热模锻模具（共3篇）
热模锻模具 篇1
1 测量设备、元器件及计算公式
1.1 测量设备及元器件
1.1.1 测量设备
本次测试选定了主要的测量设备为江苏东华测试技术有限公司制造的DH3815静态应变测试系统。
1.1.2 测量元器件及主要参数
拉杆应变测量主要测量元件为应变片, 采用中航工业电测仪器股份有限公司公司制造的高温应变片BB350-4BB。该型号应变片电阻值350Ω, 灵敏系数:K=2.04, 使用温度<250℃。
1.1.3 应变片传感器的工艺要求
在测试中应变片的粘贴要符合作为传感器的粘贴工艺。为此, 选用北京化工厂生产的R-1型502高温胶作为粘胶, 按照应变片传感器的标准工艺要求进行布置。
1.2 计算公式
1.2.1 应变仪读数到测试应变的换算
本次拉杆应变片采用半桥接法引入应变仪。应变仪读数和测试应变的换算如下:
对半桥接法:ε=εi/ (1+µ)
其中:ε为测试应变, εi为应变仪读数, µ为材料泊松比。
1.2.2 应变到应力以及预紧力的计算
对于125MN模锻压机, 拉杆为单向应力状态。根据虎克定律, 应力由测试应变表示为:σ=E⋅ε式中, E为弹性模量 (E≈2.1×105 MPa) , 为测试应变。
由于拉杆主要段为等截面杆, 根据测试得到的应力, 可计算出拉杆预紧力为:
F0=σ⋅A
式中:F0预紧力, σ为轴向应力, A为横截面积 (A前=3138cm2, A后=2 533cm2) 。
2 拉杆应变测试及计算分析
2.1 测点布置
此次应力测试我们采用了静态应变测量技术, 选用二片应变片组成的应变花 (90度角) , 根据设计要求, 拉杆应力测点是在四根拉杆中部距二次灌浆面4 300mm处布置一组应变片组成半桥, 每测点布二组接至静态应变仪。如下图所示。
2.2 测试过程
125MN热模锻压力机由左、右侧机架、上梁、下机架通过四根拉杆加热预紧组合而成一个坚实的铸钢机架, 四根拉杆的预紧力参数测试尤为重要。根据现场装配过程包含了拉杆的加热-降温过程。在整个过程中对拉杆应变进行监控测试, 应变值由应变测试系统自动记录。
现场通过加热方式使拉杆达到设计要求的伸长量, 拧紧螺母后自然降温, 利用拉杆收缩施加预紧力。
2.3 补偿及预置平衡
2.3.1 补偿
应变的测试主要考虑温度的补偿。但对于拉杆应变片用半桥接法, 拉杆应变片采用轴向和径向成90度的应变花接法, 实现温度应变自补偿, 温度应变不影响电桥平衡。
2.3.2 预置平衡与修正的考虑
根据安装工艺要求, 为了消除接触面初始间隙, 对拉杆螺母施加了一定的初始拧紧力矩, 装配测试时以此作为测试初始状态, 各测点可能有一定初始应变, 所有测点预调平衡, 应变仪读数归零。
2.4 测试结果及计算分析
为消除接触面间隙, 在预紧前先给各螺母施加了初始力矩, 该过程从11月15日开始, 对四根拉杆同时加热 (持续时间超过了14个小时) , 伸长量达到要求后, 拧紧螺母, 自然冷却到常温, 实现拉杆的预紧。
根据降温较稳定状态下的测点应变读数 (取稳定时的值) , 应变实测数据见下表:
2.4.1 取值分析
从上表所测数据中, 1号拉杆上的测点1与测点9, 2号拉杆上的测点2与测点10的数据差距较大, 3号拉杆上的测点3已损坏, 4号拉杆上的测点4与测点12的数据相差较小, 原因如下:
由于本次加热的加热杆总功率不够、放置不均匀 (偏心) 和通风状态不好等, 拉杆热量为此分布严重不均, 造成出沙孔贴片处300mm直径范围内不同位置处温度差异很大, 以致于有些位置温度过高造成应变片失效或部分失效, 从而使得两组数据的差异也较大。在测试当天晚上, 测试人员经过通宵监测, 用测温器测试, 发现当加热快结束时, 已加热14小时, 在1号拉杆上的测点1的表面温度79℃, 而测点9的温度就达到103℃;2号拉杆上的测点2的表面温度87℃, 而测点10的温度就已达到105℃;3号拉杆上的测点3点处温度高达120℃, 应变片已经失效, 而测点11的温度是92℃;4号拉杆上的测点4点处温度71度, 测点12的温度是78℃, 这组数据就比较接近。经过观察, 在各高温区的应变片有的部分失效, 有的已经损坏, 而温度较低处的应变片是完全正常的。故取采集数据为:1号拉杆测点1;2号拉杆测点2;3号拉杆测点11;4号拉杆测点4。
2.4.2 测试数据及计算数据如下表所示
3 主要测试结论及建议
1) 前后拉杆预紧力最大分别为4 502t、3 324t。根据前后拉杆预紧力要求分别为5 000t和3 900t, 结合现场实际情况, 根据计算结果, 得知预紧力未达到设计要求。2) 按照拉杆加热预紧测试所采用的静态应变测试法的要求, 拉杆预紧时贴片处表面温度不应超过80℃, 加热预紧所需的加热棒功率应达到360k W, 加热温度控制在450℃~470℃, 加热时间应在9h左右即可达到要求的伸长量。一般此类测试在每根拉杆上只需贴一组应变片, 而为确保能采集到有效数据及通过两组数据进行相互验证, 现场测试人员加贴了一组应变片;本次测试贴片严格按规范操作。但本次加热总功率虽经技术人员的改进, 也只有228k W, 为达到加热预紧要求的伸长量, 加热温度后来达到550℃~570℃, 加热时间达14.5h, 既没有满足加热温度控制在450℃, 也没有满足加热时间这两个指标。因此两组应变片中, 有的完全失效, 有的部分失效。3) 对于实测数据与设计要求偏小约10%~15%的情况, 分析如下:根据现场安装情况, 原定应在规定期间完成的预紧, 由于加热杆等原因, 经过多次加热, 加热时去掉了热电偶, 没有进行温度控制, 致使加热棒在加热过程中就已经熔化, 拉杆内部局部温度相当高, 后两次加热温度也在550℃以上, 多次超过450℃的高温加热, 不排除可能造成拉杆组织相变, 使内应力发生变化, 可能是造成预紧力偏小的主要原因。
参考文献
[1]吴宗岱, 陶宝祺主编.应变电测试原理及技术.
[2]邵明亮, 李文望主编.机械工程测试技术.
[3]刘鸿文主编.材料力学.
热模锻模具 篇2
本压机由压机本体、液压传动与控制系统、自动检测、控制装置和电气控制系统组成。
1 电气控制系统描述
本压机的电气控制系统采用人机界面MP370和工业可编程序控制器进行控制,控制器为当前先进的西门子S7-400,具有运算速度快、检测实时性强、指令功能丰富、可靠性高等特点,有效保证了对压机生产过程的控制。电气控制网络为Profibus-DP和工业以太网。
电气控制包含硬件系统和软件系统,硬件系统包括人机界面HMI、下位机、人机接口、传感器和执行元件;软件系统包括基于win CCflexible的HMI软件和基于PLC运行软件STEP 7的程序软件。
利用Win CCflexible软件做成HMI人机界面,可以实时显示压机的工作状态、各液压管路的信号状态、各传感器的信号状态,可以设定坯料数据、实时输出生产数据。本HMI人机界面集设备监控、故障诊断于一身,为压机生产、管理提供服务,可以存储生产数据。
下位机PLC主站采用西门子S7-400,S7-400是具有中高档性能的PLC,采用模块化无风扇设计,适用于对可靠性要求极高的大型复杂控制系统,具有强大的扩展能力和诊断功能。从站采用了WAGO的现场I/O系统。此现场I/O模块具有体积小、组态方便、灵巧耐用等特点,网络拓扑图如图1所示。
计算机-PLC系统的协调工作,完全实现了对热模锻压机机组工作过程的在线智能管理和控制。本系统在设备控制、工艺过程控制方面以性能参数为目标,以电液配合控制为手段,使压机在轮毂一次性成形的工艺过程中发挥了优势,且其工作周期短,压力稳定,使产品产量和质量都得以保证。
1.1 压机位置控制
热模锻压机的位置控制选用磁滞式位移传感器,SSI接口,位置信号输入PLC实现位置控制,一个传感器上两个磁环,可同时采集两个梁的位置信号。其余重要位置采用限位开关、接近开关检测发讯,并且保护位置要做好机械限位。
1.2 压机速度控制
压力控制采用压力传感器送入PLC完成压力显示、控制及保护。通过PLC控制液压阀门开关的数量及比例阀和比例泵的流量,实现压力和位置的协调、速度的调节。
1.3 过程控制
压机工作方式有手动、半自动和自动三种,可以在不同工况下进行选择。设置状态为非生产模式,无连锁、无快速。手动工作方式下,各机构为双手操作。半自动工作方式下,满足初始条件后按启动按钮完成一次工作循环,在生产过程中,如需中断工作则按中断按钮,处理情况完毕后可中断恢复继续生产。全自动工作方式下,上下料机器人、坯料上下游处理设备的连锁条件满足后则可进行不间断循环生产,形成非常有效的配合。
2 电气设备组成描述
本压机的供电电源为三相五线制,AC220V/DC24V,电压波动范围±10%,最大装机容量约为800k W。①总电源柜。负责对整机的动力电源供给和保护,能够实现与车间电源隔离,并为压机提供各种控制所需的电源;②传动柜。传动柜中装有各级别拖动设备的电气控制启动回路和保护装置,大于75k W的电动机采用星角启动降低冲击,其余小电机直接启动;③PLC控制柜。PLC控制柜中安装可编程控制器的CPU、网络交换机、部分I/O模块、直流稳压电源等用于PLC系统的配电和控制;④操作台。压机设有可旋转操作台,人机界面安装于此操作台上,操作台就近安装于设备正面,方便观察和操作;⑤控制箱。压机在设备各液压站和信号元件附近安装几个微型控制箱,箱内装有网络适配器和I/O模块,用于反馈信号的采集和动作指令的执行;⑥接线盒。压机设有两种不风规格的接线盒,对每个电气元件的接线进行就近安装接线,保护元件的电气接线。
3 压机调试
设备安装结束后,按照试车的有关标准、大纲、技术文件和图纸规定,对设备进行逐项参数的测试,对其主要技术参数、运行精度、速度、行程和位置,以及设备的控制和安全连锁要求进行测试和记录。在各项检验和试验中,如发现异常,应及时中止测试并进行有效的调整和处置,消除异常后方可继续调试。在重复实验各参数并确认合格后进行设备试生产,由生产轮毂的过程、周期和产品质量确认此设备的功能完好并交付用户。
4 总结
80MN热模锻压机的设计和投产,实现了金属合金轮毂的一次性成形,并且在生产过程中起动平稳、控制精度高、生产周期短,对提高合金轮毂的产量和质量保证起到非常重要的作用,也为公司此类产品的市场开拓起到示范作用。
摘要：本文介绍了80MN热模锻压机电气控制系统的结构组成、电气调试以及应用经验。
关键词：热模锻压机,电气控制,调试,一次成型
参考文献
[1]薛春兰.80MN热模锻压机轮毂生产线的网络控制系统[J].锻造与冲压,2009,(8).
[2]赵德龙,娜仁莎.80MN热模锻压力机控制系统设计[J].电子技术与软件工程,2015,(5).
[3]魏军.金属挤压机[M].北京:化学工业出版社,2006.
热模锻模具 篇3
采用ANSYS软件对10000k N热模锻压力机整体进行有限元分析。此压力机的设计一定程度上还依赖于传统的材料力学设计方法。该法存在不足,用来计算弯矩和应力的惯性矩不是整个结构上的精确计算值,而是一个近似值;这样就可能导致计算结果存在误差,造成机架过于笨重等缺陷。这就需要引入比较有效的现代设计手段,利用有限元法进行验证和优化。
2 技术方案分析
2.1 有限元分析模型的建立
在进行有限元分析之前,首先需要将分析对象的结构模型转换为便于分析的结构分析模型或力学模型。为保证全面反映机身的应力应变情况,同时使有限元模型得到简化,确定了以下6条建模原则:(1)对于明显不会影响机身整体强度、刚度的部位,如螺钉孔、销孔、圆角等予以简化;(2)认为焊接质量可靠,且不考虑焊接对各板传力的影响;(3)将导轨看成自由界面,滑块与导轨之间无力的传递;(4)地脚螺栓刚度无限大,不考虑地基及机身以外部件弹性变形;(5)为了减少复杂的非线性计算,在不影响精度的情况下,将拉杆与螺母作为一个零件进行建模;(6)机身部件在左右两个方向上大都是对称的,载荷也是完全对称的。
由此,在有限元分析中采用常见的二分之一模型划分网格。在结构对称面上施加对称约束条件。减少工作量,节约时间。
利用Solid Works建立的二分之一实体模型如图1所示。
2.2 结构分析
热模锻压力机一般是曲柄式机械压力机。该压力机的尺寸和重量较大,所以压力机采用组合框架式机架,即将上、下横梁和两侧的立柱分别制造,再用大型螺栓组合在一起(图1)。通过拉杆施加的预紧力将上横梁、下横梁以及立柱预紧在一起,组成一个封闭框架。组合框架结构中,为防止压力机工作时组合机身的结合面出现间隙,安装机身时必须给压力机一定的预紧力。在预紧模态,机架只受预紧力作用;而在工作模态,除预紧力外,上横梁液压缸位置作用有工作载荷,下横梁工作台面也有工作载荷。其受力简图如图2所示,其中Pz为作用在机架上预紧力,P为作用在机架上的工作载荷。作用在上横梁底面上的力与作用在下横梁工作台上的力形成一封闭力系。对液压机分析的坐标采用三维直角坐标系,z向为竖直方向,xy平面为水平面,其中x向和z向方向如图中所示。
该型号热模锻压力机公称力为10000k N,根据热模锻压力机的工况,采用15000k N进行加载计算。
2.3 立柱受力分析
根据实际工况,锻造时产生的压力通过滑块、连杆、曲轴,传递到立柱上,立柱大圆孔的上半部分圆弧面为受力面,在分析过程中,我们把作用力近似为均匀载荷。根据工程经验,加载到圆孔上部三分之一的圆弧面上,加载力为15000k N。为了简化加载过程,换算到圆弧面的投影面积上,投影面为440×528(mm2),计算得到均布载荷为P=32.28MPa。
2.4 约束施加
约束条件是有限元结构分析的一个重要内容,约束条件确定得正确与否也是计算成败的关键。约束处理必须遵循以下原则:(1)有足够的约束,使结构消除刚体运动的可能,从而保证刚度矩阵非奇异,获得位移的确定解;(2)不允许多余约束。因为多余约束会使结构产生实际不存在的附加约束力,从而增加部件的计算刚度,使计算结果失真。
根据实际工况,在本次分析中,采用螺栓孔作为约束面,约束其三个方向的自由度。
2.5 分析指标的确定
根据热模锻压力机的性能指标及一般设计标准,我们选择压力机上、下横梁和立柱的应力值和z向挠度作为此次有限元分析的指标参数。
2.6 单元、材料的选择
本次分析采用Solid95单元,材料模型为各向同性线性弹性材料。上、下横梁和立柱材料为Q235,其弹性模量206e9,泊松比0.3,密度7.86e3kg/m3,许用应力取为160MPa。拉杆材料为45钢,其弹性模量210e9,泊松比0.3,密度7.89kg/m3,许用应力取为600MPa。
2.7 预紧力的施加
在压力机工作过程中,要求各接触面间不能存在水平方向的滑动,因此需要在各接触面间产生足够大的水平静摩擦力,最大静摩擦力与接触面上的法向压力成正比。所以需要在上横梁、立柱、下横梁的连接件拉杆上施加适当的预紧力。根据工程经验,我们选择预紧力为1.6倍公称力,通过计算得每根拉杆的预紧力为4000k N。实际生产中,预紧力的施加是通过螺栓与螺母的配合实现,在有限元分析中,螺栓与螺母近似联为一体。该近似对拉杆的计算结果偏差较大,本次分析的重点是机身的应力和变形,拉杆的计算结果不予考虑,该近似是合理的。
3 有限元分析结果
约束施加在地脚螺栓孔内表面,分别限制该面的x、y、z方向的自由度;划分网格时采用95单元,采用ANSYS智能网格划分工具进行单元划分,考虑到计算机的性能,在网格划分时保证单元数在400000左右。
在工作台面中心区域施加1.5倍公称载荷,其应力和位移云图如图3、4所示。
从应力图看,工作台最大应力在100MPa左右,且在焊缝处(整体机身的最大应力在390MPa左右,因是局部应力,不予考虑)。
从变形图看,机身最大总变形在0.7mm左右,竖直方向最大变形在0.56mm(没考虑拉杆的变形情况)。
4 模型优化
通过上述分析可知,立柱和下横梁的强度不够,需加强。根据经验,对模型进行修改后,再次进行计算分析。模型修改如下:上横梁和立柱的侧板厚度由原来的50mm改为60mm,下横梁的侧板由原来的50mm改为70mm,下横梁的工作台面由原来的130mm改为150mm,台面下外侧的立板由80mm改为150mm,内侧立板由80mm改为100mm,下横梁整体高度加高200mm,并在台面下加筋板。对于修改后的模型,采用两种加载方式,一种是在工作台面中心部分进行加载,第二种是在工作台面两侧进行加载。
加载方式1如图5所示。其应力和位移云图如图6、图7所示。
由上述应力和位移云图看出,位移可以满足要求,但工作台处应力较大,仍需改进。优化后加载方式2如图8所示。其应力和位移云图如图9、10所示。
由上述应力和位移云图分析可知,在此种加载方式下,应力和位移均在要求范围内。
5 总结
通过上述两种加载方式的分析结果可知,不同加载方式得出的结果差异较大。所以应根据实际工况确定加载方式,从而最终得出一个合理的结论。
参考文献
[1]李月仙,元秀梅.基于ANSYS的注塑机前模板有限元分析[J].机械工程及自动化,2008,(1),70-71.
[2]王春寒.在ANSYS软件中高强度预紧力的施加方法[J].四川建筑,2006,(2):140-141.
[3]博弈创作室.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
[4]刘相新,孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M].北京:科学出版社,2006.