摘 要：建立球头销三维模型做静态分析，并在此基础上利用SolidWorks Simulation对球头销进行疲劳分析，得到等效应力和生命周期等相关数据，最后对其优化设计，在满足应力要求和轻量化的前提下，比较分析优化前后的结果。

关键词：压力机；球头销；疲劳分析；SolidWorks Simulation

传动系统是高速精密压力机的核心，其曲柄滑块机构之间须有圆周运动和直线运动的转接点，经由这个机构将圆周运动转换成滑块的直线运动，而转接点的连接形式主要有球头、球臼式和柱销、轴套式两种。球头式可使结构紧凑从而降低压力机高度，而且受力面积较大具有自适应性，保证了传动系统的高刚度和稳定性，但加工较为困难；柱销式随着压力机公称力的增大柱销直径就要相应加大，另外其通孔的同轴度和柱销圆柱度是加工难点。对于中小型压力机，球头式连杆结构应用普遍。

压力机在不停地高速冲裁工作时，虽单次作用力不足以导致球头销失效，但载荷呈周期性变化反复作用，随着时间的推移，设计就很有可能会出现疲劳破坏。使用Solid Works Simulation对其进行疲劳分析，并在满足高速精密压力机对于寿命的一般要求下，实现球头销的优化设计。

一、静态分析

由疲劳分析的一般过程可知，疲劳分析的前提是对零件进行力学分析，找到载荷作用下构件的结构危险部位的应力及应变。

1.三维建模

根据企业提供的工程图纸，建立了钢圈三维实体模型，参照有限元简化模型的一般原则，在保证钢圈结构力学性能不变的前提下，将所建立的模型加以简化。

2.静态分析

静态分析的结果可以作为疲劳分析的前提条件。

（1）球头销的材料为40Cr，各项指标如表1所列。

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（2）球头销只在压力机冲压坯料时才会受到最大负荷，其受力面积等于球头与球臼的接触面积；本机为400t四点压力机，故静态分析时每个球头销受到100t冲裁反力。

（3）球头销突台圆柱面和螺钉孔使用“固定几何体”夹具，并采用“基于曲率的网格”高品质划分网格，仿真分析得到的等效应力云图和合位移云图。

球头销所受最大等效应力在球头颈圆周节点上，大小为272.5MPa，远小于40Cr，材料屈服强度785MPa，因此原设计是安全的。

二、疲劳分析

观察发现，当材料或结构经常处于载荷不断加载和卸载的变动过程中，即使材料或结构的应力值始终没有超过材料的强度极限，甚至在低于弹性极限的情况下就可能发生破坏的现象，就叫疲劳破坏。结构或机械直至破坏前所作用的循环载荷的次数或时间称为疲劳寿命。疲劳寿命分析是指确定疲劳寿命的方法。

定义压力机球头销疲劳分析的“添加事件”按以下方法实施：（1）压力机在两班制工作时，且遵守使用规则的条件下，至第一次计划大修的使用时间一般应为5～8年。本机滑块行程次数为400spm，故“周期”输入3072000（按8年计算）；（2）添加的材料属性中自带40Cr的疲劳S-N曲线，插值取双对数，应力比率R=-1；（3）疲劳分析的属性设置依次为“随意交互作用”“对等应力（von Mises）”“Soderberg”“疲劳强度缩减因子（Kf）为1”。运行分析得球头销经过3072000次的冲裁撞击后，其最小生命周期为4×107。

三、优化设计

由于机构间的相互制约，原设计可以在四处选取变量进行尺寸约束，其中球销直径知：dB=3.9～5.7■.

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式中：P0—球头上的作用力（kN），且P0=1000KN。

故dB=123.33mm～180.25mm，另外球头颈直径、球顶圆直径和球盘直径范围分别设为（70mm，95mm）、（64mm，100mm）和（120mm，200mm）；约束为应力小于750MPa；目标是质量最小（原质量为10.5kg）。

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运行优化便能够得到新的球头销结构，其变量尺寸的前后值对比如表2。对此作静态分析和疲劳分析，可以得到优化设计后的生命周期，最小生命周期为3654000，大于3072000；最大应力为401.9MPa，小于785Mpa；质量减至6.34kg。

本文针对高速压力机球头销的疲劳分析，可作为其他受冲裁反力作用下机构疲劳分析的参考；利用Solid Works Simulation从建模到分析，无需导出数据和转换界面，提高了工作效率；随着压力机向着的大型化、高速精密化、自动化的趋势发展，以及加工设备和工艺的不断升级，三点传力柱销式的连杆结构也有其独特的优势。

参考文献：

叶修梓，陈超祥.SolidWorks Simulation高级教程[M].机械工业出版社，2009.

作者简介：郑佳，男，1989年2月出生，就职于江苏徐州工程机械高级技工学校，研究方向：机械类。

編辑 孙玲娟