压铸机冲头和熔缸的摩擦有限元分析及实验研究

郭子利

（唐山学院 机电工程系，河北 唐山063000）

0 引言

压铸机的冲头和熔缸是压铸机重要组成部分，尤其是冲头，在压铸送料过程中容易磨损，造成失效。在压铸过程中，为保证铝合金的金属液不能通过冲头和熔缸的间隙，其间隙最大值设定为0．05 mm，冲头受热后的变形量最大值设定为0．11 mm，如果超过了冲头和熔缸的最大间隙，两者相对运动时必然会产生硬摩擦。由于冲头硬度低于熔缸硬度，因此冲头的热膨胀是造成磨损的主要原因［1］。本文以冲头和熔缸为对象，研究两者摩擦时冲头的应力分布，并结合某铝合金压铸厂的生产实际，对冲头各个部位的磨损量进行测定，找到减小冲头磨损的方法，达到预期目的。

1 仿真模型建立

将冲头和熔缸的UG三维模型导入到ANSYS中进行有限元分析［2］。其有限元模型如图1所示。

冲头的材料为球墨铸铁，其性能参数如表1所示。

由于熔缸的硬度远高于冲头的硬度。因此认为熔缸为刚体。材料不进行定义也可满足要求。

表1 球墨铸铁的参数

考虑到需进行模拟结构的接触分析，选用solid185实体定义单元类型。

冲头和熔缸的的网格分布见图2。

图2 网格分布图

冲头是易损件，可将冲头定义成柔体，熔缸定义成刚体。熔缸和冲头相接触的表面上接触对创建结果如图3所示。

图3 接触对图示

2 结果分析

熔缸设置为整体约束，并沿其轴线方向给冲头加100 mm的位移，对冲头与熔缸间的摩擦过程进行应力分析，结果如图4－7所示。

图4 摩擦过程X方向应力分布

图5 摩擦过程Y方向应力分布

图6 冲头摩擦过程Z方向应力分布

图7 摩擦过程等效应力分布

由图4－7可知，应力主要集中在冲头表层，最大值为103 Pa。应力虽然不大，但由于冲头和熔缸间隙较小，冲头表面微小的凹凸部分也会发生变形；冲头温度降低，尺寸变小，冲头和熔缸间隙变大，若间隙超过0．05 mm，金属液流进间隙中，会加剧冲头和熔缸间的磨损。

3 冲头磨损量测定

抽取4个某厂压铸后的冲头并将其洗净，发现磨损后的痕迹及少量裂纹和凹坑分布在冲头外表面上，且与冲头工作方向相同，如图8所示。

图8 摩损后冲头

用螺旋测微器对冲头进行磨损量测量，结果如表2所示。由表2可看出，冲头的实际磨损以冲头的端部最为严重。

表2 冲头各个部位磨损量的测定

4 减小冲头磨损的改进意见

4．1 改进冲头的材料和性能

对球墨铸铁进行有针对性热处理以增加耐磨性；同时采用铍青铜、奥－贝球铁等材料替代球铁材料以减少冲头摩擦［3］。

4．2 调整间隙［4］

将冲头和熔缸相配合的公差等级调高至H6／g5。从而使冲头受热后的最大变形量介于冲头和熔缸的间隙内，减轻冲头磨损。

4．3 改善润滑条件［5］

将石墨按比例添加到润滑油中，提升润滑的效果，从而提高冲头寿命。

5 结论

本文以冲头和熔缸为主要研究对象，利用UG三维软件进行三维建模，利用有限元分析软件ANSYS进行了应力分析，并对冲头磨损量进行测定，得到冲头端部磨损最为严重的结论。考虑实际生产活动提出了减小冲头磨损的改进意见。

［1］ 张兆云，王海生．连铸球铁型材在压铸机冲头上的应用［J］．铸造技术，2000（2）：24－25．

［2］ 李建军，李俊山，李钊，等．基于特征的三维模型简化算法研究［J］．系统仿真学报，2007，19（11）：2434－2436，2514．

［3］ 刘环，崔雅茹．压铸机压射冲头的改进［J］．铸造技术，2004（10）：787－788．

［4］ 田雁晨．金属压铸模具设计技巧与实例［M］．北京：化学工业出版社，2006：45－60．

［5］ 张兆云，王海生．连铸球铁型材在压铸机冲头上的应用［J］．铸造技术，2000（2）：24－25．