機械粉末成型壓機的強度剛度計算與分析

陳孝海，葉文聰，強立立，王 敏

（寧波精達成形裝備股份有限公司，浙江 寧波 3015031）

隨著粉末成型技術在汽車、摩托車、農機和園藝機械、家用電器等領域的高速發展，粉末成型制品量不斷增大，粉末成型設備的需求量也在不斷增加[3]，特別是機械粉末成型壓機。一般而言機械粉末成型壓機較液壓粉末成型壓機生產效率高，設備運轉費用低，并且隨著機械粉末成型壓機的機型品種的不斷完善，其正在不斷替代原有的液壓粉末成型壓機，所占的比重在不斷的增加。但隨著更多臺面的復雜粉末成型零件所占的比重不斷增加，原中小噸位，成型結構簡單的壓機已經不能滿足客戶的需求，更大噸位，更高精密和更復雜成型結構的機械粉末成型壓機是目前客戶迫切需求的。為了滿足這種需求開發了具有上三下四新型模架的500t機械粉末成型壓機，提高了機械粉末成型壓機生產大噸位、高精度復雜零件的能力，為機械粉末成型壓機的進一步發展奠定了基礎。大噸位、高精密、復雜成型結構等特點對壓機機身及模架模板的剛度、精度以及模架結構提出了更高的要求。

本文運用SolidWorks軟件對500t機械粉末成型壓機主機及模架進行了實體建模，并通過ANSYS有限元分析軟件對壓機主機機身及模架各層模板進行了靜強度分析，以確定機身及模架結構的剛度和強度滿足要求，并通過對比總結出機架及模架靜強度分析的一般方法。

1 機械粉末壓機結構

如圖1所示500t機械粉末成型壓機的剖面簡圖，采用上三下四新型模架，上部為曲軸連桿滑塊施力結構，上內沖、上中沖、上外沖3個模板等組成的上三模架安裝于柱狀滑塊上，固定下一沖板、浮動下一沖板、浮動下二沖板、底座（固定下二沖板）4個模板以及陰模板、芯棒底板、內外導柱等構成的下四模架安裝于機身底座墊板上。粉末成型模具安裝在各個模板上，壓機由主電機驅動，通過皮帶齒輪等各級傳動帶動主軸旋轉，主軸上左右對稱布置有加壓凸輪，加壓桿和出模凸輪，出模桿裝置，結合綜合充填缸、一二下沖浮動缸等驅動下模架模板按照預定的凸輪曲線運動,通過機械限位調整各模板的充填的最終位置，最終形成充填裝粉空間，鐵粉自動填滿模具空間，上模部件由滑塊帶動向下運動，通過上下模的壓制，粉末零件壓制成型，整個上三下四模架最多能夠成型6個臺階面并帶有一個中心孔的復雜高精度成型品。

2 有限元模型的建立

500t機械粉末成型壓機采用SolidWorks全三維建模設計出圖，通過對需要分析的主機及模架模型簡化處理可直接導入到ANSYS Workbench軟件進行分析，如圖2所示為導入到ANSYS軟件后進行網格劃分后的機械粉末壓機的有限元網格模型。表1為分析所用到的材料物理屬性參數，參考文獻[5]給定壓機有限元分析模型的材料特性等條件，設置初始邊界條件，采用ANSYS Workbench靜強度分析模塊對機身及模架按實際受力情況加載分別求解。

3 機身靜強度分析

如圖3a所示為機身整體分析簡化網格模型，為減少分析前處理時間，把機身、飛輪端法蘭、齒輪端法蘭、左右主軸軸受等綁定成一體，分別添加材料[2]；簡化了曲軸、連桿、滑塊、上模等結構，連桿，連桿螺母，滑塊等建模成一體，載荷施加于柱狀滑塊底面；取消了下模架結構，把模架作用機身載荷直接施加于機身底座墊板上。主軸與機身的支撐孔接觸面采用摩擦接觸，摩擦系數0.05，同樣連桿與主軸的接觸面采用摩擦接觸，摩擦系數0.05，底座墊板與機身接觸面采用摩擦接觸，摩擦系數0.2，如圖3b所示為機身應力云圖，如圖3c所示機身應變云圖。

表1 壓機主要零件材料的物理屬性參數

如圖3b所示為機身應力云圖，最大應力162MPa發生在主軸支撐孔的上部，為應力集中點，為避免應力過大，安全系數過低，此處采用45鋼材料，其余部分應力都在20MPa左右，采用Q235A材料焊接，一般鋼板焊接機身許用應力40～50 MPa，機身滿足強度要求。如圖3c所示為機身X向（垂直上下）變形，總變形為0.7mm，則機身的垂直剛度達到了7000kN/mm，機身剛性較普通鈑金壓力機高，提高了壓機工作的穩定性，保證了壓制精度。

4 模架理論計算

下模架各層模板在粉末壓制成型過程中承受著相應的壓制力，各模板根據壓制過程中承受的最大載荷設計，應滿足強度要求。模架很多結構采用類比的方法設計尺寸，且模板形狀不規則，可采用簡化的理論方式計算，在模架設計中，一般將層模板簡化為受中間集中載荷的雙支點梁[4]，模板的強度校核公式為：

模板最大變形撓度ymax發生在中間，其計算公式為:

式中：p——模板中心載荷，kN；

b——模板寬度，mm；

l——模板長度，mm；

h——模板高度，mm；

[σ]——材料許用應力,MPa；

E——材料彈性模量，MPa。

如表2所示下模架各模板設計參數及計算結果，根據理論計算結果各個模板的最大彎曲應力都在許用應力范圍內，其中芯棒底板最大應力達到127MPa，陰模板和芯棒底板的撓度相對較大，底座和浮動下二沖板撓度較小，剛性好。

表2 各模板設計參數及計算結果

5 模架有限元模型

由于各個模板的具體形狀不可能像理論計算這樣規則，受力支撐等約束條件也不同于理論模型，所以需要通過ANSYS有限元仿真進一步計算確認。如圖4a所示為下四模架分析簡化整體網格模型，為減少分析前處理時間，簡化合并了一些對分析結果沒有影響的結構[1]，下主軸部件采用整體建模，陰模板、內導柱、芯棒底板綁定成一體，同樣固定下一沖、底座、外導柱綁定成一體。內外導柱與模板接觸面均采用摩擦接觸，摩擦系數0.05，模板與擋塊接觸面采用摩擦接觸，摩擦系數0.2，底座墊板與機身，下主軸部件與芯棒底板接觸面均采用摩擦接觸，摩擦系數0.2，根據各模板收到的最大載荷及工況分別進行有限元分析。為分析計算簡化，實際分析時采用兩個分體網格模型，如圖4b所示為固定一沖板，浮動一沖板，浮動二沖板，底座分析時用到的網格模型，如圖4c所示為陰模板和芯棒底板分析時用到的網格模型。

如圖5～6為下四模架各加載條件得到的分析結果，其中底座、固定一下沖、浮動一下沖，浮動二下沖采用如圖4b所示分體網格模型1，陰模和芯棒底板采用如圖4c所示分體網格模型2，分別加載到各模板的最大載荷，分析得到的應力和應變云圖。計算各模板的最大應力及最大變形如表2所示。

如表2所示，除了底座的應力和應變、芯棒底板的應變，理論計算和ANSYS分析得到的應力和應變結果大致相同，其它模板的計算結果相差很大，分析原因：

（1）分析模型及分析約束條件不一樣，理論計算一般將模板簡化為受中間集中載荷的雙支點梁模型，很理想化，如圖4所示下四模架有限元網格模型中，只有底座的加載及約束模型與其接近，所以最后分析結果也相近，而其它模型除了芯棒底板其余模板都是中間開孔，并且受力支撐都不同于中間受力的雙支點梁模型，所以不管是應力還是應變結果都大不一樣；

（2）由于理論計算不會有應力集中點，所以相對應力都不會很大，都是100MPa左右，但是由于實際模板上有孔等應力集中特征后，ANSYS分析時往往會出現應力集中點,如圖5c浮動下一沖應力云圖中最大應力296MPa出現在孔邊沿，圖6a固定一下沖應力云圖中最大應力296MPa也出現在孔邊沿，但除了應力集中區域，模板上其他區域的應力也在100MPa左右，符合強度要求；

如表2所示理論計算得出底座，浮動一下沖，浮動二下沖和固定一下沖撓度變形都小于0.2mm/m，模板剛性較好，而芯棒底板和陰模板撓度都大于0.2mm/m，模板剛性相對較差。實際粉末零件壓制工藝過程中陰模和芯棒底板主要承受脫模力的作用而非壓制力，對成型精度影響較小，所以剛性可以相對較差。

6 結論

（1）依據本文建立的ANSYS有限元分析模型所進行的有限元數值仿真分析，揭示了500t機械粉末壓機機身和模架各模板應力和應變分布及其變化規律，且結果滿足強度要求。

（2）由于分析模型的不同，通過ANSYS有限元分析與理論計算的各模板的最大應力和最大應變對比，兩種方法得出的結果有較大差異，設計時要合理的選擇對比各種計算方法，得出合理的結構參數。

（3）理論分析得到底座，浮動一下沖，浮動二下沖和固定一下沖撓度變形都小于0.2mm/m，模板剛性較好，而芯棒底板和陰模板撓度都大于了0.2mm/m，模板剛性相對較差，符合粉末零件的壓制成型工藝要求。