基于ANSYS Workbench的快速換模機(jī)構(gòu)的分析?

宋傳璽 王守城

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

液壓輪胎硫化機(jī)的活絡(luò)模具一般由動(dòng)模和定模兩部分組成，上模安裝在硫化機(jī)的固定模板上，在硫化機(jī)工作輪胎成型過(guò)程中，它隨硫化機(jī)的合模系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。下模安裝在硫化機(jī)的下固定模板上，固定在底座上。由于現(xiàn)有活絡(luò)模具的連接方法一般都用多個(gè)螺釘固定，而連接處的工作環(huán)境特別惡劣，長(zhǎng)期處于高溫潮濕的環(huán)境中，蒸汽溫度約為150℃，螺釘很容易生銹，維修時(shí)要拆裝這么多的銹蝕、變形的螺釘也是一件很費(fèi)力的事［1～2］。

另外活絡(luò)模的水缸軸工作時(shí)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，固定法蘭的螺釘受到往復(fù)運(yùn)動(dòng)推拉，很容易滑絲或斷裂，導(dǎo)致模具和設(shè)備損傷；現(xiàn)有的活絡(luò)模具連接法蘭盤(pán)是一個(gè)整體，該連接盤(pán)自身的重量很重，維修或拆裝時(shí)需要三、四個(gè)維修人員方可進(jìn)行操作，這個(gè)過(guò)程中連接安裝的時(shí)間長(zhǎng)，且拆裝的時(shí)間也較長(zhǎng)，這使得活絡(luò)模的硫化效率較低。

快速換模機(jī)構(gòu)由傳統(tǒng)的手動(dòng)螺栓鎖模變更為液壓自動(dòng)鎖模，通過(guò)液壓作用和彈簧復(fù)位作用，實(shí)現(xiàn)模具在硫化機(jī)上的安裝與拆卸，可通過(guò)操作控制盤(pán)的按鈕簡(jiǎn)單地進(jìn)行操作和控制，可以有效地預(yù)防工人因操作失誤出現(xiàn)故障，創(chuàng)造安全的生產(chǎn)環(huán)境，提高了更換模具效率。

2 換模機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及功能

2.1 換模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及功能

該裝置通過(guò)液壓作用和彈簧復(fù)位功能控制模具的鎖緊、拆卸，大大減少了生產(chǎn)過(guò)程中更換模具所需的時(shí)間，迅速、高效、精確及穩(wěn)定可靠地更換活絡(luò)模具，圖1為機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 快速換模機(jī)構(gòu)剖視圖

該機(jī)構(gòu)更換模具的具體操作過(guò)程如下：首先通過(guò)螺栓將上安裝板與硫化機(jī)的上固定板連接固定，該機(jī)構(gòu)的鎖緊內(nèi)套的下底板與活絡(luò)模具的上模進(jìn)行連接固定，之后把活絡(luò)模具安裝到下固定板上，在缸體的進(jìn)油孔進(jìn)油，活塞套在液壓作用下收縮彈簧被迫移動(dòng)，此時(shí)將內(nèi)殼伸入到外殼內(nèi)，其中外殼周向通槽內(nèi)的鋼珠退至活塞套缺口處，然后缸體中的容腔通過(guò)回油口泄油，在彈簧的復(fù)位作用下，推動(dòng)活塞套壓迫鋼珠向內(nèi)移動(dòng)，推入到內(nèi)殼容納孔中，依靠摩擦力作用而鎖緊，隨硫化機(jī)的合模系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)［2］。

圖2 松卸示意圖

圖3 鎖緊示意圖

2.2 換模機(jī)構(gòu)的主要零部件設(shè)計(jì)

2.2.1 鋼珠尺寸設(shè)計(jì)

在該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖緊功能的過(guò)程中，鋼珠起了關(guān)鍵性作用，一是可以用來(lái)定位固定鎖緊，二是分散結(jié)構(gòu)的壓力，減少產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，鋼珠的數(shù)量與機(jī)構(gòu)的鎖緊可靠性密切相關(guān)。從裝置承受力方面考慮，隨著力的增加，鋼珠的數(shù)目應(yīng)適宜增加。該裝置具有較大的承受力，因此合理選擇鋼珠的數(shù)目，尺寸計(jì)算尤為重要。

鎖緊內(nèi)殼的外圓周上設(shè)置有與待安裝鋼珠數(shù)量相同，分布角度一致的鋼珠容納孔，在鎖緊外殼設(shè)有中心通孔，沿通孔周向設(shè)有與鋼珠容納孔數(shù)量相同，分布角度一致的軸向通槽；鋼珠的數(shù)量為Z，每顆鋼珠所承受的載荷為P。

根據(jù)赫茲理論［4］，鋼珠與內(nèi)殼容納孔的半徑分別為R1和R2，變形前鋼珠與容納孔在某接觸點(diǎn)相切，鋼珠與容納孔受到載荷P的作用，變形后鋼珠與容納孔的接觸區(qū)域?yàn)橐詧A形區(qū)域，半徑為a，由赫茲公式得［5～6］：

式中：E1、E2為材料的彈性模量；μ1、μ2為兩材料的泊松比。

又鋼珠與下安裝板的材料均為45鋼，E1=E2=E；μ1=μ2=μ=0.3，則

綜合曲率半徑為

式中：[σH]為鋼珠材料的許用接觸應(yīng)力；P為接觸面上最大單位壓力；E為材料彈性模量。

根據(jù)實(shí)際所需：P=2000N，[σH]=475MPa，

E=2e5MPa，S=1.5，帶入計(jì)算得R ≥ 383.6mm。

因鋼珠與內(nèi)殼容納孔緊密接觸，故取R2=R1+0.3，計(jì)算可得鋼珠半徑R1≥10.7mm，取R1=11mm。

2.2.2 活塞套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

活塞套實(shí)現(xiàn)鎖緊功能的主要功能部件，在鎖緊過(guò)程中依靠活塞套的移動(dòng)迫使鋼珠移動(dòng)實(shí)現(xiàn)鎖緊功能。在活塞套上部連接有復(fù)位彈簧，推動(dòng)活塞套退回到相應(yīng)位置，左部與缸體之間留有容腔間隙，用于液壓作用吸油回油推動(dòng)活塞套移動(dòng)，右部留有一內(nèi)錐形缺口，在工作過(guò)程中使得外殼中心通孔中的鋼珠移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖4所示。

圖4 活塞套剖視圖

3 換模機(jī)構(gòu)有限元分析

由于該機(jī)構(gòu)模型包含的零件較多，因此只分析其中的主要部件。在模具鎖緊過(guò)程中，鎖緊內(nèi)套的下底板受到活絡(luò)模具自身的重力作用，處于靜力平衡狀態(tài)。另外，由于單個(gè)鋼球的分析比較困難，可以對(duì)鎖緊外殼、鋼珠與鎖緊內(nèi)殼裝配體進(jìn)行整體分析，可以減少分析時(shí)的復(fù)雜程度，方便施加約束和載荷。

在該機(jī)構(gòu)實(shí)際工作中，存在兩種狀態(tài)，一是實(shí)現(xiàn)鎖緊功能時(shí)，該機(jī)構(gòu)受到活絡(luò)模具重力的作用，從而使得各部件承受較大載荷，為了保證機(jī)構(gòu)的工作安全性，對(duì)其關(guān)鍵部件靜力學(xué)分析；二是在硫化過(guò)程時(shí)，活絡(luò)模具到達(dá)工作位置，該機(jī)構(gòu)不再承受載荷作用，但由于硫化過(guò)程產(chǎn)生較大的熱量，使得該機(jī)構(gòu)零部件會(huì)發(fā)生變形，因此需要對(duì)該種情況進(jìn)行熱應(yīng)力分析。

3.1 換模機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析

1）導(dǎo)入有限元模型

從Soildworks建好的裝配體模型中保留鎖緊外殼、鋼珠和鎖緊內(nèi)殼，直接導(dǎo)入ANSYS Workbench中打開(kāi)。

2）定義材料屬性

根據(jù)材料屬性參數(shù)，選取45號(hào)碳素鋼為該構(gòu)材料，在Engineering Data中設(shè)置材料性能參數(shù)：密度ρ=7890kg∕m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2e11pa。

3）網(wǎng)格劃分

鋼珠是實(shí)現(xiàn)鎖緊功能的關(guān)鍵部件，在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，對(duì)于與鋼珠接觸的區(qū)域的網(wǎng)格要細(xì)化，其他區(qū)域可由自動(dòng)網(wǎng)格劃分。

4）接觸設(shè)置

對(duì)于該機(jī)構(gòu)中，鋼珠與鎖緊外殼、鎖緊內(nèi)殼之間的接觸區(qū)域設(shè)置為有摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.1，接觸面為鋼珠表面，目標(biāo)面為鎖緊外殼通孔面與鎖緊內(nèi)殼容納孔面，而外殼與內(nèi)殼的接觸區(qū)域設(shè)置為無(wú)摩擦接觸。

5）添加約束與載荷

在更換模具實(shí)現(xiàn)鎖緊功能的過(guò)程中，內(nèi)套的下底板承受活絡(luò)模具的重力作用，因此對(duì)8個(gè)螺栓安裝孔施加載荷G∕8，對(duì)外殼外表面添加固定約束。

6）有限元分析結(jié)果

從圖示結(jié)果可以看出，該機(jī)構(gòu)最大變形處出現(xiàn)在內(nèi)套下板處，此處螺栓孔連接處受有活絡(luò)模具重力，故有較大的變形，為0.829mm，其產(chǎn)生的變形與結(jié)構(gòu)尺寸相比可以忽略不計(jì)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼珠與內(nèi)套接觸處，為106.89MPa，小于材料的許用應(yīng)力［7］。

圖5 總變形圖

圖6 等效應(yīng)力圖

3.2 換模機(jī)構(gòu)的熱仿真分析

硫化機(jī)在硫化過(guò)程中活絡(luò)模具由常溫加熱至170℃，該機(jī)構(gòu)上安裝板與硫化機(jī)的中心機(jī)構(gòu)相連，硫化過(guò)程上熱板加熱時(shí)，由硫化加熱時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至機(jī)構(gòu)外表面，使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生很大的溫度，內(nèi)殼下底板與活絡(luò)模具通過(guò)螺栓連接，底部受到蒸汽溫度影響，也會(huì)受到較高的溫度影響［8～9］。該機(jī)構(gòu)受到的溫度通過(guò)對(duì)流的方式散發(fā)到外部環(huán)境當(dāng)中，作為與硫化機(jī)連接的關(guān)鍵部件，在硫化過(guò)程中時(shí)時(shí)刻刻都與高溫環(huán)境接觸，在長(zhǎng)時(shí)間高溫工作條件下，材料會(huì)出現(xiàn)損壞，降低材料的各種性能，影響硫化機(jī)的正常工作，需要對(duì)其進(jìn)行熱應(yīng)力分析，保證該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性。

該機(jī)構(gòu)的溫度應(yīng)力為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，設(shè)定材料為45號(hào)鋼，平均對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)定為300W∕（m2·℃），硫化過(guò)程中外部環(huán)境溫度為35℃～40℃，ρ=7890kg∕m2，μ=0.3，E=2e11pa，通過(guò)熱仿真得到如圖7所示熱模擬分析圖［10］。

圖7 熱模擬分析

快速換模機(jī)構(gòu)的熱應(yīng)力分析以穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)為基礎(chǔ)，將溫度場(chǎng)結(jié)合結(jié)構(gòu)靜力學(xué)進(jìn)行分析，將上述熱分析得到的溫度場(chǎng)作為載荷導(dǎo)入到Static Structural，對(duì)外殼周向容納孔處添加固定約束，通過(guò)計(jì)算得到機(jī)構(gòu)傳熱產(chǎn)生的熱變形分布圖和熱應(yīng)力分布圖如圖8～9所示［11］。

圖8 熱變形分布圖

受溫度變化的影響，該機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在放置鋼珠的容納孔四周，且最大應(yīng)力為319.93MPa，由此可以分析出此處較容易發(fā)生較大的應(yīng)力集中，因此需要對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，增大外殼的厚度［12］，同時(shí)鋼珠受外殼厚度變化的影響也應(yīng)隨之增大，現(xiàn)將厚度增加5mm，對(duì)改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10～11所示，此時(shí)最大應(yīng)力處數(shù)值減小，保證了機(jī)構(gòu)工作的安全性。

圖9 熱應(yīng)力分布圖

圖10 熱應(yīng)力分布圖

圖11 熱應(yīng)力分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)硫化機(jī)快速更換模具機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)液壓和彈簧的作用實(shí)現(xiàn)模具的快速更換，節(jié)省了人力勞動(dòng)時(shí)間，提高了工作效率。并根據(jù)實(shí)際工況對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析和熱應(yīng)力分析，最大應(yīng)力發(fā)生在鋼珠與外殼容納孔接觸部位，對(duì)此處進(jìn)行尺寸改進(jìn)，減小了最大應(yīng)力和變形，保證設(shè)計(jì)的合理性和安全性。