5000kN 双梁式复合材料液压机结构设计与有限元仿真

2023-11-22秦永红严建文李贵闪王海明

锻压装备与制造技术 2023年5期

秦永红，严建文，，董娜，李贵闪，刘琼，杨晨，王海明

（1.安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232000；2.合肥合锻智能制造股份有限公司，安徽合肥 230601）

0 引言

目前，复合材料的模压工艺均采用三梁四柱结构液压机，不仅制作成本高、结构冗余、总高度过高、抗偏载系统薄弱或未设有抗偏载系统，使压制出的零件厚度不均匀。国内双梁结构液压机的研发处于新兴阶段，尚未涉及到活动横梁高度调节问题，使压机无法适应复合材料模压工艺生产线模具高度不同需要活动横梁压制高度不同的情况。

本文根据复合材料压制工艺特性，设计一种双梁四柱的新型液压机结构，此结构活动横梁能配合不同模具高度调节位置，具有上下两个抗偏载系统。

1 双梁液压机结构

1.1 液压机主要技术参数

双梁液压机主要技术参数如表1 所示。

表1 双梁四柱液压机主要技术参数

1.2 双梁液压机结构设计

如图1 所示，整机主要由活动横梁、底梁、栅格立柱、工作缸、调平缸、柱塞推梁缸、安全锁定装置、导向系统、压缩工作台等重要部件组成[1]。机身结构件采用钢板焊接结构。其中整体框架不同于传统复合材料液压机在于满足液压机强度、刚度要求的情况下，简化掉上横梁结构。该液压机以立柱作为连接机架，四根立柱的顶部共同安装有活动横梁，活动横梁与四根立柱的交汇处均设有安全锁定装置，底梁的中部固定连接有主油缸，底梁上位于主油缸的四周两两对称固定连接有四个调平油缸。通过设置对活动横梁位置进行精确锁定和解锁的安全锁定装置，在对活动横梁高度进行调节前后，受控将活动横梁解锁与锁定，使得本装置能够适应不同高度的模具，安全锁定装置栅格锁定与双楔形导向套配合精确控制活动横梁的平衡度与底梁上四缸调平系统共同组成双抗偏载系统，使得压制出的零件更为精密。工作油缸推动模具向上移动，与活动横梁上模块合模、锁模从而实现工件模压成形。

图1 双梁四柱液压机结构模型

1.3 模型的建立与简化

双梁四柱式液压机各组成部件全部按照实际设计的实体模型建立。但机身结构比较复杂，在Ansys中难以进行分析处理，所以需要对液压机机身进行简化处理：①由于整个液压机除了油缸与立柱，底梁、滑块、压缩工作台均为钢板焊接而成，因此分析前对钢板进行固连处理；②为了减小网格划分的难度，提高计算时的收敛性，将一些螺栓及螺栓孔简化掉，以及立柱上的栅格简化成平面[2]为了提高计算效率、将横梁上的夹具、模具、油缸及工件、工作台均简化掉，根据机架的实际工况施加约束、划分单元。简化后的网格模型如图2 所示。

图2 双梁四柱液压机简化模型

1.4 材料的设置

机身结构件采用钢板焊接结构，横梁均为Q235结构钢，立柱材料为45 钢，满足设备受力需求。所有结构件焊后进行高温退火去应力处理[3]。有限元分析所需的材料参数如表2 所示。

表2 双梁液压机的材料参数

取安全系数为1.5，则Q235 钢的许用应力为156MPa，45 钢的许用应力为223MPa。

2 满载工况下模型结构分析

2.1 约束的设置与载荷的施加

导入Workbench 的装配体自动生成固定接触，然后再修改接触类型，将底梁的上下表面与螺母以及立柱接触设为固定接触。本模型采用网格自动划分。液压机的主油缸固定在机身底梁的缸孔中，液压机处于工作状态时，由于主油缸内压作用，并通过力的传递使工作台受到均匀向上的作用力。实际中，通常将压力机的底面部分固定于地面上。所以在模拟过程中，将在机身的四个地脚螺栓孔处添加固定约束[4]。对液压机满载时的工况进行分析，满载工况下的液压机的载荷为5000kN 此时边界与载荷施加情况如图3 所示。