文/肖政，荣璐，闫长海，盛娟·江苏省徐州锻压机床厂集团有限公司

整体框架式双点压力机机身有限元分析及优化设计

文/肖政，荣璐，闫长海，盛娟·江苏省徐州锻压机床厂集团有限公司

肖政，工程师，主要从事智能锻压机床的研发设计及售前售后服务技术支持工作，参与完成的SD-110型数控型开式多工位压力机项目荣获江苏省科学技术进步奖三等奖，拥有2项发明专利、5项实用新型专利。

整体框架式双点压力机机身结构特点

机身是压力机的主要部件之一，机身把压力机的全部零部件联结成为一个整体，当压机工作时，机身承受金属的变形力，机身在变形力的作用下出现的弹性变形会影响到冲压件的质量和模具的寿命。另外，运动部分的速度和受力的变化引起的振动，将部分地被机身吸收。机身的特点是重量大，约占整个机器的60%；结构复杂，加工量大，约为整个压力机加工量的30%。因此，机身的设计质量对节约金属材料、提高产品质量及压力机的外观形式等方面都有很大的影响。

机身的设计要求

机身在满足一定强度和刚度的要求下，力求重量最轻，以节约金属；机身的结构力求简单，便于压力机的部件及零件的调整、修理、检查和吊装，还必须具有好的工艺性，易保证加工精度，减少加工量，这对降低压力机成本和缩短制造周期都非常重要；机身必须有一定大小的底面积，以保证压力机的稳定性。在满足以上要求的情况下，还应力求机身外形的美观。

曲柄压力机的机身一般有开式机身和闭式机身两大类，开式机身因刚度差，精度及稳定性不好，主要应用于要求不高的400t以下的压力机中。闭式机身一般称之为框架式机身，这类机身从组成的方面来分有整体机身和组合机身。组合机身结构复杂，加工及安装调试周期长，成本较高，对于630t以下的闭式双点压力机而言，整体框架式机身在结构、交货周期及成本面具有明显优势，非常受市场欢迎。本文就是针对整体框架式机身进行分析的。

建立模型

整体框架式压力机机身结构如图1所示。

根据机身刚度计算方法，从图1所示结构来看，影响机身刚度与重量的主要因素在机身侧板、前额板、齿轮箱板和下支承板四块板料上，所以我们依此设定不同变量建立三维模型，对不同模型进行有限元分析，观察不同尺寸对机身刚度与重量的影响。机身三维模型如图2所示。

图1 整体框架式压力机机身图

图2 机身三维模型图

有限元分析

为了简化计算，更加突出各变量对刚度的影响，现将对机身的有限元分析分为三部分：即分别对机身侧板部分、上梁部分（包括齿轮箱板及前额板）、下梁部分（包括下支承板）进行分析（在分析其中一个部分时，其余两个部分相关数据为常量）。有限元分析图如图3所示。分析涉及参数：侧板厚度尺寸A、前额板宽度尺寸B、前额板厚度尺寸C、下支承板宽度尺寸D、下支承板厚度尺寸E、齿轮箱板宽度尺寸F和齿轮箱板厚度尺寸H。

图3 有限元分析图

⑴对机身侧板因素进行分析。表1是以侧板厚度尺寸A为变量（其他尺寸不变）的有限元模拟结果。通过分析可以发现：侧板厚度尺寸A对上梁及下梁刚度影响不明显，对机身重量却有较大影响，每增加10mm厚度，机身重量增加2.4t。

⑵对上梁部分进行分析。将前额板宽度尺寸B及厚度尺寸C，齿轮箱板宽度尺寸F及厚度尺寸H设为变量，其他板材尺寸不变，有限元分析结果见表2。通过有限元分析发现，前额板宽度尺寸及齿轮箱板宽度尺寸对上梁刚度影响较大，厚度尺寸对上梁刚度影响较小，因此增加这两块板的体积对整机重量影响较小。

⑶对下梁部分进行分析。将下支承板宽度尺寸D及厚度尺寸E设为变量，其他板材尺寸不变，有限元分析结果见表3。通过有限元分析发现，下支承板宽度尺寸对机身下梁的刚度影响较大，厚度尺寸对下梁刚度的影响次之，因此增加此块板料的体积对整机重量影响不大。

表1 对机身侧板进行分析

表2 对上梁部分进行分析

表3 对下梁部分进行分析

总结

将整体框架式双点压力机机身分成三大部分，通过三维建模及有限元析，我们可以很直观地找到各块板料对机身各单元刚度及重量的影响，为设计提供了理论依据和数据支撑。从本文所举例的闭式双点250t压力机计算数据可以看出前额板、齿轮箱板、下支承板的宽度及厚度尺寸对机身刚度影响较大，尤其是宽度尺寸，我们在优化设计时可以重点考虑增加这几块材料的尺寸以提高机身刚度，减小其他板材尺寸以降低整机成本。举一反三，在其他类似的结构件中，我们可采取同样的分析方法，快速、高效地针对用户的需求设计出最高性价比的产品。