機械壓力機氣墊頂冠失效原因分析及優化設計

周黨蘭，趙玲莉，徐孟誠，談揚，康國偉

（1.江蘇傲世鍛壓科技有限公司，江蘇 揚州 225000；2.江蘇正鼎重工有限公司，江蘇 揚州 225000）

0 引言

一臺閉式四點多連桿機械壓力機在拆機檢修過程中發現氣墊頂冠導軌板附近存在多處裂紋。為恢復該壓力機的使用功能，針對該氣墊頂冠存在的問題，首先對該氣墊頂冠裂紋情況進行概述，然后分析在一個沖壓周期內氣墊頂冠承載情況，采用Solid-Works 軟件對機械壓力機的氣墊頂冠進行建模，分析其承載情況，進行有限元靜態受力分析，計算其應力和變形，判斷其強度和剛度是否符合設計要求，對該裂紋產生的原因進行分析；最后對氣墊頂冠進行優化設計，使板材分布情況更合理，保證氣墊頂冠強度和剛度的同時減輕其總重量，提高其抗偏載能力，延長氣墊頂冠的疲勞壽命，恢復壓力機的使用功能。

1 氣墊頂冠裂紋情況概述

該閉式四點多連桿機械壓力機氣墊頂冠導軌支撐板附近存在多處裂紋，現場頂冠圖片如圖1 所示。由圖可知，該氣墊頂冠左右兩側面的兩個導軌支撐板開裂,左側支撐板上部有兩處裂紋，右側支撐板下部有兩處裂紋。

圖1 現場頂冠圖片

使用檢測儀器PXUT-350+全數字智能超聲波探傷儀對該氣墊頂冠進行探傷檢測，經檢測發現四處裂紋，裂紋深度已經貫穿整個板厚，氣墊頂冠裂紋位置與長度如圖2 所示。由圖2 可知，左側支撐板有兩處裂紋，在氣墊頂冠上半部分，一處裂紋高960mm，另一處裂紋高510mm；右側支撐板有兩處裂紋，在氣墊頂冠下半部分，一處裂紋高640mm，另一處裂紋高635mm；四處裂紋深度最大16mm，支撐板厚度16mm，裂紋已經貫穿整個板厚。

圖2 氣墊頂冠裂紋位置與長度

氣墊頂冠左右兩側面的兩個導軌支撐板開裂后如果繼續使用，有裂紋的支撐板強度和剛性不足，壓力機工作時支撐板受力后變形增加，支撐板上裂紋會進一步擴展，并且頂冠上載荷偏載時，頂冠上平面傾斜角度增加，頂桿受力不均勻，將增大模具失效風險，減少模具使用壽命，降低產品質量，增加制件廢品率。頂冠上平面傾斜也導致氣墊導軌局部載荷增加，導軌磨損加劇，導軌壽命縮短。為恢復設備使用功能，需對氣墊頂冠進行優化設計，重新制作氣墊頂冠。

2 氣墊頂冠失效原因分析

2.1 氣墊頂冠一個沖壓周期內的載荷分析

該氣墊為單頂冠結構，中間設有氣墊滯后閉鎖裝置，氣墊結構如圖3 所示。壓力機開機一段時間后，氣墊內充滿有壓氣體，在一個沖壓周期內氣墊頂冠承載情況如下：①沖壓前氣墊頂冠兩側的A 面和B 面承載，載荷大小為3500000N，方向相反；②沖壓過程中，氣墊頂冠B 面和D 面承載，載荷大小為3500000N，方向相反；③沖壓完成后，閉鎖釋放前，閉鎖缸工作，氣墊頂冠B 面和D 面承載，載荷大小為3500000N，方向相反；④閉鎖釋放后，此時氣墊頂冠A 面和D 面承載，向下的力合計3500000N，B 面承受向上的載荷，載荷大小為3500000N；⑤完成退料后，此時氣墊頂冠兩側的A 面和B 面承載，載荷大小為3500000N，方向相反。

圖3 氣墊結構圖

采用SolidWorks 軟件對該氣墊頂冠進行建模，材料為Q235-A 焊接件，材料密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa。建模前對其進行合理簡化，將不作為主要受力部位的小孔略去，將深度較小的沉孔略去。其模型如圖4所示。

圖4 氣墊頂冠模型

采用Simulation 模塊進行網格劃分，由于墊頂冠總體尺寸較大，定義總體網格控制尺寸為60mm，關鍵部位網格尺寸為4mm，網格比率1.1，對墊頂冠進行網格劃分，節點數1596897，單元數量1026420。按載荷對稱均布方式加載，對上述工況分別進行有限元靜態受力分析，其計算結果如表1 所示。由表1 可知，一個沖壓周期內，氣墊頂冠最大應力為116.9MPa，導軌支撐面最大應力8.08MPa。氣墊頂冠材料為Q235-A，其屈服強度為235 MPa。該氣墊頂冠全部應力值小于材料的屈服強度，該氣墊頂冠強度滿足使用要求。由表1 可知，一個沖壓周期內，最大位移為0.602mm。該氣墊頂冠許用撓度為0.655mm，氣墊頂冠剛度滿足使用要求。

表1 氣墊頂冠多個工況限元靜態受力分析結果

當沖壓過程中，氣墊頂冠D 面載荷向左偏置75mm 時。按偏置載荷方式加載進行有限元靜態受力分析，此時氣墊頂冠最大應力為128.71MPa，最大位移為0.653mm，導軌支撐面最大應力18.4MPa。該氣墊頂冠全部應力值小于材料的屈服強度，最大位移小于許用值，氣墊頂冠強度和剛度滿足使用要求。

由上述載荷分析可知，理論載荷下氣墊頂冠強度和剛度滿足使用要求；但載荷偏置后，左右方向的載荷偏置會使氣墊頂冠承受翻轉力矩，導軌支撐面應力和變形隨之增加，變形接近許用值。

2.2 氣墊頂冠失效原因分析

由圖2 裂紋位置可知，左側支撐板上半部分和右側支撐板下半部分局部載荷較大，在該周期性沖擊載荷作用下，氣墊頂冠支撐板易于出現疲勞失效。氣墊頂冠導軌支撐板產生該局部較大載荷的原因如下：

（1）載荷向左偏置。當作用于氣墊頂冠的載荷向左偏置時，左右方向的載荷偏置會使氣墊頂冠承受翻轉力矩，左側支撐板上半部分和右側支撐板下半部分局部載荷快速增加。

（2）氣墊頂冠D 面的平行度超差。當氣墊頂冠D面的平行度超差，左側高于右側時，將導致氣墊頂冠承受翻轉力矩，左側支撐板上半部分和右側支撐板下半部分局部載荷快速增加。拆機前檢測D 面的平行度為0.63mm，大于許用值。

（3）氣墊頂冠兩側的導軌板與D 面垂直度超差。當氣墊頂冠兩側的導軌板與D 面垂直度超差或者氣墊頂冠兩側的導軌間隙超差，載荷偏置時，翻轉力矩使D 面傾斜，氣墊頂冠左右兩側面的兩個導軌支撐板局部載荷將大幅增加，在該周期性沖擊載荷作用下，氣墊頂冠支撐板易于出現疲勞失效。拆機后檢測舊導軌板與D 面垂直度為0.35～0.57mm，大于許用值。

3 解決方案

3.1 氣墊頂冠優化設計

由表1 氣墊頂冠多個工況限元靜態受力分析結果可知，該氣墊頂冠全部應力值小于材料的屈服強度，且部分非承載區域應力值小于25MPa，遠遠小于材料的屈服強度，可對該區域內的板材進行優化。

拓撲優化是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，是結構優化的一種。

運用Workbench 軟件的拓撲優化模塊對氣墊頂冠進行拓撲優化。選擇優化區域為全部幾何體。將所有約束面和受力面設置為優化排除區域。目標設置為氣墊頂冠的質量最小化；設定響應約束為質量保留85%，進行拓撲優化。經過21 次優化迭代結束，拓撲優化密度如圖5 所示。由拓撲密度圖可知，氣墊頂冠左右兩塊側板下半區域密度趨向于0，氣墊頂冠前后兩塊側板下半區域密度趨向于0，氣墊頂冠中間筋板底部密度趨向于0，可對該區域內的板材進行去除優化。

圖5 拓撲密度圖

為提高該氣墊頂冠的抗偏載能力，在導軌板的內側增加十字交叉支撐筋板。采用SolidWorks 軟件對該氣墊頂冠模型進行修改，用Workbench 軟件進行有限元靜態受力分析，重新計算優化后的氣墊頂冠應力和變形，沖壓過程中氣墊頂冠最大應力120.58MPa，總變形為0.574mm，剛性提高。

表2 為氣墊頂冠偏載時優化前后應力、變形、質量對照表。優化后的氣墊頂冠最大應力降低6.32%，最大變形減少12.1%，重量下降7.79%。

表2 氣墊頂冠優化前后應力、變形、質量對照表

3.2 氣墊頂冠加工制作和裝配要求

按優化設計后的氣墊頂冠重新制作該氣墊頂冠，新制作的氣墊頂冠D 面的平面度為0.05/1000mm，導軌面與D 面的垂直度度為0.06/1000mm。

裝配氣墊頂冠時，先向氣缸內充有壓氣體，通過修磨調整墊，保證氣墊頂冠上平面與底座上平面平行，允差為0./1000mm。氣墊導軌與底座之間的裝配總間隙應保證在0.3～0.4mm 之間。裝配間隙保證措施：底座相臨兩面耐磨板裝好，在頂冠裝好的情況下，吊頂冠測間隙拆出導軌板，配磨尺寸，裝好耐磨板保證頂冠與底座間隙0.3～0.4mm。

使用期間定期復測上平面平行度、導軌垂直度和導軌間隙。

4 結論

本文針對某機械壓力機檢修中發現的氣墊頂冠裂紋問題，首先分析該氣墊頂冠的裂紋外觀，采用超聲波探傷儀進行檢測；然后分析在一個沖壓周期內氣墊頂冠承載情況，進行有限元靜態受力分析，分析其產生裂紋的原因；最后提出解決方案，對氣墊頂冠進行優化設計，使板材分布情況更合理，給出新制作的氣墊頂冠形位公差和裝配質量要求，保證氣墊頂冠強度和剛度的同時提高其抗偏載能力，減輕其總重量，延長氣墊頂冠的疲勞壽命，最終恢復壓力機的使用功能。