液压冲压成形精密驱动结构设计方法与实例研究外文翻译资料

液压冲压成形精密驱动结构设计方法与实例研究

摘要：

液压机的结构刚度对工件的成形精度有很大的影响，特别是在近网或网形成形中。传统的刚度规范的液压机是凭经验确定，导致在设计不足或超过足够的刚度的压结构。在本文中，提出了一种液压机的结构设计方法，其成形精度驱动，可以通过轻量化优化使机性价比提高。

该方法包括五个步骤：

（1）冲压件成形精度要求的冲压刚度规范的确定

（2）根据刚度和工作空间的要求，按结构的概念进行设计；

1. 由概念设计等价转换为原型的液压结构的原型设计；
2. 通过对关键结构参数的选取进行了敏感性分析的原型设计并进行了优化原型设计，

（5）通过一个案例研究的结构的方法被证明和验证100液压压下机的设计

关键词：液压机；结构设计；精密成形；概念设计；原型设计；优化设计

成型是一类有效的零件或产品的制造工艺，成形一般是通过施加压力，在压力作用下的塑性变形与塑性变形同时进行的。液压机是一种由立柱、上横梁、下横梁、动力机构和液压系统组成的压力机。上横梁和下横梁由立柱连接，以形成一个框架，以承载压力机的工作载荷，而可移动的活动横梁由液压系统驱动，以产生成形过程的工作载荷。由成形，冲压，模具和工件构成一个过程系统。压力机的框架和冲压的工件，在成形过程中的相互作用会产生显着的弹性变形。该框架的变形，如弯曲、倾斜等，通过模具复制到工件上，并造成工件的成形误差。在网或近网成形中，这种成形误差必须限定在严格的公差内，否则，他们可能会导致成型故障。这挑战了液压机的结构刚度，然后按结构需要形成精度要求方面进行设计。

德格和兰格总结了工件精度成形的影响因素，并采取了的成型机的刚度作为一个重要的影响因子。德格和西尔伯巴赫强调有必要提高形成机精密成形的刚度和精确度。布雷赫尔等回顾液压机的相互作用，模具和工件的成形处理。

液压机的建模，分析和测试刚度，和相关的成形误差已经通过几个研究小组开始进行。欧提出来预测在三维复杂形状下，由于按几何误差和弹性变化计算尺寸误差的方法，通过使用液压机刚度基质制剂用于锻造操作的压挠度，欧发现了弹性变形锻模偏差和压几何误差之间的定量关系，以及，它是锻造力的功能，按刚性和空间关系的锻模之间的

压力关系。克鲁安等用有限元模拟和逆分析技术的方法，研究按刚度对热锻操作产品质量的影响与融合实验测量，科洛斯等[6]提出了通过实验和有限元模拟，表征与实验压力机的组合的决心和对液压机和刀具系统轴向偏转特性建模系统的方法，同时与有限元模拟工具系统。布雷赫尔等[提出的方法，其耦合锻造模拟与外部机床仿真系统和非线性弹性按模型来考虑过程和机器之间的相互作用，从而优化模具设计与个别地适应特别产生按实现净形或近净形成形。科洛斯等提出了一种结合实验和有限元数值方法 ，工具按（WTP）系统和刀具负载，提高在多级冷锻加工产品的精度，来确定的工件挠度。已成功应用的方法，以提高工具的负载，WTP挠度和旋转的预测用于生产汽车零件的.查得尼威仔等提出了按刚度的测量中，其描述了根据垂直压力机刚度一个概念受限中风和横向载荷用6times;6灵活性矩阵，并且确定由特殊加载和测量装置的灵活性矩阵。阿伦措夫特等开发一个测试，以确定按刚度，它由六个载荷/挠度曲线描述了一种压榨和两个假定旋转点。压力机的六个刚性组件从六个载荷/挠度曲线和假定旋转点获得的。阿伦措夫特和伲时也提出了一个方法来确定6times;6的灵活性矩阵的新闻刚度，其中包括分别适用居中地和偏心的水平和垂直负荷的印刷机框架从荷载-挠度曲线测定相应的偏转和确定的硬度。贝伦斯等人提出了一个标准化的成形机器的静态和动态特性的测量程序。

除了从造型的冲压刚度和相关的成形误差，有限元分析和优化设计的应用也影响了

压力机的强度和刚度校核，重量轻，刚度增强的常规设计，迄今文献主要是通过对冲压件的建模和补偿，以及相关的成形误差，以及有限元分析和优化设计，提高工件的成形精度，并对成形精度进行了考虑，这一问题长期以来一直存在于液压机的设计中。

本文提出了一种结构设计的方法提出了液压机，其成形精度—驱动，可以使按成本效益

轻量化优化

1设计方法

第二页呈现结构设计的一般流程图。的结构的设计，从确定的性能的性能要求的分析开始

规范结构（静态和/或动态刚度）。考虑到机械结构的复杂性（比束或简单的机械部件的棒等），结构的优化，应根据数值模型（如有限元分析，有限元分析）的试验设计（DOE）和近似最优造型设计（如响应面建模，RSM）这样的近似最优的建模是唯一有效的在设计空间中的最优解附近的有限区域。这需要一个合理的初始猜测的最佳解决方案，构建覆盖最优解的有限区域。合理的初始猜测的最佳解决方案，即，原型的结构，可以实现结构设计模型，它可以是经验或力学为基础，在性能和工作规范的结构。

基于结构的上述一般流程图设计，水工结构设计方法压力机被提议作为示于图3.它包括五个步骤：

（1）按刚性规格的判定根据所需要的成形精度或错误;

（2）压结构在概念设计的刚度和工作区的规格方面，和基于解析液压的结构配置

记者结构的力学模型;

1. 原型设计方案的结构由等效概念设计转化为原型，这将作为下面的参考模型步骤;
2. 液压机的关键参数的选择通过结构为原型设计的敏感性分析;
3. 通过报刊结构的优化设计优化原型就关键参数刚度要求，用轻压DOE，FEA和RSM。该方法的要点是让机械结构刚度刚好够用，重量轻，然后成本效益的，由需求驱动工件成形精度。

1.1液压机刚度规格的确定

对于一个给定的冲压模具工件加工系统，当工件的几何误差和热变形被忽略时，工件的成形精度取决于工件的刚度。压力机的刚性规范可以通过分析压机，模具，并在此过程系统中的工件之间的相互作用成反比确定的。对于偏心自由放入成形处理系统，如图4，力P1和2P2，其通过液压缸提供，施加到加压模具工件处理系统;和工件发生变形经由力并且处理系统来填充模具的腔。分析过程系统的行为时，系统被分解为三个组成部分：柱塞，模具和工件，和下梁（见图5），图5（c）给出了下梁的负荷和挠度。P1和2P2被转移到由所述处理系统中的下梁的分布式负载流量，然后导致下梁的垂直偏转。

图5（a）显示该内存的负载。P1和P2在RAM上而与，从上模的反应力，在其底部的行为。这些荷载是中心对称的应用在偏心荷载自由成形工艺系统的RAM。这使得该内存比弯曲更为压缩。其结果是，该存储器的垂直偏转将远小于较低的光束，并且可以被忽略，以简化分析。

图5（c）说明了模具工件的子系统。由于过程系统的组成部分的压缩变形，可以补偿由中风的新闻，模具将保持在最后阶段形成的成形。同时，上模和下模与闸板和下梁的紧密接触，考虑到模具的弯曲刚度比下梁（只有约20 / 1）小得多（约20）。这使得下模复制的下横梁的垂直偏转，工件复制的下模进一步的偏转，并产生工件的成形误差。因此，较低的光束的成形误差和垂直偏转之间的关系应该是

其中是工件的长度；L为梁下部纵向（沿梁跨的经度新闻列中心线之间的距离）； FLB是下梁的挠曲;是工件在行程方向上的成形误差

用式（1），刚度规范或下梁的容许偏转可以由特定工件的成形公差确定。刚度在这个步骤中确定的规格将2.2和2.5的设计约束。

1.2按结构概念设计

该概念模型简化压力机结构的申述机械等效性条款。概念设计的目的是通过采取刚度和工作区的规格，和压结构作为约束的强度条件以确定按结构的概念模型的属性。短促和解析性是概念模型必要的，以便解决它的属性。从这样的观点，这将是一个合理的办法通过分析模型与材料的力学根据压力机配置进行压榨结构的概念设计。

1.2.1立柱

由于立柱功能是连接上部和下部横梁，以形成压力机框架，柱承担的拉伸载荷和次要力矩

壳体的四列帧结构。用于预应力帧配置，该列由两部分组成：拉杆负有拉伸载荷和

其中蕴藏着压缩载荷和次要时刻支柱。拉杆的应力为单轴拉伸，而支柱是单轴抗压强度如果一时的效果被省略。列或其组成部分的横截面面积可以在最大拉伸或压缩负载的角度来确定的，该柱的强度材料，并且横拉杆和立柱的刚度的协调。

立柱的长度将在工作区中规范的条款所决定后的上和下横梁的概念模型与轻质优化求解，柱杆或连杆的横截面参数将在上，下横梁的概念设计被称作。

1.2.2上下横梁

由于上部和下部的弯曲刚度，压力机的横梁比柱大得多，它们可以被视为简支梁。

上梁承受液压缸，它可以被简化为集中力的反应负荷。下梁承受从下模具传送的工件的成形载荷。下梁的负荷可以被视为下部模具和下梁之间的接触表面上的均匀分布的压力。接触面的大小通常是梁的跨度的2/3。

通常，压力机的光束的结构配置被设计成一个箱式与内肋。梁的这种类型的结构配置的横截面可以是等同于I形，如图所示。 6.这一工形梁被命名为在本文概念梁。第二区域的时刻和概念梁的截面模量可以由方程来计算。

基于力学模型，梁的横截面可以通过最小化束的体积和嵌入段的总和被设计

在梁的柱杆或拉杆（参照图1）

1.2.3 柱塞

对于柱塞，考虑到压头的负荷和约束特性（参照图5的（a）），压头比弯曲更压缩。从而压头可根据设计到抗压强度条件：

其中Pi和艾是由圆筒施加的压缩负载I（I= 1，2，...，n）和柱塞，分别对应的最小承载面积; [sigma;]在容许柱塞材料的压缩应力。

1.3结构原型设计

压力机结构的原型设计是通过概念设计到物理结构的转换通过补充额外的设计进行

属性，如厚度，空间和纵向和横向肋的数量，并且本地加强肋配置。对于一般的规则

转换是横截面的属性，如面积和I形梁的腹板厚度的等效。

1.4结构敏感性分析和关键参数的选择

为了有效和高效地优化压下结构，应将其关键参数作为优化设计变量。通过对样机结构性能的敏感性分析，对关键参数进行了评价和选择。如1.1节所讨论的，结构的刚度或挠度对工件的成形精度至关重要，同时，应尽量减小压块的质量，降低材料成本。从这一点来看，以刚度和质量分析的灵敏度和优化新闻结构的性能指标是合理的。

结构性能指标参数XJ的敏感性SIJ可以计算的，通过比较敏感度，重要的（关键）和不重要的结构参数可以被分类。

1.5优化压力机结构

压力机的形成精密驱动设计结构可以用最小的质量来实现。压力机结构受到刚性规范和强度的限制。压力机结构的优化可以进行基于原型设计压力机的试验设计（DOE）的方式，参数化有限元模型（FEM）和响应曲面造型（RSM）。用于优化的流程图中7所示.

2案例研究

该案例研究是对100MN油压机的结构设计由上述建议的方法。该100 MN按（THP10-10000），如图所示1，为等温精密成形钛合金工件。该压机结构配置为预应力混凝土框架更好的整体刚度。新闻被指定为一个60 MN主工作缸和4个10 MN辅助缸提供100 MN的公称力。工作

压力机的规格如表1所示

主工作缸的最大负载 60 KN

辅助缸最大负荷 4times;10 KN

冲压毫米 1600行程

模压头和下梁之间的最大距离 3000毫米

拉杆的中心线之间的经度距离 L4450毫米

拉杆中心线之间的距离纬度 1980毫米

工作台尺寸（经度纬度times;）毫米times;3000毫米times;3500

辅助缸的中心线之间的经度距离300

成形精度（的平面度公差Phi;1 000毫米（LWP=1 000 MM）盘工件） FWP0.23毫米

2.1刚度规范

根据压机波束的经线跨度和刚度比Ks的，上梁的容许偏转是f=1.39mm

根据公式（1）和成形精度，下梁的容许偏转是f=1.02mm

因此，下梁和上梁的容许偏转将为1.02毫米-1.39毫米

2.2方案设计

2.2.1柱

当前压力机的预应力机架的列包括拉杆和立柱的。拉杆的截面积应在条款确定

因为它的循环拉伸载荷疲劳强度的主要因素;而支柱的截面面积将通过考虑拉杆和立柱的刚度协调导出。

2.3样机设计

图10（a）和（b）是上下横梁的原型设计。梁的I形等效截面的纸幅转换到四个纬度肋条等效厚度。然后纬度肋被构造为形成大致正方形肋细胞。加强梁，其中，所述辅助汽缸中，拉杆和中列支柱被安装在梁的区域的设计与辅助倾斜肋。在下部横梁的中间高度增加，适应指定行程.FIG的喷射汽缸。10（C）给出了压机的RAM的原型设计。由于压力机的主缸被指定要被嵌入在冲压，推杆的高度是相同的，该圆筒的。冲压的长度和宽度根据工作表的尺寸设计。上的四个辅助气缸的柱塞的安装位置，倾斜肋是冲压的顶部和底部板之间设置为承受所述辅助气缸的作用力。每个倾斜肋容纳10 MN的上一个635吨平方毫米区域由相应的辅助气缸施加最大载荷（t是倾斜肋的厚度）。当选择Q235钢作为冲压的材料，根据公式（5）和的抗压强度材料（表4），测定倾斜肋的厚度为90毫米。具有相同的厚度附加经度和纬度的肋作为倾斜肋是用于增强

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