10MN缸動式快鍛液壓機機架優化設計

邵 飛，姚志敏

（上海蘭石重工機械有限公司，上海 201108）

10MN缸動式快鍛液壓機機架優化設計

邵 飛，姚志敏

（上海蘭石重工機械有限公司，上海 201108）

對10MN缸動式快鍛液壓機主機機架與傳統同系列其他機型機架進行比較，對設計中所做的改進進行了詳細分析。

快鍛液壓機；機架；結構優化；力學分析

缸動式快鍛液壓機具有活動部分質量輕、運動慣量小、工作速度快、效率高、成本較低等特點。該結構形式在國內外業內得到普遍認可與應用，技術較為成熟。本著持續改進、不斷創新的原則，我們在該系列產品的設計研發過程中，并沒有因為有風險而放棄創新與改進，而是運用各種先進的技術手段去分析和解決問題，將創新與改進的風險降到最低。

如圖1所示10MN缸動式快鍛液壓機是根據客戶需求而設計的。控制精度±1mm，快鍛頻次120次/ min；操作機旋轉控制精度±1°，行走控制精度±5mm，在計算機控制下可完成液壓機與操作機的聯動。

圖1 10MN缸動式快鍛液壓機

該機組主要用于鋼鐵材料和有色金屬的自由鍛件生產，可滿足鐓粗、拔長、沖孔、擴孔、切斷等鍛造工藝要求，能夠完成棒、餅、環及厚板等鍛件的生產。

1 機架結構設計

機架作為壓機的主要受力部件，采用兩柱式。機架承受著壓機的全部載荷，是壓機的主要部件之一，故采用ZG25Mn材料整體鑄造，以熔煉和試塊兩種方式進行物理性能和化學成分分析，進行超聲波探傷，除鑄造后熱處理外，在粗加工后整體去應力退火；按JB/T5000.6-2007《重型機械通用技術條件鑄鋼件》以主要件驗收，機架剛性好、精度高、抗疲勞強度好。實際工作中抗負載能力很強。機架是該設備中最大鑄件，其結構形式是否優良直接影響到整個壓機使用性能的好壞，其重量大小則直接影響了該壓機的制造成本。

1.1 傳統機架介紹

該系列傳統機架如圖2所示。將下橫梁上下墊板之間的連接部分鑄造成一個整塊的結構，該結構剖開后如圖2b所示。這種結構形式的優點是鍛造時下橫梁變形小，應力低，安全系數高。但該結構存在兩個缺點：一是該連接部分尺寸與下橫梁上下板厚度尺寸差距太大，鑄造時在連接處可能會產生金屬積聚的熱節，從而產生縮孔、縮松等缺陷；同時由于鑄件各部分的冷卻速度差別較大，還可能形成熱應力，這種熱應力有時可使鑄件薄厚連接處產生裂紋，對機架的整體力學性能造成重要影響；二是機架整體重量較大，成本高。

圖2 傳統機架

1.2 10MN缸動式快鍛液壓機機架介紹

如圖3所示為10NM缸動式快鍛液壓機機架示意圖，該機架在傳統機架結構基礎上，針對下橫梁的上述問題作出相應的優化，優化后結構如圖3b所示。優化后減小了上下板與中間連接筋板的厚度差，有效降低了出現縮孔、縮松、裂紋等鑄造工藝缺陷的可能，同時機架重量減輕了3t多，降低了制造成本。

圖3 10MN缸動式快鍛液壓機機架

2 10MN缸動式壓機機架的力學計算

機架材料為ZG25MN，彈性模量206GPa，泊松比0.3，屈服強度295MPa，密度7850kg/m3。為了保證壓機的可靠性和穩定性，采用ANSYS有限元軟件對優化后的機架在偏心鍛造與鐓粗兩種工況的應力與應變進行分析計算。

2.1 偏心鍛造狀態的機架的有限元分析

當壓機受240mm的偏心鍛造時，工作油缸壓力31.5MPa，拉桿的預緊力為工作載荷的1.4倍，具體簡化模型如圖4所示。分析計算得機架的最大應力出現在上梁的下表面與大螺母接觸面處，為117.69MPa（圖5）。而下梁的應力范圍集中在 0.078432MPa～26.2143MPa之間；機架Z方向的最大應變出現在上梁，為1.23914mm（圖6），而下梁Z方向的應變范圍集中在-0.185989mm～ 0.289053mm。

圖4 簡化模型

2.2 鐓粗狀態的機架分析

當壓機進行鐓粗工作時，工作油缸壓力31.5MPa，拉桿的預緊力為工作載荷的1.4倍，鐓粗板直徑1000mm，厚度200mm，棒料直徑600mm，高度1130mm，考慮機架自重，具體簡化模型如圖7所示。分析計算得機架最大應力出現在上梁的下表面與大螺母接觸面處,為116.542MPa（圖8），而下梁的應力范圍集中在0.157262MPa～38.9522MPa之間；機架Z方向的最大應變出現在上梁為0.747167mm（圖9），而下梁Z方向的應變范圍主要集中在-0.183207mm～0.230293mm。

圖5 應力模擬示范意圖

圖6 應變模似示意圖

圖7 簡化模型

圖8 應力模擬示意圖

圖9 應變模擬示意圖

3 結論

由于ZG25MN材料的屈服強度為295MPa，計算所得機架最大應力點出現在上梁的下表面與大螺母接觸面處為117.69MPa；而機架Z方向最大應變也出現在上梁為1.23914mm。基于設備安全性、工況及鍛造精度要求等因素綜合考慮，以上計算結果滿足設計要求。而下橫梁的應力應變較上梁更小，安全系數更高。

本文優化設計改善了鑄造工藝缺陷，同時為企業節省ZG25Mn材料3t多。

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Optimized design offrame for 10MN cylinder actinghigh-speed forging hydraulic press

SHAO Fei,YAO Zhimin
（Shanghai Lanshi Heavy Machinery Co,.Ltd.,Shanghai 201108,China）

By comparing the frame of 10MN cylinder acting high-speed forging hydraulic press with the other traditional frames of the same series,the analysis and introduction of the improvement for design have been put forward in detail.

High-speed forging hydraulic press;Optimized design;Mechanics analysis;Foundry technique

TG315.4

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.005

1672-0121（2016）02-0028-03

2015-12-05；

2016-01-22

邵 飛（1987-），男，助工，從事機械設計與自動化研究。E-mail：857199323@qq.com