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造 机械曲柄压力机铸造 C 型车架罗纹对关键区域应力状态的影响 响
抽象 所提出的研究旨在确定在机械压力机 C 型框架的关键区域降低应力状态的方法。肋条是一种增加刚度的方法，也是降低运行中能耗的一种手段。因此，目标是设计新的框架模型，以确保获得呈现的特征。从这样维护的参考模型开始，在所进行的研究中，新解决方案的一个重要部分是通过肋骨框架的侧壁并确定肋骨之间的三个不同距离以及它们的各种方向而产生的。对所有设计模型进行了有限元-有限元法研究，研究了所得到的应力状态。FEA 显示，在具有肋侧壁的新模型中，应力的最大值对于所考虑的三个关键区域中的每一个都有不同的演变。在大多数新模型中，两个关键区域的最大应力降低了 2-5%，第三个区域增加了。进行的研究允许选择性能最高的新解决方案，并为应用和进一步研究提供有价值的信息。
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C 型架; 新闻; 肋骨; 压力; 有限元分析 1. 引言 在机床中，机床床身或机架在许多方面都是一个重要的部件。它支持并直接或间接引导机器的所有其他部件，并在确保运动部件轨迹的精度和机器所有部件的倒数位置精度方面发挥关键作用。此外，机床床身或机架可吸收机器任何部分的静态和/或动态载荷，并确保其所需的刚性。以最小的材料消耗制成的刚性框架是首选。压力机框架，特别是机械压力框架，具有某些特性，主要由这些机床的特定结构决定，并且由于在高行程速率下承受非常大的力，它们所承受的应变也并非微不足道。压机机架需要维持以高频率和应变的充足变化为特征的密集操作。因此，需要特别注意压力机框架的设计和尺寸，以及其应变和行为的研究。
各种文献直接或间接地涉及这一主题：博士论文，专著，科学文章和专利。Iancu [1] 对机械 C 型框架裂纹压力机进行了广泛的研究，包括考虑动态应力状态。此外，Iancu [2]将分析计算与应用于机械压力机框架的基于有限元分析的计算进行了比较。对于机械应力值的分析计算，对于缩小的框架，使用基于经典方法扩展的方法。使用这种方法，可以确定不同截面的机械应力值，而不仅仅是最大值。对于完整的应力值及其分布，需要更复杂的计算，例如 FEM。结论是，建议采用简化帧法进行验证，采用简化帧法进行验证，采用有限元法进行定量和优化。
Neumann 和 Hahn [3]考虑了各种工程模型来分析机械压力机的动态行为，作为先前研究的发展[4]。Ravi 还研究了机械压力机的计算机辅助设计及其行为分析[5]。
Trebuňa [6]指出，在框架的关键区域出现开裂，对各个区域的张力状态的研究是完全合理的。这一方面是众所周知的，在涉及压力机设计和建造的专著中被提及，有时也进行了详细说明[7]。
Khichadia 和 Chauhan [8]还对机械压力机开放式框架的关键区域如何形成裂纹进行了分析。它们还指出了建设性的解决方案，有助于最大限度地减少这种不良影响的发生条件。这种现象也存在于液压机中，Fulland 等人[9]给出了裂纹在其框架中扩展的示例分析。
Markowski 等人[10]接近铆接接头机的 C 型车架，并针对几个版本的车架几何形状，包括一些质量降低的车架，分析各个车架的机械应力状态。在这种情况下，FEM 仿真用于确定减少材料消耗相对于所研究结构刚度的效果。
从结构的角度来看，压框架有两种类型：C 型框架或半框架（开放式）和完整框架（封闭式）[11]。通常，主要由于整体尺寸和装配的原因，使用拉杆组装和预应力的封闭框架[12，13，14]。C 型骨架通常是实心结构，很少预应力[15，16，17]。C型架机械压力机通常具有单个曲柄和固定工作台。C 型架机械压力机可以倾斜或不倾斜。
在制造方面，框架可以铸造（从各种类型的灰口铸铁或铸钢用于机床部件）或可以从厚层压钢板上焊接。铸造框架的质量优于焊接框架。对于相同的建设性解决方案，钢铸件比铸铁车架具有更高的强度，并且具有更小的弹性变形（E 钢 > E 铁 ），质量较大（ρ 钢 > ρ 铁 ）和更高的成本。
C 型压力机是为中小型标称力而制造的，通常范围为 100 kN 至 1000 kN。然而，C 型框架压力机的标称力明显较大，高达 4500 kN [18]，以及非常小或非常小的台式压力机，标称力为 12-80 kN [19]。
从参考模型开始 - 罗马尼亚 PAI 25 压力机的铸造框架（图 图 1a）
- 该研究主要针对开发机械压力机 C 型框架的新建设性解决方案，以确保降低关键区域的最大应力值。不容忽视的一个相关目标也是提高车架的刚性，对至少一个生命周期内相应机器的运行能耗产生直接影响。整个研究符合可持续发展的概念，反映了科学界、民间社会和政治利益攸关方对环境和自然资源保护的负责任关切，从而确保包括子孙后代在内的平衡和长期发展。
图 图 1.PAI 25 出版社.（a）
观点;（b）
框架的 3D 模型;（c）
框架前柱的几何形状，如横截面所示。
第 第 2 章 调查手法 2.1. 参考模型
整个研究是针对被视为参考的压榨框架的建设性解决方案进行的。为此，选择了以其良好性能而闻名并得到认可的压机框架，即 PAI 25（自动倾斜压力机，标称力 F N = 25 吨），如图 1 所示，在罗马尼亚的机械制造公司中经常遇到。PAI 25 压力机框架的 3D 模型如图 1b 所示，符合原始技术文档。本文用于刚性实验测试的模型，如图 1a 所示，仅有几个细节不同，对框架的刚性和变形的影响几乎为零。PAI 25 是一款单动曲柄压力机，其主轴平行于压力机前部，根据 DIN 标准，其实心 C 型框架由 St 50-2 铸钢铸造而成，考虑了以下值：杨氏模量 E = 210，000 N / mm 2 ，剪切模量 G = 80，000 N/mm 2 ，ν = 0.3 表示泊松比。
最初，该研究旨在减少制造机械压力机 C 型框架所需的金属消耗。随着研究的进展，研究范围不断扩大，以便在制造和运营阶段考虑减少材料和能源消耗。研究框架的刚性是主要目标，实验研究集中在这一方面。仅使用有限元分析在虚拟环境中分析应力状态。为此，设计了几个类似于参考框架的框架系列。所有新型号都严格遵守参考模型，即 PAI 25 压力机框架。这些差异划分得很好，只涉及侧墙和/或前柱。对于获得的结果，这种方法允许对任何其他类型的或尺寸的铸造 C 型框架进行外推。
所有型号均使用 PTC Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 软件进行一致设计 [20]。此外，IBM Catia V5R16 [21]用于研究在严格相同的压力条件下的压力状态和所有考虑的建设性解决方案的限制。
2.2. 新颖的建设性解决方案
通过修改和肋骨侧壁获得两组新的框架。考虑了结合这两个特征的建设性解决方案，从而将各种壁厚的肋墙框架和框架。虽然不是必须的，但与研究相关的目标，并得到永久考虑，以确保所确定的解决方案需要至少增加所需金属量。与重达 1147.5 kg的参比溶液相比，带肋型号的重量增加了 8-21 kg，具体取决于肋骨的密度和方向[22]。
设计的第一个新解决方案是探索性的，它们旨在确定壁厚对框架体中发生的应力状态的影响。关于壁厚为 g = 20 mm 的框架的参考结构，为研究目的定义了四种新的变体。新型号的壁厚分别为 18，19，21 和 22 mm。
侧壁的肋骨旨在增加其刚度，并隐含地增加整个框架的刚度。以下数量定义了肋条的几何形状，图 图 2 [22，23]：
图 图 2.肋骨的几何特征。
H — 肋骨高度; x—肋骨厚度; l - 两个平行肋条之间的距离（在等间距肋条的情况下）。
显然，还考虑了框架侧壁的厚度 g。由于框架是通过铸造获得的，因此还必须注明以下数量：
R 1 —肋骨的尖端半径; R 2 —连接肋骨与壁的基半径; ω - 肋侧壁的倾斜角度。
在所有情况下，都采用了以下值：h = 20 mm;x = 12 毫米;R 1 = 2 毫米;R 2 = 5 毫米;ω = 5°.
侧壁的肋骨在方向和密度方面可以多种多样。所研究的模型考虑了水平或垂直肋条，或相对于水平倾斜角度 α 以 10 度的增量变化的肋骨。α = 0°的模型具有水平肋条（图 图 3），α ∈{10°，20°，...，80°}的模型“向左倾斜”（图 图 4），即朝向框架的前脸，α = 90°的模型是垂直肋条（图 图 5），α ∈{100°，110°，...，170°}的模型是“向右倾斜”的（图 图 6），即朝向框架的后部。对于相交的肋骨架，第二组肋骨的倾角用 β 表示。
图 图 3.PAI 25 压力机框架的 3D 模型，每 50 mm 间隔一次等距水平肋条。
图 图 4.PAI 25 压力机框架的 3D 模型，肋条向左倾斜 80°。
图 图 5.PAI 25 压力机框架的 3D 模型，每 50 mm 间隔一次等距垂直肋条。
图 图 6.PAI 25 压力机框架的 3D 模型，肋条向右倾斜 130°。
还考虑和研究了具有相交肋骨的模型，如图 7 所示，肋骨对称倾斜或不对称倾斜，相互垂直或不对称倾斜。
图 图 7.PAI 25 压力机框架的 3D 模型，相交的肋条分别倾斜 45° 和 135°。
一个单一和特殊的模型涉及弯曲和不均匀间隔的肋条，沿着参考模型系的侧壁中应力状态的某些等斜线曲线定向（图 图 8）。
图 图 8.PAI 25 压力机框架的 3D 模型，带弯曲的肋条。
已获得构思的带肋框架的发明专利[24]。
显然，由肋骨间距参数 l 描述的肋密度会影响框架体中发生的张力状态。在设计和研究的模型中，等距肋骨的间距为 l∈{50，75，100}mm。出于探索目的，仅对于水平和垂直的肋骨框架，设计和研究了间距不均匀的肋骨的模型。
仅对具有水平和垂直肋条的框架模型研究了“带肋框架”+“不同壁厚”的组合，以确定两种修改的累积效应。该研究针对壁厚g∈{18，19，20，21，22}mm 的模型和间距分别为 50，75 或 100 mm 的等距肋骨以及间距不均匀的模型进行。只有这些组合产生了 40 个建设性的变体。
大量的解决方案（和变体）需要通过代码进行识别。这是通过一个阿尔法数字系统实现的，该系统将包括所研究解决方案的特定相关方面，即：
- 与框架对应的压力机类型; - 侧壁厚度; - 等距肋骨之间的距离; - 相同方向的肋条相对于水平的倾斜角度，顺时针测量。
表 表 1 提供了这些标识符。
表 表 1.为新设计的框架和示例建议的代码标识符字段。
上表中示例的帧标识符代码如下所示：
(1) B-PAI25_g20_e75_α10 ⇔ “PAI 25 压力机框架，侧壁厚度 为 g
= 20 mm，侧壁在内部有肋条，等距平行肋条间隔为 75 mm，倾斜角度α = 相对于水平顺时针测量的 10°”; (2) B-PAI25_g19_e100 + e100_α10 + β100 ⇔ “PAI 25 压力机框架，侧壁厚度 g
= 19 mm，侧壁肋骨在内部有肋条，等距平行肋条间隔为 100 mm，一组肋条以α = 10° 的角度倾斜，另一组肋条以β = 100° 的角度倾斜（垂直肋骨）， 两者都相对于水平方向顺时针测量“; (3) B-PAI25_g21_var._curv ⇔“PAI 25 压力机框架，侧壁厚度 为 g
= 21 mm，侧壁在内部有肋骨，非等距肋条由曲线显示”。
在适用的情况下，可以省略一个或多个标识符代码序列。例如，标识符代码 B-PAI25_g20 对应于“PAI 25 压力机框架，侧壁厚度 为
g = 20 mm，具有无肋侧壁”，这正是参考结构。
调查手法
所有设计的框架模型都是在相同的应力和准相同网格的条件下研究的，这使得它们能够与参考的建设性解进行比较分析。对于每个框架模型，该研究包括应力状态，变形状态，估计刚度和所需材料体积。
3D 模型的离散化是通过四面体单元[20，25]实现的，图 图 9。在用于参考的模型框架中，获得了 55，912 个节点和 29，743个单元。在所研究的具有肋侧壁的模型中，根据其几何复杂性和体积的差异，节点和单元的数量通常最多增加 10%[20]，共同值为≈61，000 个节点和≈32，500 个元素。在具有更密集肋条的模型中可以找到更大的值，间隔为 50 mm（≈63，000 个节点和≈33，500 个元素），而最大值适用于具有相交肋条（≈67，000 个节点和≈36，000 个元素）的模型。极值对应于框架 B-PAI25_g18（55，520 个节点和 29，567 个单元），没有肋骨，侧壁厚度小，框架 B-PAI25_g20_e75_α45 + β135（68，290 个节点和 36，557 个单元），具有倾斜的相交肋。
图 图 9.PAI 25 压力机的离散化模型，参考建设性解决方案。
所有型号在静态条件下，通过作用于工作台工作面和主轴轴承孔上部的均匀分布的力逼真地加载[20，25]（图 图 10）。该力被认为等于标称力 F N = 250 kN，最大容许力。框架的约束反映了它通过四个螺栓与压力机底座的连接。
图 图 10.参考构造解中的力载荷和约束。
参考模型 B-PAI25_g20 框架的有限元分析揭示了框架体中的三个高应力区域，图 图 11：
图 图 11.参考构造解（帧代码 B0）中的应力状态。
一个。
前柱与框架台连接的下部区域（伸长应力）; B. 前柱与框架上部的连接区域（伸长应力）; C. 主轴轴承孔的面积（压应力）。
3. 结果 在参考模型中，指示的关键区域中的最大应力为：
(σ 一个 ) 0 = 11.29 牛顿/毫米 2 ;(σ B ) 0 = 8.8367 牛顿/毫米 2 ;(σ C ) 0 = 4.125 牛顿/毫米 2
在相同的三个领域，最大应力发生在所有研究的新模型中。
图 12、 图 13、 图 14、图 图 15 和 图 16 显示了具有肋状侧壁的框架中应力状态分布的示例。
图 图 12.帧 B-PAI25_g20_e75_α0（帧代码 B7）中的应力状态。
图 图 13.帧 B-PAI25_g20_e75_α90（帧代码 B17）中的应力状态。
图 图 14.帧 B-PAI25_g20_e75_α130（帧代码 B36）中的应力状态。
图 图 15.帧 B-PAI25_g20_e75_α30 + β120（帧代码 B44）中的应力状态。
图 图 16.弯曲肋骨框架 B-PAI25_g20_var._curv（框架代码 B47）中的应力状态。
表 表 2 显示了多个框架组的关键区域 A、B 和 C 中的最大应力值，这些框架组具有不同的壁厚，侧壁的肋条带有左倾斜、右倾斜、相交和弯曲的肋条。表 表 2 还包括所研究模型的关键区域 A，B 和 C 中的最大应力值与参考模型的相应值的偏差，以百分比表示并通过关系确定：
Δ(σ 一个 ) 我 = ((σ 一个 ) 我 − (σ 一个 ) 0 )/(σ 一个 ) 0 ;Δ(σ B ...