靜壓造型機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

陳 浩，董必輝

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇常州 213164）

0 引言

近年來隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，鑄造生產(chǎn)也取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，逐步發(fā)展為機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化造型。靜壓造型機(jī)是目前較為理想的造型方法，為國內(nèi)外鑄造設(shè)備廠家普遍采用[1-3]。諸多學(xué)者也在該領(lǐng)域進(jìn)行了深入地研究，并取得了豐碩的研究成果。在液壓方面，為了提高垂直分型水平射壓造型機(jī)生產(chǎn)效率和可靠性，寇文超[4]設(shè)計(jì)出了新型的液壓系統(tǒng)，并對(duì)主要液壓元件進(jìn)行了計(jì)算分析；薛艷等[5]基于高壓大流量液壓插裝閥技術(shù)研制出了靜壓造型機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；為了降低造型線液壓系統(tǒng)的能耗，張友亮等[6]提出了伺服直驅(qū)泵控技術(shù)方案，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)與電氣控制的雙重優(yōu)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，何道明等[7]針對(duì)EFA-SD 6.5靜壓造型線主機(jī)存在的問題，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和國產(chǎn)化設(shè)計(jì)；蔡武豪[8]以Visual Studio為開發(fā)平臺(tái)，以C#為開發(fā)語言，設(shè)計(jì)并二次開發(fā)了具有良好人機(jī)交互界面的靜壓造型主機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)；吳天宇等[9]基于有限元法對(duì)四工位脫箱造型機(jī)桁架進(jìn)行了優(yōu)化，使得最大變形量和最大等效應(yīng)力均有大幅下降，改善了原方案的受力、變形狀況。在控制技術(shù)方面田靜等[10]在分析了靜壓造型線的工藝流程的基礎(chǔ)上，同時(shí)參考國內(nèi)、外的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；王智明[11]基于西門子PLC順序控制功能塊使用結(jié)構(gòu)化編程技術(shù)完成了KW造型線的控制系統(tǒng)開發(fā)；張少芳等[12]提出了一種基于分布式I/O和PROFIBUS總線的過程控制方法，大幅度提高了砂型鑄造過程中各個(gè)工藝之間互相協(xié)作的能力；臧千強(qiáng)等[13]在分析了靜壓造型線的組成與工藝流程的基礎(chǔ)上，以西門子CPU作為處理器、ET200S模塊作為I/O從站，開發(fā)了該造型線的數(shù)字化的電控系統(tǒng)。

機(jī)身是造型機(jī)的重要組成部分，在造型過程中機(jī)身的變形會(huì)造成分型面的上下移動(dòng)，如果變形不一致，則會(huì)導(dǎo)致造型面傾斜，對(duì)造型質(zhì)量產(chǎn)生影響，而為了保證機(jī)身的剛度，往往通過增加立柱的直徑，上下梁的厚度來保證機(jī)身剛度，這樣往往會(huì)機(jī)身整體質(zhì)量的增加，造成成本的增加。在保證強(qiáng)度與剛度達(dá)標(biāo)的前提下，對(duì)機(jī)身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。本文以某型造型機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行靜力學(xué)分析，充分了解機(jī)身剛度與強(qiáng)度，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行機(jī)身輕量化設(shè)計(jì)，最終完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 造型機(jī)原理及其主要技術(shù)參數(shù)

1.1 造型機(jī)的原理

靜壓造型線的工作過程主要分為造型段、下芯段、上箱段、澆注段、冷卻段和返回段。其中靜壓造型主機(jī)是造型段的核心設(shè)備。在造型段靜壓造型主機(jī)的工作流程如下：砂箱的上箱和下箱依次被推入靜壓造型主機(jī)中，然后造型主機(jī)舉起砂箱并完成接箱、加砂、靜壓壓實(shí)、回程起模等動(dòng)作，造型完成后的砂箱被推出主機(jī)，從而完成一個(gè)靜壓造型作業(yè)流程。造型機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 造型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

靜壓造型機(jī)工作原理如下：（1）合模，下液壓缸帶動(dòng)下圍框向上運(yùn)動(dòng)，下圍板上行過程中將分模板向上推動(dòng)，與上圍框接觸后停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)分模板下面與下圍板接觸，分模板上面與上圍板接觸；（2）噴砂，壓力噴砂系統(tǒng)工作向下圍框、下推板、下模之間沖砂，向上圍框、上推板、上模之間沖砂，沖砂過程中型砂推動(dòng)下推板和上推板分別向下、向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)型砂的充填達(dá)到需求時(shí)，下推板和上推板觸動(dòng)限位開關(guān)，結(jié)束噴砂，上推板和下推板對(duì)型砂進(jìn)行壓實(shí)并保壓一段時(shí)間；（3）脫模，下圍框和下推板共同下行帶動(dòng)分模板下行與上砂型分離，當(dāng)下砂箱模塊到達(dá)預(yù)定位置后，推型機(jī)構(gòu)將分模板推出；（4）下芯，檢查、清理下模，將所需砂型放入脫模后的下模的指定位置，完成下芯；（5）脫箱，下圍框和下推板帶動(dòng)下砂型向上運(yùn)動(dòng)與上圍板進(jìn)行合箱，然后上推板向下推動(dòng)上砂型從上圍框中脫出，同時(shí)推板和下圍框同步向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)上下砂型一起向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)整個(gè)砂型下降到制定高度后，下推板靜止，下圍框繼續(xù)下降，下砂型從下圍框中脫出，至此上下砂型完成脫箱；（6）推型，推型機(jī)構(gòu)將脫箱后的砂型推出造型機(jī)，造型機(jī)進(jìn)行下一個(gè)砂型的制作。

1.2 造型機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

本文研究對(duì)象為新研發(fā)的某型靜壓造型機(jī)，該造型主要采用PLC技術(shù)控制液壓與氣壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)砂型的制造，多段多速變換合箱、分箱速度快，采用氣流加砂射砂方式，充砂無虛角，砂型高度任意可調(diào)，調(diào)整方便。該型造型機(jī)具體的參數(shù)如表1所示。

表1 造型機(jī)主要參數(shù)

另外，該型號(hào)造型機(jī)的機(jī)身如圖2所示。底座和側(cè)立板的材料為HT250，其抗拉強(qiáng)度為250 MPa，泊松比0.3，彈性模量90 GPa；其他零件為45鋼，屈服強(qiáng)度355 MPa，彈性模量取210 GPa，泊松比取0.27。

圖2 機(jī)身結(jié)構(gòu)

2 機(jī)身靜力學(xué)分析

2.1 有限元模型的建立

采用SolidWorks軟件建立造型機(jī)機(jī)身的三維模型，在不影響計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下，對(duì)模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，忽略了結(jié)構(gòu)上的小特征。然后，在有限元分析軟件中采用四面體對(duì)機(jī)身進(jìn)行網(wǎng)格劃分[14-15]，并對(duì)接觸部位和受力較大部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，劃分結(jié)果如圖3所示，單元數(shù)為177 172個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為313 250個(gè)。

圖3 機(jī)身有限元模型

2.2 載荷與邊界條件

該造型機(jī)在造型壓實(shí)過程中，下油缸（缸徑210 mm）工作壓力為25 MPa，可計(jì)算出額定的壓實(shí)力為8.66×105N。因此在施加載荷時(shí)將下液壓缸的安裝位置采用遠(yuǎn)端位移約束6個(gè)自由度，在兩個(gè)上液壓缸安裝位置分別施加豎直向上的拉力4.33×105N。上、下圍框與立柱之間有直線軸承可以上下滑動(dòng)，因此兩者接觸位置設(shè)置了摩擦因數(shù)為0.02的摩擦接觸。另外，立柱的上下兩端有螺栓連接，在分析時(shí)也進(jìn)行了螺栓連接設(shè)置；其他部位的接觸對(duì)分析影響不大，均進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅設(shè)置為綁定接觸。載荷與邊界條件的設(shè)置如圖4所示。

圖4 載荷、邊界條件與接觸定義

2.3 分析結(jié)果

圖6 底座應(yīng)力云圖

圖7 上工作臺(tái)應(yīng)力云圖

圖9 側(cè)立板

在額定壓實(shí)載荷作用下，造型機(jī)機(jī)身的Von-Mises應(yīng)力如圖5~9所示，機(jī)身豎直方向的變形如圖10所示。由圖5~9可知：機(jī)身應(yīng)力最大的零件為上工作臺(tái)，最大應(yīng)力位于工作臺(tái)上液壓缸安裝孔周圍，該位置由于直接承受造型機(jī)的壓實(shí)力，因此此處應(yīng)力最大，分析結(jié)果與實(shí)際情況相符，最大應(yīng)力值為370.04 MPa；底座的最大應(yīng)力也位于下液壓缸安裝孔周圍，最大應(yīng)力為88.48 MPa；立柱的最大應(yīng)力為205.72 MPa，位于立柱的上部；而側(cè)立板的應(yīng)力很小，只有6.31 MPa，主要是上下液壓缸的載荷沒有作用在側(cè)立板上，并且側(cè)立板也不在受力方向上。由圖10可知，最大位移處位于上工作臺(tái)的中部，機(jī)身豎直方向的最大位移量為3.54 mm，底座左端在豎直方向上也有一定的位移，位移量小于3.1 mm，該處之所以出現(xiàn)豎直方向位移量主要是因?yàn)榈鬃叶顺惺軌簩?shí)力而導(dǎo)致左端翹起。

圖5 機(jī)身應(yīng)力云圖

圖10 豎直方向變形云圖

3 機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機(jī)身的設(shè)計(jì)要求：結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于或等于1.4（即45鋼的許用應(yīng)力為253 MPa，HT250許用應(yīng)力為178 MPa），豎直方向的變形量小于或等于3.1 mm（機(jī)身高度的1‰，機(jī)身高度3 100 mm）。從上述分析來看上工作臺(tái)的最大應(yīng)力370.04 MPa，大于45鋼的許用應(yīng)力253 MPa；機(jī)身豎直方向的最大變形為3.54 mm，大于設(shè)計(jì)要求的3.1 mm。

本次優(yōu)化目標(biāo)：機(jī)身豎直方向變形量小于或等于3.1 mm，上工作臺(tái)的最大應(yīng)力小于或等于253 MPa。考慮到其他零部件的尺寸、安裝位置與空間，選取以下參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量：立柱的直徑、上工作臺(tái)的厚度、立板的厚度、底板的厚度等。限制條件：不增加機(jī)身整體質(zhì)量。

本文對(duì)該阻尼器進(jìn)行了如圖11所示的優(yōu)化：①工作臺(tái)強(qiáng)度不夠，增加工作臺(tái)的厚度能夠有效改善其應(yīng)力數(shù)值，因此上工作臺(tái)的厚度從140 mm增加至150 mm，上液壓缸的安裝孔周圍加厚至220 mm；②立柱長度3 100 mm，在豎直變形方面起到?jīng)Q定的影響，加粗立柱能夠有效改善豎直方向變形，因此立柱的直徑從100 mm增加至120 mm；③為了降低機(jī)身的總重量，又因?yàn)閭?cè)立板受力較小，因此減少了側(cè)立板上加強(qiáng)筋的數(shù)量，降低了部分加強(qiáng)筋的厚度，側(cè)立板的質(zhì)量從原來1 167 kg降低至753 kg。

圖11 優(yōu)化后的機(jī)身

3.2 優(yōu)化前后對(duì)比分析

優(yōu)化前后對(duì)比分析結(jié)果如表2所示。由表可知優(yōu)化前后造型機(jī)機(jī)身的豎直方向變形從3.54 mm降低至2.68 mm，整體質(zhì)量從10 007kg降低至9 965 kg，最大應(yīng)力從370.04 MPa降低至246.03 MPa，立柱最大應(yīng)力從205.72 MPa降低至137.59 MPa，以上參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后上工作臺(tái)的最大應(yīng)力降低了33.51%，立柱最大應(yīng)力降低了33.12%，機(jī)身豎直方向的變形量降低了24.29%，機(jī)身總質(zhì)量降低了0.42%。優(yōu)化后的機(jī)身在總質(zhì)量沒有增加的情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均有明顯的改善。

表2 優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié)束語

本文以某型靜壓造型機(jī)為研究對(duì)象，采用有限元法對(duì)其機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出如下結(jié)論。

（1）從靜力學(xué)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)原有機(jī)身結(jié)構(gòu)的受力并不均勻，個(gè)別零件的應(yīng)力超出了材料的許用應(yīng)力，豎直方向的最大變形量也超出了設(shè)計(jì)要求。

（2）通過增大立柱直徑和上工作臺(tái)厚度有效地降低了機(jī)身豎直方向的變形量和工作臺(tái)的最大應(yīng)力，優(yōu)化后上工作臺(tái)的最大應(yīng)力降低了33.51%，立柱最大應(yīng)力降低了33.12%，機(jī)身豎直方向的變形量降低了24.29%。

（3）通過優(yōu)化側(cè)立板的結(jié)構(gòu)，不僅抵消了立柱和上工作臺(tái)增加的用料，還降低了機(jī)身的總質(zhì)量，優(yōu)化后機(jī)身總質(zhì)量降低了0.42%，符合優(yōu)化前后總質(zhì)量不增加的要求。