（机械设计及理论专业论文）直压合模装置设计及其关键技术研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明i y 2 1 3 帆6 磐罂2 罂2 必1 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：文州1 年弓月f 日 东华大学学位论文版权使用授权书 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 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密 学位论文作者签名： i f i 期：力1 1 年弓刖日 指导教师签名： 日期：t o j 年三月f 日 东华大学硕士学位论文摘要 直压合模装置设计及其关键技术研究 摘要 随着材料科学技术理论与实践的迅猛发展，材料成型技术的发展速度也越来 越快。在众多加工方法中，压铸生产工艺因其具有独特的工艺路线、技术特点和 显著的经济效益，而备受关注并得到了普遍运用，已经成为汽车摩托车、航空航 天、电器仪表、通讯器材、医疗机械、日常用品等领域许多零部件的重要( 乃至 是必需的) 生产手段。 在压铸生产新工艺的推动下，世界各国均投入大量人力、物力和财力，对压 铸机机械结构设计进行理论创新和研发，其中最为引人关注的是意德拉王子压铸 机械集团推出的双模板直压技术。但在我国业内，仍采用较为传统的曲肘机铰式 机械合模装置。 直压合模装置因为其独特的技术特点，一直备受关注。特别是近十几年，在 材料科学、机械制造方法和机械设计理论迅速发展的条件下，人们对直压合模装 置又进行了开拓性的探索和研究，并有多项技术成果问世，大有将传统的曲肘机 铰式机械合模装置取而代之的趋势。 本课题在大量参阅国内外压铸机设计技术资料文献的基础上，并与国内知名 压铸机产品供应商技术人员密切合作，本课题着眼于研发出一套具有实际运用价 值、性能稳定可靠，经济效益显著，并适用于现代压铸生产工艺要求直压式合模 装置。 本科研项目结合主要是在压铸生产工艺参数p ( 锁模力) = 2 8 0 k n 的具 体条件下展开课题研究，并力争完成下列内容： 1 、分析综合现有技术思路和方法，完成直压式合模机械结构柱架机械 装置方案设计，并对其进行可行性论证； 2 、在通过行业专家可行性论证后，对直压式合模机械结构柱架机械装 置进行机械系统设计和结构设计； 3 、利用c a e 软件对直压式合模机械结构柱架机械装置关键零部件进行 结构有限元分析； 4 、直压式锁模柱架机械结构整体性能评估( 仿真) ，并根据结果对已 有结构进行再设计，逐步改进优化，并最终设计出一套性能稳定，加工制 造简便，成本价格具有竞争优势的直压合模装置。 关键词：直压合模，机械结构方案设计，几何尺寸参数，有限元分析，结构优化 m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g no f f u l l yh y d r a u l i c l o c k i n gm e c h a n i s m a n dr e s e a r c h e so n t h ek e yt e c h n o l o g y a b s t r a c t m a t e r i a lf o r m i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p s f a s t e rw i t ht h es w i f ta n dv i o l e n t d e v e l o p m e n to fm a t e r i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d i ec a s t i n gp r o c e s sh a sg a r n e r e d p a r t i c u l a ra t t e n t i o na n db e e n u t i l i z e di nm a n ym o d e r ni n d u s t r i e s ，s u c ha sa u t o ， a v i a t i o n e l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s ，m e d i c a la p p a r a t u sa n d i n s t r u m e n t sa n dd a i l y u s ep r o d u c t sa sa ni m p o r t a n tm e a n st om a n u f a c t u r et h em a j o r d a r t sb e c a u s eo fi t su n i q u et e c h n i c a lc h a r a c t e ra n de c o n o m i c a lb e n e f i t p r o m o t e db y t h er i s i n gn e wd i ec a s t i n gp r o c e s s ，m a n yi n d u s t r i e sc o u n t r i e si n v e s tl a r g em a t e r i a la n d h u m a nr e s o u r c ei n t ot h ei n n o v a t i v em e c h a n i c a ls t r u c t u r e b u ta th o m e ，w es t i l lu s e t h e t r a d i t i o n a lf o r m t o g g l ec r a n km e c h a n i s m o nt h eb a s i so fr e f e r r i n gt ot h et e c h n i c a ld o c u m e n t sa n db yt h ea s s i s t a n c eo f t e c h n i c a le n g i n e e r ，a ni n n o v a t i v et y p eo ff u l l yh y d r a u l i cl o c k i n gm e c h a n i s m i s p r e s e n t e d ，w h i c hh a st h ef o l l o w i n g t r a i t s ： 1 、 w o r k i n gp e r f o r m a n c ei sg o o da n ds t a b l e ； 2 、 b e i n ga d e p tt ow i d eu t i l i z a t i o n s w h i l et h em a j o rm e c h a n i c a ls t r u c t u r es y s t e mi sd e s i g n e d ，w ep u tt h ee m p h a s i so n t h ek e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h f i r s t l y ，o nb a s i so ft h ew i d ed i s c u s s i o n ，an e w r e a s o n a b l et e c h n i c a lr o u t ei ss e t t l e d s e c o n d l y ，s i xf e a s i b l em e c h a n i c a ls t r u c t u r es c h e m e sa r ep u t t e df o r w a r da c c o r d i n g t o t h et e c h n i c a lr o u t e s t h i r d l y ，i n i t i a lg e o m e t r i cd i m e n s i o n i n gi sd e s i g n ，w h i c ha c t sa s t h ep r o o fo ft h ef o l l o w i n gc a ea n a l y s i s f o u r t h l y ，o nt h eb a s i so f t h ea n a l y s i sr e s u l t s ， t h ei n i t i a lg e o m e t r i cd i m e n s i o n i n gi sc o r r e c t e dt ob em o r er e a s o n a b l e f i n a l l y t h e u l t i m a t es t r u c t u r ea n dd i m e n s i o na r ed e t e r m i n e da n dt h ee n g i n e e r i n gd r a w i n g i s o u t p u t k e yw o r d s ：f u l l yh y d r a u l i cl o c k i n gm e c h a n i s m ，m e c h a n i c a l s t r u c t u r es c h e m e s ， g e o m e t r i cd i m e n s i o n i n g ，f e ma n a l y s i s ，g e o m e t r i cc o r r e c t i n g 东华大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言。1 1 2 课题研究背景介绍1 1 2 1 压铸工艺技术1 1 2 2 压铸机分类和工作方式2 1 2 3 当代压铸机技术现状及发展趋势5 1 3 合模装置结构极其特点7 1 3 1 机械式合模装置一7 1 3 2 液压式合模装置8 1 4 课题研究的内容及其意义9 1 5 本章小结一1 0 第二章直压合模装置的类型及其力学及特性分析1 l 2 1 引言一1 1 2 2 现有各类合模装置简介与比照11 2 3 直压合模装置的类型及力学及特性分析1 2 2 3 1 单缸直压合模装置1 2 2 3 2 增压式直压合模装置( 增压油缸) 1 3 2 3 3 充液式直压合模装置( 增速油缸) 一1 5 2 。3 4 特殊液压式直压合模装置1 6 2 4 设计直压合模装置机械系统时的关键因素1 8 2 4 1 锁模力和开模力1 8 2 4 2 中板( 动模) 重复定位的准确性1 9 2 4 3 模具移动速度1 9 2 4 4 压铸模具的空间适应性1 9 2 4 5 升压时间19 2 4 6 液压系统油路设计2 0 2 4 7 安全保障措施2 0 2 5 本章小结一2 0 第三章直压合模装置机械系统方案设计2 2 3 1 引言j 2 2 东华大学硕士学位论文目录 3 2 直压合模装置机械系统总体方案设计2 2 3 2 1 机械系统方案设计及分析2 4 3 2 2 直压合模装置机械系统方案确定2 8 3 3 本章小结一2 8 第四章直压合模装置机械系统工程设计2 9 4 1 引言一2 9 4 2 直压合模装置关键零部件初步设计一2 9 4 2 _ 1 模板设计2 9 4 2 2 拉杆设计3 2 4 1 2 3 拉杆锁紧螺母设计3 3 4 2 4 抱闸结构设计3 5 4 2 - 5 动作油缸几何结构设计3 6 4 3 直压合模装置机械系统结构设计3 7 4 4 本章小结3 9 第五章基于c a e 技术直压合模装置结构分析4 0 5 1 引言一4 0 5 。2 直压合模装置结构分析理论与建模一4 0 5 2 1 数学背景4 0 5 - 2 2 有限元法分析基础理论与方法4 1 5 2 3p r o e 软件概述4 6 5 2 4 建模设计4 8 5 3 直压合模装置结构关键零部件结构分析4 9 5 3 1p r o m e c h a n i c as t r u c t u r e 概述4 9 5 3 。2 关键零部件结构分析5 0 5 4 本章小结5 7 第六章直压合模装置机械结构系统稳定性分析5 8 6 1 引言一5 8 6 2 锁模缸稳定性有限元分析5 8 6 2 1 液压缸整体等效成大刚度弹簧仿真5 8 6 2 - 2 液压缸液压介质等效仿真6 1 6 3 有限元结果分析与评价一6 3 6 4 本章小结一6 4 第七章小结与展望6 5 7 1 小结一6 5 7 2 展望6 6 i v 东华大学硕士学位论文目录 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 0 致谢7 1 v 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 压力铸造法( 简称压铸) 属于永久型铸造的工艺范畴，该类工艺方法 还包括重力金属型铸造和低压铸造。 在现代工业生产中，压铸工艺用来制造不同种类金属零部件，是一种 高效率、少切削( 甚至无切削) 的成型工艺方法。因其具有独特的工艺技 术特点和显著的经济效益，长期以来人们围绕压铸生产工艺技术、压铸模 具加工制造方法和压铸机结构设计三个方面进行了广泛而深入的研究和探 索，取得了丰硕的成果并应用于生产实践。 1 2 课题研究背景介绍 1 。2 。1 压铸工艺技术 压力铸造的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度 充填金属模具型腔，并在压力作用下成型和凝固而获得铸件的方法，是所 有铸造方法中生产速度最快的一种方法。 目前，压铸工艺已得到广泛工业化应用，成为汽车摩托车、航空航天、 电器仪表、通讯器材、医疗机械、日常用品等领域许多部件的重要( 甚至 是必需的) 生产手段。 压铸生产工艺过程主要由压铸机作为工作载体来实现的。图1 1 所示为 压力铸造工艺流程示意图【2 1 。 辨 一船固引咽 l 刻 图1 1 压力铸造工艺流程示意图 压铸方法区别于其它铸造方法的主要工艺特征是高压、高速，极其适 用于大批量生产，现分述如下【2 】 3 ： 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 压铸用有色金属合金溶液是在( 高) 压力作用下填充金属模具的 型腔，并在更高的压力作用下结晶凝固，常见的压力为1 5 1 0 0 m p a ； ( 2 ) 压铸用有色金属合金溶液以高速充填型腔，通常在1 0 5 0m t s ， 有的还可能超过8 0m s ( 通过内浇口导入模具型腔的线速度，即内浇口速 度) ，因此在极短时间( 需视铸件的大小而不同) 内金属液即可填满型腔； ( 3 ) 压铸生产工艺需要配备模具锁合力适应产品要求的压铸机与金属 ( 模具钢) 模具才能进行。压铸机和压铸用模具费用高，一般不适合小批 量生产； 从上述工艺特征分析可知，压铸法还具有其他铸造方法不具备的特点， 比如【l 】【2 【3 】： ( 1 ) 可以制造出外观形状复杂、轮廓清晰、薄壁、深腔的金属零件， 能够获得其他工艺方法难以加工甚至无法完成的金属零部件； ( 2 ) 压铸件的尺寸精度较高，一般可达i t l1 1 3 级，有时可达i t 9 级， 表面粗糙度可达r a o 8 3 2um ，甚至r a o 4um ，互换性好； ( 3 ) 材料利用率高达6 0 8 5 。由于压铸件的精度较高，只需经过少 量机械加工甚至无需机械加工即可进行装配使用； ( 4 ) 可以将其他材料的零件直接嵌铸在压铸件上； ( 5 ) 压铸件组织致密，具有较高的强度和硬度，具有良好的耐磨性和 耐蚀性； ( 6 ) 可以实现生产自动化。因为压铸工艺大多为机械化和自动化操作， 生产周期短，效率高，可适合大批量生产。一般冷室压铸机平均每小时可 压铸8 0 , - - 一10 0 次，热室压铸机平均每小时可压铸4 0 0 10 0 0 次； 当然，压铸法因其独特的工艺特征，也有其缺陷之处。对模具设计制造 质量要求高。由于高速填充，快速冷却，若模具设计不合理，模具型腔中 气体来不及排除，致使压铸件常有气孔和氧化夹杂物等缺陷，从而降低了 压铸件的质量。 压铸机、压铸金属合金和压铸模具被称为压铸生产的三要素，压铸过 程中的各种工艺特性都是通过压铸机才得以实现，同时，压铸机又为压铸 工艺提供了选择参数的有利条件 3 】。下面对压铸机相关内容进行简要介绍。 1 2 2 压铸机分类和工作方式 在制备压铸产品时，压铸机主要用于实现压铸模具的安装和开合动作， 并提供足够的锁模力，以避免压铸生产过程中金属液填充模具型腔时在过， 东华大学硕士学位论文第一章绪论 模具分型面开缝而产生压铸合金溶液喷溅出来的现象。 压铸机的分类方法很多，但通常情况下主要按机器结构、压射室的位 置和压射金属材料本身特征( 如防止压铸合金溶液氧化等因素) 及其工作 条件加以分类，如图1 2 所示4 1 。 图1 2 压铸机的分类 ( 1 ) 热室压铸机 热室压铸机，其压射室沉浸在保温溶化坩埚的液态金属中，压射部件 不直接与机座连接，而是装在坩埚上面。其优点是生产工序简单，效率高； 金属消耗少，工艺稳定。但压射冲头长期浸在液体金属中，影响使用寿命， 并易增加合金的含铁量。热室压铸机目前大多用于压铸锌合金等低熔点合 金铸件，但也有用于压铸小型铝、镁合金压铸件【5 j 。 热室卧式压铸机通常的工作方式如图1 3 所示【4 1 ，热室卧式压铸机产品 如图l 一4 所示。 l 盒瘸液一坩埚r 3 一蘧射冲头 r 压塞r 进口6 - 鹅颈管 了一喷嘴骘一压铸模 图1 3 热式卧式压铸机工作方式 东华大学硕上学位论文 第一章绪论 图1 4 热室卧式压铸机 ( 2 ) 冷室压铸机 冷室压铸机的压射室和坩埚是分开的。熔炉置于冷室压铸机旁侧，金 属液从熔炉转送到主机的压室内。熔炉通常只作保温之用，只有当机器台 数少或小批量生产时，保温炉也兼作熔化之用。压铸时，从坩埚或保温炉 中取出液态金属浇入压射室后进行压铸。 卧式冷室压铸机的工作方式如图1 5 所示 4 1 ，冷室卧式压铸机产品如图 1 6 所示。 l ，篮铸佧2 内浇髓 3 ，横浇遵4 余辩饼5 。蘧射降头 6 ，浇口襄7 + 压蹇 图1 5 冷式卧式压铸机工作方式 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 6 冷室卧式压铸机 1 2 3 当代压铸机技术现状及发展趋势 ( 1 ) 国内现状 6 【7 】 早在5 0 年代，我国就白行设计制造出第一台全液压传动的卧式冷室压 铸机，由于当时的条件限制只制造了模具锁合力为5 0 0 k n 和1 0 0 0 k n 的两个 机种，没有进行系列化设计和形成批量。随着国民经济的发展，对压铸件的 需求日益增加，成批进口捷克和前苏联的压铸机，6 0 年代初开始在测绘进 口样机的基础上先后仿制出立式冷室压铸机和卧式冷室压铸机。进入7 0 年 代，在上述两种压铸机批量生产的同时，丌始进行自行设计和制造。在自动 化辅机产品方面又有自动浇注、自动取件和自动喷涂料三类多种产品。总 体而言，国产压铸机已形成较完整的系列产品，产量大于国内需求，除镁合 金热室压铸机、挤压铸造机正在开发外，可为用户提供不同需要的成套设 备。 国内结合新型压铸工艺技术，从事压铸机械的研制与开发工作的研究 机构主要有：清华大学机械工程系与深圳力劲科技集团有限公司合作成立 的研究所，北京科技大学、上海交通大学，华南理工大学和武汉大学等。 而各大压铸机生产厂商多是在借鉴国外压铸机技术的基础上进行吸收转 化，所以国内压铸机工业技术发展落后于国外，特别是欧美技术强国。 ( 2 ) 国际水平及发展趋势6 【7 8 】 自八十年代后，随着科学技术的迅速发展特别是计算机应用技术的普 及，机电一体化的趋势大大促进了压铸机的发展，使之进入一个全新的时 期。 当前国外压铸机的研究现状及发展趋势，主要表现在以下几个方面： 不断改进与研制新的压射系统 鞭溪蠛。滋麟 i 蘩鲶 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 由于压射性能直接关系到压铸工艺的进步与要求，是压铸机最重要的 性能播稼之一，因此始终是压铸机公司研究开发的重点，如压射增压系统 结构和方法的改进；先进反馈控制技术的运用等。 压铸机自动控制日益普及 机电一体化是金属加工机械的发展方向，因此在压铸机自动控制技术 问世后，各压铸机公司都把研制生产数控压铸机作为产品开发的重点，经 过多年的研制和改进，现在世界上各主要压铸机公司都已经推出了自己的 系列化产品。由于压铸机的工作特点与金属切削机床不同，前者以控制速 度、压力及力等物理参量为主，而后者以点位控制为主。 压铸机与压铸工艺的结合日趋密切 国外主要压铸机除不断改进现有结构、研究新型压铸机与辅机的结构 性能外，越来越重视压铸工艺及新工艺与设的结合，因为压铸机最终的目 的是适合工艺的需要。新产品的开发也是以新工艺的研究为基础。 加速采用新技术、新产品 压铸机是一台综合性的产品，涉及到机械、液压、电器、原材料及加 工工艺等多方面的技术。国外压铸机公司新产品的研制速度之所以十分迅 速( 一般为6 - 8 年) ，除了公司重视研究开发和市场竞争等原因外，走专业 化协作和尽快采用新技术新产品也是主要因素。 2 0 1 0 年苏州压铸技术展览会上，日本压铸机供应商推出全电能压铸机， 关键动作由伺服电机控制实现。 此外，结合新工艺而研制的新型压铸机械是另外一个发展方向。在对 压铸工艺和压铸合金进一步研究的基础上，客户对产品的质量，生产效率， 设备的投资维护成本等多方面提出更为苛刻的要求，这也促使世界各国都 投入大量的人力物力，致力于新型压铸机械设备的研发，而向来被认为性 能不是很优越的直压合模技术在技术革新的进程中也得到了关注和长足的 发展。 意得拉王子公司对半固态连铸工艺技术的研究较为深入，并先后开发 出适用于半固态压铸工艺的直压合模压铸机集成单元和周边设备，在国际 上有很高享誉，如图1 7 示p j 。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 7 半固态直压合模压铸机 1 3 合模装置结构极其特点 压铸生产工艺对合模装置的一般要求如下： ( 1 ) 能保证压铸模具平稳准确地固定在压铸机模板上； ( 2 ) 具有足够的动型行程和压铸模具安装、拆卸所需要的空间； ( 3 ) 对安装厚度不同的压铸模具调节方便； ( 4 ) 模具合拢动作迅速，平稳无冲击。 压铸机模具合拢装置可以分为两种：机械式与直压式( 液压式) 。 1 3 1 机械式合模装置 机械式合模装置是应用最为广泛的一种结构，如图1 8 所示。 7 1 头板2 拉杆3 中板4 顶针5 曲肘机铰6 尾板7 调模 图1 8 机械式合模装置 机械式合模装置的优点主要集中体现在其5 曲肘机铰结构上。曲肘机 铰结构实现了在锁模时机械自锁功能，锁模刚性好。但机械式曲肘机铰的 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 装置、工艺标准、形位公差、加工精度等要求严格，特别是大型机更加困 难，而且零件位置调整和校对很不方便，往往导致调模不易，机铰锁模力 不平衡，机铰局部转动副摩擦力大，轴零件磨损严重，相对合模精度下降， 维护维修成本高，且曲肘机铰各转动副采用集中润滑系统供应润滑油( 敞 开式润滑) ，造成润滑油严重浪费，同时也污染环境。 1 3 2 液压式合模装置 液压合模装置的动力是由合模液压缸中的高压液压油产生的，液压油 的压力推动合模活塞带动动模安装板( 中板) 及动模进行合模动作，并起 锁紧作用。直压式合模装置如图卜9 所示。 65 432l lli八， | d 一 | 一l 黝 ， t 一一 j ，、 霎 厂 蕊黝 一 一 口 l 杉夕夕夕，夕 一 v ， i 蕊 黝 习 怒心蕊蕊蕊心测i 闷 吨一 i 黝 l 头板2 模具3 中板4 拉杆5 尾板6 合模油缸 图卜9 直压式合模装置 直压合模装置基本不存在上述问题，液压合模装置的优点是：结构简 单，操作方便；在安装不同厚度的压铸模时，不用调整合模液压缸座的位 置，从而省去了移动合模液压缸座用的机械调整装置；在生产过程中，在 液压不变的情况下锁模力( 合模力) 可以保持不变。 但是，这种合模装置具有通常液压系统所具有的一些缺点： ( 1 ) 合模的刚性和可靠性不够，压射时模具胀型力稍大于锁模力时压 力油就会被压缩，动模会发生瞬时退让，使金属液从分型面喷出，既降低 了压铸件的尺寸精度，又极不安全； ( 2 ) 对大型压铸机而言，合模液压缸直径和液压泵较大，生产率低； ( 3 ) 开合模速度由液压油流量控制，并且液压密封元件容易磨损。但 是随着科学技术的发展，通过机械结构创新，此问题正在逐步得到改善。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 课题研究的内容及其意义 本课题目的在于，通过搜集、整理和分析现代压铸机设计理论、设计 方法和设计思路，结合国外同行业先进设计理念和方法，与国内知名压铸 机产品供应商的工程技术人员合作，研发出一套全新的直压合模装置，使 其兼具液压合模装置的动作迅速、调整方便、零部件制造加工方便和机械 式合模装置( 曲肘机铰) 可靠稳定的优点，提高模具开合速率，缩短产品 制备循环周期，提高生产效率。 该科研项目结合主要是在压铸生产工艺参数p ( 锁模力) = 2 8 0 k n 的具 体条件下展开课题研究，并力争完成下列内容： l 、分析综合现有技术思路和方法，完成直压式合模机械结构柱架机械 装置方案设计，并对其进行行业论证； 2 、通过行业专家可行性论证后，对直压式合模机械结构柱架机械装置 进行机械系统设计和结构设计； 3 、利用c a e 软件对直压式合模机械结构柱架机械装置关键零部件进行 结构有限元分析； 4 、直压式锁模柱架机械结构整体性能评估( 仿真) ，并根据结果对已 有结构进行再设计，逐步改进优化。 本课题设计装置适用于各种压射成型设备。随着各行业对压射成型制 品性能要求的不断提高，以及全球节能减排的迫切要求，“节能、精密、 高效”成为压射成型加工业及其配套设备生产制造业必然的发展方向，一 种新型、环保、高效的合模装置更能满足现代化生产的需要。 本课题研发直压合模装置工业化生产应用后的预期效果： ( 1 ) 轻量化装置设计，节省材料13 左右，降低能耗； ( 2 ) 设备加工装配成本下降，供货周期有所缩短。现行机械式合模装 置( 曲肘) 运动部件为精密连杆装置，对制造、装配精度要求很高且试车 周期长； ( 3 ) 使用维护成本下降。现行机械式合模装置( 曲肘) 的铰轴运动部 分需定期检修更换，拆卸工作量大繁琐，且更换部件需根据现场情况进行 人工修配； ( 4 ) 压铸工艺适应能力强。既适用于现行压射成型工艺技术要求，又 适用于新型压射工艺技术要求；锁模力可以根据需要进行调整，进而真正 实现一机多模。 9 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 机械磨损对合模装置影响减低，工作周期更长，重复定位精度更 高； ( 6 ) 液压油吞吐量需求减少2 7 - - - 2 9 。节约能源的同时，该装置中 采用闭式润滑技术，从而减少浪费，保护环境。现行机械式合模装置( 曲 肘) 运动副均为集中润滑系统敞开式溢流润滑，润滑油积尘后，若密封不 好更加剧轴铰磨损。 1 5 本章小结 本章详细介绍了压铸行业的背景内容，定义了压铸机的概念并明确了 其在压铸生产过程中的重要作用。综述了压铸机的一般分类形式和各自工 作方式、特点。在总结压铸机国内外现状及发展趋势后，引出了发展新型 合模装置一一直压合模装置一一的必要性和紧迫性，并阐述了本课题的研 究内容及其意义 东华大学硕士学位论文 第二章直压合模装置的类型及其力学及特性分析 第二章直压合模装置的类型及其力学及特性分析 2 1 引言 合模装置是保证成型模具可靠的闭紧和实现模具启闭动作及顶出压铸 制品的部件。合模装置性能的好坏，直接影响到压住产品的质量，合模装 置被认为是成功压铸的重要结构。因此，对其力学及特性要进行全面的分 析。 2 2 现有各类合模装置简介与比照 通过前文所述内容可以知道，合模装置的种类繁多，叫法也不尽一致。 如果按照工作原理分，大致可以分为三大类：机械式、直压式( 液压力作 为模具锁紧力) ，混合动力式三种。它们都是由机架、模板、拉杆、合模 装置、项出装置、调模装置、液压系统、电气系统及其他附属装置构成。 ( 1 ) 机械式合模装置结构，即曲肘机铰结构，如图2 1 所示，其工作原 理已在前文叙述。 7 1 头板2 拉杆3 中板4 顶针5 曲肘机铰6 尾板7 调模 图2 1 机械式合模装置原理模型 ( 2 ) 直压合模装置的原理模型如图2 2 所示。中板3 由合模油缸拖动并 执行压紧动作。 东华大学硕士学位论文 第二章直压合模装置的类型及其力学及特性分析 543 2 1 头板2 模具3 中板4 拉杆5 尾板6 合模油缸 图2 2 直压合模装置原理模型 ( 3 ) 混合动力模式是指液压直接动力和曲肘机铰结构意外的机械结构 形式，如图2 3 所示，其中板由电机驱动的丝杠装置推动。 图2 3 混合动力式合模装置 在现阶段，机械式合模装置应用最为普遍，后两种结构实际应用较少， 但确实研究和开发的热点。其中，欧美等国家较倾向于直压式结构，比较 有代表性的公司如意德拉王子；而日本较倾向于电力驱动结构，如东芝公 司。 合模装置在压铸生产过程中必须满足以下三个方面的要求：力学性能、 响应运动速度、行程和模具更换空间。根据压铸工艺自身的特点可知，在 上述三个要求中，显然力学性能是最主要的。 因此本章着重介绍几种不同类型的直压合模装置，并结合压铸生产的 实际情况，对其进行力学性能的分析和对比。 2 3 直压合模装置的类型及力学及特性分析 2 3 1 单缸直压合模装置 如图2 一i 所示的单缸直压式合模装置在承受载荷不是很大、要求运动速 东华大学硕士学位论文第二章直压合模装置的类型及其力学及特性分析 度不是很高的油压机上有所应用，如冲压冲裁装置中，但直接应用在合模 装置很少的。根据压铸工艺的合模要求：拖动中板移动时要求高速，只要 动力能够克服由摩擦而产生阻力就可以了；而在模具压紧时或是压铸动作 完成刚开模时，要求较大的作用力，而且低速运动，以免损伤压铸件或压 铸模具。而在液压系统一定的工况下，仅使用同一个油缸同时达到上述对 速度和压力两个方面的不同要求是很困难的。所以单缸结构直压合模装置 理论原理图，而不能应用于实际生产。 2 3 2 增压式直压合模装置( 增压油缸) 由液压原理知识可知，要满足速度和力的不同要求，可以通过多种途 径实现。若液压系统性能已经确定，即油泵功率己定，可以通过减小油缸 直径的办法来获取较高的拖动速度；而在模具压紧时，可通过提高锁模油 缸油压的办法来满足压铸工艺对合模装置锁模力的要求。增压式直压合模 装置就是基于上述分析设计出来的，其结构如图2 4 所示。序号6 是指即为 增压液压缸，又称增压器。在某些短时或局部需要高压的液压系统中，常 采用增压液压缸与低压大流量油泵配合使用f 。 增压缸具有如下特点： ( 1 ) 耗用功耗小，输出力大：液压输出力最大可达2 0 0 t ，是普通液压机速 度的3 4 倍； ( 2 ) 调节方便，且调节方式多，诸如压力，速度，时问，位移等； ( 3 ) 体积小。很容易组装成生产线，很小的体积完成大设备的功能。 ( 4 ) 工作过程无冲击、无噪声，可极大地提高工件加工质量及模具寿命。 654321 1 头板2 模具3 中板4 拉杆5 尾板6 合模油缸 图2 4 增压式直压合模装置 1 、原理与结构 增压液压缸的工作原理如图2 5 所示。当输入低压p 1 的液压油推动增压缸 东华大学硕士学位论文 第二章直压合模装置的类型及其力学及特性分析 的大活塞d 时，大活塞即推动与其连成一体的小活塞d ，同时输出压力为p 2 的 高压液压油。 图2 - 5 增压液压缸的工作原理 增压缸的特性方程n 叫为： 妻一摹q m 一m ( 2 - 1 ) i q 2 一妄q m = 兰k l q m 2 ) q d 2 l m l m 、。7 式( 2 1 ) 为输出压力与输入压力之比值，式( 2 2 ) 为输出流量与输入流量 之比值。式( 2 1 ) 中芸：k 成为增压比，代表其增压的能力。显然，增压缸 的增压能力是在降低有效流量的基础上得到的，即，增压缸的功用仅仅增大输出 的压力，并不能增大输出流量。 2 、力学及特性分析 将增压缸结构应用在合模装置时，被称为增压式直压合模装置。在合模时， 液压优先进入右侧合模油缸，因油缸直径较小，故可以保持中板以一定的速度运 动；当模具合并后，系统压力油进入左侧锁模油缸，由活塞直径不同，由此提高 了合模油缸内的油压实现锁紧操作。 移模速度 v = 詈 移模力p m = p 。xf 锁模力p s = p f p o x ( d - 。) 2 xf 式中： q 工作液压油流量 f 合模油缸有效作用面积 f 锁模油缸有效作用面积 一d 增压活塞直径比 d p o 液压系统压力 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 东华大学硕士学位论文第二章直压合模装置的类型及其力学及特性分析 p 增压后合模油缸内压力 增压缸的结构形式在具体实施时虽各有不同，但其工作原理基本一致。 由于油压增高会对液压系统本身和密封条件提出更高的要求，所以使用增 压缸并不是可以无限度的增压而是有一定的限度，目前使用的增压结构一 般在2 0 m p a 3 0 m p a 左右。因此，合模油缸直径的缩减又受到一定的限制， 因为如果合模液压缸直径过小而系统压力得不到相应提升，可能会导致无 法移模，故增压式直压合模装置主要应用在中小型机上，而且模具移动速 度一般不会很高。 2 。3 3 充液式直压合模装置( 增速油缸) l 、原理与结构 为了使压铸机更好实现压铸生产工艺，即高速低压合模，低速高压锁紧，除 了使用上述增压式直压合模装置外，还可以通过在不同动作阶段使用不同油缸直 径响应的方法来实现。按此原理【l l 】，设计出充液式直压合模装置方案，如图2 6 所示。 l 炎援2 模魏3 巾扳4 撼辑s 瓣粳6 会嫒滟敬 图2 6 充液式直压合模装置 如图2 5 所示，在合模时，液压油通过中间油路管进入小直径d 的合模油缸， 液压油作用于合模油缸进行高速移模，与此同时直径为d 的锁模油缸活塞跟随中 板一起运动，从而使锁模油缸腔内产生负压，将贮备油箱内的液压油大量吸入。 当合模终止时，锁模油缸左腔已充满了液压油，此时再向锁模油缸左腔通入液压 系统中压力为p0 的液压油，由于锁模油缸活塞面积较大，从而保证了对合模装 置最终锁模力的要求。 2 、力学及特性分析 充液式直压合模装置以不同直径油缸分别实现合模、锁模时的不同要求，所 以可以较好满足压铸生产工艺的要求。 东华大学硕士学位论文第二章直压合模装置的类型及其力学及特性分析 移模速度 移模力 锁模力 v ：壁 f p m = p 。d 2 p s = p 。i i tx d 2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 充液式直压合模装置主要有两种结构，如图2 5 为活塞式，图2 7 为柱塞式。 根据自身结构特点，活塞式主要用于中小型机，而柱塞式主要用于中大型机。 i 荧辍2 横熟3 审捉4 控耪5 怒校 图2 7 柱塞式充液直压合模装置 除此而外，还可以将增压式、充液式直压合模装置结合为一体，即先利用增 压式结构将液压系统压力较低的液压油增高到一定压力值后再应用到充液式直 压合模装置结构中。 通过分析可以知道，充液式直压合模装置虽然可以较好实现压铸工艺要求， 但是其锁模油缸行程大，液压缸行程越大其整体刚度性能越差。该结构的自身特 点除了影响合模机械系统的整体刚度性能外，其液压油吞吐量较大，不符合“节 能减排”的发展趋势。 2 3 。4 特殊液压式直压合模装置 要克服上述两种直压合模装置中的不足，关键之处在于如何想方设法缩短锁 模油缸的行程，也就是要从结构上使模具移动和模具锁紧两个功能动作分离开 来，二者间不再有必然结构联系，从而降低液压油的需求量，缩短锁模油缸的行 程，从而提高整个直压合模装置的刚度性能。因为模具移动动作由模具的几何结 构和压铸操作工艺来决定，而模具锁紧动作仅受模具锁紧力决定，与几何空问要 求没有关系。基于上述思路2 i ，研发出特殊液压式直压合模装置，如图2 7 所示。 1 、原理与结构 如图2 8 所示特殊液压式直压合模装置，在该种结构中使用了两个不同直径 的液压缸移模油缸和锁模油缸，从结构图中可以看出二者没有必然联系，即 1 6 东华大学硕士学位论文第二章直压合模装置的类型及其力学及特性分析 合模油缸运动行程与锁模油缸运动行程无关联关系。图2 8 中锁模油缸设置在中 板上，其活塞杆充当移模油缸的缸体并可在尾板内部横向滑动，移模油缸活塞杆 固定在尾板组件上。 当合模时，合模油缸右腔进油，因为其活塞杆左端固定安装在尾板组件上， 由相对运动可知合模油缸缸体在压力作用下向右运动，因其直径d 较小，可快速 推动中板执行合模动作。合模动作完成后，图2 8 中序号4 抱闸装置动作，闸板 抱紧合模油缸缸体，保证合模油缸缸体与尾板的相对位置不发生变化，此时锁模 油缸进油，因其直径d 较大，可以提供较大的锁模力以满足压铸工艺要求。在该 种结构中，锁模油缸的行程就可以设计得很小了。 1 头板2 模具3 中板4 抱闸5 拉杆6 尾板 图2 8 特殊液压式直压合模装置 2 、力学和特性分析 如图2 8 所示装置，其力学性能与充液式结构基本相同。 特殊液压式合模装置的锁模力在液压系统参数一定的条件下主要取决于锁 模油缸的直径( 即有效作用面积) ，但是油缸直径有时会受到模板尺寸、抽芯顶 出结构的制约，同时直径很大的油缸对制造维修也会带来一定的麻烦。从力的传 递关系上分析，设计这种抱闸式定位结构后可以使锁模油缸的行程大幅缩短，拉 杆受力部位的长度也有所减小，进而提高了合模装置的整体刚性。图2 9 为一般 直压合模装置与特殊液压式合模装置受力情况的对比。 p ) 厂 一、 刈 一r 1 _ l l 盯 f 、 王 矿 r _ l 一 厂l ：z 图2 - 9 一般直压合模装置与特殊液压式合模装置受力情况的对比 三种直压合模装置比较起来，特殊液压式合模装置较前两种结构在力学性能 方面更具优势，但如图2 8 所示，虽该结构方案具有理论合理性，但具体实施过 程中还有不尽人意的地方，是后续工作中需要处理的重点问题。 东华大学硕士学位论文第二章直压合模装置的类型及其力学及特性分析 2 4 设计直压合模装置机械系统时的关键因素 直压合模装置虽然有不同种类的表现形式，但其工作原理基本都是相同的， 即移模速度和锁模力均有液压系统中的工作油泵的流量、输出压力和作用油缸直 径( 即有效作用面积) 来决定；而在机械结构方面均采用液压缸来实现不同动作。 因此，