膠管總成-輕量可替式模具扣壓模塊設(shè)計(jì)

焦立煒， 費(fèi)葉琦， 齊加勝， 牛子銘

(1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，四川 成都 610503；3.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

相比于機(jī)械傳動(dòng)和電器傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)具有體積小、質(zhì)量輕、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，是一種備受青睞的傳動(dòng)系統(tǒng)。膠管作為液壓系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的元件之一，也隨著需求衍生出各種類型，液壓回路中膠管的質(zhì)量直接決定整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣，但在膠管生產(chǎn)中，時(shí)常出現(xiàn)油管爆破、刮傷等情況導(dǎo)致膠管失效[1-4]，由于實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)不同膠管需求量的增加，導(dǎo)致單一生產(chǎn)線不足以應(yīng)對(duì)多種類型膠管的生產(chǎn)任務(wù)。根據(jù)吳昊[5]的研究表明膠管不同的纏繞方式需要不同的總成方式，同時(shí)據(jù)梁西正[6]等的研究，不同類型的膠管制造工藝各不相同。因此，需要能夠適應(yīng)多種膠管生產(chǎn)線、膠管類型的扣壓設(shè)備。

在當(dāng)前市場(chǎng)需求下，韓曉巖[7]設(shè)計(jì)了一種一體化扣壓機(jī)，這種扣壓機(jī)能夠?qū)⒖偝伞z驗(yàn)等多項(xiàng)工序整合，減少人為因素影響，提高其精度。趙國(guó)[8]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)上料的PE復(fù)合管材生產(chǎn)用扣壓機(jī)，可自動(dòng)在生產(chǎn)中自動(dòng)上料，提高生產(chǎn)連貫性。但上述文獻(xiàn)中的兩種設(shè)備均采用臥式燕尾滑槽型扣壓模塊，扣壓力傳動(dòng)穩(wěn)定，但摩擦接觸面大、扣壓部件壽命短、工作效率低。本文就市場(chǎng)上扣壓機(jī)普遍存在的質(zhì)量大，易損、維修不便等問(wèn)題，鑒于國(guó)外芬蘭FINNPOWER公司設(shè)計(jì)的立式扣壓機(jī)，這種扣壓機(jī)的扣壓模塊有著體積小，便于更換模具的特點(diǎn)，提出一種具有輕量化、大扣壓范圍、便于更換零部件等優(yōu)勢(shì)的扣壓機(jī)扣壓模塊設(shè)計(jì)。根據(jù)王旭東[9]等對(duì)各種類的軟管扣壓機(jī)易出現(xiàn)問(wèn)題的分析，從中對(duì)應(yīng)立式扣壓機(jī)與臥式扣壓機(jī)的利弊做出了對(duì)比，選擇了結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、質(zhì)量更加輕便的立式扣壓機(jī)。

1 扣壓模塊整體設(shè)計(jì)

為了滿足輕量與長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)中采用摩擦面積、體積更小的立式扣壓機(jī)?？蹓簷C(jī)框架利用型材搭建上、中、下三層工作區(qū)域：上層為扣壓層，內(nèi)包含扣壓模塊；中層為傳動(dòng)層，能在扣壓中提供150 t的推力，本設(shè)計(jì)針對(duì)目標(biāo)扣壓范圍中最大直徑為68.5 mm，長(zhǎng)度為50 mm，參考周日平[10]研究對(duì)扣壓力的計(jì)算公式，可得出最大扣壓約99.6 t，內(nèi)置型號(hào)為CLRC 1504的液壓缸，其行程100 mm完成相關(guān)的傳動(dòng)任務(wù)；下層為能源層，裝有液壓泵站與電控箱，液壓泵站體積小、重量輕，能夠符合設(shè)計(jì)中的輕量需求。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 扣壓機(jī)整體仿真示意圖

1.1 扣壓方案

扣壓模塊中整體設(shè)計(jì)為八瓣模具，模具分為內(nèi)外模具，內(nèi)模具可以更換不同種類的模具，以滿足L型接頭、浮動(dòng)接頭等多種膠管接頭總裝。內(nèi)外模具中通過(guò)對(duì)接螺釘旋合，方便更換；中間層液壓泵通過(guò)推桿推動(dòng)扣壓模塊下方支撐架，使各個(gè)部件之間相互擠壓，實(shí)現(xiàn)中間八塊內(nèi)模具閉合，完成扣壓工作，扣壓模塊整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 扣壓模塊示意圖1.下支撐架；2.黃銅滑片；3.拉伸架；4.上支撐架；5.模具固定板；6.Ⅰ型外模具；7.Ⅱ型外模具；8.內(nèi)模具；9.彈簧

外模具的設(shè)計(jì)中為保證內(nèi)模具工作在正確位置，分為Ⅰ型外模具與Ⅱ型外模具，其示意圖如圖3(a)、圖3(b)所示；兩種外模具分布如圖4所示，兩種類型模具交錯(cuò)分布，圖中標(biāo)注的數(shù)字1、3、5、7位為Ⅰ型外模具，2、4、6、8位為Ⅱ型外模具。

1.2 扣壓部件設(shè)計(jì)

1.2.1 外模具設(shè)計(jì)

外模具的具體設(shè)計(jì)中如圖3所示，Ⅰ型外模具兩側(cè)邊扣滑槽與Ⅱ型外模具上方凸起相互配合，同時(shí)外模具兩側(cè)接觸面呈45°夾角，能夠在扣壓時(shí)更有效地提供定位，Ⅰ型外模具上的外扣為Ⅱ型外模具提供有效支撐，兩種效果相結(jié)合能夠更有效、精準(zhǔn)地為膠管提供持續(xù)扣壓力。外模具與內(nèi)模具接觸面為半徑75 mm的弧面，弧面中心有一塊方形凹槽，與內(nèi)模具相配合。弧形接觸面能夠精準(zhǔn)定位內(nèi)模具，分散扣壓反力。外模具之間接觸面上設(shè)有三塊彈簧安裝孔，彈簧能夠在模具張開(kāi)時(shí)為圖4中的2、4、6、8四塊外模具提供支撐力，保證模具能夠位于圖4中1、3、5、7四塊模具中間，同時(shí)在扣壓結(jié)束后基于模具之間一個(gè)分開(kāi)的力，更方便模具的工作。

圖3 兩種方案外模具示意圖

圖4 模具序號(hào)示意圖

1.2.2 彈簧選擇

利用Solidworks建模后分析可知圖4中2、8處Ⅱ型外模具重力為33.4N，在根據(jù)裝配關(guān)系繪制出2號(hào)外模具受力分析圖，如圖5所示，可得下式：

圖5 外模具單一牙型受力分析圖

mg+Fbsin23°=Facos23°

(1)

其中Fa=Fb，根據(jù)上式可以計(jì)算出：

Fa=Fb=63 N

根據(jù)計(jì)算得出彈簧至少需要提供63 N的推力，再根據(jù)三維模型中扣壓模塊的運(yùn)動(dòng)行程等條件選用型號(hào)為CGM 1.5×14×45×11.75的彈簧。

1.2.3 內(nèi)模具設(shè)計(jì)

內(nèi)模具模型如圖6所示，上面為半徑75 mm的弧面；左右兩側(cè)斜面夾角呈45°，通過(guò)相互擠壓的方式保證模具在工作時(shí)的位置不會(huì)偏移，同時(shí)能夠防止因扣壓力過(guò)大致膠管總成爆管的狀況發(fā)生，提高生產(chǎn)成品率；下方的圓弧與內(nèi)模具厚度能夠根據(jù)用戶需求來(lái)選擇合適的型號(hào)，若用于加工特殊型號(hào)，能夠自定內(nèi)模具，以滿足不同種類、管徑膠管生產(chǎn)的生產(chǎn)線需求。由內(nèi)、外模具組成的扣壓部件按生產(chǎn)要求整體裝配完成后如圖7所示。

圖6 內(nèi)模具外形示意圖

圖7 扣壓部件整體示意圖

1.3 外框架設(shè)計(jì)

外框架是指為扣壓部分提供外形支撐的部件，主要包括固定板、拉伸架、保持架。

1.3.1 固定板設(shè)計(jì)

如圖4中1、5號(hào)位置上的外模具與保持架之間設(shè)置有一塊固定架，除了用于定位外模具外，還能方便外模具的更換。固定架上的矩形凹槽與外模具上的凸臺(tái)對(duì)應(yīng)，通過(guò)兩根對(duì)接螺釘連接，防止扣壓時(shí)零件錯(cuò)位，固定板示意圖如圖8所示。

圖8 固定板示意圖

1.3.2 保持架的設(shè)計(jì)

保持架是為了在運(yùn)動(dòng)中保證整個(gè)扣壓模塊不會(huì)因?yàn)榉答伭Χ罎⑸⒓?。上保持架與機(jī)架直接連接，下保持架與液壓缸直接連接，保持架左右兩塊做鏤空處理，能夠在保證其工作強(qiáng)度的前提下減輕其重量；保持架的左右斜面夾角為45°，與拉伸架匹配，當(dāng)工作時(shí)下保持架在液壓缸的作用下向上移動(dòng)，擠壓拉伸架斜面，在拉伸架與保持架之間設(shè)置有一塊自潤(rùn)滑黃銅片，能夠減少零件之間的摩擦，起到延長(zhǎng)壽命的作用。

圖9 上下保持架示意圖

1.3.3 拉伸架的設(shè)計(jì)

拉伸架與圖4中3、7外模具直接連接固定，通過(guò)外模具上凸臺(tái)與拉伸架上凹槽連接，利用對(duì)接螺栓固定，拉伸架斜面呈45°夾角，與保持架配合，通過(guò)保持架的擠壓呈曲線運(yùn)動(dòng)，將扣壓模具送至扣壓工件位置。將拉伸架與外模具分開(kāi)能夠明顯的增加外模具的使用壽命，長(zhǎng)時(shí)間磨損后只需要更換拉伸架即可，拉伸架示意圖如圖10所示。

圖10 拉伸架示意圖

2 主要零部件有限元分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證扣壓模塊可行性，利用Solidworks軟件建立扣壓模塊三維模型，在建模中為提高分析精度及保證分析結(jié)果貼合實(shí)際工作狀態(tài)，保留零部件中倒角、圓孔等各項(xiàng)特征，最終三維模型如圖11所示。

圖11 扣壓模塊三維示意圖

2.1 內(nèi)模具有限元分析

根據(jù)工作環(huán)境，內(nèi)模具選用45#鋼作為材料，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 內(nèi)模具45#鋼材料參數(shù)表

據(jù)上文計(jì)算已知最大管徑68.5 mm扣壓時(shí)所需扣壓力996 kN，平均每一塊內(nèi)模具需要受到125 kN的反饋力，利用軟件測(cè)量出內(nèi)模具與總成接觸面積為1 963.5 mm2

已知壓強(qiáng)計(jì)算公式：

(2)

可以計(jì)算得出單塊模具在扣壓時(shí)接觸面上所受到的壓強(qiáng)：

P=63.67 MPa

計(jì)算出內(nèi)模具與工件直接接觸的地方受到的壓強(qiáng)合力為63.67 MPa，后端圓弧與其他零件接觸，在Abaqus軟件中設(shè)置為完全固定，將載荷施加在內(nèi)模具與膠管接觸的小圓弧面上，因扣壓力反饋為均布載荷，垂直于圓弧表面。

通過(guò)仿真分析，最大應(yīng)力在圓弧中心沿著X軸與-X軸逐漸減少，因變形量向內(nèi)部擠壓，導(dǎo)致圓弧中心Z軸方向上形變量最大，可從位移云圖得出扣壓內(nèi)模具最大位移量為2.263E-12 mm，其位移云圖如圖12所示。根據(jù)Abaqus分析結(jié)果得出，在利用小管徑扣壓模具接受最大管徑的扣壓工作所反饋的扣壓力時(shí)，對(duì)于工件直徑產(chǎn)生的誤差為3.017E-12 mm，滿足一般生產(chǎn)需求。

圖12 內(nèi)模具有限元位移云圖

2.2 外模具有限元分析

2.2.1 Ⅰ型外模具有限元分析

Ⅰ型外模具材料選用45#鋼，材料屬性如表1所示，Ⅰ型外模具上有兩處受力，一處為外扣與Ⅱ型外模具接觸面，二處為內(nèi)模具與外模具接觸的弧面，通過(guò)計(jì)算兩處所受到的壓強(qiáng)為：

Ⅰ型外模具因外扣與Ⅱ型外模具接觸，因此外扣上所收到的力為內(nèi)模具上反饋力，根據(jù)上文中得到的內(nèi)模具反饋力為125 kN，外模具類型交錯(cuò)分布，因此四邊外扣受到的總力為P1，兩者為面接觸，載荷類型為均布載荷，載荷方向垂直于外扣平面；二處載荷受到內(nèi)模具直接的反饋力，載荷類型為均布載荷，方向?yàn)榇怪庇诮佑|弧面向Z軸方向。

通過(guò)Abaqus分析，可以看出位移主要集中在外扣之上，從外扣兩端向著中心逐漸減少，其有限元位移云圖如圖13所示。由云圖可得，形變量最大處為外扣處，變形量為6.460E-07 mm，折算至工件上有8.6E-9 mm的誤差；第二處形變量為5.383E-08 mm，折算至工件上誤差為7.17E-10 mm。

圖13 Ⅰ型外模具位移云圖

2.2.2 Ⅱ型外模具有限元分析

Ⅱ型外模具材料選用45#鋼，Ⅱ型外模具有兩處方向受力，與Ⅰ型外模具不同，Ⅱ型外模具兩處力的方向是相反的。現(xiàn)設(shè)與Ⅰ型外模具接觸處為一處，內(nèi)側(cè)與內(nèi)模具接觸為二處，兩處所受載荷數(shù)值、類型與Ⅰ型外模具所受載荷一致，僅一處載荷方向與Ⅰ型外模具相反。

由Abaqus仿真分析所得Ⅱ型外模具中主要變形量分布在一處，一處兩邊的形變量由接觸面向兩邊逐漸減少，變形方向主要向著-Z方向，二處變形量主要在內(nèi)外模具接觸面上，由圓弧中心向兩側(cè)逐漸增加，如圖14所示。由分析云圖可以看出來(lái)兩處所發(fā)生的形變，約為2.062E-13 mm，折算至工件上為2.7E-13 mm。

圖14 Ⅱ型外模具位移云圖

2.3 拉伸架有限元分析

拉伸架受到兩次夾角斜面的擠壓力，通過(guò)計(jì)算壓強(qiáng)：

可以得出單面?zhèn)让嫠艿降膲簭?qiáng)，其中T是拉伸架所提供的推力，為125 kN，S為側(cè)面面積，為7 252 mm2。其材料選用38CrMoAl，材料屬性如表2所示，拉伸架主要受力面為兩側(cè)斜面，根據(jù)裝配關(guān)系，將載荷施加在斜面上，載荷由扣壓時(shí)反饋回來(lái)的力計(jì)算，拉伸架將受到上下保持架擠壓，載荷集中在接觸面上，載荷類型為集中面載荷。

表2 38CrMoAl材料屬性表

根據(jù)Abaqus仿真分析可知，拉伸架主要變形量位于兩側(cè)斜面靠上端位置，形變方向垂直于接觸面向內(nèi)部，其位移云圖如圖15所示。由分析結(jié)果云圖分析中可看出兩側(cè)處所發(fā)生的形變最大，為1.472E-12 mm。

圖15 拉伸架位移云圖

2.4 保持架有限元分析

保持架只有內(nèi)測(cè)斜面夾角受力，受力大小與拉伸架側(cè)面受力大小一致，其材料為HT250，材料屬性如表3所示。

表3 HT250材料屬性表

保持架兩側(cè)斜面所受壓力與拉伸架兩側(cè)一致，左右面通過(guò)滑軌滑臺(tái)與機(jī)架連接，底部與液壓缸直接連接。因裝配關(guān)系，上下保持架的安裝面都與機(jī)架相連接，因此安裝面設(shè)置為完全固定，載荷主要分布于與拉伸架接觸斜面，因斜面上安裝有自潤(rùn)滑銅片，因此載荷分布在保持架斜面與銅片安裝位置，載荷類型為均布載荷。

根據(jù)Abaqus仿真分析可得保持架的形變量主要存在于與拉伸架接觸斜面，方向主要垂直于接觸面，左右形變對(duì)稱，其位移云圖如圖16所示。由分析云圖可看出兩側(cè)處所發(fā)生的形變最大，為3.797E-07 mm。

圖16 保持架位移云圖

將上述所有誤差相加，相對(duì)于直徑25 mm的膠管總成僅有(9.48E-7)%的誤差，因此根據(jù)分析本設(shè)計(jì)扣壓模塊能夠滿足膠管總成中大范圍扣壓的生產(chǎn)需求。

3 結(jié)論

本文就膠管總成設(shè)備笨重、維護(hù)不便、壽命短等問(wèn)題設(shè)計(jì)了適用于立式扣壓機(jī)的集聚輕量化、大范圍、方便維護(hù)等特點(diǎn)的一體化扣壓模塊。通過(guò)Solidworks軟件對(duì)扣壓機(jī)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，根據(jù)扣壓機(jī)框架大小設(shè)定扣壓模塊工作行程與扣壓范圍，該扣壓模塊可以扣壓直徑6 mm至68.5 mm、最大長(zhǎng)度50 mm的膠管。通過(guò)對(duì)部分零件鏤空與拆分，減少了扣壓模塊整體重量，達(dá)到了輕量化的目的；零件間大多采用螺栓與凸槽配合的連接方式，能方便更換與拆卸零件；接接觸摩擦的零件之間加裝了直線導(dǎo)軌與銅片，延長(zhǎng)了其工作壽命。利用Abaqus軟件對(duì)重要零件進(jìn)行了有限元分析，分析了工作極限狀態(tài)下各個(gè)部件的變形情況，為設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)和樣機(jī)試制提供了一定的理論基礎(chǔ)。