壓鑄機沖頭和熔缸的摩擦有限元分析及實驗研究

郭子利

（唐山學(xué)院 機電工程系，河北 唐山063000）

0 引言

壓鑄機的沖頭和熔缸是壓鑄機重要組成部分，尤其是沖頭，在壓鑄送料過程中容易磨損，造成失效。在壓鑄過程中，為保證鋁合金的金屬液不能通過沖頭和熔缸的間隙，其間隙最大值設(shè)定為0．05 mm，沖頭受熱后的變形量最大值設(shè)定為0．11 mm，如果超過了沖頭和熔缸的最大間隙，兩者相對運動時必然會產(chǎn)生硬摩擦。由于沖頭硬度低于熔缸硬度，因此沖頭的熱膨脹是造成磨損的主要原因［1］。本文以沖頭和熔缸為對象，研究兩者摩擦?xí)r沖頭的應(yīng)力分布，并結(jié)合某鋁合金壓鑄廠的生產(chǎn)實際，對沖頭各個部位的磨損量進行測定，找到減小沖頭磨損的方法，達到預(yù)期目的。

1 仿真模型建立

將沖頭和熔缸的UG三維模型導(dǎo)入到ANSYS中進行有限元分析［2］。其有限元模型如圖1所示。

沖頭的材料為球墨鑄鐵，其性能參數(shù)如表1所示。

由于熔缸的硬度遠高于沖頭的硬度。因此認(rèn)為熔缸為剛體。材料不進行定義也可滿足要求。

表1 球墨鑄鐵的參數(shù)

考慮到需進行模擬結(jié)構(gòu)的接觸分析，選用solid185實體定義單元類型。

沖頭和熔缸的的網(wǎng)格分布見圖2。

圖2 網(wǎng)格分布圖

沖頭是易損件，可將沖頭定義成柔體，熔缸定義成剛體。熔缸和沖頭相接觸的表面上接觸對創(chuàng)建結(jié)果如圖3所示。

圖3 接觸對圖示

2 結(jié)果分析

熔缸設(shè)置為整體約束，并沿其軸線方向給沖頭加100 mm的位移，對沖頭與熔缸間的摩擦過程進行應(yīng)力分析，結(jié)果如圖4－7所示。

圖4 摩擦過程X方向應(yīng)力分布

圖5 摩擦過程Y方向應(yīng)力分布

圖6 沖頭摩擦過程Z方向應(yīng)力分布

圖7 摩擦過程等效應(yīng)力分布

由圖4－7可知，應(yīng)力主要集中在沖頭表層，最大值為103 Pa。應(yīng)力雖然不大，但由于沖頭和熔缸間隙較小，沖頭表面微小的凹凸部分也會發(fā)生變形；沖頭溫度降低，尺寸變小，沖頭和熔缸間隙變大，若間隙超過0．05 mm，金屬液流進間隙中，會加劇沖頭和熔缸間的磨損。

3 沖頭磨損量測定

抽取4個某廠壓鑄后的沖頭并將其洗凈，發(fā)現(xiàn)磨損后的痕跡及少量裂紋和凹坑分布在沖頭外表面上，且與沖頭工作方向相同，如圖8所示。

圖8 摩損后沖頭

用螺旋測微器對沖頭進行磨損量測量，結(jié)果如表2所示。由表2可看出，沖頭的實際磨損以沖頭的端部最為嚴(yán)重。

表2 沖頭各個部位磨損量的測定

4 減小沖頭磨損的改進意見

4．1 改進沖頭的材料和性能

對球墨鑄鐵進行有針對性熱處理以增加耐磨性；同時采用鈹青銅、奧－貝球鐵等材料替代球鐵材料以減少沖頭摩擦［3］。

4．2 調(diào)整間隙［4］

將沖頭和熔缸相配合的公差等級調(diào)高至H6／g5。從而使沖頭受熱后的最大變形量介于沖頭和熔缸的間隙內(nèi)，減輕沖頭磨損。

4．3 改善潤滑條件［5］

將石墨按比例添加到潤滑油中，提升潤滑的效果，從而提高沖頭壽命。

5 結(jié)論

本文以沖頭和熔缸為主要研究對象，利用UG三維軟件進行三維建模，利用有限元分析軟件ANSYS進行了應(yīng)力分析，并對沖頭磨損量進行測定，得到?jīng)_頭端部磨損最為嚴(yán)重的結(jié)論。考慮實際生產(chǎn)活動提出了減小沖頭磨損的改進意見。

［1］ 張兆云，王海生．連鑄球鐵型材在壓鑄機沖頭上的應(yīng)用［J］．鑄造技術(shù)，2000（2）：24－25．

［2］ 李建軍，李俊山，李釗，等．基于特征的三維模型簡化算法研究［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（11）：2434－2436，2514．

［3］ 劉環(huán)，崔雅茹．壓鑄機壓射沖頭的改進［J］．鑄造技術(shù)，2004（10）：787－788．

［4］ 田雁晨．金屬壓鑄模具設(shè)計技巧與實例［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：45－60．

［5］ 張兆云，王海生．連鑄球鐵型材在壓鑄機沖頭上的應(yīng)用［J］．鑄造技術(shù)，2000（2）：24－25．