(jī)機(jī)架的力學(xué)性能，對改進(jìn)后的機(jī)架施加與原機(jī)架完全相同的載荷和約束，得到改進(jìn)后機(jī)架的應(yīng)力分布云圖，如圖7所示。

圖5機(jī)架的應(yīng)力分布云圖圖6改進(jìn)后的操作面板墻圖7改進(jìn)后機(jī)架的應(yīng)力分布云圖

由圖7可以看出，改進(jìn)后機(jī)架的最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在操作面板窗口的左上角處，但最大應(yīng)力值降低到85 MPa，與改進(jìn)之前相比約降低了28%。

4　結(jié)語

通過 ANSYS Workbench軟件對深壓紋機(jī)機(jī)架進(jìn)行了有限元分析，掌握了機(jī)架的受力情況，得出其相對脆弱的部位，其應(yīng)力值達(dá)到了118 MPa，雖然未超過Q235的屈服極限，但在承受一定的應(yīng)力循環(huán)后，該部位有很大機(jī)率被破壞。在此基礎(chǔ)上，保證機(jī)架質(zhì)量未增加過多的前提下，對機(jī)架操作面板墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使最大應(yīng)力值降低到了85 MPa，機(jī)架的力學(xué)性能得到了顯著提高，有效地提高了機(jī)架的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]康啟來.做好壓紋機(jī)的調(diào)試和正確操作[J].中國包裝,2010,30(10):32-34.

[2]倪曉宇,易紅,湯文成,等.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2005(2):47-50.

[3]薛超志,齊元勝,張偉,等.模切機(jī)機(jī)架的有限元分析[J].包裝工程,2011(9):62-65.

[4]劉鑫,張祥林,馮科.基于ANSYS Workbench的沖壓機(jī)械手機(jī)座優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械制造與自動化,2014(6):197-200.

[5]高翔,胡淼.框式熱壓機(jī)機(jī)架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計,2009,26(4):62-64.

[6]亓秀梅,高創(chuàng)寬.軸類零件應(yīng)力集中系數(shù)的理論研究[J].工程設(shè)計學(xué)報,2002,9(1):7-11.