尹建峰， 劉賢華， 呂國鋒， 游東東

（1.廣東科達機電股份有限公司，廣東佛山528313；2.華南理工大學(xué)，廣州510640）

大噸位擠壓鑄造機框架有限元分析

尹建峰1， 劉賢華1， 呂國鋒1， 游東東2

（1.廣東科達機電股份有限公司，廣東佛山528313；2.華南理工大學(xué)，廣州510640）

大噸位擠壓鑄造機框架是承載工作壓力的最重要組件之一，其框架設(shè)計不僅直接影響壓機的使用與壽命，而且是反映主機整體設(shè)計水平的重要因素。文中通過有限元分析對主機框架在工作狀態(tài)下進行結(jié)構(gòu)剛度和強度校核計算，得出主機框架整體安全、可靠。其研究結(jié)果為大噸位擠壓鑄造機的生產(chǎn)與制造提供了有效的理論依據(jù)。

二板機；擠壓鑄造；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

大噸位擠壓鑄造機（又稱液態(tài)模鍛）最早由德國人在二戰(zhàn)時期形成，二戰(zhàn)后轉(zhuǎn)入前蘇聯(lián)，20世紀50年代后經(jīng)過日本宇部公司全面深入研究和發(fā)展形成系列鎖模力成型裝備，在汽車和精密裝備制造中得到良好的運用。由于其制品性能優(yōu)異，推動了高端汽車總體技術(shù)水平的提高，同時也由于其優(yōu)異的成型性能可運用于國防。

本文以廣東科達機電股份有限公司自主創(chuàng)新的3300t大噸位擠壓鑄造機為研究對象，如圖1所示。主機結(jié)構(gòu)為國際上先進的二板機結(jié)構(gòu)。在壓力機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有限元分析因其可以較精確地揭示壓力機主機的受力及變形情況，已成為壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。通過主機架結(jié)構(gòu)進行有限元模擬分析，并通過有限元模擬分析的結(jié)果，對主體框架進行安全性和可靠性驗證，其分析結(jié)果為結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化提供重要依據(jù)。主機架結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣不僅直接影響壓機的壽命，而且與加工、制造、安裝等方面密切相關(guān)，是反映設(shè)計、制造水平的重要因素。

1 主機參數(shù)

擠壓鑄造機總工作載荷：33 000 kN。

材料參數(shù)的確定，主機框架共4種材料，為合金鋼、碳鋼、鑄鋼和鑄鐵，材料參數(shù)如下：

合金鋼：彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服強度σs=440 MPa；

碳鋼：彈性模量E=2×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服強度σs=345 MPa；

圖1 3 300 t擠壓鑄造機

鑄鋼：彈性模量E=1.9×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服強度σs=270 MPa；

鑄鐵：彈性模量E=1.4×1011Pa，泊松比μ=0.25，屈服強度σb=200 MPa。

2 主機框架結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型的建立

主機框架簡化1/2模型如圖2。主機框架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為獨立導(dǎo)軌導(dǎo)向的新型二板機結(jié)構(gòu)，主機框架結(jié)構(gòu)尺寸為：2 846 mm×3 960 mm×5 500 mm。獨立導(dǎo)軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)不再使用大拉桿為導(dǎo)向，將大拉桿從復(fù)雜的受力工況解放出來只承受合模力，獨立導(dǎo)軌同時為后續(xù)的輔機安裝提供了重要支撐，導(dǎo)軌部分為碳鋼焊接結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌摩擦副材料為鑄鐵；主機下部為主油缸部件，主油缸部件一部分為碳鋼，一部分為合金鋼；主機上部為抱合螺母部件，圖2中為簡化后的抱合螺母，抱合螺母材料為合金鋼；大拉桿材料為合金鋼，動、定梁材料為鑄鋼，模具材料為碳鋼。主機合模動作為當(dāng)抱合螺母抱合后主油缸施加油壓從而形成合模力。

根據(jù)有限元模擬計算的需要，本次考察的主要是主機框架的變形、應(yīng)力情況，故本次計算對主機框架的結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的簡化，舍去小的倒圓角以及小的螺紋孔，對抱合螺母與大拉桿連接螺紋部分進行簡化。模具尺寸按照實際工況設(shè)定尺寸，該主機最初模具為鋁合金輪轂?zāi)＞?，其模具尺寸? 380 mm×1 380 mm×1 120 mm。同時考慮到如果對主機架整體有限元模型進行計算將會對計算機的配置要求非常高，而主機架結(jié)構(gòu)為前后對稱結(jié)構(gòu)，故可用二分之一結(jié)構(gòu)進行計算與分析。在有限元分析中，六面體八節(jié)點單元相對于四面體十節(jié)點單元分析精度較高且運算速度較快，故網(wǎng)格劃分時盡可能采用六面體八節(jié)點單元。本次的計算是利用有限元求解程序MSC.MARC+ MSC.PATRAN，求出機架在公稱壓制力下工作時的剛度、強度，在此過程中對原結(jié)構(gòu)進行一些局部優(yōu)化。對主機框架的網(wǎng)格劃分定模板采用四面體十節(jié)點單元，其余采用六面體八節(jié)點單元，在局部關(guān)鍵區(qū)域進行網(wǎng)格細化，節(jié)點數(shù)47 020；單元數(shù)32 617。主機框架有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 主機框架簡化二分之一模型

圖3 有限元網(wǎng)格二分之一模型

2.2 邊界條件設(shè)置及加載

對主機框架的有限元模型施加邊界條件及載荷，原則上盡可能接近實際工況。邊界條件及加載如圖4所示，對稱面施加對稱邊界條件，即該對稱面的法向位移為零，主機底座地腳螺釘孔處固定，各個相鄰零件之間接觸類型定義為可分離的接觸，零件之間的摩擦因數(shù)設(shè)定為0.1，主油缸腔壓力28.8 MPa。

2.3 有限元模擬結(jié)果分析

2.3.1 模擬分析結(jié)果合理性檢查

邊界條件的檢查：通過檢查分析結(jié)果的對稱面、約束點以及主油缸承受油壓面可知滿足所定義的要求。

圖4 邊界條件及加載

有無應(yīng)力奇變點：通過檢查框架可知整個模型的應(yīng)力梯度變化合理，無明顯的奇變點。說明模型的建立和邊界條件的定義符合要求，見圖5。

圖5 主機框架應(yīng)力情況

拉桿的變形情況與理論分析的誤差：大拉桿有效受力長度為3 357 mm，桿件變形公式為△l＝Pl/（EA）。代入數(shù)值得△l=1.48 mm，而有限元計算拉桿變形結(jié)果約為1.53 mm，有限元計算結(jié)果與理論計算誤差為3.38%?？紤]到有限元分析結(jié)果并非完全的拉伸，由于模板變形還導(dǎo)致大拉桿有一定的彎曲變形，這也足夠說明理論計算與有限元結(jié)果相當(dāng)接近，分析結(jié)果是可信的。大拉桿變形分析件如圖6。

圖6 大拉桿有限元受力軸向變形

2.3.2 有限元模擬結(jié)果分析

1）剛度分析。在施加合模力后，主機框架會產(chǎn)生一定的彈性變形，需對其剛度進行分析。該擠壓鑄造機框架為國內(nèi)首創(chuàng)結(jié)構(gòu)，除考慮整體變形情況外，更多關(guān)注的是導(dǎo)軌以及兩個模板的變形。剛度分析包括：主機框架的整體變形，導(dǎo)軌在x方向（水平方向）變形程度，兩個模板在y方向（豎直方向）的變形情況。圖7是主機框架總體的位移云圖，圖8是導(dǎo)軌在x方向（水平方向）的位移云圖，圖9是定模板在y方向（豎直方向）的位移云圖，圖10是動模板在y方向（豎直方向）的位移云圖。

圖7 主機框架整體變形云圖

圖8 導(dǎo)軌在x方向（水平方向）的變形云圖

圖9 定模板在豎直方向的變形云圖

圖10 動模板在豎直方向的變形云圖

由圖可知：主機框架變形最大的地方在大拉桿及主油缸部位處，最大位移值為2.34 mm，該變形主要由大拉桿的拉伸變形產(chǎn)生，一般情況下拉桿的彈性變形由材料力學(xué)判定都在安全范圍之內(nèi)可以不予考慮，不考慮大拉桿變形，主機框架變形約為0.6 mm，在安全范圍之內(nèi)。導(dǎo)軌中間部位在x方向（水平方向）的最大變形為0.482 mm，該變形是由于動模板變形側(cè)向擠壓導(dǎo)軌產(chǎn)生，導(dǎo)軌的高度為5 030 mm，則導(dǎo)軌單位長度變形為0.09 mm/m，導(dǎo)軌的變形在允許的安全范圍內(nèi)。定模板的模具安裝平面在y方向（豎直方向）中間圓孔處兩邊點變形為-0.261 mm、-0.254 mm，兩邊緣處的變形為-0.186mm、-0.138mm，則定模板豎直方向單位變形一側(cè)為0.066 mm/m，另一側(cè)為0.10 mm/m，定模板工作平面兩邊變形不一致主要是由于下面一側(cè)有一大缺口造成，一般模板原則上變形不能超過0.15 mm/m，定模板變形也是在允許的范圍之內(nèi)。動模板的變形為0.07 mm/m，也是在安全的允許范圍內(nèi)。

2）強度分析。工作狀態(tài)下，主機框架屬于復(fù)雜受理狀態(tài)，既有壓應(yīng)力也有拉應(yīng)力，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理時，局部應(yīng)力集中會成為疲勞破壞源，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的失效，設(shè)計中應(yīng)予以關(guān)注。主機框架均為彈塑性鋼材，以第四屈服強度理論為依據(jù)，分別考察大拉桿、導(dǎo)軌、動定模板的應(yīng)力情況。圖11～圖14分別為大拉桿、導(dǎo)軌、定模板、動模板的von Mises圖。

圖11 大拉桿von Mises圖

圖12 導(dǎo)軌von Mises圖

圖13 定模板von Mises圖

由大拉桿合應(yīng)力圖可知最大應(yīng)力為169 MPa，位于大拉桿與抱合螺母結(jié)合部位，該應(yīng)力較大主要是由于螺母前端受力大后端受力小造成，該處安全系數(shù)為2.6倍；拉桿主要受單向拉應(yīng)力，拉桿主體拉應(yīng)力為95 MPa，這說明拉桿設(shè)計是合理的，拉應(yīng)力過大容易導(dǎo)致拉斷，拉應(yīng)力過小說明拉桿的安全系數(shù)過大，會浪費材料。由導(dǎo)軌應(yīng)力圖知其最大合應(yīng)力僅為17.4 MPa，說明導(dǎo)軌主要是承擔(dān)模板導(dǎo)向，并沒有參與到主機復(fù)雜的受力工況中，承受模板導(dǎo)向功能足以滿足。由定模板應(yīng)力圖知最大von Mises應(yīng)力為63.4 MPa，位于主油缸與模板結(jié)合處，該處主要承受壓應(yīng)力，定模板的屈服強度為270 MPa，則安全系數(shù)為4.25倍，是足夠安全的；需要注意的是中間圓孔邊緣最大拉應(yīng)力為62.5 MPa，該圓孔通過機加工后邊緣處需要人工打磨一定圓角，以提高其疲勞強度。由動模板應(yīng)力圖知最大von Mises為128 MPa，位于抱合螺母和動模板結(jié)合處，主要為壓應(yīng)力，動模板安全系數(shù)為2.1倍，是在安全范圍內(nèi)。動模板的最大合應(yīng)力約為定模板最大合應(yīng)力的2倍，均在與大拉桿與模板聯(lián)接部位，均為壓應(yīng)力，原因在于定模板下方為主油缸底蓋，主油缸底蓋和定模板的接觸面積遠大于抱合螺母和動模板的接觸面積，接觸面積大則會將應(yīng)力擴散，局部應(yīng)力集中不會很明顯。

3 結(jié)語

通過對3 300 t大噸位擠壓鑄造機框架總體結(jié)構(gòu)進行剛度和強度的有限元模擬校核計算，主機架總體結(jié)構(gòu)剛度和強度均安全、可靠。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計上通過對定模板圓孔下邊緣處打磨成圓角以提高其疲勞強度，在實際工業(yè)運行中驗證主機是可靠的。

［1］ 俞新陸.液壓機的設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］ 羅守靖.液態(tài)模鍛與擠壓鑄造技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［4］ 李邦國.Patran 2006與Nastran 2007有限元分析實例指導(dǎo)教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［5］ 邵敏.有限單元法的基本原理和數(shù)值方法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［6］ 陳火紅.新編Marc有限元實例教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［7］ 劉鳴放，劉勝新.金屬材料力學(xué)性能手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

（編輯明 濤）

Finite Element Aalysis of Main Frame Structure in Large Tonnage Squeeze Forming Machine

YIN Jianfeng1,LIU Xianhua1,LYU Guofeng1,YOU Dongdong2
（1.Guangdong KEDA Industrial Co.,Ltd.Foshan 528313,China；2.South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Main frame structure of large tonnage squeeze casting is the most important component for bearing workpressure,the design of main frame structure not only directly effects use and life of the machine,but also reflects important factor of the main machine whole designing level.FEA has been applied to respectively check the stiffness and strength of the main frame structure under the working status in the text.It is verified that the whole structure of main frame is safe and reliable.The achievement provides effective theoretical basis for production and manufacturing of large tonnage squeeze casting machine.

two board machine;squeeze casting;finite element analysis;structure optimization

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0130－03

尹建峰（1980—），男，碩士，工程師，從事擠壓成型裝備設(shè)計研發(fā)。

2014-03-10

國家科技支撐計劃項目（2011BAE21B02）；第一批廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)攻關(guān)項目（2011A010802005）