輪轂制坯液壓機滑塊設計

任銀銀

（1.太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024；2.太重（天津）濱海重型機械有限公司 技術中心，天津 300452）

8MN專用液壓機是鋁合金輪轂生產線的關鍵設備之一，其用途是先將鋁錠壓制成輪轂毛坯，然后進行沖孔，制成預成型輪轂。預成型輪轂的壓制和沖孔主要由滑塊完成，在此過程中，滑塊承載全部成形力，其結構直接影響預成型輪轂的成形質量。為滿足滑塊結構使用要求，本文采用了理論計算與有限元計算相結合的方法對滑塊進行了設計。

1 結構設計

1.1 結構組成

滑塊結構主要由滑塊、墊板、沖孔缸、導向支撐塊和導向滑板等組成。滑塊結構簡圖如圖1所示。序號1為滑塊，采用整體鑄造結構，其上部P平面與主液壓缸的主柱塞相連；序號2為墊板，墊板下平面與模具相連。主柱塞作用力F通過P平面、滑塊和墊板傳至模具，對鋁錠進行壓制成型。鋁錠壓制成輪轂毛坯后，由序號3沖孔油缸的沖頭對輪轂毛坯進行沖孔。序號4為沖孔油缸的連接油管。序號5、6分別為導向的支撐板和滑板，對滑塊起導向作用，保證滑塊平穩運行[1，2]。

1.2 理論計算

圖1 滑塊結構簡圖

滑塊承受中心載荷，受力區域集中在主柱塞直徑范圍內，可以不考慮彎矩[3]。滑塊主要承受壓應力，需校核滑塊剪力。滑塊中間截面簡化后如圖2所示。主柱塞壓力F=8MN，滑塊中間截面面積S=353500mm2，剪力 Q 為

圖2 滑塊中間截面簡圖

滑塊材料為鑄鋼 ZG270-500，剪切許用應力 [τ]=30MPa[4，5]。由式（1）可知，Q＜[τ]，滿足設計要求。

沖孔油缸置于滑塊內，參見圖1，油缸為活塞缸，油缸法蘭與墊板連接，油缸的連接油管限于滑塊上部P平面與主柱塞連接，只能通過將滑塊側面開設管孔與外部相連。沖孔油缸連接油管共有兩根，上下布置，尺寸相同，油管兩端均為螺紋連接，一端與沖孔油缸相連，螺紋尺寸為M48×2，另一端與供油管路的管接頭相連，螺紋尺寸為M52×2。由于滑塊側面管孔尺寸較小，油管安裝時，只能先將油管穿過管孔，并將螺紋M48×2對準油缸油口，然后再通過螺紋M52×2一端擰緊油管，因此，連接油管作為受扭構件，需要校核其扭轉強度。

油管的抗扭截面系數Wt為

式中，D為油管外徑，d為油管內徑。

根據使用工況，螺紋M48×2的擰緊扭矩T為1694Nm，油管的最大切應力τmax為

油管材料為 20G，剪切許用應力[τ]=25MPa[4，5]。由式（3）可知，τmax＞[τ]，不滿足設計要求。

1.3 有限元計算

利用SolidWorks軟件建立滑塊和墊板三維幾何模型，然后導入I-Deas軟件進行有限元計算。考慮到滑塊、墊板結構細節多，對局部區域進行了合理簡化，略去了一些小的圓角、倒角、螺栓孔、銷釘孔和起吊孔等。為降低計算成本，滑塊和墊板采用1/2模型。建立滑塊與墊板的有限元接觸模型，設置接觸邊界條件，網格采用自由網格劃分方法，選擇四面體單元類型，網格總體單元尺寸定義為20mm，將滑塊上部P平面下方定義為局部關鍵受力區域，單元尺寸定義為 10mm，共劃分單元數 242178[6，7]。

滑塊上部P平面、墊板下平面分別作用8MN成形力。有限元計算應力云圖如圖3所示。

由圖3可知，滑塊等效應力最大值為288MPa，位于滑塊上部P平面下方的圓角處，滑塊材料為鑄鋼 ZG270-500，屈服強度 ReL=270MPa[8]，因此，滑塊結構設計存在圓角應力集中問題，且應力值超過材料屈服強度，不滿足強度設計要求。

圖3 滑塊應力云圖

2 設計優化

滑塊設計存在兩個問題：①在擰緊扭矩作用下，沖孔油缸連接油管不滿足設計要求；②在壓制成形力作用下，滑塊局部結構應力值不滿足設計要求。針對上述問題，對滑塊設計進行改進。改進后的滑塊如圖4所示，在滑塊側面的沖孔油缸連接油管處開設矩形孔，這樣可直接通過螺紋M48×2擰緊油管，油管也將不必作為受扭構件，同時考慮到開設矩形孔引起的局部結構削弱，在矩形孔周圍增加了一定數量筋板；將滑塊上部P平面下方的圓角處以錐形斜面支撐，形成局部補強結構。

圖4 滑塊設計改進

由于改進后的滑塊中間截面發生變化，重新校核了滑塊剪力，仍然滿足設計要求，在此不再贅述。

改進后的滑塊有限元計算應力云圖如圖5所示，滑塊等效應力最大值為152MPa，位于沖孔油缸連接油管一側的矩形孔與內側筋板連接處。改進后的滑塊等效應力最大值從288MPa降低至152MPa，應力值降幅接近50%，且低于材料屈服強度，滿足強度設計要求。

3 結論

圖5 滑塊改進后應力云圖

8MN液壓機滑塊設計采用了理論計算與有限元計算相結合的方法進行。針對滑塊內置沖孔油缸的連接油管不滿足擰緊力矩安裝要求，以及滑塊局部結構應力值過大的問題，對滑塊進行了設計改進及驗證計算，結果表明，滑塊應力最大值顯著降低，且應力分布均勻，同時解決了沖孔油缸的安裝和維護問題，整體設計合理，滑塊滿足使用要求。

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