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硕士论文粉末冶金精密成型压机新型模架设计与优化摘要随着粉末成型技术在汽车、家电、航空航天、轻工业等领域的快速发展，粉末冶金精密成型压机的需求量日益增多。目前，随着多台面的复杂结构在粉末成型零件中所占的比重不断增加，粉末冶金精密成型压机及其模架正朝着生产高精密和复杂成型品的方向发展，这就对粉末成型模架的刚度、精度以及复杂程度提出了更高的要求。为了满足这种需求开发了上三下三式新型模架，极大的提高了粉末冶金精密成型压机生产高精度复杂成型品的能力。本文首先设计了一款通用上三下三式新型模架。模架上压头采用曲柄滑块机构驱动、阴模采用液压下拉式驱动、浮动板采用成对气缸驱动、挡块依然采用机械结构。上三下三模架的上部带有三个冲头，整个模架能够成型六个台面并带有一个中心孔的复杂成型品。该模架可以实现标准化、系列化，具有装拆方便，运动精确可靠的优点。本文使用有限元法对模架的阴模、各层模板组件以及整体进行了静特性分析，以确定模架结构的刚度和强度满足要求，并通过对比总结出模架静特性分析的一般方法。对模架进行了模态分析，得出了模架固有频率和振型，确保模架的动刚度符合要求。并根据静、动特性分析结果对模架进行优化设计，以实现压坯尺寸精度的最优化。最后对模架及其模具的制造及装配精度进行优化设计以保证最终成型零件的尺寸精度及模架的顺利运行。开发了粉末冶金精密成型压机新型模架，提高了粉末冶金行业对复杂成型品的制造能力，极大的满足了市场多样化的需求，为粉末冶金精密成型压机新型模架的进一步发展奠定了基础。关键词：粉末冶金精密成型压机，上三下三模架，有限元方法，优化设计，灵敏度分析 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep o w d e rm o l d i n gt e c h n o l o g yi nt h ea u t o m o t i v e ， h o u s e h o l da p p l i a n c e ，a e r o s p a c e ，l i g h ti n d u s t r ya n do t h e rf i e l d s ，t h ed e m a n do fp o w d e r m e t a l l u r g yp r e c i s i o nm o l d i n gp r e s sw a si n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s i n gp r o p o r t i o no fc o m p l e x m u l t i - t a b l es t r u c t u r ei np o w d e rm o l d i n gp a r t s ，t h ep o w d e rm o l d i n ge q u i p m e n ta n di t sd i e - s e t i sm o v i n gt o w a r d st h ed i r e c t i o nt h a tp r o d u c th i g h e rp r e c i s i o na n dm o r ec o m p l e xm o l d i n g p r o d u c t i o n sw h i c hd e m a n dh i g h e rr e q u i r e m e n t so nt o n n a g e ，s t i f f n e s sa n dp r e c i s i o no fp o w d e r m o l d i n gp r e s s t h ed e s i g no fd i e - s e ti sp a r t i c u l a r l yc r i t i c a l ，b e c a u s ei t i st h ef u n d a m e n t a l g u a r a n t e ef o rc o m p a c t st og e ta c e r t a i na c c u r a c yo fs h a p ea n ds i z e f i r s t l y , t h ea r t i c l ed e s i g n e dat h r e eo nt h r e ed i e s e t t h eu p p e rp u n c ho fd i e - s e ti sd r i v e n b ys t r u c t u r eo fs l i d e r - c r a n k ，t h ef e m a l em o l di s d r i v e nb yd r o p - d o w nf o r c eo fh y d r a u l i c c y l i n d e ra n dt h ef l o a t i n gp l a t ei sa l s od r i v e nb yp a i r e dh y d r a u l i cc y l i n d e r a tt h es a m et i m e ， t h es t o p p e ri ss t i l lu s i n gt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e u p p e ro ft h et h r e eo nt h r e ed i e s e th a st h r e e p u n c h e s ，s ot h ew h o l ed i e - s e tc a nf o r mam o r ec o m p l e xs t r u c t u r ew i t hs i xc o u n t e r t o p sa n da c e n t e rh o l e t h ed i e s e th a st h ea d v a n t a g e so fs e r i a l i z a t i o n ，s t a n d a r d i z a t i o n ，a s s e m b l ya n d d i s a s s e m b l ye a s i l ya n da c c u r a c yo fm o v e m e n tr e l i a b l y as t a t i ca n a l y s i so nc o m p o n e n t sa n d d i eo ft h ed i e - s e ti sm a d et ot e s tt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ha n dg e n e r a lm e t h o df o rt h ed i e - s e t i ss u m m a r i z e db ys t a t i ca n a l y s i s t h e nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fd i e s e tw a sa n a l y z e dt o e n s u r et h ed y n a m i cs t i f f n e s sr e q u i r e m e n to fd i e - s e t ，i ti sc o n c l u d e dt h ef i r s tt e nn a t u r a l f r e q u e n c ya n dm o d es h a p e so fd i e - s e t t h e n ，a no p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ed i e - s e tw a sm a d e a c c o r d i n gt or e s u l t so ft h ea n a l y s i so fs t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si no r d e rt or e a l i z e o p t i m i z a t i o n o ft h ef o r m i n gp r e c i s i o no fd i e - s e t f i n a l l y , t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f m a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l ya c c u r a c yo ft h ed i e s e tw a sm a d ei no r d e rt or e a l i z eo p t i m i z a t i o n o f t h ef o r m i n g p r e c i s i o no f d i e - s e ta st h es a m ea n de n s u r es m o o t h l yo p e r a t i o no f t h ed i e s e t an e wt y p eo fp o w d e rm e t a l l u r g y p r e c i s i o nm o l d i n gp r e s sw a sd e v e l o p e d ，t h e m a n u f a c t u r i n gc a p a c i t yo ft h ec o m p l e xm o l d i n g si np o w d e rm e t a l l u r g yi n d u s t r yw a s i m p r o v e d ，t h ed i v e r s eo ft h em a r k e tw a sg r e a ts a t i s f i e d f u r t h e r m o r e ，af o u n d a t i o nf o rt h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ep o w d e rm e t a l l u r g yp r e c i s i o nm o l d i n g p r e s sw a sm a d e k e yw o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g yp r e c i s i o nm o l d i n gp r e s s ，t h r e eo nt h r e ed i e - s e t ，缅i t e e l e m e n t sm e t h o d ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i s 硕士论文 粉末冶金精密成型压机新型模架设计与优化 目 摘要i a b s t r a c t 。i i 目录i 1 绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究意义2 1 3 国内外研究现状及发展趋势2 1 3 1 粉末成型压机模架研究现状及发展趋势2 1 3 2 机械产品设计方法研究现状6 1 4 课题来源与研究内容7 2 新型模架结构设计9 2 1 模架设计方案9 2 1 1 模架技术参数9 2 1 2 模架压制方式选择一1 0 2 1 3 模架结构方案1 1 2 1 4 模架动作曲线及工艺流程。1 3 2 2 模架结构设计1 5 2 2 1 模架整体设计一1 5 2 2 2 阴模设计1 7 2 2 3 芯杆设计2 0 2 2 4 模冲设计2 1 2 2 5 模板设计2 2 2 2 6 芯杆调整机构设计2 3 2 3 本章小结2 3 3 模架结构有限元分析2 4 3 1 阴模组件静特性分析2 5 3 1 1 无预紧力作用的静特性分析一2 5 3 1 2 预紧力作用的静特性分析2 7 3 2 模板组件静特性分析3 0 3 2 1 前处理3 0 目录硕士论文 3 2 2 分析结果3 1 3 3 模架整体结构分析3 4 3 3 1 模架整体静力分析3 4 3 3 2 模架整体模态分析3 7 3 4 本章小结4 3 4 模架结构优化4 5 4 1 优化设计概述4 5 4 1 1 优化问题数学模型4 5 4 1 2 数学模型修改与完善一4 6 4 2 模型分析与计算4 7 4 2 1 优化模型的建立4 7 4 2 2 灵敏度分析4 8 4 2 3 优化结果分析。5 0 4 2 4 优化模型模态验证：5 1 4 3 本章小结5 2 5 模架制造与装配精度优化5 3 5 1 模具的尺寸与公差优化设计5 3 5 2 模架主要配合精度设计5 4 5 3 导柱导套孔制造与装配精度优化5 6 5 4 本章小结5 8 6 总结与展望5 9 6 1 主要工作总结5 9 6 2 展望6 0 致谢6 1 参考文献6 2 附蜀乏6 6 i v 硕士论文 粉末冶金精密成型压机新型模架设计与优化 1 绪论 1 1 研究背景 粉末冶金技术最初可以追溯到远古。真正发展起来源于1 8 世纪末至1 9 世纪初，美 国人库利吉用粉末冶金的方法制造出电灯中的钨丝，开创了现代粉末冶金技术的先河。 2 0 世纪3 0 年代初，随着利用廉价的铁粉制造出含油轴承并在汽车制造业、纺织业获得 广泛的应用标志着粉末冶金技术的更进一步。目前，粉末冶金新技术的高速发展，新材 料的不断发掘，促使粉末冶金技术向更深层次拓展。在欧洲国家的几次经济危机中，其 它工艺技术和工业生产从兴盛走向衰落的同时，粉末冶金工业却因其灵活性屹立不倒， 所有的这些都证明粉末冶金技术具有广阔的应用前景【l 】。 粉末冶金技术的加工过程无切屑、材料利用率高、清洁高效、生产成本低，可制造 各种形状复杂的难加工制品。通常相比一般熔铸方法消耗可能达到8 0 ，用粉末冶金的 方法生产制品时金属的损耗只有1 - - - 5 ，并且能够制取高纯度的制品。在批量生产的 过程中严格精准的控制生产线能够使粉末冶金零件获得很高的精度和尺寸一致性。+ 例 如，精整后的产品精度能达到i t 6 i t 7 级，粉末冶金齿轮的加工精度可以达到滚齿加工 的相同精度，粉末冶金制品的表面粗糙度可达到r a 6 3 1 6 【2 】。不仅如此，一些独特的 材料例如多孔材料、陶瓷材料的加工只能通过粉末冶金的方法，这种方法能够保存材料 原本的纯度而不产生污染。粉末冶金技术还可制造部分传统铸造、机械加工方法无法加 工的材料，成为解决新材料问题的核心技术，对新材料的发展起着举足轻重的作用，并 被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、新能源、信息和核工业等众多领域，成为 最具发展活力的新材料科学分支之一【3 】。除此之外，粉末冶金技术在大批量生产时能带 来可观的经济效益。由于粉末冶金技术具有这些独特的优越性，其新工艺、新技术的研 究普遍受到国内外工业界和学术界的重视。 我国粉末冶金工业始于1 9 5 8 年大跃进的时代里，那时我们用粉末冶金技术制造了 应用于汽车工业的多种零件，包括含油轴承、板钢销衬、气门导管、转向节衬套和油泵 齿轮等。随着粉末制品的日益增多和质量的提高，粉末冶金技术应用范围的不断扩大， 落后的技术水平已经不能满足我国工农业生产水平的发展需要。这就促使我国从国外引 进了大量的先进技术和设备，经过几十年的消化吸收，可喜的是，我们的一些产品如硬 质合金制品已经处于世界前沿，一些理论已经取得了突破性的进展。粉末冶金制品已经 渗透到国民经济的各个方面，从普通的机械设备到精密仪器，从日常的生活领域到医疗 卫生领域，俨然已经成为了一种不可替代的新方法、新技术。美中不足的是目前我国粉 末冶金技术还是通过引进、消化和吸收国外先进技术并加以改进和创新的基本方式，一 味的引进、模仿将滞缓整个行业的发展，因此在引进国外先进技术的同时，我们应该加 1 1 绪论 硕士论文 大对自主创新设计的扶持与鼓励，逐步建立自己的研究体系，拥有自己的核心技术，逐 渐缩小与世界先进水平的差距。 1 2 研究意义 我国较大规模的使用粉末冶金成型设备仅有三十多年的历史，随着电动工具和汽车 工业的发展，粉末成型工艺也取得了长足的发展。当时率先引进了德国的t p a 型压力 机，它们普遍吨位不大，采用上一下一式模架，只能生产结构简单的压坯。随后从台湾 和日本引进了一批粉末冶金结构件，机械式压机在我国的粉末冶金设备中得到迅速的发 展。由于经济日益全球化和不断变化的市场，粉末成型设备正在迅速的发展着。使用金 属粉末成型的零件，特别是汽车行业，从1 9 8 8 年到2 0 0 3 年，北美制造的每台汽车和轻 型卡车所使用的金属粉末从1 5 磅增加到4 0 磅 4 1 ，这代表了每年在美国就有九亿美元用 在汽车零件的生产中。在中国，2 0 0 7 年就有八百万台汽车被出售，比2 0 0 6 年同期增长 5 0 ，各种研究显示这种势头会持续快速增长。显然，我国的粉末冶金成型技术根本不 能满足这种快速增长的势头，这么多年以来我国的粉末冶金成型技术依旧停留在技术含 量低、附加值低的瓶颈上，主要还是依靠进1 2 1 满足国内的需要。所以有必要研制能大规 模生产复杂成型品的粉末冶金精密成型压机模架，以改变受制于人的窘境。 随着现代工业的进步，对粉末压制成型工艺的要求越来越高，这主要表现在粉末成 型压坯的形状越来越复杂，压坯密度越来越大，对坯件整体密度分布均匀性，压坯尺寸 精度及质量的一致性和生产效率的要求越来越高。众所周知，粉末压制成型技术是由“粉 料一压机模架和模具结构一调模”等诸方面因素组成的，是一个系统工程。改革开放 以来，市场国际化的速度不断加快，迫使行业技术趋同性日益增强，目前我国的粉末成 型设备也随着世界发展趋势进行了市场重组。例如，形状简单的对密度、硬度要求不高 的零件使用生产速度快的简单的压机生产；形状复杂的结构件，使用在市场上处于主导 地位的多层模板粉末成型压机。目前，随着研究的深入，全自动的混合式粉末成型压机 已经投入使用，它配备能够自动压制的多层模板粉末成型模架。但是由于粉末成型技术 依赖于模架和模具，所以它们在很大程度上限制了产品的形状。课题所研究的粉末冶金 精密成型压机上三下三式模架，能够成型带有六个台阶和一个中心孔的复杂结构件，配 合不同吨位的压机极大的提高了压制更加复杂产品的能力，极大的满足了产品的多样化 及客户多样化的需求，并且能够提高产品的制造精度。制造通用上三下三式机械液压 混合型模架将填补我国上三下三模架制造的空白，是江苏省装备制造业的标志性工程。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 粉末成型压机模架研究现状及发展趋势 2 硕士论文粉末冶金精密成型压机新型模架设计与优化 国外生产专用粉末成型压机的主要有德国的”d r o s t 机器设备公司、m a n n e s m a n n 公 司、日本玉川机械、良壕精机等【5 】。这些公司的产品技术与性能一直处于领先地位，主 要体现在精度及其保持性好、工艺适应性强、各项技术指标领先且稳定性高、机器自动 化程度高等方面。国外粉末成型设备多朝着大吨位、高速度、高精度、高刚度、多功能、 全自动化的方向发展。形成了以这种全自动压机和与之匹配的相应模架为主体的压制系 统，只需根据用户需求加工出对应压坯的模具即可，经济实用性强。 1 9 9 0 年在伦敦举行的粉末冶金世界会议上，k o m a g e 公司第一次提出主驱动系统用 机械式结构、模架多层模板和辅助驱动系统采用液压结构代替机械结构的混合式粉末成 型压机【6 】，开创了主驱动系统采用机械结构，其余模板采用液压式驱动的多层模板模架 的先河。目前在中欧主要有四家粉末成型压机的制造厂商有能力制造压坯形状最为复杂 的粉末成型混合式或者液压式设备，它们是d o r s t ，k o m a g e ，o s t e rw a l d e r 及s m sm e e t 公司川。 一 d o r s t 公司目前正致力于研发机械液压复合传动成型压机模架嗍，该模架采用数控 技术完成对模架动作的控制，以此提高设备的运动精度和生产效率，模架采用c n c 闭 环控制。此外，德国k o m a g e 公司的k f m a 型粉末成型压机剀，也开发了主上冲头用机 械结构驱动，其余辅助冲头均采用液压驱动的混合型压机模架，这样的结构不仅实现大 吨位的压制又能保证压坯的尺寸精度。 全液压式压机和混合式压机的示意图如图1 1 所示，图1 1 ( a ) 所示为全液压式压 机，对应的模架包括模具在内的所有功能都是依靠液压结构驱动的，图1 一( b ) 为混合 式粉末成型设备，目前应用最为广泛。 ( a )( b ) 图1 1 全液压式和混合式压机示意图 1 绪论 硕士论文 m a n n e s m a n n 公司的可控冲头模架c p a ( c o n t r o l l e dp u n c ha d a p t e r ) 省去了m p a 多 层模板模架调整机械档块的费力过程，利用几个嵌套在一起的环状柱塞液压缸取代了传 统的机械挡块，它不仅可以做到多层模板在压制带有多层台阶的复杂结构件时的独立动 作，还能精准的控制压坯的尺寸精度【1 0 】，此模架已经成为压制高精度零件的典型代表。 还有m a n n e s m a n n 公司开发的h p m e 2 系列压制设备【1 1 1 ，配备有3 2 位微处理器，可以 根据压力和位置对多个模冲进行快速、准确的闭环控制，能对易产生裂缝的薄壁零件实 现最优配置。另外，还有多家公司致力于研制多功能、智能化的模架 1 2 1 - 1 4 1 。 美国g n k 公司近期的重大项目之一是改造辛辛提那有限公司的1 6 5 0 t 金属粉末成 型专用压机【1 5 】，改造后的压机能够大大提高生产自动化程度，这无不得益于模架自动化 程度的提升。 目前国外粉末冶金技术的研究机构都致力于提高粉末成型模架的自动化水平。例如 针对粉末成型模架脱模后零件的自动取件设计了自动的机械手，还有压坯自动测中装 置，可对压机整体进行控制和监测的电子仪器，压坯存储仓库等。这样不仅能够保证压 机的工作效率也提高了产品质量。 总的来讲，国外粉末成型压机模架多为c n c 控制，品种齐全、结构成熟、辅助系 统完善，能够配合3 t 2 0 0 0 t 的压机满足客户多样化的需求，但价格昂贵【l6 1 。国外粉末成 型压机模架目前的研究方向主要有提高模架的自动化程度、增加压制产品的最终尺寸精 度、提高生产复杂零件的能力等方面。 我国与国外发达国家的粉末成型压机与粉末成型技术的差距还在扩大，高速、高产、 密闭性、模块化、自动化、标准化、系列化及先进的检测技术都是国外粉末成型压机模 架最主要的发展方向。我国粉末冶金工业起步晚，起点低，发展速度慢。这种情况导致 目前我国能够独立研发粉末冶金专用成型设备的厂家很少，只有部分粉末冶金厂家引进 国外的粉末成型设备，总体上以日本玉川、良塬精机、德国d o r s t 系列为主。还有一些 能够自主开发一些小吨位的粉末成型压机外，国内有不少中小型粉末冶金企业，仍在采 用普通国产液压机及手动模来生产一些不含台阶、精度和性能要求较低的简单粉末冶金 零件，设备利用率低，工人劳动强度大，产品质量差。近几年粉末成型设备发展较快， 很多厂家开始对这些简单的压机进行了技术改造并取得了一定的成果，达到了一定的技 术水平，实现了一定的功能、具备了一定的市场竞争力。 目前国内的研究人员在多层模板模架的研制上也取得了一定的成果，根据文献 l l7 】- 1 1 9 j 的介绍其中比较显著的有：1 9 8 7 年北京锻压机床厂研制和开发了b d d 0 1 2 0 0 k n 机械一液压式混合粉末成型压机，该机型配备高精密的模架，该模架具有模具更换方便 的优点，上冲头有延缓回程装置，解决了制件顶出时产生龟裂的问题。华中理工大学机 械学院与两家企业合作研制了y f 6 3 0 全自动智能型粉末冶金专用液压机，它配备c n c 全自动模架，非常适合生产精度要求高的多台面零件。1 9 9 8 年华中理工大学的学者们 硕士论文 粉末冶金精密成型压机新型模架设计与优化 又进行了更进一步的研究，他们探讨了现代混合型粉末成型压机液压系统、模架和控制 部分的设计要求并结合实际研制了智能型粉末成型液压机及其配套模架【2 0 1 。2 0 0 4 年华 南理工大学设计完成了一套集成油缸驱动的多层模板粉末压制模架，与粉末冶金精密成 型压机配套使用，具有成形上二下三台面的复杂粉末冶金零件的能力【2 1 】【2 3 1 ，并根据要 求设计了其c h i c 控制系统。此设备采用液压系统闭环精准控制压制过程中各模冲的位 置精度，利用安装在各层模板侧边的光栅尺检测各个模冲、阴模和芯杆的位移，其轴向 精度可达士o 0 2 m m ，大大提高了粉末冶金零件的尺寸精度，但该设备体积大，结构复杂， 成本较高，很难取得广泛的使用。其后，华南理工大学机械工程学院的宋雷、何晖【2 4 1 1 2 5 】 等研究了一种环形油缸驱动的粉末成形模架，其结构如图1 2 所示，该模架能够成型上 二台阶下三台阶的复杂结构件，在设计过程中采用有限元法完成对设备的静、动态性能 的分析校核，验证了该模架结构的合理性，但此模架成本较高。吴丽贞【2 6 】用有限元法研 究了多场耦合情况下粉末成型固结设备结构合理性。阮铭业【2 8 】对某15 t 粉末成型压制设 备进行运动精度和动力性能研究，利用有限元静力分析、模态分析以及频率响应分析完 成对压制设备精确度和稳定性的研究。张继龙，左鹏军等根据客户需求设计了集机、电、 液为一体的多层模板模架粉末冶金专用全自动液压机，该机配备上二下三式模架，由机 械，液压和电气的组合实现闭环控制，可以压制各台面高度相差较大的复杂粉末冶金零 伊2 8 1 。 一 一 一三一专： 图1 2 环形油缸驱动模架 1 导柱；2 芯杆；3 下内模板；4 下中模板；5 下外模板；6 阴模；7 上内模冲；8 - 上外模冲； 9 上内模板；1 0 上外模板：1 1 下外模冲；1 2 下外模冲1 3 - 下中模冲；1 4 一下内模冲 i 绪论 硕士论文 总的来说，目前国内粉末成型压机模架存在以下几个问题：产品水平低，在产品结 构、精度、质量方面均与国外有较大的差距；工艺装备落后，行业除少数企业引进了国 外先进的专用压机外，大多数企业仍采用通用压机，其模架结构单一、生产效率低、质 量不稳定、后续力n - r _ 量大：科研技术力量不足，由于粉末成型压机模架属高压力、高精 密以及动作复杂的难控制类先进装备，技术集成与整合的难度较大，配套投入和技术风 险难以预料，多年来均依赖进v i 来扩充市场，严重阻碍了粉末冶金设备的发展；不能完 全实现模架的标准化和系列化，这将是今后我们需要解决的主要问题。 1 3 2 机械产品设计方法研究现状 1 3 2 1 机械产品静、动态设计研究现状 对机械产品的快速设计都需要经历产品设计到产品结构验证，即在计算机上完成产 品从概念设计到设计终结。为了使产品安全可靠地工作，机床系统都要经过结构的动、 静态分析验证，保证良好的动、静态特性。 静态分析是研究不随时间变化的系统的平衡问题。我国机械结构在进行强度、刚度 分析中经常采用简化的办法，然后采用较大的安全系数以补偿结构中隐含的可能影响结 构强度和刚度的不确定因素，这种经典的力学计算方法有很大的局限性，往往造成设计 过于保守。有限元静力分析的应用为其带来了另一种可靠的计算方式并且已经发展的相 对成熟，通过静态分析的方法，我们可以对机械结构进行强度和刚度的校核并在此基础 上对其进行结构的优化设计。 动态分析是平衡问题的推广，研究系统的特征值或者临界值，如模态分析是确定线 弹性系统的固有特性，稳态分析是研究结构在受到外部激励作用下的稳定性。但是不论 是国外还是国内，动态特性的分析还不是很成熟，很多的更高层次的动态分析问题还处 于研究阶段。机械结构在动作时不可避免的会产生振动，一些大型高速旋转机械因为振 动屡屡发生安全事故，但是由于大型机械设备的复杂状况没有一个很好的动态分析的方 法去解决他们，国内外的科研工作者不约而同的对结构的动态设计展开了更深层次的研 究，即向非稳态、强耦合、高维、多参数的方向展开研究。模态分析是动态分析里最为 基础的问题，1 9 6 5 起，h u r t y 、b e n f i e l d 、m a c n e a l 、h i n t z 、r u b i n 、m i e r o v i t c h 等学者 对古典模态综合法进行了改造，得到了适用于一般工程结构的近代模态综合法【2 9 1 ，随着 计算机技术的发展这些方法得以推广。近代模态综合分析法可以分为两大流派：固定界 面模态综合法和自由界面模态综合法。目前机械结构动态设计的研究重点是将实验模态 分析技术( e m a ) 、有限元分析方法( f e a ) 同计算机辅助技术有机结合起来以完善机 械结构动态设计技术【3 。 1 3 2 2 机械产品优化设计研究现状 机械产品的优化设计是将工程设计转化为数学模型并取得最优解的问题。是在保证 硕士论文 粉末冶金精密成型压机新型模架设计与优化 结构能够获得某些性能指标和满足一定约束条件的前提下，借助于计算机的处理，通过 改变一些允许改变的设计变量，从满足设计要求的所有可行方案里获得最优解的一种设 计方法。美国人辛格通过优化设计的方法设计了各轴中心距比传统方法综合减小 1 6 5 5 的十级转速机床主轴箱。意大利人扎罗蒂使用优化设计的方法对一种柴油机变速 箱进行了优化设计，极大的提高了其性能。工程中的优化设计问题主要可以分为三类， 它们分别是尺寸优化、形状优化和拓扑优化。优化设计的数值算法又可以分为：优化准 则法、启发式优化方法及数学规划法。荣见华、谢忆民等阐述了渐进结构优化法和双向 渐进结构优化法，该方法可以在计算机上方便的开展并且有效的解决各类结构的尺寸、 形状及拓扑优化问题，非常简单快捷【3 1 1 。刘晓平，徐燕申p 2 】- 【3 4 1 等学者提出将模糊理论 方法与优化设计方法结合起来解决工程结构中实际的优化问题，修正的结果因为模糊性 的存在不应是确定的唯一值，而存在很多的可能性，工程结构的模糊优化问题，大多可 归结为模糊非线性规划。还有文献【3 5 】提出了人机一体化的优化方法，利用人工智能和计 算机优化算法来填补人工智能运用于实际工程的不足之处。 1 4 课题来源与研究内容 本课题来源于南京理工大学与扬州海力精密机械制造有限公司共同承担的“5 0 0 t 粉 末冶金精密成型压机新型上三下三模架研发”的产学研校企合作项目。 本文主要设计了粉末冶金精密成型压机的新型模架。该模架极大的提高了粉末成型 压机生产复杂产品的能力，提高最终零件的尺寸精度，能够有效预防加工过程中裂纹的 形成和防止零件脱模时的损坏，能够配合多种型号的压机以满足客户多样化的需求。 具体章节与内容安排如下： 第一章：绪论。本章首先介绍了粉末冶金精密成型模架的研究背景与意义。重点阐 述了国内外模架的发展现状以及国内外的差距并阐述了机械产品设计方法的研究现状 以及对机械产品研发的重要意义。并结合当代社会的需求介绍了本课题的研究目的与意 义。 第二章：新型模架结构设计。详细介绍了模架结构的设计方案、内容和依据。包括 模架整体的参数设定、各主要部件的设计过程。 第三章：模架结构有限元分析。首先对模架各层模板及阴模分别进行分析以验证其 结构的强度和刚度是否满足要求。并对阴模的加强外套和阴模镶件进行了接触分析，检 验加强外套和镶件之间存在预应力的情况下是否能更好的保障压坯的尺寸精度。接着对 模架整体进行静力分析，以验证模架各层模板集成在一起时是否还能保证很高的强度、 刚度及运动精度，并与分开分析得出的结果进行对比，总结两种分析方法的差异并总结 出模架分析的一般方法。最后对模架进行模态分析，得到机器的固有频率，以验证模架 在相对较低频的工作过程中是否会发生共振失效。 7 1 绪论 硕士论文 第四章：模架结构优化。为了达到压坯尺寸精度最优化的目的，对模架进行参数化 建模和优化，根据模架的静、动态特性的研究结果对模架结构进行优化设计，保证压坯 尺寸精度的最优化。 第五章：模架制造与装配精度优化。对模架及其模具的制造及装配精度进行优化设 计以保证最终成型零件的尺寸精度及模架的顺利运行。 第六章：总结和展望。对全文的工作进行归纳总结，为下一步的工作提供参考依据。 硕士论文粉末冶金精密成型压机新型模架设计与优化 2 新型模架结构设计 模架是粉末成型设备不可或缺的工艺装备之一。它是由模具、模具支座和动作机构 及其接合器构成的，是进行粉末移送，控制冲头的压制速度，控制阴模、模冲、芯杆分 别保持在相应位置的装置。模架按照结构可分为可拆式与不可拆式，不可拆式模架设计 相对简单，但是更换模具困难。所以使用可拆式模架可以相对减少停机时间，提高生产 效率。 多层模架本身就可以看做一个精密的压机，能够实现一部压机几乎所有的动作。例 如：每一层模板都能够独立的动作，精确的定位到其相应的位置；每一层模板都有实现 特定功能的调节机构，保证其精确度。所以模架的每一个零件设计都很复杂。同时要成 型一个复杂、精密的坯件又离不开压机其他部分的支持，例如同步压机构、下拉脱模机 构等。由于模架上冲头的压制力和行程都很大，压制时间很短，压制速度大约6 1 5 件 每分。采用液控驱动很难达到这样的要求，这就产生了上冲头组件用机械结构驱动， 而模架多层模板使用液压驱动的机械液压混合型压机。 本文分析和借鉴了国内外先进的技术和经验，设计了一套上三下三式模架。该模架 具备更换方便、高精度、高强度、能压制具有六个台阶复杂结构件的优点，并解决了粉 末成型压机成型中心孔不贯穿的零件时精度不能保证的问题。该模架还可以达到标准 化，系列化的要求，能够与多种吨位的粉末成型压机配合使用以满足用户多样化的需求。 2 1 模架设计方案 2 1 1 模架技术参数 本文设计的上三下三模架首先与扬州海力精密机械h p p 5 0 0 0 p 粉末成型压机配套 出厂，必须能够承受5 0 0 t 的大载荷。最初与h p p 5 0 0 0 p 粉末成型压机配套出厂。表2 1 给出的技术参数是在5 0 0 t 载荷作用下的技术参数。 表2 1 主要技术参数 2 新型模架结构设计硕士论文 2 1 2 模架压制方式选择 模架的压制原理如图2 1 所示。图示是一个单轴压坯的成型过程，首先送料机构向 模腔加料，料靴加料完成后，压机开始压制动作。上冲头在动力的驱使下逐渐压入阴模 内，压力经上冲模传递给粉末，粉末受压后，表现出与液体相似的性质，即向各个方向 流动，于是粉末之间各个方向产生了彼此摩擦、相互楔住，粉末颗粒之间、粉末与模冲 之间也产生了摩擦，这些均会产生压力损失，结果是粉体在纵向和横向各部位受力均不 相同，造成压坯各部位密度不一致。当上冲头压制到既定的位置后开始向上返回初始位 置，下冲头向上运动将压坯完全从阴模顶出。这就是一个简单的压坯压制过程。 图2 1 单轴压制成型过程示意副捌 a - 装料；b 开始压制；c 压制；d 压实；e 脱模 在图示单轴压制过程中，如果使用单向压制，由于模腔壁对粉末的摩擦力和粉末在 成型过程中成型阻力的作用，上冲模对料粉的压制力向下的传递是逐渐衰减的，粉末密 集的一端在上部。为了减少衰减，人们自然而然就想出了使用上下冲模对压的方式，即 双向压制。由于摩擦力的存在，不管是单向压制还是双向压制都是不可避免的会有压制 力的损耗，双向压制的方式会造成压坯密度密集于压坯的中间，也就是压坯中间会存在 一个较为明显的密集区间7 1 。如图2 2 所示针对单轴压制成型模拟出的单个截面的密度 梯度示意图。由此可见单向压制和双向压制都不是理想的压制方式，但是对于一些精度 要求不高的零件，可以根据实际情况选择这两种压制方式。 目前，配备有多模板模架的粉末成型压机一般都可以采用“下冲模固定、中模浮动、 下拉脱模”的压制方式。这种结构是在双向压制的基础上加以改进的。用这种压制方式 生产出的压坯，不会有一个较为明显的密集区间，而是形成了一个较为宽广的密度分布 “弱区间”。但是不管使用何种压制方法，压力传递导致压坯密度分布不均匀是必然的。 可以说浮动压制是一种能够改善压坯密度均匀性的较为理想的双向压制方式。 1 0 l凸 硕士论文 粉末冶金精密成型压机新型模架设计与优化 伦 卜、圈 卜j p 斟 夕 1f - h e i g h t 单向压制双向压制 - 一r = d 2 图2 2 单轴压制成型中一个截面的密度梯度分布示意刚3 9 l 2 1 3 模架结构方案 粉末成型压机模架可以根据压坯的不同进行分类。压坯的形状越复杂，将需要越复 杂的压制过程和工具来实现各台阶的密度均匀性，所以成型品的台阶数量是分类粉末成 型压机模架的主要依据。零件的径向尺寸能够直接通过模具尺寸成型，故对模架的设计 不具影响。一般的，p m 制品及其对应的模架如图2 3 所示【3 9 】- 【4 1 1 。 圈圈四圈母图阎田圆图 ；?i 卜，c jd ：e j 图2 3p m 制品及对应的模架 图( 2 3 ) 中( a ) 所示为第一种制品，这种制品较薄、没有台阶，可以使用单向压 制，零件内部密度变化不会很明显。一般的，这种零件的高度需控制在6 3 5 m m 以下。 相应的模架为上一下一式模架，具有上下两个冲头。 图( 2 3 ) 中( b ) 所示为第二种制品，这种制品有三个台阶，必须使用双向压制才 能保证密度均匀性，所以不可避免的零件中间会有一个密度相对集中的区域。台阶高度 2 新型模架结构设计 硕士论文 不应超过整体高度的1 0 ，可以不用施加顶压。相应的上一下二式模架具有一个上冲头 和两个下冲头。 图( 2 3 ) 中( c ) 和( d ) 所示为第三、第四种制品，这两种制品上下均有两个台 阶，需要四个冲头双向压制成型，并且对于双向压制一般只有在台阶高度超过整体高度 的3 0 时才能实现密度相对均匀。 图( 2 3 ) 中( e ) 所示为第五种制品，这种制品上有两个台阶，下有三个台阶，需 要两个方向的多个运动配合成型，较为复杂。相应的模架具有两个上冲头和三个下冲头。 目前这种型号的模架最为普遍，零件也很多，例如汽车离合器的离合器靠毂，步进马达 外框等，但仍不能满足压制复杂成型品的要求。 文中设计的模架是在第五种模架的基础上在上部增加一个模板，能够多安装一个冲 头，能够压制上下各有三个台阶的粉末冶金制品。并且在原有的模架基础上添加了芯杆 的控制机构，使粉末成型压机能够成型中心孔不贯穿的粉末冶金零件。 在设计模架的结构时，有如下方案： ( 1 ) 机械式模架：模架设计的一条基本原则就是必须要求每一层模板都能够独立 精确的动作、准确定位，这才能保证生产出合格的压坯。传统机械式的模架也带有多层 模板，但每一个模板均使用同一个动力源并且使用纯粹的机械方式来控制每层模板的运