基于有限元的缝合机机架优化设计与计算

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1、送审论文基于有限元的带材缝合机机架优化设计张园园中国铝业公司洛阳有色金属加工设计研究院二〇一二年四月十六日基于有限元的带材缝合机机架优化设计张园园（洛阳有色金属加工设计研究院，河南洛阳471039）摘要：针对目前铝合金缝合机刚度较差导致缝合性能差、带材成材率下降的问题，本文构建了缝合机机架有限元模型，并以此对机架进行了静力分析及优化设计。关键词：缝合机；刚度；有限元，优化设计Abstract:Forthepoorstiffnessofaluminumalloysewingmachinewhichleadtopoorsewingperformancea

2、ndthedeclinerateoffinishedstrip,thefiniteelementmodelofthesewingmachinehasbeenconstructed,astaticanalysisandoptimaldesignhavebeendoneontheframe.Keywords：Sewingmachine;Stiffness;Thefiniteelement;Optimaldesign1前言随着对铝合金、铜合金带材生产质量与精度要求不断提高，带材精整处理技术的重要性日益突出，其连续生产工艺也逐渐成为需求非常广的一项生产技术，

3、该技术是确保整个精整机组作业时间和生产节奏的关键环节，同时，其头尾连接性能的好坏，会直接影响到连续生产中产品的质量和成品率。为实现连续生产，一般配置焊接机、冲剪式缝合机等带材接头设备，其中冲剪式缝合机因其结构简单、性能可靠、维护方便而被广泛采用【1】。在设计冲剪式缝合机时，为保证缝合性能与带材成材率，控制刀座变形，一般对机架刚度特性要求较高，同时为控制生产成本，对设备的轻量化要求也越来越高。目前一般采用经验设计，不易同时满足对机架设计高刚性与低重量的要求，针对上述问题，本文利用有限元方法对机架进行了静力分析与优化设计，为今后机架的结构改进提供指导。2

4、缝合机工作原理与工作载荷分析2.1.缝合机结构与工作原理冲裁式缝合机根据缝合接口形式可分为两类：一类为简单冲裁后人工穿带连接材料，即冲裁式缝合机；另一类为锁扣式缝合机，即缝合后靠带材相互搭接。由于前者刀在缝合过程须人工参与，而后者缝合过程无须人工参与，因此应用日益广泛。下面以铝合金锁扣式缝合机进行探讨，其结构如图1所示。图1缝合机结构1机架2上刀具3下刀具4缝合液压缸缝合机工作时，液压缸有塞腔接通压力油，工作形式为上刀固定，下刀油缸上升。带材入出口各设有导板，缝合前导板先搭接带材的头部和尾部，避免缝合时带材之间相对滑动。该缝合机采用单排”凸”字形刀具

5、，在较大压力下将两层带材冲开并锁扣。同时设备还配有脱模机构，使带材能顺利从刀具中脱出。2.2缝合力的理论计算铝带拉矫机组中的缝合机计算缝合力时，一般采用冲压工艺学中的冲裁力计算公式【2】：F1=2nKLtτ(1)L=0.01745rα(2)式中：F1——冲裁力，N；n——切口数量(带材最大宽度/刀具宽度=15，故应16个切口)；K——系数，一般取1.3；L——冲裁周边长度,此处为刀具缝透带材的接触弧长,mm；τ——材料抗剪强度,此处按最大值τb=340MPa。r——刀具半径，r=5mm；α——最大接触角度，α=157°铝合金材料特性如下【3】：σb=

6、100~480MPaτb=0.6~0.7σb=60~340MPaσs=35~500MPaδ=1~45％带材宽度B=800~1800mm厚度t=0.5~2.5mm经计算，F1为484078N根据设备结构和缝合力，利用以下公式选取液压缸规格：(3)式中D——油缸活塞直径，mm;F1——缝合力，N；P——液压介质的压力，P=14MPa;——摩擦损失，=0.95据此选择两个规格的液压缸可满足要求。则可推出单个液压缸对支架的反力F2=5.3e5N。3缝合机机架有限元模型构建Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，本文采用workbench对机架进

7、行分析。先建立机架三维实体模型，然后将其导入有限元分析软件workbench应用平台中【4】。3.1.机架材料特性与网格划分机架材料为Q235，其杨氏模量为2e11Pa，泊松比为0.3。模型的网格划分直接影响模型的计算精度与计算效率，网格过小则计算精度大为降低而精度提高有限，网格过大则计算精度难以保证，由于机架尺寸较大，单元尺寸大小为40mm，划分好的机架网格如图2所示，共有38114个节点、26276个单元。图2机架网格划分3.2.机架静力分析边界条件在机架实际工作中，机架主要受上刀座对机架横梁部位的压力及液压缸对下部的压力，通过地脚螺栓对机架进行

8、固定。因此考虑机架的极限工作情况，根据上面计算的缝合力并考虑摩擦力作用，静力分析模型的边界条件如图3（a）（