一種快速鍛造液壓機(jī)關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)分析

毛春燕

（太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

1 引言

隨著國內(nèi)各大鋼廠的技術(shù)改造，預(yù)計(jì)鋼的產(chǎn)量將上很大一個(gè)臺(tái)階。除用于板材和管材生產(chǎn)外，有相當(dāng)產(chǎn)量的鋼要經(jīng)過開坯鍛造，轉(zhuǎn)化為附加值更高的鍛件。國內(nèi)現(xiàn)有的鍛造壓機(jī)還無法滿足需求，特別是用于精鍛的大型快速鍛造壓機(jī)。除了上個(gè)世紀(jì)70年代我國引進(jìn)德國、日本等國的20MN 快鍛機(jī)組，稍后西安重型機(jī)械研究所開發(fā)了8MN、20MN快鍛壓機(jī)，蘭州石化機(jī)械廠也生產(chǎn)了多臺(tái)8MN、16MN 級(jí)的快鍛壓機(jī)外，超過20MN 的大型和特大型快鍛壓機(jī)國內(nèi)尚未開發(fā)成功。我公司研制的快速鍛造液壓機(jī)正是為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)代化要求的鍛壓車間而自主開發(fā)的，是目前國內(nèi)最大的快鍛設(shè)備。

該壓機(jī)適合于黑色金屬直形和臺(tái)階形鋼棒、轉(zhuǎn)軸、環(huán)件、襯套、餅件和各類特定的自由鍛件生產(chǎn)，是各大機(jī)械、冶金工廠實(shí)現(xiàn)大型鍛件鐓粗開坯和自由鍛件生產(chǎn)向精密化和快速化發(fā)展必不可少的壓力加工設(shè)備。始鍛材料為鑄造鋼錠或ESR-坯錠。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該壓機(jī)機(jī)架（如圖1 所示）由上梁、下梁、雙立柱和多根小拉桿組成。工作時(shí)，拉桿承受拉應(yīng)力，立柱承受壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。機(jī)架按照最大鍛造力和最大允許偏心距調(diào)整來確定預(yù)應(yīng)力。

壓機(jī)本體為雙立柱預(yù)應(yīng)力組合框架結(jié)構(gòu)，主、側(cè)缸與上橫梁組合，采用上傳動(dòng)式。空心矩形立柱和設(shè)置于其中的拉桿與螺母，連同上下橫梁一起構(gòu)成預(yù)應(yīng)力組合框架。拉桿全長施加預(yù)應(yīng)力，立柱始終工作于壓應(yīng)力狀態(tài)。工作時(shí)拉桿承受的拉力為鍛造力和立柱受到的殘余壓力之和。在壓機(jī)反復(fù)加載和卸荷過程中，拉桿所受拉應(yīng)力始終在預(yù)應(yīng)力與鍛造時(shí)所受拉應(yīng)力之間變化，拉桿的載荷波動(dòng)量小，應(yīng)力變化幅值小，因而提高了框架的抗疲勞強(qiáng)度、承載能力和安全可靠性。雙立柱斜置放置具有較大的操作空間，操作視野更為開闊，鋼錠易于接近中心、進(jìn)出空間大、導(dǎo)向精度高，使得工藝適應(yīng)性更強(qiáng)。在截面積相同的情況下，兩根立柱比四根立柱的抗彎截面模量要大，也就是說雙柱壓機(jī)在工作過程中比四柱壓機(jī)要穩(wěn)定。中空立柱的外圍四周可供活動(dòng)橫梁系統(tǒng)導(dǎo)向，導(dǎo)板可更換，導(dǎo)向元件使用壽命長，立柱無磨損。

該壓機(jī)配有砧子橫向移動(dòng)裝置/工作臺(tái)移動(dòng)裝置/（砧庫），以及快速更換上砧裝置，以縮短換模時(shí)間。

鍛造壓機(jī)機(jī)架與鍛造軸線是成一定角度的布置的，這樣可在鍛造或更換工具操作時(shí)具有最優(yōu)的易接近性。壓機(jī)操作工對(duì)鍛造工具和操作機(jī)夾鉗具有良好可視性。

3 主要零件力學(xué)模型的建立

本文采用I-DEAS 有限元分析軟件對(duì)上梁和下梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變仿真分析。

首先建立該零件的力學(xué)模型，上梁為典型的對(duì)稱件，因此取四分之一模型來研究，可大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間。按最大鍛造力工作時(shí)，上梁受力有拉桿預(yù)緊力、主側(cè)缸壓力、立柱的殘余預(yù)緊力，據(jù)此上梁的模型及受力如圖2 所示。下梁為非對(duì)稱件，建立整體模型如圖3 所示，不但要進(jìn)行正載荷加載計(jì)算，還應(yīng)考慮最大允許偏載時(shí)下梁的應(yīng)力應(yīng)變大小。由于模型比較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此上下梁都采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元自動(dòng)劃分網(wǎng)格。

4 有限元分析及結(jié)果

該鍛造壓機(jī)主要受力件上梁、下梁均為鑄造件。鑄造件因其在鑄造過程中極易產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷，因此設(shè)計(jì)時(shí)上、下梁的許用應(yīng)力不能取得太高，零件開始的設(shè)計(jì)草圖往往偏重，而手工計(jì)算簡(jiǎn)化太多，無法具體到筋板薄厚的確定。有限元分析可以很直觀地看到應(yīng)力的分布情況，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而使得材料得到合理分配，減輕零件重量。

計(jì)算結(jié)果采用VON MISES 等效應(yīng)力，它是按第四強(qiáng)度理論確定的：

式中，σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力，且有 σ1＞σ2＞σ3。

4.1 上梁分析及結(jié)果

工作狀態(tài)時(shí)，上梁在三缸作用力及預(yù)緊力和殘余預(yù)緊力的作用下上拱變形，如圖4 所示，主缸孔上下沿處VON MISES 應(yīng)力最大，通過調(diào)整梁高、型腔壁厚及形狀，使得該處應(yīng)力降到許用應(yīng)力范圍內(nèi)；同時(shí)把應(yīng)力比較低的地方的型腔壁厚減薄，使上梁的重量盡量減輕，并保證主、側(cè)缸法蘭接觸面的剛度在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)，這樣經(jīng)過多次計(jì)算，最后確定下上梁的形狀。

4.2 下梁分析及結(jié)果

下梁受到最大鐓粗力和預(yù)緊力的作用下下?lián)献冃危鐖D5 所示。由圖可見，在承受正載荷時(shí)下梁最高應(yīng)力在上下面板的出砂孔處，因此該處需進(jìn)行滾壓、打磨等加工處理。同時(shí)還對(duì)下梁進(jìn)行了偏載計(jì)算，在最大偏心距時(shí)下梁強(qiáng)度滿足需要。經(jīng)過不斷調(diào)整型腔壁厚，使下梁結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。

5 結(jié)束語

通常，在滿足許用應(yīng)力的前提下，初始設(shè)計(jì)的關(guān)鍵鑄件草圖中梁的壁厚、型腔大小及梁高等都取得偏大，往往使整個(gè)零件超重，不但浪費(fèi)材料，而且給加工、制造和裝配帶來很大麻煩，因此，需要對(duì)設(shè)計(jì)草圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。有限元分析以其直觀性和可反復(fù)修改性使得設(shè)計(jì)工作更趨合理，采用有限元分析軟件可以顯著提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，明顯降低設(shè)計(jì)成本，充分縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，濃縮和提高設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

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