基于有限元法的新型粉末成形模架動特性分析

范林靜，沈維佳，許世昌

(1. 安徽省特種設備檢測院，安徽 合肥 230000； 2. 南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094)

基于有限元法的新型粉末成形模架動特性分析

范林靜1，沈維佳2，許世昌2

(1. 安徽省特種設備檢測院，安徽 合肥 230000； 2. 南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094)

摘要：通過有限元法對一種新型的粉末成形壓機上三下三式模架進行了動特性的分析，主要包括模態分析和穩態分析。有限元分析結果表明模架在受到500 t周期載荷激勵下不會發生共振失效，結構符合要求。

關鍵詞：模架；模態分析；穩態分析；有限元法

Analysis and Optimization of Cavity Die’s Interference Quantity of P/M

Mold-frame Based on FEM

FAN Linjing1, SHEN Weijia2, XU Shichang2

(1. Anhui Special Equipment Inspection Institute, Hefei 230000, China;

2. Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:The dynamic characteristics of a new powder press machine of three on three die-set is analyzed by Finite Element Analysis (FEA), including modal analysis and harmonic response analysis. The results of FEA show that the structure of the die-set can fulfil the requirement due to no renosance failure occuring under 500 t cyclic loading.

Key words:mold-frame; modal analysis; harmonic response analysis; FEM (finite element method)

0引言

模架是粉末成形壓機的重要組成部分之一。模架是由基本模具、模具支撐、動作機構及其接合器組成。事實上多層模架本身就可以看做是一個精密的壓機，在粉末成形過程中，模架各層模板能夠單獨運動，精準控制，通過設定模具的尺寸形狀，壓制出滿足要求的壓坯。所以模架的設計、裝配和壓制時的動作對于壓坯的尺寸精度、密度分布及裂紋的形成起著決定性作用。

1新型粉末成形模架

新型模架是揚州海力精密機械投資研發的HPP-5000P粉末成形壓機的配套模架。設計目的是為了成形更復雜零件。模架是上三下三式結構，壓制力達到500t，上壓頭驅動采用曲柄滑塊機構，陰模采用液壓式下拉驅動，各層模板采用成對油缸驅動，擋塊依然采用機械式機構。上三下三式結構上部帶有3個沖頭，整個模架能夠成行4個臺面并帶有一個中心孔的復雜結構，壓制流程如圖1所示。為確保壓坯的品質，對模架的精密程度、剛度、強度等都提出了更高的要求。模架結構如圖2所示。

a—充填；b—移粉；c—開始壓制；d—壓制結束；e—開始脫模；f—脫模結束；g—開始復位圖1　壓制流程圖

1—上內沖汽缸；2—上中沖汽缸；3—上外沖汽缸；4—上導柱；5—陰模板；6—下中沖支撐汽缸；7—調整板；8—固定板；9—固定板下；10—芯棒；11—下外沖支撐汽缸；12—下中沖模板；13—下外沖模板；14—充填移粉汽缸；15—連接板；16—下導柱；17—引下板圖2　新型粉末成形壓機模架結構示意圖

2新型粉末成形模架動特性分析

2.1模架模態分析(圖2)

根據設計出的零件圖和裝配圖建立三維模型，由于模架結構很復雜，組件很多，需要使用Pro/E三維造型軟件對模架進行簡化和理想化處理。在簡化過程應盡量避免實體與實體的相互重疊，從而達到簡化零件間裝配關系的目的。將建立好的模型導入ansys進行計算分析。模架采用多種材料，例如陰模板采用40Cr，其他各層模板采用經過850 ℃淬火、 520 ℃回火熱處理45鋼，導柱及活塞使用經830 ℃-840 ℃油淬的GCr15，模沖的材料是Cr12MoV磨具鋼等。網格劃分采用六面體網格，這種網格分析復雜結構更能保證其精度。對于模態分析，邊界條件的設定是很重要的，能影響設備的振型和固有頻率。模架的邊界條件設定為：模架的固定板固定在機身上；上氣缸加緊在上橫梁上；各層模板均通過氣缸支撐在固定板上，把這些接觸面的六個自由度定義為完全固定。另外，各層模板通過導柱限制了x，y方向的自由度。計算得到的1～10階模態如表1所示。

表1　模架1～10階固有振動頻率表　Hz

通過模態分析可以直觀的看到各階模態的振型。一般的，在振型圖上振幅變化比較大的部分，相對容易在外力作用下產生大變形。第1階模態和第8階模態的陣型如圖3和圖4所示。

圖3　新型粉末成形壓機模架1階模態

圖4　新型粉末成形壓機模架8階模態

由分析得出模架系統的振動主要集中在徑向上，尤其是下中沖、下外沖組件和陰模振動變形較大，所以在結構的設計中應著重考慮減小設備徑向的誤差。在熱處理過程中盡量提高各層模板、導柱以及氣缸組件的整體剛度，以免引起振動對設備的損壞。模架下連接板部分在第8階模態也體現出共振變形，但一般來說模態分析階次越往后越不容易發生共振。

另外粉末成形壓機屬于低頻設備，1min成形6～12個零件，如果按照10個計算，機器的工作頻率才達到0.167Hz，而模擬出來的1階頻率為292.4Hz，由此可見，機器的工作頻率和設備固有頻率不重疊，不會發生共振。

2.2下外沖組件的穩態分析

由模架的整體模態分析得出下中沖、下外沖組件相對容易在外力作用下產生大變形，又因為模架各層模板組件是獨立運動的，所受載荷也是獨立的，所以對這兩部分做一個穩態分析。之后再對其進行譜分析，以驗證在500t的外部載荷的激勵下設備會不會發生共振。通過ansys計算得出下外模沖組件的1～10階模態如表2所示。

表2　模架1～10階固有振動頻率表　Hz

模架各層模板在壓制過程中均受到500t的周期變化載荷，此載荷無限接近于正弦載荷，故將其視為做簡諧運動的周期載荷。模架結構的動力響應中低階模態起到主要的作用，高階模態影響不大，并且衰減較快，故可以不考慮。僅分析模型1～10階固有頻率內的響應。

穩態分析的建模過程與模態分析類似，有限元模型、邊界條件的加載都相同，不同的是在模沖表面施加4.9e6N的激勵載荷，激勵載荷為正弦載荷。

圖5、圖6為下外沖座受載荷激勵表面的x、y、z方向位移響應曲線。對比圖5和表2可以得出位移的最大峰值在110Hz和200Hz處。對比1～10固有頻率表不會發生共振。

圖5　下一沖座受力平面沿x和y方向的位移響應曲線和對應幅值角

圖6　下一沖座受力平面沿z方向的位移響應曲線和對應幅值角

2.3下中沖組件的穩態分析

通過ansys計算得出下外模沖組件的1～10階模態如表3所示。

表3　模架1～10階固有振動頻率表　Hz

圖7、圖8為下二模板在受到載荷激勵平面的x、y、z方向位移響應曲線。對比圖7和表3可以得出位移最大峰值在368.5Hz和478.5Hz 處。對比1～10固有頻率表不會發生共振。

3結語

對粉末成形模架整體和下外沖、下中沖進行了模態分析，得到模架的固有頻率和對應的主振型，得出在相對較低的工作頻率中模架不會發生共振失效。對在模架整體模態分析中表現出的容易產生振動的結構進行了穩態分析，目的在于確定當設備受到500t的無限近似于正弦力的激勵作用下的響應情況，分析在激勵作用下會不會產生與設備固有頻率相近的頻率并引起共振失效。最終得出結論并沒有重疊頻率，設備不會產生共振失效。

圖7　下一沖座受力平面沿x和y方向的位移響應曲線和對應幅值角

圖8　下一沖座受力平面沿z方向的位移響應曲線和對應幅值角

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收稿日期：2014-01-21

中圖分類號：TH136；TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0142-03

作者簡介：范林靜(1983-)，男，安徽合肥人，工程師，碩士，主要從事特種設備設計檢測等研究。