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        壓鑄機(jī)沖頭和熔缸的摩擦有限元分析及實(shí)驗(yàn)研究

        2014-05-14 02:17:14郭子利
        唐山學(xué)院學(xué)報(bào) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:壓鑄機(jī)磨損量摩擦

        郭子利

        (唐山學(xué)院 機(jī)電工程系,河北 唐山063000)

        0 引言

        壓鑄機(jī)的沖頭和熔缸是壓鑄機(jī)重要組成部分,尤其是沖頭,在壓鑄送料過(guò)程中容易磨損,造成失效。在壓鑄過(guò)程中,為保證鋁合金的金屬液不能通過(guò)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(guò)了沖頭和熔缸的最大間隙,兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)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(duì)象,研究?jī)烧吣Σ習(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(shí)際,對(duì)沖頭各個(gè)部位的磨損量進(jìn)行測(cè)定,找到減小沖頭磨損的方法,達(dá)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(jìn)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(yuǎn)高于沖頭的硬度。因此認(rèn)為熔缸為剛體。材料不進(jìn)行定義也可滿足要求。

        表1 球墨鑄鐵的參數(shù)

        考慮到需進(jìn)行模擬結(jié)構(gòu)的接觸分析,選用solid185實(shí)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(duì)創(chuàng)建結(jié)果如圖3所示。

        圖3 接觸對(duì)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(duì)沖頭與熔缸間的摩擦過(guò)程進(jìn)行應(yīng)力分析,結(jié)果如圖4-7所示。

        圖4 摩擦過(guò)程X方向應(yīng)力分布

        圖5 摩擦過(guò)程Y方向應(yīng)力分布

        圖6 沖頭摩擦過(guò)程Z方向應(yīng)力分布

        圖7 摩擦過(guò)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(huì)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(guò)0.05 mm,金屬液流進(jìn)間隙中,會(huì)加劇沖頭和熔缸間的磨損。

        3 沖頭磨損量測(cè)定

        抽取4個(gè)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(cè)微器對(duì)沖頭進(jìn)行磨損量測(cè)量,結(jié)果如表2所示。由表2可看出,沖頭的實(shí)際磨損以沖頭的端部最為嚴(yán)重。

        表2 沖頭各個(gè)部位磨損量的測(cè)定

        4 減小沖頭磨損的改進(jìn)意見

        4.1 改進(jìn)沖頭的材料和性能

        對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行有針對(duì)性熱處理以增加耐磨性;同時(shí)采用鈹青銅、奧-貝球鐵等材料替代球鐵材料以減少?zèng)_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(jí)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(rùn)滑條件[5]

        將石墨按比例添加到潤(rùn)滑油中,提升潤(rùn)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(duì)象,利用UG三維軟件進(jìn)行三維建模,利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了應(yīng)力分析,并對(duì)沖頭磨損量進(jìn)行測(cè)定,得到?jīng)_頭端部磨損最為嚴(yán)重的結(jié)論??紤]實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)提出了減小沖頭磨損的改進(jìn)意見。

        [1] 張兆云,王海生.連鑄球鐵型材在壓鑄機(jī)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(jiǎn)化算法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(11):2434-2436,2514.

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

        [4] 田雁晨.金屬壓鑄模具設(shè)計(jì)技巧與實(shí)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(jī)沖頭上的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù),2000(2):24-25.

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