小型擠壓機(jī)主要零部件的建模及校核計(jì)算

李 健，聞登沈，楊 程，劉遵港，張德龍，王春波

（營口忠旺鋁業(yè)有限公司，遼寧 營口 115000）

隨著機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)和液壓技術(shù)的發(fā)展，擠壓機(jī)在行業(yè)內(nèi)的利用也愈來愈普遍，在機(jī)加工行業(yè)金屬和塑料擠壓機(jī)已經(jīng)成為了不可缺少的設(shè)備。大型擠壓機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，而在教學(xué)活動(dòng)和小規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域所能使用的、體積較小的小型擠壓機(jī)的研究相對較少，因此發(fā)展小型擠壓機(jī)就可在一定程度上解決此類問題，且方便在教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)小體積管、棒、型材，減少不必要的場地占用。

小型擠壓機(jī)可用于食品加工及教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。王玉山［1］研究了一種小型鐵屑擠壓機(jī)，用于將CNC車床加工下來的鐵屑、鋼屑、鋁屑擠壓成塊狀的設(shè)備，便于各種屑的運(yùn)輸加工，體積小、操作簡單、方便移動(dòng)。楊玉芬等［2］研究了小型單螺桿擠壓機(jī)，用于豆粕蛋白的組織化加工。裴志強(qiáng)等［3］研究了5MN小型實(shí)驗(yàn)用臥式擠壓機(jī)，可用于多種變形合金和黑色金屬的擠壓。劉君等［4］研究了小型竹砧板擠壓成型機(jī)，將竹青薄片擠壓成砧板，這一設(shè)計(jì)解決了柔性材料的成型問題，且可將剛性材料擠壓至致密狀態(tài)。

本文主要針對小型擠壓機(jī)的主要零部件進(jìn)行建模及校核計(jì)算，確定小型擠壓機(jī)主要零部件滿足的工作條件。

1 主要零部件的設(shè)計(jì)建模

1.1 后梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擠壓機(jī)最重要承載構(gòu)件之一就是后梁。對于小型擠壓機(jī)后梁可以采取與主缸整體鑄造的結(jié)構(gòu)。在后梁的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上首先要考慮在后梁安裝張力柱，中心部分安裝主缸，次來還可以留下一些空隙給將來安裝輔缸留有余地。本次設(shè)計(jì)后梁結(jié)構(gòu)為焊接件結(jié)構(gòu)［5］。后梁主要部件明細(xì)表如表1所示。

表1 后梁主要部件明細(xì)表

后梁模型如圖1所示。

圖1 擠壓機(jī)后梁模型

本次設(shè)計(jì)的機(jī)架后梁是焊接結(jié)構(gòu)，其由前后面板、筋板、側(cè)板和為拉桿和缸體所預(yù)留的鋼管構(gòu)成。其中拉桿孔一共有4個(gè)，中心對稱分布，輔缸預(yù)留孔為4個(gè)，中間圓筒安裝主缸使用，在前面板留有螺紋孔。所有鋼管焊接在前后面板上再加以筋板支撐，結(jié)構(gòu)雖然相比鑄造復(fù)雜但是多部件焊接不會造成鑄造時(shí)的浪費(fèi)，同時(shí)質(zhì)量大大減小，且仍能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.2 前梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在前梁的設(shè)計(jì)上，首先要考慮的就是預(yù)應(yīng)力拉桿的安裝，保證拉桿的對正問題。其次需要在前兩的中心留有通孔，使得型材能順利從通孔中輸送出去。本次設(shè)計(jì)的前梁，基于重量結(jié)構(gòu)等因素也采用焊接件結(jié)構(gòu)，各主要零件明細(xì)表如表2所示：

表2 前梁主要部件明細(xì)表

其模型如圖2所示：

圖2 前梁結(jié)構(gòu)圖

本次設(shè)計(jì)的前梁為鋼板焊接件機(jī)構(gòu)，其主要有由前后面板、4根鋼管、一個(gè)空心臺柱和8塊筋板構(gòu)成。其中空心臺柱的軸心與后梁中間圓筒的軸心相重合，4根拉桿孔鋼管與后梁的拉桿孔鋼管同軸心，這5個(gè)部分的位置確定后，在前后面板上做相應(yīng)的孔，在焊接，同后面板一樣在構(gòu)件之間加筋板以提高強(qiáng)度，在側(cè)面焊接側(cè)板達(dá)到外觀美觀的作用。

1.3 張力柱的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用的是預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架，其中拉桿在安裝時(shí)采用加熱預(yù)緊法［6，7］。因此要求在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在拉桿兩端設(shè)計(jì)深孔以方便在后期加熱時(shí)將電阻絲插入孔中。屆時(shí)由于熱脹冷縮拉桿將在軸線方向上尺寸變大，此時(shí)將兩端螺母旋緊，待拉桿冷卻就能達(dá)到預(yù)緊效果。張力柱各部分明細(xì)見表3，拉桿預(yù)緊后裝配方式如圖3所示。

表3 張力柱主要部件明細(xì)表

圖3 預(yù)應(yīng)力拉桿裝配結(jié)構(gòu)

拉桿、螺母以及防松鍵的模型如圖4所示：

圖4 拉桿、螺母、防松鍵模型

圖4（a）中的剖面圖所展現(xiàn)的深孔就是放入電阻絲進(jìn)行加熱的深孔，其實(shí)在加熱預(yù)緊方面也有采用蒸汽加熱的方法，但相比較而言采用電阻絲更加經(jīng)濟(jì)便捷，所需設(shè)備少。圖4（b）中當(dāng)螺母擰緊后，在拉桿兩端裝上防松鍵，這樣拉桿的安轉(zhuǎn)工作就完成了。但張力柱上的拉桿上是不能在進(jìn)行加工安裝后續(xù)設(shè)備，比如動(dòng)梁、軌道等部件，所以在張力柱外端安裝壓套。壓套安裝完成后，擠壓機(jī)機(jī)架的主要部件就全部裝完成。

壓套模型如圖5所示：

圖5 壓套模型

當(dāng)壓套安裝后機(jī)架部分基本就安裝完成，形成了以下幾個(gè)方面的接觸：螺母擰緊后與前梁后梁接觸，并伴隨拉桿的預(yù)應(yīng)力，緊緊壓在前后梁上；螺母的對向壓力作用在前后梁上，使得前后梁緊緊壓在牙壓套上。此時(shí)機(jī)架就被各個(gè)方向的力緊緊裝配在一起，限制了各個(gè)零件的相對位移。其相互作用力模型如圖6所示。

圖6 零件相互作用意圖

2 機(jī)架預(yù)應(yīng)力計(jì)算及拉桿強(qiáng)度校核

2.1 機(jī)架預(yù)應(yīng)力計(jì)算

2.1.1 預(yù)應(yīng)力機(jī)架的基本結(jié)構(gòu)

擠壓機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、震動(dòng)大小以及擠壓型材的質(zhì)量與機(jī)架有著緊密的關(guān)系，因此需要對機(jī)架的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算校核，對機(jī)架進(jìn)行預(yù)緊，機(jī)架采用加熱預(yù)緊的方式進(jìn)行預(yù)緊，那么機(jī)架所需的預(yù)應(yīng)力將在下面進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

1.5MN小型金屬擠壓機(jī)的預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架由前梁、后梁及四根張力柱組成。前梁和后梁都采用的是筋板結(jié)構(gòu)的焊接件，張力柱的作用是支撐動(dòng)梁、模座等擠壓機(jī)部件，其由預(yù)應(yīng)力拉桿、壓套、螺母及防松鍵組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。拉桿材料采用35CrMo，與前后梁共同組成預(yù)應(yīng)力機(jī)架。在拉桿兩端的預(yù)留深孔中插入電阻絲，拉桿受熱軸線方向尺寸變大，旋緊固定螺母，冷卻后就產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力。

圖7 機(jī)架結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 預(yù)應(yīng)力機(jī)架的受力分析及計(jì)算

預(yù)應(yīng)力機(jī)架的受力分析及計(jì)算參考王冬梅，鄭奕平等人的計(jì)算方法［8，9］。后梁后面板為機(jī)架的基準(zhǔn)，后側(cè)螺母進(jìn)行定位，因?yàn)榍昂罅旱膭傂源笄倚巫兒苄?，因此忽略前后梁的變形影響。單根拉桿在未預(yù)緊的情況下是不受力變形的，當(dāng)加熱并擰緊螺母時(shí)，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力Qp壓緊拉桿，此時(shí)拉桿和壓套分別產(chǎn)生拉伸變形λb和壓縮變形λm，在擠壓過程中，拉桿承受擠壓力F在拉桿的彈性范圍內(nèi)，所受拉力由Qp增長至擠壓過程總拉力Q，伸長量增加Δλ，壓套的壓縮量變小，其壓縮量為 λm＝λm－Δλ，支撐套的壓縮力由Qp減小至殘余預(yù)應(yīng)力Q。圖8中螺栓總拉力為Q，螺栓預(yù)應(yīng)力為Qp，殘余預(yù)應(yīng)力為Q″p，公稱擠壓力F。

由圖8可知，拉桿的剛度為下式：

壓套剛度為下式：

圖8 張力柱受力變形線圖

由式（1）（2）得螺栓的預(yù)應(yīng)力為下式：

如果要保證設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定們就要保證螺栓連接的緊密性，就需要滿足參與預(yù)應(yīng)力Q″p大于公稱擠壓力，則得出下式：

現(xiàn)根據(jù)第三部分涉及拉桿及壓套的相關(guān)截面尺寸進(jìn)行剛度計(jì)算：

拉桿相關(guān)尺寸：

長度1095 mm，直徑33 mm，材料為35CrMo，彈性模量為210000MPa；

壓套相關(guān)尺寸：

長度730 mm，外徑51 mm，內(nèi)徑36 mm，材料為35#鋼，彈性模量212 000 MPa。

擠壓機(jī)的公稱擠壓力為1.5 MN，4根預(yù)應(yīng)力拉桿將前后梁拉緊，單根拉桿所受的擠壓力為0.375 MN。

將式（5）、（6）的結(jié)果帶入式（4）

則計(jì)算結(jié)果為：Qp≥0.508MN

螺栓總拉力為下式

則由以上各式得出下式：

將以上各值帶入式（10）中有下式：

根據(jù)以上計(jì)算，機(jī)架預(yù)應(yīng)力需滿足：0.508 MN＜QP＜1.143 MN。

在機(jī)架的承受范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力越大機(jī)架的穩(wěn)定性和連接的緊密性就越高。但是預(yù)應(yīng)力必須要滿足拉桿的強(qiáng)度要求。

2.2 拉桿的強(qiáng)度計(jì)算

拉桿強(qiáng)度校核參考魏軍在《金屬擠壓機(jī)》一書中提出的校核方法［10］。拉桿長度1095 mm，直徑33 mm，材料為 35CrMo，抗拉強(qiáng)度 σb=985 MPa，屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度因?yàn)閿D壓機(jī)主機(jī)是對稱與中間平面，且偏心載荷不大，因此，假設(shè)載荷對稱于中間平面。

2.2.1 靜強(qiáng)度計(jì)算校核

計(jì)算靜強(qiáng)度時(shí)，假設(shè)前后梁的剛度無窮大，因此張力柱僅承受軸向拉力。其強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中：F—擠壓機(jī)公稱擠壓力，N；A—沒跟拉桿的面積，mm2；n—拉桿根數(shù)；［σ］—許用應(yīng)力。

2.2.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算校核

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，長期在交變載荷的作用下，會引起拉桿的疲勞，因此對張力柱疲勞強(qiáng)度的計(jì)算校核是很有必要的。拉桿的應(yīng)力集中點(diǎn)是光滑部分與螺紋部分的過度區(qū)域，疲勞應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：σp—疲勞應(yīng)力，MPa；σh—靜載時(shí)的合成應(yīng)力，σh=σ1；Kj—有效應(yīng)力集中系數(shù)；［σ0］—許用疲勞極限，MPa。

式（10）中，有效應(yīng)力集中系數(shù)可按下式計(jì)算，即

式中：Kt—彈性狀態(tài)下理論應(yīng)力集中系數(shù)，取值為1.82；q—與材料性能有關(guān)的應(yīng)力集中敏感系數(shù)，取值0.8。

故疲勞應(yīng)力為下式：

疲勞應(yīng)力為72.6MPa。

許用疲勞應(yīng)力為下式：

式中：σ0—脈動(dòng)循環(huán)時(shí)的疲勞極限；ε—尺寸系數(shù)；β—表面系數(shù)，對精車件可取為0.9；na—安全系數(shù)。

綜上所述，疲勞應(yīng)力為72.6 MPa，許用疲勞應(yīng)力為556.6MPa，因此張力柱符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)建立了小型擠壓機(jī)機(jī)架的前梁、后梁及張立柱的模型；對機(jī)架進(jìn)行預(yù)應(yīng)力計(jì)算，得出機(jī)架預(yù)應(yīng)力需滿足：0.508 MN＜QP＜1.143 MN；對拉桿進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核，得出拉桿均滿足靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度要求。