（机械制造及其自动化专业论文）精密成形粉末压制设备框架机身及液压系统的研究.pdf

摘要 摘要 新材料的发展是当代高新技术的基础与现代工业的基石，粉末冶金技术则是 新材料研发中的一个重要组成部分。在粉术冶金成形过程中，压制设备对粉末零 什的最终成形精度起决定性的作用，但目前国内粉末精密成形设备及其模架的落 后制约着我国粉末冶金行业的发展。对其进行深入的研究有着重要的意义。 本文分析了国内外高精度粉末压制设备的现状，借鉴国外的先进经验，针对 国内目前的不足，提出了一个能精密成形多台面复杂粉末零件的大吨位压制设备 及模架的总体方案，并详细研究了框架机身部分及整机液压传动系统的设计。 该压制设备由整体框架机身与多层模板模架共同组成，针对多台面形状复杂 的粉末零件及其特有的粉术压制特性，可以独立控制多个冲头进行压制，能精密 成形各种类型的上二台面f 三台面的复杂粉末零件。文中采用传统的机械设计方 法对整体框架机身的各个部件进行设计与校核，并探讨了该设备制造后的部分安 装细节。 为了尽早发现设计上存在的问题，本文还采用了先进的有限元方法，对该框 架机身的机械结构部分进行有限元分析。通过模念分析方法，找出整个模型在工 作过程中的薄弱环节，然后再通过静力分析，对结构进行强度与刚度的校核，以 验证该设计的合理性。 多台面粉末零件的压制f f i 线形状复杂，要求压制设备的液压系统响应快、液 压冲击小和动作实现准确。据此要求本液压传动系统的设计中根据计算出来的各 项规格参数，对液压传动回路进行优化，以保证各执行器在工作过程中动作灵敏 与准确。 本文对高精度粉末零件压制设备的机械部分及液压部分的设计进行了深入 的研究，其工作及得出的结论对该设备后续机趔的研究及高性能粉末压制设备在 国内的发展有重要的意义。 关键词框架机身；有限元方法；插装阀；电液比例控制 p o w d e r m e t a l l u r g y ( p m ) i s a l l i m p o r t a n t t e c h n o l o g y i n r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fn e wm a t e r i a l s ，w h i c hi st h eb a s eo fm o d e m i n d u s t r y i nt h ef o r m i n g p r o c e s s o fp m p a r t s ，p o w d e rp r e s s e s d e t e r m i n et h e i r p r e c i s i o n h o w e v e r , t h e d e v e l o p m e n t o f p o w d e rm e t a l l u r g y ( p m ) i nc h i n ai sl a r g e l yr e s t r i c t e dd u et ot h el a c k o fa d v a n c e dp r e s s e sa n dm o l df r a m e s , i t so f g r e a ti m p o r t a n c et os t u d yt h ed e t a i l so f t l l e m t h e p r e s e n tp a p e ra n a l y z e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o n so ft h ea d v a n c e dp o w d e r p r e s s e s i nw e s t e r n c o u n t r i e s ，a b s o r b e d t h em e r i t so ft h a t a d v a n c e d p o w d e r - f o r m i n g e q u i p i m e n t sa n dt h e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e da na d v a n c e dp o w d e rp r e s sf o rn l e p r o d u c t i o no fc o m p l e x m u l t i - l e v e lp o w d e r p a r t s f u r t h e r m o r e ，i ts t u d i e dt h ed e s i g no f t h em a i nf r a m eo ft h ed e v i c ea n di t sh y d r a u l i c s y s t e m i nd e t a i l s t h i sd e v i c ew a sm a d e u po fam a i nf r a m ea n dam o l df r a m e i tc a nc o n t r o lt h e p u n c h st of o r mt h ec o m p l e xp a r t sa c c o r d i n gt ot h e i rp r e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h e t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ld e s i g nm e t h o dw a su s e dt ot h ed e s i g na n dv e r i f i c a t i o no f t h e c o m p o n e n mo ft h em a i nf r a m e a n dt h e nt h ea s s e m b l yp r o c e s so ft h ed e v i c ew a s d i s c u s s e d m s c p a t r a na n dm s c n a s t r a nc o d e sw e r eu s e dt oa n a l y z et h em e c h a n i c a lp a r to f t h em a i nf r a m e t h en o r m a lm o d e sm e t h o da n dt h el i n e a rs t a t i cm e t h o dw e r e a p p l i e d t ot h ev e r i f i c a t i o no ft h es t r u c t u r eo ft h ed e s i g n e dm a i nf r a m e i nt h i sp a p e r , t h ep a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h e s y s t e mw a so p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ep o w d e rp a r t s p r e s s i n gc u r v e s t h i sh y d r a u l i c s y s t e mh a d aq u i c kr e s p o n s ea n da c c u r a t em o t i o n si nt h e p r e s s i n gp r o c e s s t h i sp a p e rs t u d i e dt h em e c h a n i c a lp a r ta n dt h eh y d r a u l i cp a r to ft h ea d v a n c e d p mp r e s st h o r o u g h l y ，t h er e s u l t so b t a i n e di nt h i sp a p e ra r ee x p e c t e dt ob eo fg r e a t s i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c ho ft h en e w s e r i e sd e v i c e sa n d h e l p f u lt ot h ed e v e l o p m e n t o ft h ea d v a n c e dp mp r e s s e si nc h i n a k e y w o r d s m a i nf r a m e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；c a r t r i d g ev a l v e ；e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o nc o n t r o l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作晶。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：吲设 日期：v 唧年占月l 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全都或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囵。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：喇召义 导师签名： 日期：训年6 月l 。日 日期：年月日 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 现代科学技术的发展将以生物技术、信息技术和新材料的发展为三大支柱， 其中新材料的发展是当代高新技术的基础，也是现代工业的基石【1 1 。 在目前的知识经济和信息的时代中，新知识、新方法不断涌现，新材料、新 工艺、新产品迅速地更迭。科技的进步和经济的发展，对材料的要求越来越高， 新材料的研究丌发和先进制造技术的有机密切结合显得异常重要。 粉末冶金技术是新材料研发中的个重要组成部分，它是生产金属粉末和以 金属粉末为基本原料，通过成形烧结制作金属制品或零件的一门高新技术。 此技术可灵活地设计材料成分和组织，并实现材料制备零件成形一体化，与 常规的铸、锻、切削加工工艺制造同样的零件相比，具有少、无切削加工、节材、 节能、高效、质量均、适合大批量牛产、无环境污染、价格低廉等特点，并能 生产具有特殊性能及其它工艺难以生产的产品【”4 1 。 粉末冶金技术在汽车制造业得到广泛应用。因为它是一门制造特殊材料的技 术，能有效地开发出高强度、高精度材料，耐热、耐磨材料及高性能轴承材料。 并且由于粉末冶金零件生产企业能够依据汽车工业发展的需要，持续地研制开发 原料粉末、压制技术、烧结工艺及相关设备，开发新产品、研究新材料、新工艺， 使得粉末冶金零件在汽车工业中的应用一直处于增长的念势【5 】。而汽车使用的粉 术冶金件不断增加，也带动了粉末冶金行业的迅速发展。近年来，其应用领域不 断扩大，在国民经济中愈来愈发挥着重要作用1 6 】。 在粉末冶金成形过程中，压制设备对粉末成形零件的最终成形精度起着决定 性的作用。凼外在粉末冶金领域起步较早，发展很快，目前已经普遍采用模架系 列压机和多功能压机，可一次成形形状复杂的粉术冶金零件。但在国内，粉末成 形零件产品水平相对较低，零件致密度和性能不高，零件精度低，少数企业尺寸 精度可达i s 0 7 8 级，形位公差可达8 - 9 级，与国外水平相比低卜2 级，而散 企业约差2 - 3 级。并且因为低档产品生产过剩，经济效益低下，高档产品虽市场 臣火，但能生产的厂家太少，大部分仍依赖进口。 导致此问题产生的根本原因是工岂装备落后，目前仅有少数企业花巨资从国 外引进昂贵的先迸专用压机，大多数企业仍采用国产通用压机，生产效率低，质 量不稳定，不能生产复杂结构零件；国内专用设备生产厂家与专业化模具、模架 厂都很少，设计制造能力薄弱。目前凶内的粉末压机，多采用三梁四柱式结构， 刚性比较差，精度0 i 能得到保证。也有少部分采用框架式结构，但基本都是用通 丝童堡三奎兰三兰堡土耋堡垒圣 用型框架式液压机改装，并没有考虑到粉术零件的压制特点，压制模式与普通液 压机的模式相同，不能根据各种不同粉末的最佳压制曲线来设定压制的动作，难 以达到最佳的压制效果。 众多院上与专家对我国制造业的现状、作用、地位及发展趋势和对策进行了 调查研究后，于2 0 0 2 年7 月发布了新世纪如何提高和发展我国制造业的报 告。研究报告中指出：处于工业中心地位的制造业，特别是装备制造业，是国民 经济持续发展的基础，足工业化、现代化建设的发动机孝u 动力源。是在国际竞争 中取胜的法宝，是技术进步的主要舞台【”。缺少了技术先进的装备，要缩小我国 粉末冶金产品与国外同类产品之间的差距，赶超世界的先进水平，扭转我国目前 在此方面的劣势，都只能是一句空话。 为此，研制出具有我国自主知识产权、价格能为广大生产厂家所接受的高性 能、高精度多台面复杂粉末成形零件压制设备具有十分重要的意义。 1 2 国内外精密成形粉末压制设备的概况 1 2 1 国外粉末冶金压机的技术特点与发展 国外在粉末冶金领域起步较早，发展很快，目前已经普遍采用模架系列压机 和多功能压机，可一次成形形状复杂的粉木冶金零件。并且为了适应市场不断出 现的多元化要求和同行之间的激烈竞争，保持自己技术上的领先地位，世界知名 的粉术冶金压机生产厂家都不断地对压机的设计进行探索与创新，使其技术得到 缀人的发展与完善。近年来主要的发展有以下几个方面： f 1 1 采用计算机数字控制技术( c n c ) ，大大地提高了压机压制复杂多台面零 件的能力，具有存储、调用、输出数据并根据这些信息进行调整的功能，能够根 据粉末特有的压制特性来设置压制曲线，实现压制的晟优化。如日本玉川公司丁f 发的s x 系列压机，用计算机对压机的每一个行程通过程序进行控制，它不仅使 压机的精度和柔性大大增加，而且能对压力和冲头的运动进行在线监控，大大提 高了生产效率和零件质量；又如德国m a n n e s m a n n 公司开发的e 2 系列压机，其 上滑块和下滑块可实现连续过程控制，并可扩充为包括另外三个辅助滑块的过程 控制，从而可对容易产生裂纹的薄壁零件的生产过程实现最优配置，提高了系统 柔性。其过程检测功能可根据压力曲线确认填充密度的波动、冲头的磨损和压制 错误，并能根据压力或测重仪器所得出的统计数据自动调整粉末填充高度。 ( 2 ) 高精度、计算机控制模架的研制与开发，使压制更为复杂的零件、开 发新的压制方法和工艺过程成为可能。如德国m a n n e s m a n n 公司开发的用于 h p m e 2 系列t ! = i 三机上的可控冲头模架( c p a ) ，如图1 - 1 所示。 2 第一章绪论 图1 - 1c p a 可控冲头模架模型 f i g u r e l - 1m o d e lo fc o n t r o l l e dp u n c ha d a p t e r ( c p a ) 它用3 2 位微处理器对多达9 个冲头根据位置和压力进行快速、准确的闭环 控制，从而解决了用机械挡块定位所带来的由于挡块变形回弹而导致压坯产生裂 纹等一系列问题。此结构已经成为压制高精度零件模架的典型代表【8 9 1 。 ( 3 ) 在机械结构设计上，以合成的机械一液压压力机和液压机械压力机 代替单纯的液压机和机械式压机，如德圈的k o m a g e 公司的k f m a 系歹h 压机， 采用机械式曲柄滑块机构来驱动上冲头，使其具有较大的行程次数，并提供一个 类似正弦曲线的压力过程；而液压机构可以根据压力或压制方法灵活编程，从而 能够制造形状复杂的零件。另外，机械和液压的联合机构也使加工可根据零件的 结构特点设置为不同的压制方法。 ( 4 ) 各公司不断开发和完善压机辅助设备，如自动取件的机械手，压坯自 动测重装置，可对压机进行控制和监测的电子仪器以及装料器，压坯存储仓库等， 并同压机主机进行通讯。通过不断发展，形成集成各种辅助设备的自动化程度高 的压制中心。它不仅能保证加工过程零件的质量稳定，而且能保证压机在最大效 率下工作，从而提高生产效率和产品质量【1 0 】。 现在国际上比较知名、其产品在国内拥有量较多的一些粉末成形压机的制造 厂家是：日本的良琢精机( 株) 、玉川机械( 株) 、德国的d o r s t 机械设备公司、 美国的g a s b a r r ep r o d u c t si n c 等。 其中日本良蟓精机( 株) 与n 本玉川机械( 株) 的粉术成形压机主要是机械 式压机，普遍使用模架，压制力由1 2 吨一7 5 0 吨不等。 德国d o r s t 机器与设备制造公司的产品有机械式自动粉末成形压机和液压式 华南理1 = 大学t 学硕士学位论文 自动粉末成形压机等。其叶tt p a 系列粉末成形压机是一种肘杆式压机，最大吨 位达4 5 0 吨：t p a - h 系列粉末成形压机是液压式全自动c n c 粉末冶金成形压机， 压制能力可达8 0 0 吨；d a c s 系列压机是一类压制位置精度高、高效率的机械式 自动粉末成形压机，专为满足当前硬质合金、技术陶瓷及铁氧体工业发展需要而 生产。 美幽g a s b a r r e 制品公司生产的粉末成形压机都是由曲轴驱动，使用模架的 阴模浮动型机械式压机，依据成形制品压坯的形状复杂程度分成不同的系列。其 中模架系列压机的特点是模架可以更换，但压机具有必要的各种调节功能，在其 给定范围内都可以进行无级调节，从而可简化模架与模具设计。压制能力在5 6 0 吨之问。另外多动作系列是为压制成形形状复杂的多台面制品压坯而设计、 制造的，压制能力可达7 0 0 吨【l i l 。 1 2 2 国内粉末冶金压机的技术特点与发展 国产粉末冶金行业与工业发达国家相比还存在着较大差距，主要表现在：零 件品种少、精度低、形状简单、质量不稳定、生产率低等。近年虽然有几个粉末 冶金厂引进了国外先进的雎机用于生产，但整个行业的技术水平并没有得到全面 的提高。 机械式压机制造的劳动力费用和材料费用高，对于压制力大丁二2 0 0 2 5 0 吨 的粉末成形压机，机械式的价格高于液压式压机，而对于压制力小于2 0 0 2 5 0 吨的粉末成形压机，机械式压机价格较便宜。目前我国生产的粉末成形压机，机 械式压机的压制能力普遍还比较小，大多不高于1 0 0 吨。液压式压机已能成系列 生产，但基本上都是采用通用型液压机进行简单改装，压制精度很难得到保证。 调奄和统计资料表明，i = j 前国内粉末冶金企业采用的生产方式和压制设备具 有如下一些特点： ( 1 ) 在许多粉末冶金制品厂中还相当普遍地使用着我国六七十年代生产的 压力机进行简单零t t ：的生产，且基本上是以手工取放工件来进行产品的精整加 工，牛产效率较低。 ( 2 ) 部分企业通过引进、消化、吸收国外模架先迸生产技术对传统锻压机 床进行改造，以适应复杂的、多台阶件的生产需求。但是性能和可靠性不高，品 种也相对较少。 ( 3 ) 部分企、i k 通过引进国外先进j f 谛l 或自动生产线来满足中高档的、复杂 的、多台阶的零件生产需求。目前，已陆续引进了德国、日本和美国生产的机械 压力机、液压机及其生产线，其规格公称力为5 0 、2 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 、 2 5 0 0 、5 0 0 0 k n 等，从而在一定程度l 满足了国内粉末冶金机械零件生产的需要。 4 第一章绪论 ( 4 ) 国内自主开发的数控粉木压机基本上尚处一j 二研制和试制阶段，自动化 问题尚未完全解决，对于能精密成形复杂粉末零件的压制设备的研究尚未深入。 目前，国内生产粉末成形压机的厂家主要有：东台工程机械公司、海宁三强 精密机械有限公司、南通锻压机床厂、天津锻压机床总厂等。 其中东台 程机械公司生产的粉末成形压机主要是机械式压机，多为小吨位 机型，压制能力由1 0 0 k n 至1 0 0 0 k n 不等。 南通锻压机床厂生产的粉未成形压机主要是仿制国外的先进设备。其中机械 式( n p a 系列) 为伞自动粉末成形压机，压制吨位一般在4 0 吨以下，而液压式 压机( n t d 系列) 分为手动、半自动及全自动三大类，压制能力可达6 3 0 吨。此 系列压机机身以= 三梁四柱或整体框架式结构为主体，电气部分主要采用p l c 或 微机实现闭环控制，从而可对其装粉高度、脱模位置、最终压制位置实现精确定 位，对压机的最大压制力、零件压坯密度的均一性进行有效控制，压制形状相对 简单的零件时有较高的精度与刚度。但其对多层模板模架的研究尚未深入。 天津锻压机床总厂生产的粉末成形液压机，压制能力由4 5 吨至2 5 0 吨不等。 其y t 7 9 z 一2 5 0 型2 5 0 吨全自动液压式粉末成形压机，采用拉下式脱模，阴模靠 f 缸限位阀精确定位，下缸内设辅助冲头，在装上多层模架时，可压制形状复杂 的多台面制品压坯。压机有自动送粉机构，用插装阀集成液压系统及用p c 机控 制的电气系统。其液压系统所选用的泵、阀一般采用进口元件【1 1 】。 同前国内对复杂粉末零件精密成形压制设备的设计与制造能力正在快速提 高，但与国外相比仍有较大的差距，对能精密成形多台面复杂零件的压制设备的 设计与制造能力尤显不足。因此，对多层模板模架及其框架机身的深入研究显得 至关重要。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金重点项目“金属粉末高致密化精密成形系统 技术基础及应用”f 项目编号：5 0 1 3 5 0 2 0 ) 、国家高技术研究与发展计划( 8 6 3 计 划) 课题“高性能粉末冶金材料温压精密成形技术”( 项目编号：2 0 0 1 a a 3 3 7 0 1 0 ) 、 广东省科技计划项目“智能型全自动粉末成形压机的研制”( 项目编号： 2 0 0 2 c 1 0 2 0 3 1 5 ) 和广东省攻关十五重大专项项目“高性能高精度粉术冶金零件 先进制造技术及其关键设备研制”( 项目编号：a 1 0 4 0 2 0 3 ) ，研究的内容如下： 1 通过阅读人量国内外的相关文献，对国外先进粉末压制设备的特点进 行分析，然后根据国内现有粉末压制设备的情况，提出适合我国国情 的多台丽粉末精密成形压制设备的总体方案。 2 根据该总体方案，采用传统的机械设计方法，设计出该压制设备的整 华南理工大学工学硕士学位论文 体框架机身。 3 利用先进的有限元方法对设备的机械部分进行模态分析及受力分析， 以验证其设计是否合理。 4 结合另行设计的多层先进模架，并结合粉末压制的复杂动作要求，设 计出整台设备的液压i 司路部分，然后对回路进行整体优化。 5 依据设计图纸进行制造，然后进行安装调试，为后续机型的设计提供 参考依据。 6 第二章 精密成形压制设备的机械部分设计 第二章精密成形压制设备的机械部分设计 2 1 整体方案的选择 本项目将研制具有我国自主知识产权的粉末冶金精密成形压制装备，它涉及 到机械设计与制造、液压传动、传热学、自动控制、测控技术、计算机技术等多 广j 学科与工程技术的交叉和综合，目前国内没有太多的先例可供借鉴，国外对相 关技术义严格保密。因此，它将是一项有较大技术难度的挑战性工作。 在我国，粉末冶金零件的生产经过近5 0 年的发展，生产零件的形状已经变 得越来越复杂，多台面件和结构件在粉末冶金零件生产中所占比重越来越大，对 粉术冶金零件生产企业在诸如提高生产质量、自动化程度、生产率以及不断开发 新产品、新工艺等方面的需要，国产压力机的功能和质量目前还远远不能满足需 求，大的粉末冶金生产厂家纷纷引进国外先进的压力机和生产线，从而在定程 度上缓解了这一矛盾。但光靠引进不是从根本上解决这一矛盾的方法。独立开发 高技术水平的多功能压制设备乃我国的当务之急。如果能够成功开发出高技术水 平的多功能压制设备，对扩大国内粉末零件的生产有着非常大的积极作用。 国外的粉术压制设备最初是从全液压的方式开始发展的。经过了多年的发 展，技术已经非常成熟。例如德国的m a n n e s m a n n 公司的一个粉末压机e 2 系列， 就覆盖了从6 0 吨到1 5 0 0 吨之间各个压力范围。还有德国的d o r s t 公司和美国的 c i n c i n n a t i 公司也都独立开发出了高性能的c n c 粉末成型液压机【1 0 l 。 2 1 1 高性能精密成形压机的技术难点 压制成形沿轴线方向有不等高台面的零件压坯时( 如齿毂、齿型带轮等) ， 可将台丽高度不同的部分看作独立的直立粉体柱。 压制这类粉末压坯时，必须遵守的基本准则是： 1 、各粉体柱的粉末充填系数( 或装料比) 必须相同或相近； 2 、各粉体柱的压缩比必须相同或相近； 3 、各粉体柱的压制速率相同。 否则，压制成形的粉末压坯内就有可能凶密度变化大而产生裂纹。 对于此类复杂的多台面粉术零件，单层的模具只能按照零件的最终成形位置 来装粉，不能按照实际松装比根据各部分的不同产生不同的装粉量，导致填充系 数和压缩比均有较大差别，并且各粉柱体之间的压制速率也不能控制，导致压制 出来的零件密度小够均匀。如果各台面之间的高度比大，还容易导致压制出来的 7 华南理t 大学工学硕士学何论文 粉末压坯各部分之间凼密度变化大而产牛裂纹【”】。 另外由于粉末压制的特殊性，如果模具零件在压制过程中出现弹性变形或者 小可控的弯曲，都会导致粉末压坯产生裂纹，所以模具部分的刚度必须尽量耐1 3 1 。 如果设备采用四柱式结构，在压制吨位稍大的时候设备就会产生较大的变形，整 体刚性与都精度比较差，难以保证粉末零件的精密化要求。另外由于粉末压制的 特殊工艺，常需在压制过程中进行加压一卸压一保压一卸载等一系列复杂操作， 以求达到最佳效果。这些对成彤精密复杂多台面粉末零件的丁艺要求都极大地加 人了压机设计的难度。 目前粉术压机技术的最先进代表足机械与液压相结合的形式。这种形式下， 压制的主运动以机械的方式进行，液压部分用来控制压制几个台面的模具部分。 这种方式的精度和效率都要比纯液压方式要高。 但是，这种机械与液压相结合的粉末压机无论是设计还是制造的难度都相当 大，并且需要非常多的经验积累，导致目前此类型的先进设备极其昂贵。一台压 制力只有2 0 0 吨的类似设备就价值2 0 0 万r m b ，不可能为一般中小型企业所承 担。为了推广粉末零件在国内的应用，必须采用大量价钱相对低廉的设备。所以 目前我们所研制的这台设备仍然采用全液压的方式，并辅以多层模板的独立数控 技术。虽然在压制方式上与世界上最先进的技术仍有定的距离，但毕竟是这种 精密成形粉末压制设备在国内的一种尝试。对粉末压制零件在国内的推广有积极 的作_ j 。 2 2 设备的技术指标 该全自动粉末零件精密成形压制设备应达到的技术指标为：最大压力 3 1 5 0 k n ，液压系统压力为2 5 m p a ，成形最人工件直径0 8 0 m m ，最大高度1 1 0 m m ， 可根据不同粉术零件设定时间一压力或位移一压力曲线，以实现工艺优化；能够 精密成形卜二下三的多台面复杂粉术零件。产品高度公差0 0 2 m m ，对重量或 尺寸不符合要求的产品在线筛选。 2 3 设备的机身设计 粉末冶金零件巾，形状复杂的制品越来越多，如汽车离合器中的离合器齿毂、 证时齿形带轮、步进马达外框等，零件的上下面都有很多个台面，各台面之间的 高度差明显。图2 - 1 为汽车同步器齿毂的零件图。 第二章 精密成形压制设备的机械部分设计 图2 1 同步器齿毂 fjg u r e 2 一ls c h e m a tjc d r a w i n go fac o m p l e xp mp a r t 上图中的齿毂，可以看成是一个典型的上二台面下三台面的复杂粉末零件。 其特点是各台面之间的高度差明显，齿毂的外壁厚度小。压制此类零件难度非常 火，只要各粉体柱的压缩比和压制速率略有差异，压坯就容易出现裂纹。对于这 样一个复杂的多台面粉末零件，台面高度不同的各部分都可以看作独立的直立粉 体柱，在压制成形的时候，需要压制设备能够对此零件中的每个粉柱都能独立进 行控制，且各模冲与阴模座之问需依据粉末压制的特有工艺进行配合，协同运动。 为了成形这样个上二下三台而的舆型粉末零件，要求压制设备的上部能够 独立驱动两个模冲，此动作可以由安装在机身上的两个嵌套油缸来完成；而设备 的下部要求能够独立驱动三个嵌套模冲，这个动作由独立的模架部分来实现。压 制过程中各模冲及阴模座和芯杆的动作关系图如图2 2 所示。 9 华南理t 大学1 二学硕士学位论文 图22 压制过程中各模冲的动作顺序图 f i g u r e 2 2 m o tf o no ft h ep u n c h sf i it h ep r e s s i n gp r o c e s s 在浚零件的压制过程中，首先是模架上的各个缸体运动到预先设定好的装粉 位置，如图2 - 2 ( a ) ；然后送料装置送粉，把粉料送到模腔位置后再进行往复几 次的来回振动，使粉末装得更加均匀。装粉后，下缸往上移动少许，目的是为了 让卜模冲下压的时候粉末不会飞溅到模腔以外，如图2 2 ( b ) ；e 横梁上的主缸 带动上模冲往下运动至装粉的上平面，然后上模冲按照一定的压制速率开始往下 移动，如图2 2 ( c ) ；接着各下模冲配合移动，让粉末在模腔中重新分布，如图 2 2 ( d ) ；粉末重新分布以后，开始进行压制。根据工艺的要求，为了减少模壁 的摩擦力，下模具也同时按照一定的速率往下配合运动，一直到最终的压制位置， 如图2 2 ( e ) ；之后松开上模冲的压力。为避免零件产生回弹，根据实际需要， 有时也会保持乐力，或者部分卸压，如图2 2 ( f ) ；阴模与所有模冲同时上行一 段距离，准备零件的脱模，如图22 ( g ) ；接着阴模与芯杆下拉，如图2 2 ( h ) ； 然后中间模冲退出，如图2 2 ( i ) ；最后最外层上模冲退回，零件脱出，等待送 料装置在卜 。次送粉的同时把零件送走，如图2 2 ( j ) 。至此，完成一个工艺循 环 1 “6 】。 为了成形高精度的粉末零件，必须要求设备整体刚性好，在压制吨位较大的 时候也不至于出现大的变形。一般的四柱式结构在大压制力下刚性不足，不能满 足这样的精度要求，必须采用整体框架式结构。 为了进一步提高设备的整体刚性，适应压制零件的高精度要求，在本压制设 备的设计中还采用了拉杆预紧式的结构。此结构通过事先预加载荷预紧的叫根拉 杆将上下横梁及左右立柱组成一个整体，使整个框架机身的刚度得到加强。预紧 式框架机身( 含模架) 的机械设计图如图2 3 所示。 第二章 精密成形压制没备的机械部分设计 图2 3多台面复杂粉末成形零件压制设备 f i g u r e 2 3d r a w i n g o ft h ea d v a n c ep r e s s 1 ：丰缸装置；2 ：补液箱；3 ：上横梁；4 ：滑块；5 ：立柱 6 ：液压控制柜； 7 ：模架：8 ：送料装置；9 ：底座；1 0 ：底缸装置；1 1 ：电气控制柜 该压机可分为主体框架和模架两火部分，模架部分可以根据成形要求进行更 换。更换模架时，采用导轨导入方式。导入时由安装在模架上可进行上下微调的 滑轮在导轨l 滑动，进入工作位置后调整滑轮的位置，使滑轮与导轨脱离。 ：横梁3 、左右立柱5 和底座9 与四根拉杆经预紧后共同组成框架。此框架 采用整体焊接的结构，加工工艺性较好，容易保证加工精度。框架通过拉杆预加 载荷，减小了机架的弹性变形，为压制零件的高精度要求提供保证。 每个粉柱都由一个模冲控制，而模冲的驱动依靠联接在油缸活塞上的模板。 因此为了成形上啊二下三的多台面复杂粉末零件，就需要压制设备的上部能够单独 驱动两层模板，下部能够独立驱动三层模板。 位于上横梁3 与滑块4 上的嵌套油缸，可以分别独立驱动两层模板，能够仅 依靠设备机身就压制出上部具有两个台面的复杂零件并保证各部分的密度均匀。 如图2 3 所示，主缸1 固定在上横梁上，其活塞杆带动滑块进行上下移动。滑块 的中心上嵌套一个液压缸。粉术压机工作时，主缸与嵌套液压缸的两个活塞可以 分别驱动两层模板。 能够分别独立驱动三层模板的模架7 放置在底座9 上，依靠模架自身上的 1 2 个油缸可以驱动三个模冲以实现零件f 部i 个台面的压制。底缸装置1 0 固定 在底座卜，完成驱动阴模座的动作，包括压制前阴模预升以防粉末飞溅、压制过 程中随模架浮动及压制后下拉阴模使零件脱出的动作。底缸的活塞杆上有一个嵌 1 1 竺童堡垒兰耋堡圭兰堡丝塞 套小油缸，用以驱动芯杆，方便成形具有巾心孔的粉末零件。 设备的滑块下底面面积为1 3 5 0 1 2 0 0 m m ，工作台有效面积为1 3 5 0 1 2 0 0 m m ，整台设备的最大闭合高度为2 6 0 0 m m 。设备的设计满负载运行( 含模 架部分) 功率为9 0 k w 1 7 , 1 8 。 设计过程中需要研究的问题有：如何最有效地在此压制设备上实现粉术压制 1 艺的要求；在各种不同受力情况下机身各部分的受力分布情况；强度和刚度的 计算方法和要求；各主要部件的技术要求；合理选择断面形状和布置筋板，使设 计的结构重量轻、变形小，结构工艺性好和具有美观大方的造型。 2 3 1 框架的设计 框架式结构是各种高精度液压机设计中普遍采用的结构型式之。框架式结 构的丰要特点是容易获得较高的刚度。与任何机床一样，机身是压制设备主要零 部件的安装基础，并承受工作中的全部载荷，因此机身设计对整机制造工艺性、 生产成本和使用性能都有很重要的意义。 从主要零部件布置和承载观点来看，框架式机身结构均由三部分组成：上横 梁、工作台和左右立柱。在工作状态下，上横梁和1 二作台均承受挤压、弯曲和剪 切，立柱则承受拉伸( 或压缩) 和弯曲，并产生相应的变形。 预紧框架式结构的特征在了：采用整体焊接框架的结构，并采用拉杆预紧。加 一工艺性较好，容易保证加工的技术要求。减小了机架的弹性变形，结构刚度大。 拉杆预紧式结构主要通过拉杆对整体框架预加载荷，使工作状态下，机身立 柱部分所受的拉应力相应降低或者令其只承受压应力。这样借助拉杆的变形，可 以使立柱在工作状念下的受力与变形减少，可以通过更紧凑和简单的立柱结构实 现更大的机构刚度。 框架的设计过程按以下几个步骤进行： 1 ) 根据初步设计和备零部件联接定位的要求，确定机身结构简图； 2 ) 根据工艺要求和已选定各种梁和立柱的材料以及预紧系数，计算出立柱 和拉杆的最小截面，作为初步设计的依据； 3 ) 设计出_ l 下横梁和立柱的形心位置和截而特性数据； 4 ) 根据工艺要求合理地选择预紧系数，根掘已经设计好的部件尺寸及材料 数据求出要事先施加在结构上的预紧力； 5 ) 按整体框架计算方法，求出四角弯矩，再计算各零件的最大应力，看能 否满足规定的强度条件。然后对结构进行刚度上的校验，看各部件的变 形是否在允许范嗣之内。 设计的拉杆预紧式框架的结构简图如图2 4 所示。 丝二耋堑垩些矍里型堡量墼垫堡墼坌堡型： j 、 沪 、 i = 磬震 、 、 i 1 i ! 繇豳 1 1 5 目e = ：| 、心i 图2 4压制设备的机身框架 f i g u r e 2 4s c h e m a t i cd r a w i n g o ft h em a i nf r a m e 1 ：i 横梁2 ：右立柱3 ：左立柱4 ：底座1 二作台5 ：拉杆 2 。3 1 1 预紧力的计算 在预紧状态下，预紧力为弓，拉杆伸长量为五，立柱压缩变形量为五，在 工作状态下，即机身承受工作载荷p 时，拉杆受力为只，变形量为丑，立柱受 力为晶，变形量为如。假设上横梁和底座预紧部分由于结构可靠加强，加上其 尺寸较立柱长度来说又比较小，故其受压变形可忽略不计。 由几何关系可得： e = _ 竺_ 只( 2 - 1 ) + 也 墨笋= 击( 2 - 2 )p元+ 以 芝一e o 十p( 2 3 ) 令只一z ，x p代入l 列公式得： 咒= 警p + 如 只= 籍p + l 2 只：刍：鱼生p 2 + 如 ( 2 - 5 ) 华南理工大学工学硕士学位硷文 = z 。p( 2 7 ) 式中：p 一工作压力 r 残余预紧力 只一预紧力( p = 0 时) 只工作状态下拉杆所承受得最人拉力 只一极限载荷( 此时立柱的变形为o ) z ，预紧系数( 本设计中取2 ) 预紧系数愈小，l ：作时机身垂直方向变形愈大，而z ，大于2 时，变形减小 并1 i 显著，反而使机身各部分受力都大火增加，致使结构笨重。所以从减小工作 时的变形和结构合理的观点来看，系数乙合理数值在1 5 2 的范围内。对于本设 计中的压机的刚性要求，取预紧系数为2 。 矗和无可以由以下两式确定： ：黑(cm)(2-8)e 4 只露 如：差笔( 锄) ( 2 - 9 ) e ，只枷2 式中： 丑；预紧时拉杆的伸长量( c n l )如：预紧时立柱的压缩量 l ，：立柱总长( 锄) l 。：拉杆工作部分长度( c m ) e 3 ：立柱材料弹性模量( k g f c m 2 )e 。：拉杆材料弹性模量( k g f c m 2 ) ”：拉杆数量( n - - - - 4 ) e ：立柱的最小面积 m ：立柱数量( m = 4 )矿：立柱截面不均匀系数 将丑和a ：代入式2 1 、2 2 中，并令k = i e 3 ，k t2 暑得： 昂= 而( z , 面- 1 ) k 瓦, # n 面f 3 p ( 2 1 。) ”k 。西峨+ k ，蛾 、7 墨：瓦z 蕊3 k 面, o m f 3p ( 2 - 1 1 ) kk 1 。枷t f 3 + l n f 4 b ：z 3 k , 却d 7 3 + k l n f 4p ( 2 - 1 2 ) t 1 9 1 k 。e r i e 3 + k l 心k 2 3 1 2 各零部件的强度和刚度计算 框架机身在不同的受力情况下一l 横梁、f 横梁必然产生弯曲变形和剪切变 形，并在其支座处产生角位移。在没计的过程中，我们通常会假设上下横梁和立 1 4 篁三耋 丝童盛垄星型墼鱼墼垫堡墅坌堡苎 杜的连接平面在受力变形后仍为平面并保持紧密接触，这与设备的实际工作情犹 一般是吻合的。正冈为这样，上下横梁的弯矩必然会传递到立柱七，因此立柱也 必然要承受弯矩。故在设备框架的强度刚度计算中，有必要根据整体框架计算原 理分析并解出角弯矩和附加弯矩，尽可能地与实际情况相符合。 在本设计计算中，工作台固定，其刚度远大于立柱和上横梁；上缸布置于e 横梁的中部，町以视作在上横梁中部施加一集中载荷，立柱的下部为固定支点。 根据上述情况对计算作出适当的简化。受力情况简化后如图2 5 所示。 图2 5机身受力简化图 f i g u r e 2 5 s c h e m a t i c p l o to ft h ef o r c ea p p l i e d 强度的计算： 为了简化计算，在计算过程中，先将机身简化成平面框架，立柱和上横梁各 截面惯性矩在全长卜- 是不变的，下横梁刚度与上横梁和立柱相比较可以认为是无 限大。 上横梁的强度条件为； 盯：粤旦；h ( 2 _ 1 3 ) j 1 m ，：卜横梁中部的弯矩j 1 ：上横梁的惯性矩 q ：上横梁形心线距内边的距离【仃】：弯曲许用应力 二横梁和卜- 横梁均为工字形截面，从材料力学可知，其剪切应力绝大部分均 由立板承受，上下翼板抗剪作用很小，因此将截面近似简化为厚度为b 高度为h 的矩形截面，而剪切应力在形心轴处为最大，其应力叮按下式求出： f：旦e【】(214)2bh 。 、 7 华南理工大学工学硕士学位论文 q ：计算截面所受的剪力b ：上横梁立板的宽度之和 h ：上横梁立板的高度 【r 】：剪切许用应力 弯曲产生的最大应力在截面最远点，而弯曲产生的最大剪应力点在形心轴 处，通过计算，本设计中上横梁的强度满足要求。 立柱受弯曲应力和拉伸应力，最大廊力产生在四角处，其强度条件为： 盯：砉+ 华巾】( 2 - 1 5 ) 厶， j 3 p ：公称振力只：每一立柱的断面面积 j ，：每立柱的惯性矩m ：角弯矩 且：立柱形心线距内侧的距离【o - 1 ：许用应力 在强度计算中，许用应力选取均比较低，目的是限制机身变形。因为机身各 部分应力愈大，变形必然愈大，这样将影响整机工作状态下的精度，并容易产生 振动；另一方面，机身变形后，必然对滑块导轨产生正压力，反过来又会增加四 角弯矩。为了计算的简单起见，略去了以上因素。在液压机1 ：作过程中不可避免 地还会造成一些振动和偏心载荷，使局部应力增高，故根据设计经验，需要适当 地降低许用应力数值。 整体框架机身刚度的计算： 由于本设备压制力大，工作时各部分应力较大，虽然在强度计算中已经作了 相应的限制，但仍需考虑受力时产生的相应变形。机身受力变形情况见图2 - 6 。 l 图2 - 6 机身刚性变形情况 f i g u r e 2 6s c h e m a t i cp l o to f m a i nf r a m e sd e f o r m a t i o n 机身受力后产生垂直变形f l 和水平变形f r ，垂直变形将使压制设备在升压和 卸压过程中产生振动，并对定位精度产生定的影响，因此这一变形不得超过规 定值。水平变形则使导轨间隙产生变化。在一般情况下，水平变形f b 总大于导 1 6 第二章 精密成形压制设备的机械部分设计 轨初始间隙，冈此变形受阻，使支柱承受相应的水平力p 。( 实际上是一均布载 荷，为分析简化起见，代之以一集中力作用，这样计算变形较实际变形偏大) ， 因此廊根据水平力p u 计算导轨的比压，使比压值不大于规定值。 在不同受力情况下，垂直方向的变形f l 均为上下横梁弯曲变形、剪切变形和 立柱掩伸变形之总