1、送審(sn shn)論文基于(jy)有限元的帶材縫合機機架優化設計張園園中國鋁業公司 洛陽(lu yn)有色金屬加工設計研究院二一二年四月十六日基于(jy)有限元的帶材縫合(fngh)機機架優化設計張園園 （洛陽有色金屬加工(ji gng)設計研究院，河南洛陽 471039）摘要：針對目前鋁合金縫合機剛度較差導致縫合性能差、帶材成材率下降的問題，本文構建了縫合機機架有限元模型，并以此對機架進行了靜力分析及優化設計。關鍵詞：縫合機；剛度；有限元，優化設計Abstract: For the poor stiffness of aluminum alloy sewing machine which

2、lead to poor sewing performance and the decline rate of finished strip, the finite element model of the sewing machine has been constructed ,a static analysis and optimal design have been done on the frame.Key words：Sewing machine; Stiffness; The finite element; Optimal design1 前言隨著對鋁合金、銅合金帶材生產質量與精度

3、要求不斷提高，帶材精整處理技術的重要性日益突出，其連續生產工藝也逐漸成為需求非常廣的一項生產技術，該技術是確保整個精整機組作業時間和生產節奏的關鍵環節，同時，其頭尾連接性能的好壞，會直接影響到連續生產中產品的質量和成品率。為實現連續生產，一般配置焊接機、沖剪式縫合機等帶材接頭設備，其中沖剪式縫合機因其結構簡單、性能可靠、維護方便而被廣泛采用【1】。在設計沖剪式縫合機時，為保證縫合性能與帶材成材率，控制刀座變形，一般對機架剛度特性要求較高，同時為控制生產成本，對設備的輕量化要求也越來越高。目前一般采用經驗設計，不易同時滿足對機架設計高剛性與低重量的要求，針對上述問題，本文利用有限元方法對機架進行

4、了靜力分析與優化設計，為今后機架的結構改進提供指導。2 縫合機工作原理與工作載荷分析2.1 .縫合機結構與工作原理沖裁式縫合機根據縫合接口形式可分為兩類：一類為簡單沖裁后人工穿帶連接材料，即沖裁式縫合機；另一類為鎖扣式縫合機，即縫合后靠帶材相互搭接。由于前者刀在縫合過程須人工參與，而后者縫合過程無須人工參與，因此應用日益廣泛。下面以鋁合金鎖扣式縫合機進行探討，其結構如圖1所示。圖1 縫合(fngh)機結構 1機架 2上刀具(doj) 3下刀具 4縫合液壓缸縫合機工作時，液壓缸有塞腔接通壓力油，工作形式為上刀固定，下刀油缸上升。帶材入出口各設有導板，縫合前導板先搭接帶材的頭部和尾部，避免縫合時帶

5、材之間相對滑動(hudng)。該縫合機采用單排”凸”字形刀具，在較大壓力下將兩層帶材沖開并鎖扣。同時設備還配有脫模機構，使帶材能順利從刀具中脫出。2.2 縫合力的理論計算 鋁帶拉矯機組中的縫合機計算縫合力時，一般采用沖壓工藝學中的沖裁力計算公式【2】： F1 =2nKLt (1)L =0.01745r (2)式中：F1沖裁力 ，N； n切口數量 (帶材最大寬度/刀具寬度 = 15，故應16個切口)； K系數，一般取1.3； L沖裁周邊長度,此處為刀具縫透帶材的接觸弧長,mm； 材料抗剪強度,此處按最大值 b=340 MPa。r 刀具半徑，r=5 mm； 最大接觸角度，=157鋁合金材料特性如下

6、【3】：b=100480 MPa b=0.6 0.7b = 60 340MPa s=35 500 MPa =1 45 帶材寬度 B=8001800 mm厚度 t=0.52.5 mm經計算，F1 為484078N 根據設備結構和縫合力，利用以下公式選取液壓缸規格： (3)式中D油缸活塞(husi)直徑，mm; F1縫合(fngh)力，N； P液壓介質(jizh)的壓力，P=14MPa; 摩擦損失，=0.95據此選擇兩個規格的液壓缸可滿足要求。則可推出單個液壓缸對支架的反力F2=5.3e5N。3 縫合機機架有限元模型構建Workbench是ANSYS公司提出的協同仿真環境，本文采用workbenc

7、h對機架進行分析。先建立機架三維實體模型，然后將其導入有限元分析軟件workbench 應用平臺中【4】。3.1 .機架材料特性與網格劃分機架材料為Q235，其楊氏模量為2e11Pa，泊松比為0.3。模型的網格劃分直接影響模型的計算精度與計算效率，網格過小則計算精度大為降低而精度提高有限，網格過大則計算精度難以保證，由于機架尺寸較大，單元尺寸大小為40mm，劃分好的機架網格如圖2所示，共有38114個節點、26276個單元。圖2 機架網格劃分3.2 .機架靜力分析邊界條件在機架實際工作中，機架主要受上刀座對機架橫梁部位的壓力及液壓缸對下部的壓力，通過地腳螺栓對機架進行固定。因此考慮機架的極限工

8、作情況，根據上面計算的縫合力并考慮摩擦力作用，靜力分析模型的邊界條件如圖3（a）（b）所示，其中施加的壓力為面載荷，具體如下：位移(wiy)約束：對機架底面進行位移(wiy)約束，約束(yush)其X/Y/Z三個方向自由度，如圖3（a）；受力：上刀座對橫梁壓力即為縫合力F1，即由公式（1）和公式（2）計算可得，分別施加在兩個面上，壓力分別為：F1/2=2.4e5N，如圖3（a）；受力：液壓缸對機架壓力F2，即根據系統壓力及所選取的液壓缸，可計算出。分別施加在圖3（b）所示的四個面上，分別為F2/4=1.3e5N。（a）（b）圖3 機架邊界條件由于機架由眾多零件焊接而成，因此有限元模型中零件的結

9、合面按照粘接處理。4 縫合機機架靜力分析與優化設計4.1 .靜力分析結果根據上述模型進行計算，結果如下圖： （a）機架總變形(bin xng) （b）等效(dn xio)米賽斯應力 （c）機架橫向(hn xin)（Y向）變形 （d）機架垂直方向（Z向）變形圖4 機架靜力分析結果根據上圖可以看出機架的最大總變形在上橫梁處為0.6mm，特別是橫梁在垂直方向的變形達到0.59mm，而最大等效米賽斯應力為48Mpa，因此橫梁處的變形特別是其在垂直方向的變形成為機架的薄弱環節。4.2 機架筋板優化下圖5所示的筋板結構對于機架橫梁的剛度有重要的影響，特別是圖中標注的筋板厚度t與整個筋板結構的高度h對剛度影

10、響更大，因此對下面尺寸分別計算：t：增加10mm、20mm、30mm（即筋板厚度為：30、40、50mm）h：增加10mm、20mm、30mm、40mm、50mm（350、360、370、380、390mm） 圖5 修改(xigi)的筋板尺寸按照上面(shng min)的尺寸重新修改三維模型并重建有限元模型進行靜力分析(fnx)，得到如下圖6所示的機架最大變形量隨筋板尺寸h、t變化而變化的情況。圖6 根據圖6可以看出橫梁變形對筋板厚度更加敏感，特別是在厚度增加較少的情況下，但是根據筋板的幾何模型，高度h增加10mm，質量增加18.06Kg，而厚度t增加10mm，質量增加73.46Kg，因此為減

11、小0.1mm變形，增加高度，僅須增加質量90.3Kg，而增加厚度則須增加質量220.38Kg，因此橫梁剛度對高度的敏感度為厚度敏感度的2.44倍。因此建議增加h50mm，此時橫梁變形減小16.9%，而機架質量僅增加1.6%（根據三維模型，機架原質量為5598.8Kg）5 結論經過有限元分析，極限載荷下，機架橫梁在垂直方向變形最大，此處剛度最薄弱；對橫梁筋板整體高度與關鍵筋板厚度的不同尺寸下靜力分析及機架重量的綜合考慮：增加筋板高度比增加筋板厚度更加有效，其敏感度為2.44:1；筋板整體高度增加50mm后，機架橫梁變形減小16.9%，而機架質量僅增加1.6%，因此建議增加筋板高度。參考文獻1 侯定坤.帶材縫合(fngh)機的縫合力計算.有色金屬(yus jnsh)加工J.有色金屬(yus jnsh)加工，2003（5）：45472 吳詩淳.沖壓工藝學M.西安.西北工業大學出版社，19873 王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊M.長沙.中南大學出版社，20024 龔曙光.ANSYS基礎應用及范例解析M.北京.機械工業出版社，