立式二板擠壓成形機(jī)主油缸研究與設(shè)計(jì)

劉賢華，趙麗，崔智敏，楊湘杰，劉旭波

(1.廣東科達(dá)機(jī)電股份有限公司，廣東佛山 528000;2.江西省高性能精確成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330031)

有色金屬熱成形技術(shù)在我國(guó)主要有重力鑄造、低壓鑄造、高低速壓力鑄造及主要靠進(jìn)口的內(nèi)腔金屬擠壓成型技術(shù)。國(guó)際上大部分的擠壓成形機(jī)為三梁四柱直壓式或三梁四柱曲肘式，這兩種模式均存在機(jī)身笨重、造價(jià)高、安裝制造困難、耗能大等特點(diǎn)，大噸位擠壓機(jī)更是如此。有色金屬熱成型想要一次成型，就必須在合模力上得到突破，為此出現(xiàn)了大噸位立式二板擠壓成型機(jī)，該技術(shù)具有生產(chǎn)中同比耗能低、占地面積少、產(chǎn)品性能同比高，耗材少，能生產(chǎn)大型零件等優(yōu)點(diǎn)［1－3］。國(guó)際上現(xiàn)在除日本的宇部公司跟瑞士布勒公司等少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)大噸位二板立式擠壓成型機(jī)外，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)成功樣例的報(bào)道。

圖1 主油缸工作變形

在大噸位立式二板擠壓成形機(jī)的核心技術(shù)中，主油缸部件是其中最重要的技術(shù)之一［4－6］。由于大噸位立式二板擠壓成型機(jī)的構(gòu)成原理所致，如圖1、2所示，在動(dòng)梁1和定梁2擠壓模具6過(guò)程中，定梁2受力會(huì)產(chǎn)生圖中虛線(xiàn)所示方向的微小彎曲，進(jìn)而帶動(dòng)主油缸5的前端蓋51、缸筒52、以及連接罩56一起偏轉(zhuǎn)，然而活塞桿53、活塞54、主螺母55是固定在拉桿3上的不會(huì)隨定梁2一起偏轉(zhuǎn)，將會(huì)導(dǎo)致活塞54與缸筒52之間形成夾角，現(xiàn)有的油缸結(jié)構(gòu)由于活塞54與缸筒52之間、活塞桿53與前端蓋51之間的間隙小，往往會(huì)將主油缸的密封破壞，更嚴(yán)重的是當(dāng)定梁變形較大時(shí)，活塞54與缸筒52之間的間隙將不復(fù)存在，從而將缸筒52內(nèi)壁拉傷，造成主油缸失效。

圖2 立式二板擠壓成型機(jī)主油缸

1 偏載問(wèn)題分析與解決方案研究

為解決油缸偏載失效的問(wèn)題，對(duì)大噸位二板擠壓機(jī)的工況進(jìn)行了分析，提出在兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

如圖3，常規(guī)的油缸與工作件直接連接，油缸只能受到活塞桿軸線(xiàn)方向的力，徑向受力受到導(dǎo)向套受力及活塞、活塞桿與缸體間的間隙限制，當(dāng)模板受力變形時(shí)，油缸就受到如圖3中的偏載力。而受到偏載力時(shí)，圖中的2、3、4、6、7幾處位移最大，很有可能會(huì)產(chǎn)生摩擦而受損，造成主油缸失效。故該主油缸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是密封穩(wěn)定、防止金屬摩擦以及外部受力件與油缸的連接方式。

圖3 偏載力影響

為解決偏載的問(wèn)題，并在考慮密封穩(wěn)定、防止金屬摩擦以及外部受力件與油缸的連接方式等因素后，提出以下兩種改進(jìn)方案:

(1)通過(guò)設(shè)計(jì)主油缸密封結(jié)構(gòu)，加大活塞桿與缸體間的間隙，并提高主密封在與缸體呈現(xiàn)夾角的情況下的密封性能，從而解決主油缸偏載失效。

(2)通過(guò)設(shè)計(jì)外部受力件與油缸的連接方式，將油缸與拉桿的連接部位使用球面連接，使主油缸不再受到偏載力的影響。

2 立式二板擠壓成形機(jī)主油缸改進(jìn)設(shè)計(jì)

解決主油缸偏載的設(shè)計(jì)思路:改進(jìn)設(shè)計(jì)主油缸密封結(jié)構(gòu)，加大活塞桿與缸體間的間隙，提高主密封在與缸體呈現(xiàn)夾角的情況下的密封性能。整體結(jié)構(gòu)上，立式二板擠壓成型機(jī)主油缸設(shè)計(jì)如圖2所示，在該技術(shù)方案中，主油缸裝置的主要結(jié)構(gòu)包括缸筒52、通過(guò)螺釘連接在缸筒52前端的前端蓋51、套裝在拉桿3上的活塞桿53、通過(guò)螺釘與活塞桿53連接的活塞54、連接在拉桿3尾端的主螺母55、以及通過(guò)螺釘連接在缸筒52后端的連接罩56。

基于以上情況，在主油缸設(shè)計(jì)中做如下改進(jìn):

(1)如圖4(a)所示，在活塞54靠近上下兩端面的外圓周壁上分別設(shè)置有第一導(dǎo)向環(huán)71和第二導(dǎo)向環(huán)74，在活塞54的外圓周壁的中部設(shè)置有第一密封圈73;為了增加活塞54與缸筒52之間的間距且保證導(dǎo)向環(huán)不易脫落，定制了一種特殊的第一導(dǎo)向環(huán)71和第二導(dǎo)向環(huán)74，它們與常規(guī)導(dǎo)向環(huán)的區(qū)別在于其橫截面形狀呈凹字形。

(2)如圖4(b)所示，在活塞桿53靠近下端面的外圓周壁上設(shè)置有第三導(dǎo)向環(huán)78，在活塞桿53的外圓周壁的中部設(shè)置有第二密封圈79;同樣，為了增加活塞桿53與前端蓋51之間的間距且保證導(dǎo)向環(huán)不易脫落，定制了一種特殊的第三導(dǎo)向環(huán)78，它與常規(guī)導(dǎo)向環(huán)的區(qū)別在于其橫截面形狀呈凹字形。

(3)上述第一導(dǎo)向環(huán)71、第二導(dǎo)向環(huán)74、以及第三導(dǎo)向環(huán)78具體可按照下列方式設(shè)置在外圓周壁上:根據(jù)其凹字形橫截面的特性，在外周壁上對(duì)應(yīng)位置開(kāi)設(shè)兩個(gè)相鄰的與之匹配的U形凹槽即可，在兩U形凹槽之間實(shí)際形成一個(gè)相對(duì)于U形凹槽底部的一個(gè)凸臺(tái)，該凸臺(tái)的寬度等于導(dǎo)向環(huán)凹字形橫截面的凹陷部分的寬度，兩U形凹槽的寬度和深度與導(dǎo)向環(huán)凹字形橫截面兩邊突出的部分相同，則導(dǎo)向環(huán)與外圓周壁形成公母匹配結(jié)構(gòu)。

因此，導(dǎo)向環(huán)由于凸臺(tái)加U形凹槽的限制，導(dǎo)向環(huán)與外圓周壁的配合更緊密，當(dāng)然凸出于外圓周壁的厚度可以做得更厚，進(jìn)而間接的增加到活塞桿53與前端蓋51(如圖4中的L2)、活塞54與缸筒52之間的間距 (如圖4中的L1)。

圖4 主油缸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)，第一導(dǎo)向環(huán)71凸出于活塞54外圓周壁的厚度可增加為0.6～1.5 mm，第二導(dǎo)向環(huán)74凸出于活塞54外圓周壁的厚度可增加為0.6～1.5 mm，第三導(dǎo)向環(huán)78凸出于活塞桿53外圓周壁的厚度可增加為0.6～1.5 mm。

當(dāng)導(dǎo)向環(huán)凸出于外圓周壁的厚度越厚，也越容易使活塞54與缸筒52、活塞桿53與前端蓋51相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中從外圓周壁中滑落。因此，為了進(jìn)一步保證間距的同時(shí)不至于滑落，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可得:第一導(dǎo)向環(huán)71凸出于活塞54外圓周壁的厚度優(yōu)選為0.8～1.0 mm，第二導(dǎo)向環(huán)74凸出于活塞54外圓周壁的厚度為0.8～1.0 mm，第三導(dǎo)向環(huán)78凸出于活塞桿53外圓周壁的厚度為0.8～1.0 mm。

圖4(a)中，第一導(dǎo)向環(huán)71距離活塞54上端面的距離 (如圖中的L3)可為4～10 mm，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)優(yōu)選5～8 mm;第二導(dǎo)向環(huán)74距離活塞54下端面的距離 (如圖中的L4)可為4～10 mm，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)優(yōu)選5～8 mm。圖4(b)中，第三導(dǎo)向環(huán)78距離活塞桿53下端面的距離 (如圖中的L5)可為4～10 mm，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)優(yōu)選5～8 mm。

如圖4(a)、(b)所示，在活塞54或者活塞桿53上除了設(shè)置有第一導(dǎo)向環(huán)71、第二導(dǎo)向環(huán)74和第三導(dǎo)向環(huán)78外，還包括常規(guī)的其他密封結(jié)構(gòu)，如圖中的第三密封圈72、第一密封圈73、第四密封圈75、第五密封圈76、第六密封圈77、第二密封圈79。

為了進(jìn)一步提高密封效果，第一密封圈73采用雙向組合密封圈，第二密封圈79采用帶擋圈的U形密封圈。

(4)通過(guò)設(shè)計(jì)外部受力件與油缸的連接方式，將油缸與拉桿的連接部位使用球面連接，使主油缸不再受到偏載力的影響。

因?yàn)樵撝饔透籽b置是為立式二板擠壓成型機(jī)設(shè)計(jì)的一種提供高壓鎖模的機(jī)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)行高壓鎖模時(shí)，動(dòng)梁、定梁朝向模具方向有微量變形，4個(gè)主油缸缸體隨定梁微量偏轉(zhuǎn)，如果主油缸活塞因?yàn)榕c主螺母間是以緊固連接的話(huà)，將會(huì)導(dǎo)致主油缸活塞與主油缸缸筒之間形成夾角，同時(shí)在此基礎(chǔ)上如不進(jìn)行主油缸活塞主密封的特殊設(shè)計(jì)而是按照常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)油缸設(shè)計(jì)，往往會(huì)將主油缸的密封破壞，更嚴(yán)重的是當(dāng)定梁變形較大時(shí)，主油缸活塞上下兩個(gè)面的外圓與4個(gè)主油缸形成的對(duì)角線(xiàn)交叉點(diǎn)的其中兩點(diǎn)與主油缸缸筒之間的間隙將不復(fù)存在，從而將主油缸缸筒內(nèi)壁拉傷，造成主油缸失效，見(jiàn)圖5(a)。

圖5 外部受力件與油缸連接方式改進(jìn)前后

改進(jìn)方法是主油缸通過(guò)主油缸活塞與主螺母之間用球形連接 (見(jiàn)圖5(b))，保證在動(dòng)梁、定梁受力變形帶動(dòng)4個(gè)主油缸缸體隨定梁微量偏轉(zhuǎn)情況下，主油缸活塞不會(huì)像緊固連接那樣發(fā)生偏轉(zhuǎn)，保證主油缸主密封件不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏或直接損傷現(xiàn)象，防止主油缸缸筒內(nèi)壁拉傷，提高密封件的使用壽命。

圖6 主油缸裝配

該種形式主油缸裝配方式 (圖6)為:件號(hào)1為拉桿，件號(hào)2為主油缸缸筒，件號(hào)3為主油缸活塞，件號(hào)4為主螺母，件號(hào)5為定梁，件號(hào)6為主油缸前端蓋，件號(hào)7為抱合螺母，件號(hào)8為動(dòng)梁，件號(hào)9為模具。件號(hào)2、6通螺釘連接組成主油缸缸體，件號(hào)2、3、6組成主油缸組件，先將其安裝在件號(hào)5定梁上，件號(hào)1與件號(hào)4通過(guò)螺紋連接，件號(hào)3與件號(hào)4之間通過(guò)球面形成滑動(dòng)連接 (見(jiàn)圖6)。

通過(guò)對(duì)上述技術(shù)的實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并安裝在某公司二板擠壓成形機(jī)上進(jìn)行試運(yùn)行，通過(guò)一年的試驗(yàn)使用時(shí)間，該主油缸運(yùn)行正常，保壓效果良好，未出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)二板擠壓成形機(jī)主油缸的偏載失效問(wèn)題，分析了問(wèn)題原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，并在結(jié)構(gòu)上加以實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明立式二板擠壓成形機(jī)主油缸改進(jìn)設(shè)計(jì)，很好地解決了二板立式擠壓成形機(jī)主油缸偏載帶來(lái)的失效問(wèn)題，為以后類(lèi)似問(wèn)題的解決提供了參考。

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