鍛壓機(jī)模體(模座)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文／林亞東，李鵬鵬，楊航，顧軍，吳寶健，于世方·一汽鍛造(吉林)有限公司

1600t 模鍛壓力機(jī)是我公司重要的設(shè)備之一，同時(shí)還是紅旗HS5、HS7 等車型發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的主力生產(chǎn)設(shè)備。最近幾年，設(shè)備的下模體不斷出現(xiàn)開裂情況，不僅花費(fèi)了大量的模具費(fèi)用，還嚴(yán)重影響了供貨，因此大模體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)迫在眉睫。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，有多種理論可以進(jìn)行分析，本文中采取的是第四強(qiáng)度理論(即等效應(yīng)力)，再根據(jù)公司實(shí)際情況進(jìn)行最終的設(shè)計(jì)。

模體有限元分析

原始結(jié)構(gòu)分析

大模體是由底座、頂桿托、墊板組成的裝配體模型，三維模型是根據(jù)現(xiàn)有的CAD 設(shè)計(jì)圖紙?zhí)崛〗Y(jié)構(gòu)尺寸，在Creo 中進(jìn)行三維實(shí)體創(chuàng)建。在保證結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，對(duì)模型進(jìn)行了簡化，把一些不必要的特征取消掉，以便于提高模擬運(yùn)行的速度，簡化后的模型如圖1 所示。

圖1 中綠色的部分是墊板，在大模體使用過程中，打擊力也是通過墊板傳遞到大模體上。通過應(yīng)力分析軟件對(duì)大模體進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果如圖2 所示。模座最大等效應(yīng)力為186.97MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度930MPa，所以模具結(jié)構(gòu)的斷裂屬于疲勞斷裂。

根據(jù)實(shí)際斷裂情況，對(duì)模體和墊板進(jìn)行了等效應(yīng)力分析，如圖3、圖4 所示。從圖中可以看出，模體中間面最大等效應(yīng)力為80.73MPa，而墊板最大等效應(yīng)力為102.11MPa。

模體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

方案一

圖1 大模體初始結(jié)構(gòu)

圖2 原始結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分析

如圖5 所示，將模體底面平面結(jié)構(gòu)更改成拱形結(jié)構(gòu)，參考了“拱橋”的設(shè)計(jì)原理，把豎直向下的縱向力通過橋身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為橫向的力，最后作用到兩邊的基體，這樣就對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)起到了保護(hù)作用。結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果如圖6 所示，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，模座最大等效應(yīng)力為120.19MPa，小于改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度930MPa，所以模具結(jié)構(gòu)的斷裂是屬于疲勞斷裂。

圖7 是根據(jù)實(shí)際情況中裂紋的位置，選取了模座中間面進(jìn)行分析。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，最大等效應(yīng)力為72.9MPa，小于原始結(jié)構(gòu)。

圖3 中間面應(yīng)力分析

圖4 墊板應(yīng)力分析

圖5 二次改進(jìn)后模體結(jié)構(gòu)

圖6 方案一結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分析

如圖8 所示，墊板最大等效應(yīng)力為88.86MPa，小于結(jié)構(gòu)改進(jìn)前墊板所受的應(yīng)力102.11MPa。

方案二

圖9 中的改進(jìn)結(jié)構(gòu)是采取圓頂型的設(shè)計(jì)理念，也屬于“拱橋”設(shè)計(jì)原理的一種，這種設(shè)計(jì)方法既繼承了拱橋結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，也大幅度降低了模具的加工難度。對(duì)圖9 中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模具應(yīng)力分析，分析結(jié)果如圖10 所示。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，模座最大等效應(yīng)力為152.24MPa，小于改進(jìn)前結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，大于第一次改進(jìn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值。

圖7 方案一中間面應(yīng)力分析

圖8 方案一墊板應(yīng)力分析

圖9 二次改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

表1 改進(jìn)前后結(jié)果匯總

圖10 方案二整體應(yīng)力分析

根據(jù)實(shí)際情況中裂紋的位置，選取了模座中間面進(jìn)行分析，如圖11 所示。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，最大等效應(yīng)力為71.27MPa，小于原始結(jié)構(gòu)。

如圖12 所示，墊板最大等效應(yīng)力為100.04MPa，大于第一次改進(jìn)的88.86MPa，小于結(jié)構(gòu)改進(jìn)前墊板所受的應(yīng)力102.11MPa。

圖11 方案二中間面應(yīng)力分析

圖12 方案二墊板應(yīng)力分析

結(jié)束語

對(duì)幾種改進(jìn)方案匯總結(jié)果如表1 所示。

通過對(duì)比改進(jìn)結(jié)果可以看出：第一次改進(jìn)的效果最好，但是第一次改進(jìn)的結(jié)構(gòu)在加工上實(shí)現(xiàn)起來很困難，成本更高；而第二次改進(jìn)的結(jié)果等效應(yīng)力比原始結(jié)構(gòu)降低了不少，而且加工方面很容易實(shí)現(xiàn)。綜上所述，選取第二種方案進(jìn)行改進(jìn)。目前該改進(jìn)結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用兩年有余，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，生產(chǎn)效果良好。