張建功，馬海寬，李培力，隋 健，劉慧超，高尚輝

（中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

0 引言

壓鑄是一種高效精密鑄造方法，其在實(shí)際生產(chǎn)中效率高，能夠生產(chǎn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件，且生產(chǎn)的產(chǎn)品具有組織致密、力學(xué)性能好、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此壓鑄機(jī)在航空航天、汽車、輕工等行業(yè)應(yīng)用廣泛。壓鑄機(jī)的合模機(jī)構(gòu)在壓鑄機(jī)整體中占有重要地位，合模機(jī)構(gòu)直接決定了鑄件金相組織的精密和機(jī)械性能的良好，同時(shí)對壓鑄機(jī)的生產(chǎn)效率有很大的影響，因此人們對合模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一直都很重視，力爭在合模平穩(wěn)可靠的基礎(chǔ)上得到較大的放大比、行程比，獲得較好的速度、加速度運(yùn)動曲線［1］。目前，壓鑄機(jī)廣泛采用雙曲肘五鉸點(diǎn)斜排列合模機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動特性好，機(jī)構(gòu)剛性大，合模速度快，生產(chǎn)率高［2］。雖然雙曲肘五鉸點(diǎn)斜排列合模機(jī)構(gòu)能夠鎖緊模具，滿足安全、可靠等方面的要求，但對其運(yùn)動和力學(xué)特性的分析較少。本文將通過ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動和力學(xué)分析，給出最佳合模機(jī)構(gòu)臨界角，最后應(yīng)用ABAQUS軟件進(jìn)行合模機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析。

1 合模機(jī)構(gòu)原理

雖然目前我國生產(chǎn)的壓鑄機(jī)的合模機(jī)構(gòu)種類比較多，但大多形式為合模油缸與雙曲肘鉸鏈機(jī)構(gòu)，如圖1所示。其工作原理為：系統(tǒng)的驅(qū)動油缸通過驅(qū)動小撐臂移動進(jìn)而使合模機(jī)構(gòu)擺動，合模機(jī)構(gòu)向前擺動推動動模板在拉桿上軸向滑動，達(dá)到了開合模的目的；當(dāng)合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動到終點(diǎn)前某一位置時(shí)，模具剛好碰上，合模機(jī)構(gòu)在油缸推動下繼續(xù)運(yùn)動，迫使合模機(jī)構(gòu)部件發(fā)生彈性變形，從而對模具產(chǎn)生壓緊力（即合模力）；運(yùn)動終止時(shí)，合模機(jī)構(gòu)處于自鎖狀態(tài)，這時(shí)即使合模油缸卸荷，合模力也不會消失［3］；壓鑄結(jié)束后，油缸返回，帶動鎖緊機(jī)構(gòu)回退，使合模力消失。

圖1 雙曲肘五鉸點(diǎn)斜排列合模機(jī)構(gòu)的平面圖

2 合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性分析

圖2為壓鑄機(jī)雙曲肘五鉸點(diǎn)斜排列合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理圖。

圖2 合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理圖

圖2中，Sm為壓鑄機(jī)動模板行程，S0為壓鑄機(jī)油缸行程，C1為壓鑄機(jī)動模板上的前支鉸，C為壓鑄機(jī)任意位置，E為壓鑄機(jī)后支鉸。為了清晰簡明地分析雙曲肘連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀況，本文將此機(jī)構(gòu)看作是由2套對稱的單曲肘五支鉸曲肘連桿機(jī)構(gòu)組成，每1套單曲肘又能夠認(rèn)為是由2組曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)組成。在油缸不作用時(shí)，C點(diǎn)的移動量也就是合模機(jī)構(gòu)動模板行程，即：

其中：α是合模機(jī)構(gòu)的曲肘角。

把合模機(jī)構(gòu)開模極限位置時(shí)的C點(diǎn)視為合模機(jī)構(gòu)的初始點(diǎn)，把合模機(jī)構(gòu)的前、后肘桿拉直成直線位置時(shí)的C1點(diǎn)視為終點(diǎn)，即：

設(shè)肘桿比λ＝L1/L2，則：

由式（3）和式（4）可將式（1）轉(zhuǎn)化為：

當(dāng)合模機(jī)構(gòu)的前、后肘桿拉直成直線時(shí)：

其中：XCmax為合模機(jī)構(gòu)的前、后肘桿拉直成直線時(shí)C點(diǎn)的最大移動量。

當(dāng)合模機(jī)構(gòu)位于開模極限位置時(shí)：

其中：XCmin為合模機(jī)構(gòu)在開模極限位置時(shí)C點(diǎn)的最小移動量。

那么合模機(jī)構(gòu)的模板行程為：

根據(jù)圖2進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，小撐臂A點(diǎn)的移動量即為油缸行程。以合模機(jī)構(gòu)的開模極限位置時(shí)的A點(diǎn)為初始點(diǎn)，即取XAmin＝0，以合模機(jī)構(gòu)的前、后肘桿拉成直線位置時(shí)的A1點(diǎn)為終點(diǎn)，即：

其中：φ0為合模機(jī)構(gòu)處于開模極限位置時(shí)十字頭與水平方向夾角；φmax為合模機(jī)構(gòu)開模前后肘桿處于直線位置時(shí)十字頭與水平方向夾角。

合模油缸行程為：

再由三角變換公式可得：

3 三維建模及ADAMS仿真

利用三維造型軟件Pro/E建立合模機(jī)構(gòu)實(shí)體模型，然后將其導(dǎo)入到ADAMS關(guān)系系統(tǒng)，如圖3所示。對模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到力和位移隨φ值的變化情況，分別如圖4和圖5所示。從分析結(jié)果可以看到，4 500t壓鑄機(jī)的合模機(jī)構(gòu)當(dāng)φ值為173°時(shí)，模具產(chǎn)生了最大合模力2 250×2＝4 500t，油缸再移動使合模機(jī)構(gòu)達(dá)到自鎖狀態(tài)，此時(shí)φ為175°，保證工作時(shí)不被沖開，滿足了要求。

圖3 ADAMS環(huán)境示意圖

圖4 位移隨φ值的變化示意圖

4 強(qiáng)度分析

本次研究由于壓鑄機(jī)接觸機(jī)構(gòu)很多，故采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析。根據(jù)特征建模的思想，對有限元模型在實(shí)物的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化，去除了小的圓角、孔等，利用壓鑄機(jī)的對稱性，本文只對壓鑄機(jī)的1/2進(jìn)行強(qiáng)度分析。

4.1 模型仿真參數(shù)設(shè)置

在有限元分析中，材料的本構(gòu)模型參數(shù)直接決定著計(jì)算結(jié)果的精確度。本文依據(jù)壓鑄機(jī)實(shí)際構(gòu)成材料，選取彈性模量和泊松比分別為200GPa和0.3［4］。壓鑄機(jī)有限元分析時(shí)邊界條件設(shè)定為：前模板底面施加完全約束；根據(jù)模型的特點(diǎn)，施加對稱約束；動模板可沿著導(dǎo)向柱滑動，起導(dǎo)向作用；液壓缸的油壓為16 MPa，結(jié)構(gòu)間的接觸根據(jù)實(shí)際約束定為滑動接觸，摩擦系數(shù)為0.07。單元劃分時(shí)，合模結(jié)構(gòu)劃分較細(xì)［5］，單元大小定為6mm～10mm，其他部位的單元大小為20mm～30mm。合模機(jī)構(gòu)有限元約束定義和網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖5 力與φ值的關(guān)系曲線

圖6 合模機(jī)構(gòu)有限元約束定義和網(wǎng)格劃分

4.2 結(jié)果分析

在結(jié)果處理中，模型采用單元平均法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算［6］。壓鑄機(jī)合模機(jī)構(gòu)整體應(yīng)力分布如圖7所示，從中可以清晰地看出，合模機(jī)構(gòu)大部分單元的應(yīng)力都在80MPa以下，而在某些局部單元，應(yīng)力可達(dá)到200 MPa以上，應(yīng)力較高，如圖8所示，最大應(yīng)力集中在鉸孔安裝處，達(dá)到了220MPa。通過以上分析可知，當(dāng)合模機(jī)構(gòu)的φ值為175°時(shí)，應(yīng)力在控制范圍之內(nèi)，滿足安全穩(wěn)定工作的要求。

5 結(jié)論

本論文利用Pro/E軟件建模，通過ADAMS進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，得出合模機(jī)構(gòu)角度φ和力與位移之間的關(guān)系，并確定了模具接觸時(shí)的最佳角度。然后對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度分析，通過ADAQUS的仿真，驗(yàn)證了合模結(jié)構(gòu)的安全合理性，為壓鑄機(jī)在實(shí)際中安全穩(wěn)定工作提供了保證，節(jié)約了壓鑄機(jī)合模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率，對壓鑄機(jī)的發(fā)展提供了有力的支持。

圖7 合模機(jī)構(gòu)整體應(yīng)力分布圖

圖8 合模機(jī)構(gòu)局部應(yīng)力分布圖

［1］熊萬春，金志明，薛平.壓鑄機(jī)雙曲肘五鉸點(diǎn)斜排列合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動和力學(xué)特性分析［J］.特種制造及有色冶金，2008，28（6）：445-447.

［2］張琦，張帥，萬水平，等.大型臥式壓鑄機(jī)中板的結(jié)構(gòu)輕量化研究［J］.機(jī)床與液壓，2013（3）：13-16.

［3］涂書棟.基于ANSYS的壓鑄機(jī)合模機(jī)構(gòu)有限元分析研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2005：28-33.

［4］張振祥.基于ADAMS的壓鑄機(jī)合模機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.輕工機(jī)械，2010（6）：22-24.

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