輪轂制坯液壓機(jī)滑塊設(shè)計(jì)

任銀銀

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

8MN專用液壓機(jī)是鋁合金輪轂生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一，其用途是先將鋁錠壓制成輪轂毛坯，然后進(jìn)行沖孔，制成預(yù)成型輪轂。預(yù)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(jié)構(gòu)直接影響預(yù)成型輪轂的成形質(zhì)量。為滿足滑塊結(jié)構(gòu)使用要求，本文采用了理論計(jì)算與有限元計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)滑塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

滑塊結(jié)構(gòu)主要由滑塊、墊板、沖孔缸、導(dǎo)向支撐塊和導(dǎo)向滑板等組成?；瑝K結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。序號(hào)1為滑塊，采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，其上部P平面與主液壓缸的主柱塞相連；序號(hào)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(duì)鋁錠進(jìn)行壓制成型。鋁錠壓制成輪轂毛坯后，由序號(hào)3沖孔油缸的沖頭對(duì)輪轂毛坯進(jìn)行沖孔。序號(hào)4為沖孔油缸的連接油管。序號(hào)5、6分別為導(dǎo)向的支撐板和滑板，對(duì)滑塊起導(dǎo)向作用，保證滑塊平穩(wěn)運(yùn)行[1，2]。

1.2 理論計(jì)算

圖1 滑塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

滑塊承受中心載荷，受力區(qū)域集中在主柱塞直徑范圍內(nèi)，可以不考慮彎矩[3]?；瑝K主要承受壓應(yīng)力，需校核滑塊剪力?；瑝K中間截面簡(jiǎn)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(jiǎn)圖

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

沖孔油缸置于滑塊內(nèi)，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(cè)面開設(shè)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(cè)面管孔尺寸較小，油管安裝時(shí)，只能先將油管穿過管孔，并將螺紋M48×2對(duì)準(zhǔn)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(gòu)件，需要校核其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

油管的抗扭截面系數(shù)Wt為

式中，D為油管外徑，d為油管內(nèi)徑。

根據(jù)使用工況，螺紋M48×2的擰緊扭矩T為1694Nm，油管的最大切應(yīng)力τmax為

油管材料為 20G，剪切許用應(yīng)力[τ]=25MPa[4，5]。由式（3）可知，τmax＞[τ]，不滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 有限元計(jì)算

利用SolidWorks軟件建立滑塊和墊板三維幾何模型，然后導(dǎo)入I-Deas軟件進(jìn)行有限元計(jì)算?？紤]到滑塊、墊板結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)多，對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行了合理簡(jiǎn)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(jì)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(shè)置接觸邊界條件，網(wǎng)格采用自由網(wǎng)格劃分方法，選擇四面體單元類型，網(wǎng)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(guān)鍵受力區(qū)域，單元尺寸定義為 10mm，共劃分單元數(shù) 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(jì)算應(yīng)力云圖如圖3所示。

由圖3可知，滑塊等效應(yīng)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(qiáng)度 ReL=270MPa[8]，因此，滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在圓角應(yīng)力集中問題，且應(yīng)力值超過材料屈服強(qiáng)度，不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖3 滑塊應(yīng)力云圖

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

滑塊設(shè)計(jì)存在兩個(gè)問題：①在擰緊扭矩作用下，沖孔油缸連接油管不滿足設(shè)計(jì)要求；②在壓制成形力作用下，滑塊局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力值不滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)上述問題，對(duì)滑塊設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的滑塊如圖4所示，在滑塊側(cè)面的沖孔油缸連接油管處開設(shè)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(gòu)件，同時(shí)考慮到開設(shè)矩形孔引起的局部結(jié)構(gòu)削弱，在矩形孔周圍增加了一定數(shù)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(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

圖4 滑塊設(shè)計(jì)改進(jìn)

由于改進(jìn)后的滑塊中間截面發(fā)生變化，重新校核了滑塊剪力，仍然滿足設(shè)計(jì)要求，在此不再贅述。

改進(jìn)后的滑塊有限元計(jì)算應(yīng)力云圖如圖5所示，滑塊等效應(yīng)力最大值為152MPa，位于沖孔油缸連接油管一側(cè)的矩形孔與內(nèi)側(cè)筋板連接處。改進(jìn)后的滑塊等效應(yīng)力最大值從288MPa降低至152MPa，應(yīng)力值降幅接近50%，且低于材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

圖5 滑塊改進(jìn)后應(yīng)力云圖

8MN液壓機(jī)滑塊設(shè)計(jì)采用了理論計(jì)算與有限元計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行。針對(duì)滑塊內(nèi)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(jié)構(gòu)應(yīng)力值過大的問題，對(duì)滑塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)及驗(yàn)證計(jì)算，結(jié)果表明，滑塊應(yīng)力最大值顯著降低，且應(yīng)力分布均勻，同時(shí)解決了沖孔油缸的安裝和維護(hù)問題，整體設(shè)計(jì)合理，滑塊滿足使用要求。

[1] 周勝德，劉 瑩.壓力機(jī)滑塊抗偏載理論分析及設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2015，（4）：7-8.

[2] 李改華.液壓機(jī)滑塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其計(jì)算[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2016，36：23-25.

[3] 天津市鍛壓機(jī)床廠.中小型液壓機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算[M].天津：天津人民出版社，1977.

[4] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 徐 灝.安全系數(shù)與許用應(yīng)力[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[6] 廖日東.I-DEAS實(shí)例教程有限元分析[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2003.

[7] 崔鳳奎.I-DEAS機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[8] 中國(guó)重型機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì).重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)[M].第5卷.昆明：云南科技出版社，2007.

[9] 戴正陽(yáng).液壓管路系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2017，（1）.