大型組合框架立式液壓機(jī)機(jī)身關(guān)鍵構(gòu)件分析與研究

趙昕，男，1969/01/15北京市，現(xiàn)職稱講師和工程師，要評(píng)副教授，方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造大型組合框架立式液壓機(jī)機(jī)身關(guān)鍵構(gòu)件分析與研究綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院趙昕621000Theauthor：ZhaoXin，male,1969/01/15borninBeijing,Nowtitlelecturerandengineers,toreviewassociateprofessors.Direction:MechanicaldesignandmanufacturingTheTitle:LargecombinationframeverticalhydraulicpressfuselagekeycomponentanalysisandresearchMianyangvocationaltechnicalcollegeTheauthor：ZhaoXin621000摘要：本文通過(guò)對(duì)大型組合框架立式液壓機(jī)的機(jī)身中的關(guān)鍵構(gòu)件，以及其工藝要求做出具體分析，總結(jié)了對(duì)機(jī)身精度造成影響的幾個(gè)因素。本文對(duì)此類型液壓機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：組合框架；液壓機(jī)身；精度研究Abstract：Thekeypartsanddemandsoftechnicalprocessforheavycombinationframeinhydraulicpresshavebeendiscussedinthetext.Andsomefactorswhichinfluencetheprecisionofframehavebeenobtained.Itishopedtoprovidereferenceforthedesignofheavyhydraulicpress.Keywords：Combinationframework；Parts；Precision一、引言隨著制造業(yè)的飛速開展，對(duì)各類沖壓件以及汽車覆蓋件等的加工要求越來(lái)越高，不斷向精密化，大型化方向邁進(jìn)。對(duì)于液壓機(jī)類鍛壓設(shè)備不僅要求臺(tái)面大、噸位大，更要求具有精度高、剛性大等特點(diǎn)，為此，通常將此類液壓機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)為組合框架立式結(jié)構(gòu)。具體的講，就是通過(guò)四根拉緊螺栓3將上橫梁1、左右立柱5和下橫梁8連接成一封閉的受力框架，如圖1所示。[1]圖1組合框架立式液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)圖1.上橫梁2.液壓張緊裝置3.拉緊螺栓4.環(huán)形鍵5.立柱6.立柱調(diào)節(jié)導(dǎo)軌7.矩形鍵8.下橫梁此結(jié)構(gòu)忽略了對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理性優(yōu)化，如剛度指標(biāo)和預(yù)緊方式等，而且對(duì)加工和裝配工藝要求也很少作細(xì)節(jié)上的處理，所以，在垂直和水平方向上仍會(huì)產(chǎn)生與應(yīng)力相應(yīng)的變形，如圖2所示。[1]圖2載荷作用下機(jī)身的變形圖由于垂直變形使液壓機(jī)在升壓和卸壓過(guò)程中產(chǎn)生縫隙，引發(fā)強(qiáng)烈振動(dòng)，而水平變形會(huì)影響導(dǎo)軌間隙的變化，使導(dǎo)軌在運(yùn)行過(guò)程中受阻而產(chǎn)生水平力，導(dǎo)致立柱在水平方向上出現(xiàn)嚴(yán)重變形或錯(cuò)移等，直接影響液壓機(jī)的整體工作性能，從而影響液壓機(jī)的成形加工精度。此外，設(shè)備安裝精度和導(dǎo)軌調(diào)整間隙等也對(duì)液壓機(jī)的成形加工精度有影響。二、立柱結(jié)構(gòu)形式對(duì)機(jī)身精度性能的影響1、分體結(jié)構(gòu)立柱的設(shè)計(jì)要求由于立柱在承受最大載荷后要產(chǎn)生彈性變形和彎曲現(xiàn)象，并承受剩余預(yù)緊力和上下橫粱變形后產(chǎn)生的角彎矩，因此，立柱外側(cè)受壓應(yīng)力要比內(nèi)側(cè)大得多。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常將立柱設(shè)計(jì)成箱形截面的全鋼板焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)力控制在50MPa以內(nèi)；合理增加靠近拉緊螺栓處的板材厚度，提高剛性和抗偏載能力；在立柱與上、下梁結(jié)合面處均采用圓環(huán)鍵加兩個(gè)垂直的矩形鍵來(lái)定位，防止立柱與上下橫梁之間出現(xiàn)錯(cuò)移或扭轉(zhuǎn)；同時(shí)在內(nèi)側(cè)加工出導(dǎo)軌的定位基準(zhǔn)面，以便安裝立柱調(diào)節(jié)導(dǎo)軌。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示。圖3立柱結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求圖2、分體結(jié)構(gòu)立柱的加工工藝要求盡管立柱結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，焊接工藝容易保證，如果對(duì)加工工藝要求沒(méi)有控制好，將出現(xiàn)以下兩種情況：一是機(jī)身在受最大載荷或偏載時(shí)四個(gè)立柱出現(xiàn)菱形或平行四邊形狀態(tài)；另是機(jī)身導(dǎo)軌的定位基準(zhǔn)面與水平面不垂直，滑塊在垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有受阻現(xiàn)象。為解決以上現(xiàn)象的發(fā)生，在加工時(shí)必須做到：1〕將四個(gè)立柱拼焊在一起，對(duì)上下平面進(jìn)行同時(shí)加工，保證四立柱在高度方向上等高，誤差控制在±0.05mm。2〕要求導(dǎo)軌定位基準(zhǔn)面的不平直度允差為0.06/1000mm，上下兩定位面與基準(zhǔn)面的不垂直度允差為0.05/1000mm，且兩面的不平行度允差為0.08/1000mm。3〕圓環(huán)鍵槽和兩個(gè)垂直的矩形鍵槽均與上下兩定位面垂直，形位公差要控制好。4〕在安裝機(jī)身固定導(dǎo)軌時(shí)，不能有偏置或傾斜現(xiàn)象，確保導(dǎo)軌與水平面垂直。通過(guò)對(duì)這些加工工藝的可靠控制，能夠有效的減少加工誤差對(duì)整機(jī)精度的影響。[2]3、立柱預(yù)緊措施對(duì)機(jī)身精度性能的影響為了防止立柱和上下橫梁接觸面之間出現(xiàn)間隙和錯(cuò)移，保持壓機(jī)能夠正常工作并具有良好的精度保持性，除了在立柱設(shè)計(jì)中要有鍵定位外，還需在裝配機(jī)身部件時(shí)，對(duì)拉緊螺栓施加超過(guò)最大工作載荷的預(yù)緊力，對(duì)機(jī)身進(jìn)行預(yù)緊。1〕張緊裝置結(jié)構(gòu)。過(guò)去通常采用加熱法進(jìn)行預(yù)緊，由于預(yù)緊力都是間接計(jì)算并忽略了上下橫梁的變形，因此，預(yù)緊力的均勻性受到剛度與計(jì)算誤差的影響，況且加熱時(shí)間較長(zhǎng)，耗能高。圖4所示的液壓張緊裝置其工作過(guò)程：在擰緊螺母2后，給張拉缸體3通入壓力油，使拉緊螺栓1伸長(zhǎng)，同時(shí)通過(guò)件4將力傳到上橫梁上，使機(jī)身受壓，并具有一定的壓縮量，此時(shí)，鎖緊螺母5與橫梁結(jié)合面間產(chǎn)生縫隙，這時(shí)可通過(guò)環(huán)形墊塊4上的預(yù)留長(zhǎng)孔區(qū)間將扳手插入，旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母5并將其鎖緊，當(dāng)缸體3卸壓后由拉緊螺栓的彈性伸長(zhǎng)量對(duì)框架機(jī)身產(chǎn)生預(yù)緊力，直接由鎖緊螺母貼合面?zhèn)鞯綑M梁上。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須配制墊片，僅在拉緊螺栓處于張拉狀態(tài)下旋緊鎖緊螺母即可，操作簡(jiǎn)便，省去了繁雜的間隙測(cè)量與墊片配制工作。[4]2〕預(yù)緊措施及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。在框架機(jī)身預(yù)緊計(jì)算中，假設(shè)上下橫梁均為剛體，僅考慮立柱受壓，拉緊螺栓受拉情況，其受力與變形關(guān)系如圖5所示。據(jù)此得到在工作載荷F作用下不開縫的條件為接觸面上存在剩余預(yù)緊力。如果四根拉緊螺栓的預(yù)緊力施加得缺乏或不均勻，在載荷作用下立柱內(nèi)側(cè)仍然會(huì)出現(xiàn)縫隙，影響壓機(jī)的整體精度。采取的措施是將兩套液壓張緊裝置通過(guò)對(duì)角線布置，用軟管連接起來(lái)，使用手動(dòng)泵輪番進(jìn)行逐級(jí)升壓加載。例如最大加載壓力為40MPa的可按表1次序進(jìn)行加載，然后換成另一對(duì)角采用相同方法進(jìn)行。如果條件允許最好采用應(yīng)變儀來(lái)監(jiān)控拉緊螺栓與立柱在加載與卸載后的應(yīng)變情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在公稱壓力作用下預(yù)緊力7與垂直變形的關(guān)系如圖6所示。從圖中明顯看出，隨著預(yù)緊壓力的不斷升高，立柱垂直變形逐漸減小，當(dāng)超過(guò)最大預(yù)緊力時(shí)，變形幾乎趨于某向一定值。三、整體框架式液壓機(jī)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)實(shí)例1、整體框架式液壓機(jī)虛擬柔性模塊族的創(chuàng)立整體框架式液壓機(jī)主機(jī)是一個(gè)大部件,在設(shè)計(jì)和制造中為一個(gè)整體。為確保分析優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確、可靠,在有限元分析過(guò)程中將其視為一個(gè)模塊,而在CAD設(shè)計(jì)中,對(duì)照組合式液壓機(jī)結(jié)構(gòu),為設(shè)計(jì)方便,將其劃分為如圖1所示的上梁、工作臺(tái)和立柱虛擬柔性模塊,其產(chǎn)品族的建立均以虛擬模塊為單位。應(yīng)用上述建模技術(shù)建立的單動(dòng)單缸整體框架式液壓機(jī)上梁虛擬柔性模塊族見(jiàn)表4[5]2、整體框架式液壓機(jī)產(chǎn)品族的創(chuàng)立。首先從虛擬柔性模塊族中選擇各個(gè)組成虛擬模塊的模型,然后按照客戶定制的參數(shù)將其實(shí)例化,得到各組成虛擬模塊,最后按照接口參數(shù)將各虛擬模塊拼合成整機(jī)產(chǎn)品,再經(jīng)整機(jī)有限元結(jié)構(gòu)分析后,得到優(yōu)化模型。[3]表5所示為單動(dòng)單缸整體框架式液壓機(jī)產(chǎn)品族。四、結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)大型組合框架立式液壓機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行分析和研究，我們認(rèn)為，要保證機(jī)身具有較高的精度性能，必須要做到：①立柱須強(qiáng)度高、剛性好，結(jié)構(gòu)合理，符合加工工藝要求；②應(yīng)采用科學(xué)的預(yù)緊方式，合理確定立柱拉緊螺栓的預(yù)緊力，使機(jī)身充分的預(yù)緊并形成一個(gè)封閉的整體結(jié)構(gòu)；③合理選擇立柱的導(dǎo)軌調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)形式，彌補(bǔ)零件制造和裝配造成的累積誤差。在設(shè)計(jì)和加工制造中綜合考慮到以上因素將大大提高機(jī)身的整體精度。參考文獻(xiàn)：[1]徐燕申，侯亮，液壓機(jī)廣義模塊化設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用[J]，機(jī)械設(shè)計(jì)，2001，18(7):1-4[2]張興朝，基于有限元分析的模塊化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)[N]，天