立式二板擠壓成形機主油缸研究與設計

劉賢華，趙麗，崔智敏，楊湘杰，劉旭波

(1.廣東科達機電股份有限公司，廣東佛山 528000;2.江西省高性能精確成形重點實驗室，南昌大學機電工程學院，江西南昌 330031)

有色金屬熱成形技術在我國主要有重力鑄造、低壓鑄造、高低速壓力鑄造及主要靠進口的內腔金屬擠壓成型技術。國際上大部分的擠壓成形機為三梁四柱直壓式或三梁四柱曲肘式，這兩種模式均存在機身笨重、造價高、安裝制造困難、耗能大等特點，大噸位擠壓機更是如此。有色金屬熱成型想要一次成型，就必須在合模力上得到突破，為此出現了大噸位立式二板擠壓成型機，該技術具有生產中同比耗能低、占地面積少、產品性能同比高，耗材少，能生產大型零件等優點［1－3］。國際上現在除日本的宇部公司跟瑞士布勒公司等少數幾家公司能夠生產大噸位二板立式擠壓成型機外，國內尚未見成功樣例的報道。

圖1 主油缸工作變形

在大噸位立式二板擠壓成形機的核心技術中，主油缸部件是其中最重要的技術之一［4－6］。由于大噸位立式二板擠壓成型機的構成原理所致，如圖1、2所示，在動梁1和定梁2擠壓模具6過程中，定梁2受力會產生圖中虛線所示方向的微小彎曲，進而帶動主油缸5的前端蓋51、缸筒52、以及連接罩56一起偏轉，然而活塞桿53、活塞54、主螺母55是固定在拉桿3上的不會隨定梁2一起偏轉，將會導致活塞54與缸筒52之間形成夾角，現有的油缸結構由于活塞54與缸筒52之間、活塞桿53與前端蓋51之間的間隙小，往往會將主油缸的密封破壞，更嚴重的是當定梁變形較大時，活塞54與缸筒52之間的間隙將不復存在，從而將缸筒52內壁拉傷，造成主油缸失效。

圖2 立式二板擠壓成型機主油缸

1 偏載問題分析與解決方案研究

為解決油缸偏載失效的問題，對大噸位二板擠壓機的工況進行了分析，提出在兩個方面進行改進。

如圖3，常規的油缸與工作件直接連接，油缸只能受到活塞桿軸線方向的力，徑向受力受到導向套受力及活塞、活塞桿與缸體間的間隙限制，當模板受力變形時，油缸就受到如圖3中的偏載力。而受到偏載力時，圖中的2、3、4、6、7幾處位移最大，很有可能會產生摩擦而受損，造成主油缸失效。故該主油缸設計的關鍵是密封穩定、防止金屬摩擦以及外部受力件與油缸的連接方式。

圖3 偏載力影響

為解決偏載的問題，并在考慮密封穩定、防止金屬摩擦以及外部受力件與油缸的連接方式等因素后，提出以下兩種改進方案:

(1)通過設計主油缸密封結構，加大活塞桿與缸體間的間隙，并提高主密封在與缸體呈現夾角的情況下的密封性能，從而解決主油缸偏載失效。

(2)通過設計外部受力件與油缸的連接方式，將油缸與拉桿的連接部位使用球面連接，使主油缸不再受到偏載力的影響。

2 立式二板擠壓成形機主油缸改進設計

解決主油缸偏載的設計思路:改進設計主油缸密封結構，加大活塞桿與缸體間的間隙，提高主密封在與缸體呈現夾角的情況下的密封性能。整體結構上，立式二板擠壓成型機主油缸設計如圖2所示，在該技術方案中，主油缸裝置的主要結構包括缸筒52、通過螺釘連接在缸筒52前端的前端蓋51、套裝在拉桿3上的活塞桿53、通過螺釘與活塞桿53連接的活塞54、連接在拉桿3尾端的主螺母55、以及通過螺釘連接在缸筒52后端的連接罩56。

基于以上情況，在主油缸設計中做如下改進:

(1)如圖4(a)所示，在活塞54靠近上下兩端面的外圓周壁上分別設置有第一導向環71和第二導向環74，在活塞54的外圓周壁的中部設置有第一密封圈73;為了增加活塞54與缸筒52之間的間距且保證導向環不易脫落，定制了一種特殊的第一導向環71和第二導向環74，它們與常規導向環的區別在于其橫截面形狀呈凹字形。

(2)如圖4(b)所示，在活塞桿53靠近下端面的外圓周壁上設置有第三導向環78，在活塞桿53的外圓周壁的中部設置有第二密封圈79;同樣，為了增加活塞桿53與前端蓋51之間的間距且保證導向環不易脫落，定制了一種特殊的第三導向環78，它與常規導向環的區別在于其橫截面形狀呈凹字形。

(3)上述第一導向環71、第二導向環74、以及第三導向環78具體可按照下列方式設置在外圓周壁上:根據其凹字形橫截面的特性，在外周壁上對應位置開設兩個相鄰的與之匹配的U形凹槽即可，在兩U形凹槽之間實際形成一個相對于U形凹槽底部的一個凸臺，該凸臺的寬度等于導向環凹字形橫截面的凹陷部分的寬度，兩U形凹槽的寬度和深度與導向環凹字形橫截面兩邊突出的部分相同，則導向環與外圓周壁形成公母匹配結構。

因此，導向環由于凸臺加U形凹槽的限制，導向環與外圓周壁的配合更緊密，當然凸出于外圓周壁的厚度可以做得更厚，進而間接的增加到活塞桿53與前端蓋51(如圖4中的L2)、活塞54與缸筒52之間的間距 (如圖4中的L1)。

圖4 主油缸密封結構設計

由于上述結構改進，第一導向環71凸出于活塞54外圓周壁的厚度可增加為0.6～1.5 mm，第二導向環74凸出于活塞54外圓周壁的厚度可增加為0.6～1.5 mm，第三導向環78凸出于活塞桿53外圓周壁的厚度可增加為0.6～1.5 mm。

當導向環凸出于外圓周壁的厚度越厚，也越容易使活塞54與缸筒52、活塞桿53與前端蓋51相對運動過程中從外圓周壁中滑落。因此，為了進一步保證間距的同時不至于滑落，經過試驗可得:第一導向環71凸出于活塞54外圓周壁的厚度優選為0.8～1.0 mm，第二導向環74凸出于活塞54外圓周壁的厚度為0.8～1.0 mm，第三導向環78凸出于活塞桿53外圓周壁的厚度為0.8～1.0 mm。

圖4(a)中，第一導向環71距離活塞54上端面的距離 (如圖中的L3)可為4～10 mm，經過進一步試驗優選5～8 mm;第二導向環74距離活塞54下端面的距離 (如圖中的L4)可為4～10 mm，經過進一步試驗優選5～8 mm。圖4(b)中，第三導向環78距離活塞桿53下端面的距離 (如圖中的L5)可為4～10 mm，經過進一步試驗優選5～8 mm。

如圖4(a)、(b)所示，在活塞54或者活塞桿53上除了設置有第一導向環71、第二導向環74和第三導向環78外，還包括常規的其他密封結構，如圖中的第三密封圈72、第一密封圈73、第四密封圈75、第五密封圈76、第六密封圈77、第二密封圈79。

為了進一步提高密封效果，第一密封圈73采用雙向組合密封圈，第二密封圈79采用帶擋圈的U形密封圈。

(4)通過設計外部受力件與油缸的連接方式，將油缸與拉桿的連接部位使用球面連接，使主油缸不再受到偏載力的影響。

因為該主油缸裝置是為立式二板擠壓成型機設計的一種提供高壓鎖模的機構，當進行高壓鎖模時，動梁、定梁朝向模具方向有微量變形，4個主油缸缸體隨定梁微量偏轉，如果主油缸活塞因為與主螺母間是以緊固連接的話，將會導致主油缸活塞與主油缸缸筒之間形成夾角，同時在此基礎上如不進行主油缸活塞主密封的特殊設計而是按照常規標準油缸設計，往往會將主油缸的密封破壞，更嚴重的是當定梁變形較大時，主油缸活塞上下兩個面的外圓與4個主油缸形成的對角線交叉點的其中兩點與主油缸缸筒之間的間隙將不復存在，從而將主油缸缸筒內壁拉傷，造成主油缸失效，見圖5(a)。

圖5 外部受力件與油缸連接方式改進前后

改進方法是主油缸通過主油缸活塞與主螺母之間用球形連接 (見圖5(b))，保證在動梁、定梁受力變形帶動4個主油缸缸體隨定梁微量偏轉情況下，主油缸活塞不會像緊固連接那樣發生偏轉，保證主油缸主密封件不會出現嚴重泄漏或直接損傷現象，防止主油缸缸筒內壁拉傷，提高密封件的使用壽命。

圖6 主油缸裝配

該種形式主油缸裝配方式 (圖6)為:件號1為拉桿，件號2為主油缸缸筒，件號3為主油缸活塞，件號4為主螺母，件號5為定梁，件號6為主油缸前端蓋，件號7為抱合螺母，件號8為動梁，件號9為模具。件號2、6通螺釘連接組成主油缸缸體，件號2、3、6組成主油缸組件，先將其安裝在件號5定梁上，件號1與件號4通過螺紋連接，件號3與件號4之間通過球面形成滑動連接 (見圖6)。

通過對上述技術的實際開發應用，并安裝在某公司二板擠壓成形機上進行試運行，通過一年的試驗使用時間，該主油缸運行正常，保壓效果良好，未出現失效現象。

3 結束語

針對二板擠壓成形機主油缸的偏載失效問題，分析了問題原因，提出了相應的改進方案，并在結構上加以實現。實驗證明立式二板擠壓成形機主油缸改進設計，很好地解決了二板立式擠壓成形機主油缸偏載帶來的失效問題，為以后類似問題的解決提供了參考。

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