上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司 上海 200245

1 研究背景

30 MN雙動鋁擠壓機是筆者公司制造,首次出口至土耳其,且執(zhí)行歐盟標準的鋁及鋁合金型材擠壓機,該擠壓機的質(zhì)量要求非常高。鋁擠壓機框架的剛度對于擠壓制品的精度而言至關(guān)重要,當前流行的鋁擠壓機多采用預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu),也就是在安裝時通過拔長拉桿后鎖緊兩端螺母使拉桿收縮時的拉應(yīng)力加載在框架上。預(yù)應(yīng)力框架有很高的剛度,可以提高制品質(zhì)量,降低拉桿的應(yīng)力波動幅度,同時提高拉桿的疲勞強度,延長使用壽命。預(yù)應(yīng)力框架是當代擠壓機領(lǐng)域的先進技術(shù)[1-4]。

筆者應(yīng)用Unigraphics三維軟件對30 MN雙動鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架的關(guān)鍵零件建立模型、組裝,然后導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件,基于擠壓機的實際受力情況,建立邊界條件,施加載荷,得到預(yù)應(yīng)力框架及其關(guān)鍵零件的等效應(yīng)力云圖與等效變形云圖。

2 鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架有限元分析

2.1 有限元建模

應(yīng)用Unigraphics軟件建立30 MN鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架三維模型,如圖1所示。預(yù)應(yīng)力框架主體包括前梁、主缸、后梁、拉桿、壓套及螺母,前梁為35號鋼鍛件,拉桿為35CrMo鍛件,螺母為35號鋼鍛件,壓套為45號鋼鍛件,主缸和后梁為一體式,采用20MnMo鍛件焊接而成。

各個零件的材料及參數(shù)見表1。在應(yīng)用ANSYS Workbench軟件進行線性靜力結(jié)構(gòu)分析時,材料屬性只需定義楊氏模量及泊松比。

圖1 鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架三維模型

表1 鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架主要部件材料及參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

將Unigraphics軟件中建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中,材料定義為普通結(jié)構(gòu)鋼,輸入彈性模量及泊松比,采用分部件劃分網(wǎng)格的方式對模型進行網(wǎng)格劃分。在ANSYS Workbench 軟件中,三維幾何體單元類型主要分為四面體單元和六面體單元。四面體單元可用于任意結(jié)構(gòu),網(wǎng)格劃分時可以快速、自動生成網(wǎng)格,比較適用于復(fù)雜幾何體。六面體單元適用于結(jié)構(gòu)比較簡單、規(guī)則的幾何體,網(wǎng)格劃分比較慢,計算時也較為復(fù)雜。在有限元分析時,網(wǎng)格劃分非常關(guān)鍵,網(wǎng)格劃分的數(shù)量影響計算量,而網(wǎng)格劃分的質(zhì)量則會直接影響計算結(jié)果的精度,因此在確定網(wǎng)格劃分方式時,要綜合考慮經(jīng)濟性和準確性這兩方面因素[5-8]。

由于前梁和主缸+后梁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此采用四面體單元進行劃分。拉桿、螺母和壓套形狀規(guī)則,采用六面體多區(qū)域掃掠的網(wǎng)格劃分方法。ANSYS Workbench軟件會將所選定的實體自動劃分為多個區(qū)域,然后對每個區(qū)域進行掃掠,得到較為規(guī)則的六面體單元。由于預(yù)應(yīng)力框架整體尺寸較大,因此對每個實體手動設(shè)置網(wǎng)格尺寸的大小,整個預(yù)應(yīng)力框架共劃分得到177 084個單元、323 369個節(jié)點,如圖2所示。網(wǎng)格劃分后查看網(wǎng)格質(zhì)量,平均值為 0.76,確認網(wǎng)格劃分的質(zhì)量比較高,滿足有限元分析的要求,且計算量也不是特別大。

圖2 鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架模型網(wǎng)格劃分

2.3 載荷和約束施加

建立鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架模型時進行簡化,去除凸臺、凹槽等不影響分析計算結(jié)果的細小特征,簡化為18個實體。將簡化后的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件,ANSYS Workbench軟件會自動識別接觸對,但是所有接觸都默認為綁定,因此需要根據(jù)模型的實際工況重新定義接觸。

筆者共設(shè)置36個接觸對。由于預(yù)應(yīng)力框架的螺栓預(yù)緊力足夠大,因此前梁與螺母之間的四個接觸對、主缸面板與螺母之間的四個接觸對、拉桿與螺母之間的八個接觸對,其接觸類型均為綁定,保持不變。由于壓套兩端面與前梁、主缸面板之間始終存在壓應(yīng)力,因此壓套與前梁之間的四個接觸對、壓套與主缸面板之間的四個接觸對,其接觸類型均為綁定,保持不變。擠壓機在擠壓制品時,前梁與拉桿、主缸面板與拉桿、拉桿與壓套之間產(chǎn)生相對滑動,因此前梁與拉桿之間的四個接觸對、主缸面板與拉桿之間的四個接觸對、拉桿與壓套之間的四個接觸對,其接觸類型設(shè)置為摩擦,摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2。

對框架加載預(yù)應(yīng)力,公稱擠壓力為30 MN,加載預(yù)應(yīng)力取1.25倍最大擠壓力,即37.5 MN,則每根拉桿上的預(yù)應(yīng)力為9.375 MN。在擠壓工況下,前梁環(huán)形端面處受30 MN擠壓力,主缸內(nèi)加載30 MPa壓強,兩側(cè)缸固定面處受3.69 MN擠壓反力。注意需要分載荷步加載,一共分三步加載所有載荷,在軟件中可以看到加載預(yù)應(yīng)力到擠壓全過程中整個預(yù)應(yīng)力框架的變形情況。

2.4 分析結(jié)果

加載后求解得到整個鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架的橫向變形云圖、軸向變形云圖和應(yīng)力云圖,依次如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架橫向變形云圖

圖4 鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架軸向變形云圖

圖5 鋁擠壓機預(yù)應(yīng)力框架等效應(yīng)力云圖

整個預(yù)應(yīng)力框架在30 MN擠壓力工況下,最大橫向變形為0.589 mm,壓套向內(nèi)彎曲,兩側(cè)變形均勻,滿載擠壓工況下整個機架仍有很好的剛度。整個預(yù)應(yīng)力框架在擠壓時軸向變形量最大值出現(xiàn)在拉桿處,拉桿被伸長,最大軸向變形為8.692 mm。預(yù)應(yīng)力框架在滿載下應(yīng)力分布均勻,應(yīng)力最高處為前梁下端面小臺階面,確認為網(wǎng)格在此處出現(xiàn)尖角所致,這些細節(jié)特征對于強度分析而言沒有影響,可以忽略。

對于預(yù)應(yīng)力框架的軸向變形而言,一般鋁擠壓機允許的軸向變形量,其值(單位mm)為公稱壓力(單位MN)的30%[9],即9 mm,可見滿載下預(yù)應(yīng)力框架的軸向變形滿足剛度要求。

3 鋁擠壓機關(guān)鍵部件有限元分析

3.1 主缸

所分析的鋁擠壓機中,主缸與后梁為整體鍛件,如圖6所示,應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拉桿預(yù)緊時螺母對面板產(chǎn)生局部壓應(yīng)力處,拉桿孔邊緣處的等效應(yīng)力比較大。主缸采用20MnMo鍛件,屈服強度為380 MPa,取安全因數(shù)為1.5,則許用應(yīng)力為253 MPa,大于最大等效應(yīng)力(128 MPa),確認主缸強度滿足使用要求。如圖7所示,主缸變形較小,最大變形量為0.323 mm。

圖6 主缸等效應(yīng)力云圖

圖7 主缸等效變形云圖

3.2 壓套

壓套主要在拉桿預(yù)緊時承受壓應(yīng)力,在靠近前梁大端面處變形最大,最大等效應(yīng)力值也產(chǎn)生在此位置。我國一些重型機械研究院設(shè)計的擠壓機中,要求壓套采用45號鋼鍛件,并且有調(diào)質(zhì)熱處理要求。壓套等效應(yīng)力云圖和軸向變形云圖分別如圖8、圖9所示。可見,壓套最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在與梁面板接觸的局部銳邊處,最大應(yīng)力值為139 MPa,而45號鋼的屈服強度為345 MPa,可見最大應(yīng)力遠遠小于壓套的許用應(yīng)力。由于45號鋼焊接困難,因此建議壓套使用35號鋼鍛件,由正回火處理代替調(diào)質(zhì)熱處理,這樣可以在滿足使用要求的前提下降低成本,節(jié)省能源。壓套被壓縮時軸向變形量為1.811 mm。

圖8 壓套等效應(yīng)力云圖

圖9 壓套軸向變形云圖

3.3 前梁

前梁在中心模具孔處受近似環(huán)形的面力,力的大小為鋁擠壓機的公稱壓力。如圖10所示,前梁受力均勻,中心模具孔處應(yīng)力值在80 MPa左右,個別處應(yīng)力集中是由于網(wǎng)格劃分的尺度較大,細小特征處出現(xiàn)尖角所致,對于整體強度分析沒有影響,可以忽略。如圖11所示,前梁中心模具孔處為變形最大處,符合彎矩引起的最大撓度在前梁中點的經(jīng)驗。

圖10 前梁等效應(yīng)力云圖

3.4 拉桿

拉桿等效應(yīng)力云圖和軸向變形云圖分別如圖12、圖13所示。整個預(yù)應(yīng)力框架中,拉桿所受的等效應(yīng)力最大,最大應(yīng)力值為169 MPa,位于小臺階處。在實際加工中,可以在此處圓滑過渡,減小應(yīng)力

圖11 前梁等效變形云圖

集中的現(xiàn)象。拉桿材料為35CrMo鍛件,屈服強度為440 MPa,強度滿足使用要求。拉桿軸向變形較大,四根拉桿變形呈對稱分布,向擠壓機內(nèi)側(cè)彎曲,最大伸長量為8.692 mm。

圖12 拉桿等效應(yīng)力云圖

圖13 拉桿軸向變形云圖

4 結(jié)束語

通過有限元分析可知,30 MN雙動鋁擠壓機在滿載擠壓工況下整個預(yù)應(yīng)力框架受力全部在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi),橫向變形小,呈對稱分布,符合常規(guī)設(shè)計經(jīng)驗,且剛度很高,可以保證擠壓制品精度。

由于壓套比較長,總長為5 820 mm,整根鍛造難度大,因此采用分段鍛造再焊接的方式制造。材料45號鋼鍛件含碳量高,不易焊接,通過對壓套的有限元分析可知,35號鋼鍛件的許用應(yīng)力足夠滿足壓套的強度和剛度要求。在今后的工程中,壓套建議采用35號鋼鍛件,由正回火處理代替調(diào)質(zhì)熱處理,可以滿足使用要求。

這樣做還可以降低焊接的難度和制造成本,取得一定的經(jīng)濟效益。

針對一些局部存在應(yīng)力集中的情況,在制造過程中應(yīng)特別注意,如拉桿截面變化處應(yīng)圓滑過渡,在加工中在此處不應(yīng)出現(xiàn)刀痕。

計算機模擬只是設(shè)計中的一種檢驗設(shè)計合理性的手段,由于數(shù)值分析時的各種假設(shè)及邊界條件,以及算法的限制,數(shù)值分析結(jié)果和真解之間的差別永遠存在,這就需要分析者有扎實的理論功底和豐富的工程實踐經(jīng)驗,對得出的結(jié)果進行謹慎分析、判斷。只有在工作中深刻學(xué)習(xí)各種力學(xué)理論及有限元法原理,才能更好地使用好數(shù)值模擬分析軟件。

筆者所做的分析為線性靜力結(jié)構(gòu)分析,通過對鋁擠壓機的分析,為今后更加復(fù)雜的工程實踐和設(shè)計積累了經(jīng)驗。