陶瓷等靜壓成形機油腔的數值模擬及其改進設計

摘要 在流體動力學的研究基礎上，從研究等靜壓油腔流體流動機理出發，利用FLUENT工具程序研究等靜壓油腔的內部流動情況，根據數值仿真結果可捕捉到等靜壓油腔內部流場的壓力場隨時間的變化過程，由此綜合分析出改進前后等靜壓成形機模腔內流場壓力場的分布和變化情況。

關鍵詞 數值模擬，等靜壓成形機，改進設計

1等靜壓成形機油腔部分的簡介

等靜壓成形機是一種適用于高檔日用瓷的生產設備，所生產的產品尺寸變化范圍很廣。產品尺寸決定了等靜壓模具的尺寸和油腔的尺寸，本文以生產外徑為120mm、高為30mm的盤子模具為例進行了等靜壓流場數值計算。等靜壓成形機的模具分為凸模和凹模兩部分，凸模是不動的，也叫靜模;凹模在加壓時向凸模靠攏，因此也叫動模。其中，等靜壓油腔油路分布在凹模的表面和內部，本文使用軟件PRO/E進行空間造型，圖1為凹模剖面示意圖。

2等靜壓油腔的造型

2.1 等靜壓油腔的改進

等靜壓成形機設備價格昂貴，因此提高等靜壓成形機的工作效率對相關陶瓷企業有著極其重要的價值。提高生產效率就是要縮短等靜壓成形機一次壓制周期的時間，其中加壓和保壓時間占到整個周期時間的40%左右，有時甚至超過70%。因此，本文為了縮短加壓和保壓時間，對油腔油路作出如下修改:增加配油圓環，進油管中心線的延長線通過圓環的中心;增加8根分油管連接配油圓環和等靜壓工作油腔。油腔改進前后的三維模型見圖2、圖3所示。

2.2 等靜壓成形機一個壓制過程的描述

等靜壓成形機一個壓制周期的全過程可以分為四個階段:

(1) 合模階段:該階段通過合模油腔的進油推動整個動模向靜模靠攏。

(2) 陶瓷粉料加料階段:在合模完成后，陶瓷粉料進料口打開，并且開始加料。

(3) 等靜壓油腔加壓和保壓階段:該階段可以分為加壓和保壓兩個過程，粉料添加完畢后，等靜壓油腔進油口打開，出油口關閉，高壓液壓油從進油口加入到等靜壓油腔內，隨著油腔內油壓的逐漸升高，軟模開始膨脹，粉料壓制，達到規定的壓力(由溢流閥控制)即完成了加壓過程，進入保壓過程。

(4) 泄壓和脫模階段:首先等靜壓油腔泄壓，然后合模油腔才泄壓，最后產品脫模，一個壓制周期完成，設備回到壓制的初始狀態。壓制全過程的切換由電磁閥控制并實現連續化生產。

景德鎮陶瓷股份有限公司的設備在生產本文所提及的產品時，每小時產能為350個，即一個壓制周期耗時10.3s，油腔設定的工作壓力為280atm，表1為一個周期內各階段的時間耗用表。

從表1可知，等靜壓油腔的加壓和保壓階段占到整個周期時間的73%，其中油腔的加壓時間為0.2～0.3s，保壓時間為7.2～7.3s;等靜壓油腔的工作介質選用抗磨液壓油L-HM46。表2為液壓油的部分技術參數值。

3FULENT模擬結果的分析與對比

Time=0的時刻定義為進油口開始進油的時刻，即等靜壓油腔加壓和保壓階段開始的時刻。從圖4 Time=7.5s的模型壓強投影圖可以看出，內部流場的壓強已經基本達到平衡，可以作為保壓結束的條件，從模擬的情況來看等靜壓油腔加壓和保壓階段的時間為7.5s，這和實際情況相符。

從圖5 Time=5.5s、6.5s的模型壓強投影圖可以看出，內部流場的壓強已經基本達到平衡，可以作為保壓結束的條件，從模擬的情況來看，改進后等靜壓油腔加壓和保壓階段的時間為6.5s。

4 結 論

由表3改進前后壓強值模擬結果的對比可知:

(1) 改進后的等靜壓油腔壓力場隨時間的變化更均衡，有利于提高產品外形尺寸的精度;

(2) 改進前的油腔壓強在7.5s達到平衡，改進后的油腔壓強在6.5s達到平衡，等靜壓油腔加壓和保壓階段的耗時減少1s，也即總生產周期時間減少了1s，生產效率提高了9.02%，提高了精度，降低了單位產品的能耗。

參考文獻

[1] 劉伯林.等靜壓成型時壓力對陶瓷制品的影響[J].中國陶瓷，1994，6:30-31.

[2] 韓占忠.FLUENT流體工程仿真計算機實例與應用[M]. 北京:北京理工大學出版社，2004.

[3] 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件的理論與應用[M].北京:清華大學出版社，2004.

[4] 傅德薰，馬延文.計算流體動力學[M].北京:高等教育出版社，2002.

[5] 劉正先.羅茨鼓風機內部氣流脈動的非定常數值分析[J].航空動力學報，2007，22(3):400-405.