陳孝海，葉文聰，強立立，王 敏

（寧波精達成形裝備股份有限公司，浙江 寧波 3015031）

隨著粉末成型技術(shù)在汽車、摩托車、農(nóng)機和園藝機械、家用電器等領(lǐng)域的高速發(fā)展，粉末成型制品量不斷增大，粉末成型設(shè)備的需求量也在不斷增加[3]，特別是機械粉末成型壓機。一般而言機械粉末成型壓機較液壓粉末成型壓機生產(chǎn)效率高，設(shè)備運轉(zhuǎn)費用低，并且隨著機械粉末成型壓機的機型品種的不斷完善，其正在不斷替代原有的液壓粉末成型壓機，所占的比重在不斷的增加。但隨著更多臺面的復(fù)雜粉末成型零件所占的比重不斷增加，原中小噸位，成型結(jié)構(gòu)簡單的壓機已經(jīng)不能滿足客戶的需求，更大噸位，更高精密和更復(fù)雜成型結(jié)構(gòu)的機械粉末成型壓機是目前客戶迫切需求的。為了滿足這種需求開發(fā)了具有上三下四新型模架的500t機械粉末成型壓機，提高了機械粉末成型壓機生產(chǎn)大噸位、高精度復(fù)雜零件的能力，為機械粉末成型壓機的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。大噸位、高精密、復(fù)雜成型結(jié)構(gòu)等特點對壓機機身及模架模板的剛度、精度以及模架結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。

本文運用SolidWorks軟件對500t機械粉末成型壓機主機及模架進行了實體建模，并通過ANSYS有限元分析軟件對壓機主機機身及模架各層模板進行了靜強度分析，以確定機身及模架結(jié)構(gòu)的剛度和強度滿足要求，并通過對比總結(jié)出機架及模架靜強度分析的一般方法。

1 機械粉末壓機結(jié)構(gòu)

如圖1所示500t機械粉末成型壓機的剖面簡圖，采用上三下四新型模架，上部為曲軸連桿滑塊施力結(jié)構(gòu)，上內(nèi)沖、上中沖、上外沖3個模板等組成的上三模架安裝于柱狀滑塊上，固定下一沖板、浮動下一沖板、浮動下二沖板、底座（固定下二沖板）4個模板以及陰模板、芯棒底板、內(nèi)外導(dǎo)柱等構(gòu)成的下四模架安裝于機身底座墊板上。粉末成型模具安裝在各個模板上，壓機由主電機驅(qū)動，通過皮帶齒輪等各級傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸上左右對稱布置有加壓凸輪，加壓桿和出模凸輪，出模桿裝置，結(jié)合綜合充填缸、一二下沖浮動缸等驅(qū)動下模架模板按照預(yù)定的凸輪曲線運動,通過機械限位調(diào)整各模板的充填的最終位置，最終形成充填裝粉空間，鐵粉自動填滿模具空間，上模部件由滑塊帶動向下運動，通過上下模的壓制，粉末零件壓制成型，整個上三下四模架最多能夠成型6個臺階面并帶有一個中心孔的復(fù)雜高精度成型品。

2 有限元模型的建立

500t機械粉末成型壓機采用SolidWorks全三維建模設(shè)計出圖，通過對需要分析的主機及模架模型簡化處理可直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件進行分析，如圖2所示為導(dǎo)入到ANSYS軟件后進行網(wǎng)格劃分后的機械粉末壓機的有限元網(wǎng)格模型。表1為分析所用到的材料物理屬性參數(shù)，參考文獻[5]給定壓機有限元分析模型的材料特性等條件，設(shè)置初始邊界條件，采用ANSYS Workbench靜強度分析模塊對機身及模架按實際受力情況加載分別求解。

3 機身靜強度分析

如圖3a所示為機身整體分析簡化網(wǎng)格模型，為減少分析前處理時間，把機身、飛輪端法蘭、齒輪端法蘭、左右主軸軸受等綁定成一體，分別添加材料[2]；簡化了曲軸、連桿、滑塊、上模等結(jié)構(gòu)，連桿，連桿螺母，滑塊等建模成一體，載荷施加于柱狀滑塊底面；取消了下模架結(jié)構(gòu)，把模架作用機身載荷直接施加于機身底座墊板上。主軸與機身的支撐孔接觸面采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.05，同樣連桿與主軸的接觸面采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.05，底座墊板與機身接觸面采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.2，如圖3b所示為機身應(yīng)力云圖，如圖3c所示機身應(yīng)變云圖。

表1 壓機主要零件材料的物理屬性參數(shù)

如圖3b所示為機身應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力162MPa發(fā)生在主軸支撐孔的上部，為應(yīng)力集中點，為避免應(yīng)力過大，安全系數(shù)過低，此處采用45鋼材料，其余部分應(yīng)力都在20MPa左右，采用Q235A材料焊接，一般鋼板焊接機身許用應(yīng)力40～50 MPa，機身滿足強度要求。如圖3c所示為機身X向（垂直上下）變形，總變形為0.7mm，則機身的垂直剛度達到了7000kN/mm，機身剛性較普通鈑金壓力機高，提高了壓機工作的穩(wěn)定性，保證了壓制精度。

4 模架理論計算

下模架各層模板在粉末壓制成型過程中承受著相應(yīng)的壓制力，各模板根據(jù)壓制過程中承受的最大載荷設(shè)計，應(yīng)滿足強度要求。模架很多結(jié)構(gòu)采用類比的方法設(shè)計尺寸，且模板形狀不規(guī)則，可采用簡化的理論方式計算，在模架設(shè)計中，一般將層模板簡化為受中間集中載荷的雙支點梁[4]，模板的強度校核公式為：

模板最大變形撓度ymax發(fā)生在中間，其計算公式為:

式中：p——模板中心載荷，kN；

b——模板寬度，mm；

l——模板長度，mm；

h——模板高度，mm；

[σ]——材料許用應(yīng)力,MPa；

E——材料彈性模量，MPa。

如表2所示下模架各模板設(shè)計參數(shù)及計算結(jié)果，根據(jù)理論計算結(jié)果各個模板的最大彎曲應(yīng)力都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，其中芯棒底板最大應(yīng)力達到127MPa，陰模板和芯棒底板的撓度相對較大，底座和浮動下二沖板撓度較小，剛性好。

表2 各模板設(shè)計參數(shù)及計算結(jié)果

5 模架有限元模型

由于各個模板的具體形狀不可能像理論計算這樣規(guī)則，受力支撐等約束條件也不同于理論模型，所以需要通過ANSYS有限元仿真進一步計算確認。如圖4a所示為下四模架分析簡化整體網(wǎng)格模型，為減少分析前處理時間，簡化合并了一些對分析結(jié)果沒有影響的結(jié)構(gòu)[1]，下主軸部件采用整體建模，陰模板、內(nèi)導(dǎo)柱、芯棒底板綁定成一體，同樣固定下一沖、底座、外導(dǎo)柱綁定成一體。內(nèi)外導(dǎo)柱與模板接觸面均采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.05，模板與擋塊接觸面采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.2，底座墊板與機身，下主軸部件與芯棒底板接觸面均采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.2，根據(jù)各模板收到的最大載荷及工況分別進行有限元分析。為分析計算簡化，實際分析時采用兩個分體網(wǎng)格模型，如圖4b所示為固定一沖板，浮動一沖板，浮動二沖板，底座分析時用到的網(wǎng)格模型，如圖4c所示為陰模板和芯棒底板分析時用到的網(wǎng)格模型。

如圖5～6為下四模架各加載條件得到的分析結(jié)果，其中底座、固定一下沖、浮動一下沖，浮動二下沖采用如圖4b所示分體網(wǎng)格模型1，陰模和芯棒底板采用如圖4c所示分體網(wǎng)格模型2，分別加載到各模板的最大載荷，分析得到的應(yīng)力和應(yīng)變云圖。計算各模板的最大應(yīng)力及最大變形如表2所示。

如表2所示，除了底座的應(yīng)力和應(yīng)變、芯棒底板的應(yīng)變，理論計算和ANSYS分析得到的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果大致相同，其它模板的計算結(jié)果相差很大，分析原因：

（1）分析模型及分析約束條件不一樣，理論計算一般將模板簡化為受中間集中載荷的雙支點梁模型，很理想化，如圖4所示下四模架有限元網(wǎng)格模型中，只有底座的加載及約束模型與其接近，所以最后分析結(jié)果也相近，而其它模型除了芯棒底板其余模板都是中間開孔，并且受力支撐都不同于中間受力的雙支點梁模型，所以不管是應(yīng)力還是應(yīng)變結(jié)果都大不一樣；

（2）由于理論計算不會有應(yīng)力集中點，所以相對應(yīng)力都不會很大，都是100MPa左右，但是由于實際模板上有孔等應(yīng)力集中特征后，ANSYS分析時往往會出現(xiàn)應(yīng)力集中點,如圖5c浮動下一沖應(yīng)力云圖中最大應(yīng)力296MPa出現(xiàn)在孔邊沿，圖6a固定一下沖應(yīng)力云圖中最大應(yīng)力296MPa也出現(xiàn)在孔邊沿，但除了應(yīng)力集中區(qū)域，模板上其他區(qū)域的應(yīng)力也在100MPa左右，符合強度要求；

如表2所示理論計算得出底座，浮動一下沖，浮動二下沖和固定一下沖撓度變形都小于0.2mm/m，模板剛性較好，而芯棒底板和陰模板撓度都大于0.2mm/m，模板剛性相對較差。實際粉末零件壓制工藝過程中陰模和芯棒底板主要承受脫模力的作用而非壓制力，對成型精度影響較小，所以剛性可以相對較差。

6 結(jié)論

（1）依據(jù)本文建立的ANSYS有限元分析模型所進行的有限元數(shù)值仿真分析，揭示了500t機械粉末壓機機身和模架各模板應(yīng)力和應(yīng)變分布及其變化規(guī)律，且結(jié)果滿足強度要求。

（2）由于分析模型的不同，通過ANSYS有限元分析與理論計算的各模板的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變對比，兩種方法得出的結(jié)果有較大差異，設(shè)計時要合理的選擇對比各種計算方法，得出合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（3）理論分析得到底座，浮動一下沖，浮動二下沖和固定一下沖撓度變形都小于0.2mm/m，模板剛性較好，而芯棒底板和陰模板撓度都大于了0.2mm/m，模板剛性相對較差，符合粉末零件的壓制成型工藝要求。