4 500t压铸机合模机构的运动及强度仿真分析

2014-12-31张建功马海宽李培力刘慧超高尚辉

机械工程与自动化 2014年2期

张建功，马海宽，李培力，隋健，刘慧超，高尚辉

（中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032）

0 引言

压铸是一种高效精密铸造方法，其在实际生产中效率高，能够生产各种复杂结构的零部件，且生产的产品具有组织致密、力学性能好、尺寸精度高等优点，因此压铸机在航空航天、汽车、轻工等行业应用广泛。压铸机的合模机构在压铸机整体中占有重要地位，合模机构直接决定了铸件金相组织的精密和机械性能的良好，同时对压铸机的生产效率有很大的影响，因此人们对合模机构的设计一直都很重视，力争在合模平稳可靠的基础上得到较大的放大比、行程比，获得较好的速度、加速度运动曲线［1］。目前，压铸机广泛采用双曲肘五铰点斜排列合模机构，其运动特性好，机构刚性大，合模速度快，生产率高［2］。虽然双曲肘五铰点斜排列合模机构能够锁紧模具，满足安全、可靠等方面的要求，但对其运动和力学特性的分析较少。本文将通过ADAMS软件进行运动和力学分析，给出最佳合模机构临界角，最后应用ABAQUS软件进行合模机构的强度分析。

1 合模机构原理

虽然目前我国生产的压铸机的合模机构种类比较多，但大多形式为合模油缸与双曲肘铰链机构，如图1所示。其工作原理为：系统的驱动油缸通过驱动小撑臂移动进而使合模机构摆动，合模机构向前摆动推动动模板在拉杆上轴向滑动，达到了开合模的目的；当合模机构运动到终点前某一位置时，模具刚好碰上，合模机构在油缸推动下继续运动，迫使合模机构部件发生弹性变形，从而对模具产生压紧力（即合模力）；运动终止时，合模机构处于自锁状态，这时即使合模油缸卸荷，合模力也不会消失［3］；压铸结束后，油缸返回，带动锁紧机构回退，使合模力消失。

图1 双曲肘五铰点斜排列合模机构的平面图

2 合模机构运动特性分析

图2为压铸机双曲肘五铰点斜排列合模机构运动原理图。

图2 合模机构运动原理图

图2中，Sm为压铸机动模板行程，S0为压铸机油缸行程，C1为压铸机动模板上的前支铰，C为压铸机任意位置，E为压铸机后支铰。为了清晰简明地分析双曲肘连杆机构运动状况，本文将此机构看作是由2套对称的单曲肘五支铰曲肘连杆机构组成，每1套单曲肘又能够认为是由2组曲柄连杆滑块机构组成。在油缸不作用时，C点的移动量也就是合模机构动模板行程，即：

其中：α是合模机构的曲肘角。

把合模机构开模极限位置时的C点视为合模机构的初始点，把合模机构的前、后肘杆拉直成直线位置时的C1点视为终点，即：

设肘杆比λ＝L1/L2，则：

由式（3）和式（4）可将式（1）转化为：

当合模机构的前、后肘杆拉直成直线时：

其中：XCmax为合模机构的前、后肘杆拉直成直线时C点的最大移动量。

当合模机构位于开模极限位置时：

其中：XCmin为合模机构在开模极限位置时C点的最小移动量。

那么合模机构的模板行程为：

根据图2进行结构分析，小撑臂A点的移动量即为油缸行程。以合模机构的开模极限位置时的A点为初始点，即取XAmin＝0，以合模机构的前、后肘杆拉成直线位置时的A1点为终点，即：

其中：φ0为合模机构处于开模极限位置时十字头与水平方向夹角；φmax为合模机构开模前后肘杆处于直线位置时十字头与水平方向夹角。

合模油缸行程为：

再由三角变换公式可得：

3 三维建模及ADAMS仿真

利用三维造型软件Pro/E建立合模机构实体模型，然后将其导入到ADAMS关系系统，如图3所示。对模型进行仿真计算，得到力和位移随φ值的变化情况，分别如图4和图5所示。从分析结果可以看到，4 500t压铸机的合模机构当φ值为173°时，模具产生了最大合模力2 250×2＝4 500t，油缸再移动使合模机构达到自锁状态，此时φ为175°，保证工作时不被冲开，满足了要求。

图3 ADAMS环境示意图

图4 位移随φ值的变化示意图

4 强度分析

本次研究由于压铸机接触机构很多，故采用ABAQUS软件进行有限元分析。根据特征建模的思想，对有限元模型在实物的基础上进行了简化，去除了小的圆角、孔等，利用压铸机的对称性，本文只对压铸机的1/2进行强度分析。

4.1 模型仿真参数设置

在有限元分析中，材料的本构模型参数直接决定着计算结果的精确度。本文依据压铸机实际构成材料，选取弹性模量和泊松比分别为200GPa和0.3［4］。压铸机有限元分析时边界条件设定为：前模板底面施加完全约束；根据模型的特点，施加对称约束；动模板可沿着导向柱滑动，起导向作用；液压缸的油压为16 MPa，结构间的接触根据实际约束定为滑动接触，摩擦系数为0.07。单元划分时，合模结构划分较细［5］，单元大小定为6mm～10mm，其他部位的单元大小为20mm～30mm。合模机构有限元约束定义和网格划分如图6所示。

图5 力与φ值的关系曲线

图6 合模机构有限元约束定义和网格划分

4.2 结果分析

在结果处理中，模型采用单元平均法进行应力计算［6］。压铸机合模机构整体应力分布如图7所示，从中可以清晰地看出，合模机构大部分单元的应力都在80MPa以下，而在某些局部单元，应力可达到200 MPa以上，应力较高，如图8所示，最大应力集中在铰孔安装处，达到了220MPa。通过以上分析可知，当合模机构的φ值为175°时，应力在控制范围之内，满足安全稳定工作的要求。

5 结论

本论文利用Pro/E软件建模，通过ADAMS进行运动仿真分析，得出合模机构角度φ和力与位移之间的关系，并确定了模具接触时的最佳角度。然后对优化结果进行强度分析，通过ADAQUS的仿真，验证了合模结构的安全合理性，为压铸机在实际中安全稳定工作提供了保证，节约了压铸机合模机构的设计时间，提高了设计效率，对压铸机的发展提供了有力的支持。