仲太生，金 魏，吉桂生，潘地磊

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

熱模鍛壓力機是汽車關(guān)鍵零部件鍛造生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。目前國產(chǎn)的熱模鍛壓力機基本沿用上世紀80年代引進的德國EUMUCO原有技術(shù)，很難滿足汽車關(guān)鍵零件智能化精密鍛造生產(chǎn)系統(tǒng)的需求。

壓力機的整機剛度是沿壓力機滑塊方向工作載荷與主機在加載方向上變形量之比，是保證壓力機鍛造精度最重要的指標之一。如果壓力機的工作載荷一定，剛度越小，變形量也越大，對成形零件質(zhì)量的影響也越大。單純從壓力機抵抗彈性變形的能力來說，壓力機的剛度參數(shù)應(yīng)該越大越好，但壓力機的制造成本也會越高。文獻[1]論述了熱模鍛壓力機結(jié)構(gòu)和載荷傳遞特點。文獻[2]從工程經(jīng)驗的角度指出了壓力機剛度所需要的機身最大應(yīng)力和靜撓度值。針對壓力機結(jié)構(gòu)剛度和振動問題，根據(jù)載荷傳遞特點，有限元法已用于多種噸位的壓力機機身結(jié)構(gòu)分析：豎直或水平分力被加載于機身有限元模型進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形計算[3]-[6]；有限元模態(tài)分析揭示出了多種噸位壓力機機身的振動特性[7][8]。拉桿預(yù)緊力、滑塊加載力和公稱鍛造力被加載于20MN對稱連桿驅(qū)動壓力機主傳動部件與機身的有限元模型進行剛度分析，并實驗驗證了有限元法的可行性[9]。實驗與仿真的誤差在于忽略了的局部連接細節(jié)、較稀疏的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、以及材料和工藝的隨機性。熱彈塑性有限元法已成功用于140MN熱模鍛壓力機的模架部件的結(jié)構(gòu)分析與選型[10]。國外的先進熱模鍛壓力機生產(chǎn)廠家的剛度參數(shù)向來是技術(shù)機密，國內(nèi)企業(yè)主要通過試驗測試，得到其剛度參數(shù)的大致范圍。剛度參數(shù)不合適會導(dǎo)致壓力機性能不同程度降低。因此，預(yù)先尋求壓力機最佳配置的剛度參數(shù)顯得尤為重要。

為了獲得鍛造載荷對25MN熱模鍛壓力機的整機剛度的影響，本文立足現(xiàn)代設(shè)計與分析方法，針對揚力集團研發(fā)成功的HFP2500T熱模鍛壓力機，作鍛造載荷反作用力的傳遞分析，基于有限元仿真提出熱模鍛壓力機實際鍛造時工作臺表面相對位移變化計算方法，以期對大型壓力機的整機剛度作預(yù)先分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 鍛造載荷傳遞分析

熱模鍛壓力機的核心傳力部件包括機身部件、曲柄滑塊部件、離合制動部件、工作臺、軸承、軸瓦等。在工作時，上述傳動部件將承受交變載荷，其受力狀態(tài)及變形狀況將直接影響機構(gòu)的剛度、安全性和設(shè)備的動態(tài)精度。

圖1a是關(guān)鍵零件的連接關(guān)系，其中，制動器、工作臺、軸承軸瓦均與機身相連?；瑝K通過連桿、曲柄、軸承軸瓦、離合器、制動器與機身相連。上述零件構(gòu)成了鍛造交變載荷的反作用力的主要傳力路徑，也是壓力機整機剛度的主要影響因素。

圖1b指明了主傳力路徑上的載荷空間分布關(guān)系。鍛造載荷分別作用于滑塊和工作臺上，為作用力和反作用力。是機身與其他附件的等效重力；是其偏移曲柄滑塊機構(gòu)的位移矢量。分別為曲軸、連桿、滑塊、工作臺的重力。是曲軸承受的鍛造力。是制動器的重力是其偏離曲柄滑塊機構(gòu)的位移矢量。是離合器的重力；是其偏離曲柄滑塊機構(gòu)的位移矢量。是飛輪的重力；是其偏離曲柄滑塊機構(gòu)的位移矢量。分別為機身對曲軸等零件的約束反力；相應(yīng)的偏離曲柄滑塊機構(gòu)的位移矢量分別為。坐標系 o-x-y 固連于曲軸質(zhì)量中心。

圖1 熱模鍛壓力機原理圖

在鍛造過程中，離合器閉合而制動器分離。曲軸受到離合器接合位置的扭矩。該扭矩沒有通過軸承軸瓦作用于機身，而是以鍛造力的形式作用于上下模。從設(shè)備角度，鍛造力作用于滑塊和工作臺。以連桿和滑塊為研究對象，其力平衡方程滿足式（1）：

以曲軸為研究對象，其力與力矩平衡滿足式（2）、（3）：

其中η1、η2為離合器制動器重力的系數(shù)，屬于區(qū)間（0，1）。

分別以制動器、離合器中與機身連接的部分為研究對象：因為研究對象相對于機身的力矩非常小，所以忽略約束反力的彎矩，則有：

以機身為研究對象，不計離合器制動器對機身的彎矩作用，機身受到作用力包括：機身重力、工作臺重力；鍛造力約束力；地面約束反力。上述載荷的力平衡和力矩平衡可以獲得地面約束反力。

式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）可根據(jù)鍛造力的極大值位置，計算出各個關(guān)鍵件所承受的約束反力。根據(jù)壓力機幾何尺寸，解析法或數(shù)值法均可獲得地面約束反力，完成鍛造力的完整載荷傳遞。

2 整機剛度計算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

載荷的傳遞結(jié)果會造成壓力機變形；結(jié)構(gòu)變形會改變圖1b中空間尺寸關(guān)系；空間尺寸關(guān)系的變化會引起載荷的重新傳遞；載荷的新傳遞結(jié)果會改變壓力機變形；如此往復(fù)，直至結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定。該過程的直接模擬具有一定復(fù)雜性。在工程上，往往對整機進行網(wǎng)格劃分，并采用剛性單元連接各個傳載構(gòu)件，然后對工作臺和滑塊的兩個相對表面，分別施加最大鍛造力。

根據(jù)上述熱模鍛壓力機整體建模思路，獲得工作臺和滑塊相對表面的所有節(jié)點的三軸變形，分別計作（。其中工作臺表面節(jié)點總數(shù)為m，滑塊下表面節(jié)點總數(shù)為n。

首先，比較m和n的大小，以節(jié)點較少的表面為基準，對該表面的每一個節(jié)點i的（xiyi）T，在另一平面上尋找與（xiyi）T距離最近的節(jié)點（xiyi）T。

然后，計算兩點在z軸方向上的距離di，若以k表示m和n中的最小值，則共有k組距離（x1y1d1）T…（xiyidi）T…（xkykdk）T。

最后，計算距離di的均值，再計算距離di相對于均值的偏移量的最大值δ，滿足式（6）：

同時，根據(jù)各個組件的應(yīng)力分布，調(diào)整結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，再進行一系列的整機剛度計算，在保證相對位置精度的同時，給出合理的允許變形方向和變形量，把剛度對精度的影響程度降低到最小，獲得質(zhì)輕、剛度好的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。

3 25MN熱模鍛壓力機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 模型與邊界條件

建立25MN熱模鍛壓力機零件及裝配體的幾何模型，曲軸和連桿的幾何位置為鍛造行程的下死點位置。圖2是其主視圖。結(jié)構(gòu)連接與傳力關(guān)系與圖1原理一致。機身外形尺寸：長3500mm、寬3500mm、高 8900mm；滑塊長 1740、寬 1470、高 2190；連桿長2400mm、寬1070mm；曲軸長4065mm、最大外圓直徑880mm。

圖2 熱模鍛壓力機主視圖

約束機身與地面的接觸表面的自由度，在滑塊與上模的接觸表面、或下模與工作臺的接觸表面施加鍛造力極值的均布載荷25MN，引入重力加速度的作用。材料基本參數(shù)如表1所示。

3.2 結(jié)果與討論

對25MN熱模鍛壓力機進行有限元分析，其整機主要傳載構(gòu)件的等效變形分布如圖3所示。由圖可見，最大變形發(fā)生在滑塊位置；連桿和曲軸也擁有較大變形；整機在Z方向的最大變形為1.2793mm。經(jīng)數(shù)值處理，其滑塊與工作臺的相對位置精度的表征量δ為0.615mm。

表1 材料參數(shù)

為了提高位置精度，根據(jù)各個組件的應(yīng)力分布，增大了其應(yīng)力較大區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸，減小了應(yīng)力較小區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸。對各個組件的新幾何模型，采用所提方法進行計算。滑塊、連桿、偏心軸、機身的分析改進結(jié)果如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11所示。

圖4 滑塊變形分布（單位：mm）

圖5 滑塊應(yīng)力分布

圖6 連桿變形分布

圖4表明滑塊的最大等效變形在其底部，為0.21989mm；圖5表明滑塊Mises應(yīng)力的最大值為110.52MPa；圖6表明連桿的最大等效變形在其底部，為0.15721mm；圖7表明連桿的Mises應(yīng)力為98.886MPa，是主要零件中的應(yīng)力最小值；圖8表明曲軸的最大等效變形為0.367mm，在其與連桿連接位置；圖9表明曲軸的Mises應(yīng)力可達208.07MPa；圖10表明機身的最大等效變形為0.276mm，位于工作臺位置；圖11表明機身Mises應(yīng)力最大值為181.56MPa。工作臺和滑塊的相對位置精度的表征量δ為0.494mm。該結(jié)果優(yōu)于尺寸調(diào)整前的相對位置精度。

圖7 連桿應(yīng)力分布

圖9 偏心軸應(yīng)力分布

圖10 機身變形分析

4 結(jié)語

圖11 機身應(yīng)力分析

完成了鍛造載荷在壓力機整機的載荷傳遞分析。建立了典型25MN熱模鍛壓力機鍛造載荷主傳力構(gòu)件的整機有限元模型。獲得了各個構(gòu)件的應(yīng)力和變形分布，計算了工作臺和滑塊的相對位置精度。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，改進了滑塊、連桿、曲軸和機身的形狀和相關(guān)尺寸，優(yōu)化了熱模鍛壓力機的整機結(jié)構(gòu)。

在此鍛造工況下，滑塊和曲軸組件不僅是主要傳力結(jié)構(gòu)，而且變形也較大。與連桿相比，滑塊和曲軸在結(jié)構(gòu)改進后更多地增加了整機剛度指標。