机械毕业设计（论文）-C92K-100型数控全液压模锻锤的结构设计【全套图纸】.doc

目 录中文摘要、关键字1英文摘要、关键字2第1章 绪论31.1液压模锻锤的基本特点41.2液压模锻锤的发展概况51.2.1国外液压模锻锤发展概况51.2.2国内液压模锻锤的发展概况71.3 液压模锻锤的发展趋势71.4论文的主要研究内容和方案拟定8第2章 C92K-100型模锻锤技术参数和结构设计102.1 C92K-100型模锻锤技术参数102.2 C92K-100型模锻锤结构设计102.2.1 机身结构设计112.2.2 液压部分142.3 C92K-100型模锻锤结构特点15第3章 运动学与有限元分析173.1 实体运动173.2 模锻锤机身有限元结构分析173.3 机身的受力分析及力学模型的建立183.4 机身的结构静力学分析183.4.1 机身几何模型的建立193.4.2 有限元模型的建立203.4.3 加载求解223.4.4 观察计算结果后处理233.5 静态计算结果分析评价25结论27致谢28参考文献29全套图纸，加153893706C92K100型数控全液压模锻锤的结构设计摘要：数控全液压模锻锤是一种高精度、多功能，打击能量可数字控制的模锻设备，在国内技术领先，是一种新型可替代进口的理想设备。设计中采用三维设计软件CATIA建立了改型后模锻锤三维实体模型，并进行了虚拟仿真，得到了模锻锤的运动仿真影像资料，对结果进行了可行性的分析和论证，检验了运动设计的是否合理。同时本文在研究液压模锻锤结构特点以及有限元分析方法的基础上，以有限元分析软件MSC SimDesigner为分析工具，对C92K-100型100KJ液压模锻锤的机架部分进行了有限元静态分析。关键词：模锻锤 有限元分析 CATIA The Structure Design of C92K - 100 Type NC Hydraulic Forging HammerAbstract: Numerical control hydraulic forging hammer is a kind of high precision, multi-function, blow energy of die forging equipment, digital control in the domestic eading technology, is a new type of machine can substitute the imports of the ideal equipments. Using three-dimensional design software design of CATIA established after forging hammer go-line 3d entity model and virtual simulation, obtained the forging hammer otion simulation of image data the feasibility of the results of the analysis and verification, test design is reasonable movement. And based on the study of hydraulic forging hammer structure characteristics and finite element analysis method on the basis of finite element analysis software MSC, Sim Designer for analysis tools, C92K-100 type of 100KJ hydraulic forging hammer a finite element frame part static analysis. Key words: Forging Hammer；Finite Element Analysis；CATIA第1章 绪 论随着现代工业高速发展，需要越来越多的高精度、高质量的模锻件。模锻件的生产率高、尺寸稳定、材料利用率高尤其是精密锻件，可以减少或省去切削工作量，有利于提高材料的力学性能，降低锻件成本。模锻件所占锻件的比例，标志着一个国家锻造业的生产水平。高速度、高效率、高精度是锻压机械的技术发展趋势之一。锤类锻压设备具有打击速度快、行程次数多、成形工艺好、结构简单、安装方便、价格便宜等优点，是完成锻造工艺最廉价和万能的设备。在锻造工业中发挥着重要作用，是机械制造业中量大面广、不可缺少的锻压设备。随着其他一些锻压设备如液压机和机械压力机等的出现和发展，在一定程度上取代了一部分锻锤的工作，但是直到现在，不论国内还是国外，锻锤尤其是模锻锤仍是完成锻造生产的主要设备之一，在各国模锻工业中仍占主导地位，绝大多数模锻件都是锤上成产的。在模锻生产中，各种模锻锤不仅仍被广泛使用，而且还有创新和发展。通常使用的蒸汽-空气锤具有能耗大、热效率低、振动噪声大、工作环境差等缺点，与之配套的蒸汽动力站又带来了环境污染、浪费水资源等问题。并且，随着生产的发展和科学技术的进步，这些问题表现得越来越突出。为了既能发挥锤类设备的优点又能克服蒸-空锤存在的缺点，国内外许多科技人员进行了不懈的努力和卓有成效的工作，一方面对传统蒸空锤的结构型式和操作系统等进行了一系列的改进，另一方面在不断地研制和开发新型锤类设备。液压模锻锤就是在这种情况下发展起来的新型锻锤。与蒸-空锻锤相比，液压模锻锤具有效率高，节约能源，消除振动，改善工作环境，动力源简单，节约辅助设备投资，消除环境污染，节约水资源以及实现程序控制和机电一体化等优点，是锤类锻压设备的发展方向。经过生产实践证明，液压模锻锤是替代蒸空模锻锤的理想设备，可以广泛地在汽车、拖拉机、农机、矿山等行业使用。随着现代科技在汽车、航空航天等工业的应用以及市场国际化、采购全球化的经济结构逐步形成，我国的锻造工业将面临新的发展机遇，并逐步向着专业化、规模化和商品化生产方式转变。锻件需求将逐步呈现轻量化、精密化、复杂化和多样化的趋势。锻件精化生产工艺与设备的推广及新材料的应用已成为众多锻造企业提高市场竞争力的重要手段。由于新材料、新工艺的推广应用，与之相适应的成型设备同样获得了广阔的发展空间，为适应锻件“四化”要求，锻造设备正逐步向高效率、高精度、高可靠、低能耗方向发展。我国锻造行业厂点分散，工艺水平落后，锻造成形设备老化，普通模锻件的生产能力很有富余，但能达到德国DIN7526E级标准的精锻件水平的生产能力明显不足，与国外差距较大。为适应国际市场需求，大力推行工艺改造，积极采用新型设备，正成为我国锻造行业走出国门迎接世界同行挑战的必由之路。因此，开发和推广液压模锻锤对国家和企业都会带来巨大的经济效益与社会效益。随着中国装备制造业的蓬勃发展，中国的锻造行业也迎来了飞速发展的契机。众所周知，精锻一直是我国锻造行业发展的一个基本瓶颈，而安阳锻压机械工业有限公司数控全液压模锻锤的研制成功，填补了国内的多项空白，为中国的装备制造业添上了浓墨重彩的一笔，打破了此产品依赖进口的历史，为祖国锻造行业的发展贡献了自己的微薄之力，为锻造用户带来了巨大的经济效益。1.1液压模锻锤的基本特点液压模锻锤是完成锻造工艺最廉价和万能的设备，一般采用纯液压驱动，或者采用液气驱动的锻锤。作为一种新型设备，除了具有蒸-空模锻锤作为模锻锤的基本特点外，液压模锻锤还具有如下优点：1.液压模锻锤能量利用率高，可以节约资源液压模锻锤是利用液压或液气驱动。工作前向锤的工作气缸充入一定量的压缩空气，工作期间并不断向外排气，通过液压力的改变，使定量封闭的气体进行反复的压缩蓄能、膨胀做功。输入的是液体压力能，得到的是气体膨胀功并转变为打击能量。液压模锻锤的主要能源是电机消耗的电能，因此它的能量有效利用率比蒸空锤高的多。2.液压模锻锤简化了动力源装置，可以节约投资液压模锻锤的动力源装置是电动机、油泵以及液压传动系统。液压系统自成一个集成体系，与锻锤配合紧凑，而且也不复杂。工作前向气缸进行一次充气只需要一台小型充气设备。既不需要蒸空模锻锤所必需的大型动力设备，又可以使用户安装方便，占地面积小，从而节约投资。3.用对击式结构的液压模锻锤，可以减少振动不管是上、下锤头对击式还是锤身微升式与锤头对击式的液压锤，均不需要庞大的基础，因为对击式锤的一个主要优点是在很大程度上消除了锻锤的强烈振动，既可以改善劳动条件，又节约了基础费用。4.与蒸空锤相比较，液压模锻锤能量有效利用率高液压模锻锤的锤头导向精度比蒸空锤提高将近一倍，且由于下锤头或锤身向上运动行程小（仅为上锤头行程的8%25%），所以工人操作起来比较方便。1.2 液压模锻锤的发展概况1.2.1 国外液压模锻锤发展概况国外生产的液压模锻锤种类很多，结构各异，驱动方式也不尽相同，但大致可以分为两个大类：一类是由液压动力头驱动的有砧座式液压模；另一类是由液压或液气驱动的对击式液压模锻锤。1.采用液压动力头驱动的有砧座式液压模锻锤这类液压模锻锤具有坚固的锤身和砧座结构，形似普通的模锻锤的顶部装有流量大、效率高、体积小的液压动力头，代替传统蒸空的驱动系统。这种模锻锤既可以采用纯液压驱动，也可以采用液气动所以效率比蒸汽或压缩空气驱动的有砧座锤提高了几倍到几十倍，随能量、打击次数更容易实现程序控制。比较典型是德国Lasco公司生产KGK系列液压锤，英国MASSEY公司生产的Hydrostamp液压锤及捷洛伐克ZDAS工厂生产的KPH系列液压锤。前苏联新克拉玛托尔斯克械厂生产的160KJ和250KJ液压模锻锤也是这种类型的液压锤。2.液压或液气驱动的对击式液压模锻锤这类锤的共同特点是：采用液压或液气联合驱动；打击行程中，在上锤头下落的同时，下锤头（或锤身）上跳与上锤头实现悬空对击。这不仅吸收了蒸-空模锻锤、对击锤和高速锤的优点，又在一定程度上克服了他们的缺点。在这一类锤中，Lasco公司的GH型电液无砧座锤和捷克斯洛伐克SMERAL工厂的KJH系列、KHZ系列锤身微升式液压模锻锤具有一定的代表性。从60年代中期起，Lasco公司就致力于无砧座液压锤的研究，并在本国和其他国家陆续获得了一些专利，GH系列电液无砧座锤就是该公司近些年发展的新品种。GH型电液无砧座锤主机结构可分为机架部分、工作部分、驱动装置和操作控制系统四大部分。机架部分主要包括底座、侧架和上梁，全部采用铸钢件或焊接件装配而成。工作部分又称为运动部分，主要包括上锤头、锤杆、下锤头和上下模块，锤杆导向长且安全。锤杆导向处还装有自动闭锁装置，是为了防止锤杆断裂、液体外流等意外情况。驱动装置通过隔振装置安装在机架上，还装有油箱、全部液压系统、油温自动监测和控制装置。操作控制系统是采用控制面板和脚踏板联合操作，可以实现电机空转、单打、连打以及程控连打等动作，并可以实现打击能量的程序控制。GH型电液无砧座锤的规格可做到500KJ，再加上能实现打击能量的程序控制，因此可作为大批量锻造生产线的主要设备，并与热模锻压力机的锻造生产线竞争市场。GH型电液无砧座锤虽然具有很多优点，但气垫维修较困难，在冲击作用下，顶杆或液压系统容易松动或变形。国外液压或液气驱动的对击式液压锤中另一种比较有代表性的是SMERAL工厂生产的KJH和KHZ系列液压模锻锤。KJH锤身顶部的气缸中，充有0.6MPa的压缩空气。打击时锤头在压缩空气作用下加速的同时，通过其两侧杠杆机构液压联动器和气缸内气体压力的反作用，使锤身向上运动，在动量相等的条件下实现对击。打击完成后，锤身内左右两回程缸进入高压液体，在液体压力的作用下，通过顶杆推动锤头回程，重新将气缸中的空气压缩蓄能。同时锤身也在部分自重的作用下复位，它的大部分重量有平衡器平衡。KJH系列锤身微升式液压模锻锤利用高速锤的封闭气缸中气体膨胀做工的优点，甩掉动力站，结构上锤身向上微动与锤头实现对击。打击速度与普通蒸-空模锻锤一致，同时也克服了有砧座锤的固有缺点，振动小，对环境影响小，对地基无特殊要求，可以说集中了各种锤的优点，推出之后大受欢迎，很快形成了系列产品，打入了国际市场。在KJH系列液压模锻锤长期使用的基础上经过一系列改进，SMERAL工厂又发展了新KHZ型锤身微升式液压模锻锤，已系列生产，并成功地用于锻造生产线，取得了良好的经济效益。KHZ系列液压模锻锤由锤本体、液气管路、控制柜、压缩空气分配器和液压驱动装置等组成。KHZ系列液压模锻锤在KJH系列液压模锻锤的基础上作了很大的改进，具有如下特点：（1）提高了锻造精度新KHZ系列采用整体闭式锤身，提高了锤身刚度和锻造精度。同时为了防止长期工作导向面磨损，锤身和锤头之间的导向装置采用了楔形可调导轨，四条导向面呈放射线分布，消除了温度的改变对导向间隙的影响，这些都有利于提高锻造精度和锻件质量。（2）锤身下方安装气垫新KHZ系列液压锤在锤身下方装有一个充有压缩空气的空气垫，用来平衡锤身重量的80%左右，这样在打击行程中，气垫中气体膨胀做功推动锤身上跳，减少了为加速锤身运动而消耗的锤头动能，从而保证了上、下运动体动量相等。回程时锤身重力势能的一部分变成气垫中气体的压缩功，以备下一次打击用，并使锤身平稳复位。（3）采用开式液压回路新KHZ系列液压锤采用开式液压回路，这样简化了液压系统，改善了油路的工作条件。（4）采用一体控制结构控制锤身与锤头作同步打击运动的液压联动器和打击控制阀，由原来KJH用型液压锤的两套改为一套。既避免了两套时可能出现的不同步现象，又能使结构紧凑。1.2.2 国内液压模锻锤的发展概况我国的液压模锻锤研制始于70年代末，虽然起步比较晚，但研制的方向是正确的，吸收了国外液压模锻锤设计、制造的成功经验，且具有自己的特色，取得了一定的成绩，先后制成了25KJ、50KJ、63KJ、100KJ等不同规格、不同形式的液压模锻锤,同时研制出了400KJ液气锤。另外在通过研制液压动力头来改造现有蒸-空模锻锤方面也有很大的进展。由原吉林工业大学（现吉林大学南岭校区）研制的CJ83系列液压模锻锤，是我国自行设计制造的一种新型液压模锻锤。它具有结构简单、制造容易、操作方便、设备投资少、工艺适应性强等特点，还具有锤身重量轻、节省金属材料、节省能源、对基础要求不高等优点。该系列液压模锻锤采用封闭气体打击，液压回程，机架上微动式，通过杠杆拉杆及支承系统使落下部分与机架联动。电机泵直接驱动，程序控制。液压模锻锤节能效果显著，同蒸空锻锤相比能源利用率可达到7495%，采用对击式结构形式，省去了庞大的砧座，减轻了机器重量，同时也减少了对地基的振动，降低了基础和厂房的投资，加上工作期间不排气、噪音低，因此有利于改善锻厂车间的工作环境；实现锻锤打击能量的程序控制，有利于实现锻造生产机械化与自动化。太原重机学院与安阳锻压设备厂、长治锻压机床厂联合开发6.3KJ、10KJ、25KJ等规格的小型液气锤新产品.这种小型气液锤采用液气驱动，液压联动，下锤头微动上跳与上锤头对击的结构型式。100KJ液压模锻锤是济南铸锻研究所研制的，该机采用了框架不动，上下两锤头对击的结构形式：液压系统采用泵-蓄势器组合传动。工作缸一次充入高压氮气，打击是高压氮气驱动上锤头向下运动，同时通过液压联动机构，使下锤头以较小的行程和速度向上运动，与上锤头实现对击。2009年1月，安阳锻压机械工业有限公司 生产研制了16KJ、63KJ两台数控全液压模锻锤验收成功，各项性能指标均达到了重庆建设集团提出的技术要求，稳定高效的综合性能更是得到了高度赞扬与好评。1.3 液压模锻锤的发展趋势液压模锻锤最早出现在30年代，限于当时液压技术比较低，所以没有得到发展。随着液压技术的提高，到了50年代，特别是60年代，液压模锻锤得到了较为迅速的发展。由早期的单作用落锤发展到电液或液气联合驱动的双作用锤。近年来国际上有德国、捷克、英国、美国、日本等国家的十几家公司，生产出了十几种不同规格、不同类型的液压模锻锤，最大规格已做到500KJ，成为模锻设备的一支新军，正在替代传统的模锻锤设备。并朝着以下方向继续发展。（1）实现打击能量的数字控制及能量预选。如果液压模锻锤的打击能量可以按需要在最大能量范围内通过程序任意设定，给足锻件成形需要的能量，但不多给，多余的打击次数、打击能量没有了，噪音就大为减少。节能不仅是指锤的传动效率高，还包括能量的准确控制带来的节能效益，多余的打击不仅多消耗能量，而且影响设备及模具由于吸收多余能量带来寿命问题。此外实现打击能量的预选对于设备选型及提高产品试制的效率极为重要。（2）优良的减振系统。降低由于振动对周围机床、建筑和居民的影响，更主要的降低了由于振动带来的对设备可靠性和使用寿命的影响。（3）高精度和自动化程度。如果锻锤的打击采用人工操作，对同一锻件很难得到一致的打击能量和打击次数。而采用编程控制系统，则能达到锤锻件的一致性。将零件的工艺编入程序，以数码形式储存起来，锻打同一零件时，只须调出该零件的编码，锻锤即可以再进行生产。（4）高效率和低故障率，便于维修。这就要求系统结构尽可能的简单，以降低故障率，也便于维修。同时要求液压系统反应速度快，行程短。（5）周到的运行控制系统。通过传感器对液压油的清洁度、温度、压力、液位等进行监察，一旦出现不符合系统运转条件的现象即自动报警，并可实现自我保护，停锤及停机；与此同时，对可能涉及安全的辅助设施也同样实施监察，在不符合要求的状态下，不能实现主机的启动运行；便于维修的故障显示窗口，一旦出现异常，通过故障显示窗口即很快能找到故障发生的原因，以便能迅速作出处理，缩短维修时间。1.4 论文的主要研究内容和方案拟定论文的主要内容将分为以下几大部分：绪论部分（主要阐述课题的选题依据、目的和意义，国内外研究与应用现状以及本文的研究内容和方法）；结构优化利用CATIA软件建立三维实体模型以及运动学的分析；液压模锻锤机身有限元分析的理论基础部分（阐述100KJ液压模锻锤的基本参数和结构特点；概述结构分析有限元法及其技术路线）；机身的结构静力学分析部分（分析机身受力情况、介绍静态分析方法并对机身进行结构静力学分析）；结论与展望。本课题对C92K-100型100KJ液压模锻锤结构设计、运动学和机身的有限元分析，并拟定方案如下：1结构设计根据技术参数和装配要求对结构进行优化，将优化过后的模锻锤各部件用CATIA建立实体的三维模型，把各部件进行总装和干涉碰撞，查看其结构的合理性。2运动学的分析在MSC SimDesigne软件中定义运动副，约束后定义运动，查看其机构运动的合理性。3机身的有限元分析根据100KJ液压模锻锤的实际情况，利用CATIA建立新的机身三维实体模型做有限元分析。将新建立的实体模型导入MSC SimDesigner系统中，进行网格划分生成有限元模型，进行加载求解，通过对液压模锻锤机身进行有限元计算，分析其静态特性，即对机身变形大小和应力分布进行分析，揭示机身的应力和位移分布图。第2章 C92K-100型模锻锤技术参数和结构设计2.1 C92K-100型模锻锤技术参数C92K-100型模锻锤的主要技术参数：1打击能量（kj）-1002落下部分质量（kg）-68003最大打击频次(次/min)-814打击行程(mm)-5958855工作压力(MPa)-206主电机功率（kw）-2907机身长宽高(mm3）-3150205074708整机质量（kg）-1410002.2 C92K-100型模锻锤结构设计C92K-100型液压模锻锤由机身部分、液压部分、顶料部分、电控部分、基础部分组成。（如图2.1）机身部分有机身、模座、楔铁、油箱、液压缸、锤杆、锤头等组成，机身固定在减振装置上，油箱与机身固定装配在一起，液压缸固定装配在油箱内部，而锤杆就是液压缸的工作活塞，锤头与锤杆通过锥形套装配固定在一起。所以此模锻锤是工作缸固定，靠有杆腔和无杆腔面积差实现差动打击。采用油泵-蓄能器传动，油缸下腔通常压，液压系统对上腔进行单腔控制。上腔进油阀(亦称打击阀)打开，来自油泵、蓄能器以及通过差动回路引来的下腔的共三部分高压油进入上腔，实现锤头的加速向下和打击行程，上腔一旦卸压，锤头立即快速回程，打击能量以控制打击阀闭合时间的长短来实现。图2.1 C92K100型模锻锤2.2.1 机身结构设计模锻锤有两种结构形式：一种是“U”型机身，如图2.1所示；另一种是密闭的框架式结构，如图2.3所示，这种机身的结构是一个整体，稳定性相对来说更高；经分析对比，现在我们采用“U”型机身。 图2.2 “U“型机身图2.3 密闭式结构机身1.如图2.2所示，该机身采用优质铸钢材料，将砧座和两立柱组合在一起，增加了立柱的纵向、横向的倾覆刚度；确保了锤头的精确导向，有利于提高原材料的利用率。两个立柱也成为砧座重量的一部分，有利于整机重量的降低和打击效率的提高。机身采用实心铸造，同箱式和弓形立柱机身相比能降低打击过程中的噪音。燕尾槽底部底部是一个应力集中点，当打击时砧座所受的力分布在机身底部和燕尾槽侧面，使它们的连接点应力集中最严重，很容易出现裂纹，所以在燕尾槽底部增加了倒圆角，大大降低了燕尾槽的应力集中，曲面可以平滑过渡。增加加强筋让机身更加稳固。“U”型机身可以为其它相关部件提供了强大的安装、支撑，具有的刚性，两立臂可以装宽型的“X”型导轨，使锤头不管在任何情况下都不会卡死，该产品的动力头部件装在上部，使整体产品占地面积小。 图2.4导轨板图2.5 锤头 2如图2.5，锤头设有安全销，安全销在停止打击10秒后自动锁住锤头，以防事故和意外打击的发生。一般情况下，锤头长时间打击高温工件，整体温度一定会很高，体积也一定会膨胀，如果采用传统的梳型导轨，为不使锤头卡死就需要加大滑动导轨与锤头之间的间隙，但是对于模锻锤的滑动间隙大，就会影响精密锻件的外形质量。为解决这一问题，本产品设计成 “X”形导轨，如图2.5所示，导向面呈对角线布置，使锤头受热时是径向辐射膨胀，不会因温度上升造成导向间隙的减小，因此导轨间隙稳定，可实现精密锻造。而且也加宽导板形成较长的力臂，减小偏击时作用在导轨面上的比压。能延长导板的使用寿命，因此锤头导向精度高，锤杆所受的弯矩小，寿命大大延长。2.2.2 液压部分液压系统和结构设计安全可靠，能实现高频率、高精度的打击。优化了打击阀的结构，在确保换向可靠的情况下，保证无磨损、密封性好的特点。集成油路连接，实现无管道系统，减少漏油，增强外观规范。该锤设置有安全销，当锤头提升到高位时，可根据要求让安全销自动弹出，卡住锤头下降避免照成安全事故，同时设置了安全阀，万一锤杆从中部断裂时能封住压力油口，可避免高压油外泄，实现安全、可靠运行。 1采用顶置结构，内部油路封闭在主阀块上，这样的结构使得液压系统实现了集成化，与油箱采用旁置式相比，管道系统长度大大缩短，能量损失降低1倍以上，另外通过集成化，油路连接实现了无管化连接，增加了连接的可靠性； 2液压系统中在蓄能器与下腔之间设置了安全阀，一旦锤杆从中间断裂，马上将下腔油与蓄能器切断，从而提高了使用的安全度。图2.6 锤杆3如图2.6所示，锤杆采用细锤杆及其与锤头的弹性缓冲结构，大大降低了锤杆根部的应力集中，同时又由于行程短，也减少了短锤杆的根部惯性力，从而使得锤杆由过去的“易损件”变为了“长效件”。2.3 C92K-100型模锻锤结构特点1.能实现打击能量的精确控制 数控锤通过精确控制打击阀的闭合时间，既保证了锻件所需的能量，又不产生额外的冲击动能，因此一些关键零部件如锤杆、锤头及上下模具的寿命大大提高。2.回程速度很快，模具寿命长 由于主油缸下腔始终通蓄能器，上腔一旦卸压，能迅速提锤。因此模具接触时间短，该性能与能量精确控制相结合，可以使锻模使用寿命提高1倍以上。 3.锻造精度高 该产品由于机身采用整体“U”形机身和导轨采用“X”形结构，并采用了一系列减震措施，液压系统高度集成，且采用了轴向双密封结构，无渗，漏油现象且维修方便。因此导轨间隙可以调得很小，打出的锻件精度很高。 4.打击频次高，生产效率高由于该产品打击行程很短，因此打击频次很高，生产效率也高。 5.材料利用率很高 由于能量可以控制，因而制坯精度很高，打出的锻件飞边较为均匀，又由于锻造精度高，上下模不会出现错模现象，因此材料利用率很高，为少无切削奠定了基础。 6.低噪音 由于该产品属打击能量可数控设备，因此编制程序，使锻件打成，但不多给剩余能量，因此噪音很小。传统锻锤的操作者是靠听模具打靠声音来判断锻件是否打成，有时判断不准，习惯于多打几下，实际是多余的。 7.无撞顶现象 通过精确计算和设计液压系统中阻尼孔和节流孔尺寸，使得锤头到顶缓冲下来，很平稳，无一点撞顶现象的发生。 8.低振动 由于该产品打击能量可数控，无多余能量产生，加上锤身下部装有德国技术生产的隔而固品牌隔振器，对周围机床、居民区无任何影响。 9.环保 由于该产品在打击过程中，冲击噪音小，又有减振器，振动小，在工作过程中除锤击声外没有其他的噪音。因而是一种环保型产品。10.锻件质量较为稳定 由于通过数字化控制器的控制，各种各样锻件的锻造工序可存入程序中，随时根据需要调出来使用，因此同一种锻件可以得到一致的打击能量和打击次数，避免了人工操作的多样性，因此锻件质量比较稳定。 11.易于实现自动化生产 由于打击能量和打击工序已实现数控化，采用程序PLC电气控制，所以回程速度快，特别是在拨长，滚挤工序效果更为明显。同时也为为下一步使用机器人自动上下料打下了基础，自动化生产很容易实现。第3章 运动学与有限元分析 3.1 实体运动通过使用MSC SimDesigner R2 CATIA V5R17 Edition软件，首先限定工作的运动副即移动副，把锤头设置成围绕轴线可以上下移动的滑块，在参数设置中把打击次数设置为6881次/min。如图3.1.图 3.1 运动图像3.2 模锻锤机身有限元结构分析本小节是对100KJ数控全液压模锻锤机身进行有限元结构分析，在对该设备工作原理及结构形式研究之后，制定机身的结构分析方案如下:1.问题定义，明确结构类型、分析内容、分析类型、模型规模等。2.创建分析对象的三维实体模型，本课题采用Catia作为建模软件，根据加工图纸的尺寸建立机身的三维模型。3.定义单元类型以及材料属性。4.进行网格划分和控制，建立有限元模型。5.对模型施加载荷以及求解设定，进行静力学求解计算。6.显示计算结果，进行分析，查看有无出入，确认整体分析方向正确后，调整相应的参数再进行正式计算。7.对正式计算的结果进行整理、分析，找出对象结构中存在的问题，并进行分析和优化。8.整理结果出报告。3.3 机身的受力分析及力学模型的建立液压模锻锤工作中包括两个主要过程打击和回程，二者之中又以打击过程中液压模锻锤受力最复杂，所以一般情况下只对打击过程时主要零部件进行力学分析和强度等校核。下面将根据液压模锻锤的实际工作情况对机身进行受力分析（图3.2）：图3.2 受力分析图3.4 机身的结构静力学分析一个典型的MSC SimDesigner分析过程，包括了三个主要步骤：前处理（创建或读入几何模型、定义单元的材料属性、选定单元类型、设定单元实常数和划分单元）、加载求解（包括施加载荷和边界约束条件、设定求解选项并求解计算结果）和后处理（包括查看分析结果、检查计算结果的正确性、制作分析报告）。3.4.1 机身几何模型的建立1建模方法的选择利用MSC SimDesigner软件建立有限元模型，有四种建模方法：(1) 直接建模，直接生成有限元网格的方法。(2) 实体建模，利用 MSC SimDesigner 的实体造型功能，首先创建由关键点、线、面、体构成的几何模型，然后对其进行网格划分，从而完成有限元模型的建立。(3) 利用计算机辅助设计系统( CAD)建立实体模型，然后将模型导入到MSC SimDesigner 中进行网格划分，完成有限元模型的建立。(4) 利用计算机辅助设计系统（CAD）创建有限元模型，然后导入 MSC SimDesigner中进行分析。直接生成有限元网格的方法，对于一些简单实体而言，比较容易实现，而对于机身这样较为复杂的结构，则比较麻烦而且费时。对于比较复杂的模型，MSC SimDesigner 允许用户通过其他 CAD 软件进行创建，然后通过一定的文件格式进行导入。因此，在这里我们采用计算机辅助设计软件 CATIA创建实体模型，然后将其导入到MSC SimDesigner 当中进行有限元分析。2几何模型的建立几何模型是网格划分的基础，它对分网过程和网格形式都有直接影响，所以几何建模时，对原有结构进行适当处理是必要的。合理的形状简化、变换和处理，既能保证一定的分析精度，又能使分网和计算过程大为简化。几何模型是从实际结构抽象出来的，其维数、形状及大小有可能与原结构完全相同，也可能存在一些差异，两者并不要求完全相同。液压模锻锤机身的工作状态复杂，其特性取决于多方面因素，因此，必须对其真实模型进行一系列简化处理：(1) 假设机身为一常线性系统，忽略阻尼的影响。(2) 机身材料认为是各向同性材料，密度分布均匀，并且为完全弹性体。液压模锻锤的机身结构形状较为复杂，结构上分布有各种油道孔和各种铸造圆角等，在建立有限元模型时，不可能全部考虑这些复杂的因素，应对机身进行必要的简化。根据分析类型，对整体特性影响较小的局部结构予以忽略，只考虑一些起主导作用的因素来建立机身的简化模型。本文针对机身的几何结构，建模做如下简化：(1) 略去了机身上部的连接孔；(2) 略去了机身下部的安装孔及进油通道；简化后的机身实体模型如图 3.3 所示。图3.3 简化后的机身实体模型3.4.2 有限元模型的建立已经建立的几何模型，需要对其划分网格生成包含节点和单元的有限元模型，建立合理的有限元模型是整个有限元分析过程的关键。1单元类型的选择分网之前首先要确定采用什么单元，包括单元的类型、形状和阶次。单元选择应根据结构的类型、形状特征、应力和变形特点、精度要求和硬件条件等因素进行综合考虑。用三维实体单元来描述机架结构，更能反映机架的实际状况，在MSC SimDesigner软件里，我们采用四面体单元。对于机身这类较复杂的结构，用四面体单元分析三维结构，单元划分比较灵活，可以逼近较复杂的，该单元为四面体10节点三维实体线性单元，同时指定单元边长，这样可以得到比较均匀的单元，节省计算时间。2定义单元材料属性对于分析的对象，在不同类型分析中，都需要定义材料属性，也就是给出材料的各种力学、热学、电磁学等参数。对于一般静力学分析，最基本的各向同性材料参数包括弹性模量、泊松比、材料密度等。本次研究的液压模锻锤的机身由材料 ZG270500 构成，由机械设计手册可查得计算过程所需要的相关数据：机身的密度为 7.8 克/立方厘米，弹性模量为 202GPa,泊松比为 0.3。3划分网格建立几何模型和选择单元类型以后，就应基于几何模型进行网格划分。分网的工作量大，需要考虑的问题多，网格形式将直接影响模型规模和结果精度，因此划分网格是有限元建模过程中最为关键的环节。为建立正确、合理的有限元模型，划分网格应遵行一些基本原则。（1）网格数量网格的数量将影响计算结果的精度和计算规模，一般网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应综合考虑两个因素。（2）网格疏密网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位（如应力集中），为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为了减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。（3）单元阶次许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。选用高阶单元可提高计算精度，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，因此在使用时应综合考虑计算精度和时间。（4）网格质量网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。在重点研究结构的关键部位，应保证划分高质量网格，因为有时个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差；而在结构的次要部位，网格质量可适当降低。（5）其它划分网格时还应该注意网格的分界面和分界点、位移协调性、网格布局、节点和单元编号等，这样才能作出好的模型，得出比较满意的结果。基本的网格划分方法有两种，即自由网格划分（Free）和映射网格划分(Mapped)。其中自由网格划分对于单元形状没有限制，也没有特定的准则；而对于映射网格，其对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则，几何模型必须具有相当规则的体和面才能进行映射网格划分。选择好单元类型和确定好材料模型之后，便可根据以上网格划分的基本原则对机身的实体模型划分网格，本文采用自由网格划分方法，首先指定单元的边长，划分出均匀的网格，然后对可能应力集中的部分进行了局部细化，从而得到机身的有限元模型。如图 4.4所示，该有限元模型共有 645204个单元。图4.4 网格划分3.4.3 加载求解有限元模型是对实际结构的反应，其分析的主要目的是检验结构或结构件对一定载荷条件的响应。因此对有限元模型施加合适的载荷条件是非常重要的，这决定了有限元模型能否正确反应实际结构的受力特征。加载和求解是MSC SimDesigner有限元分析中非常重要的步骤，它主要包括确定分析类型、分析选项、施加载荷于模型、确定载荷步选项、选择求解方式和开始求解分析运算。合适的加载将能够更好地模拟实际情况，而正确地控制求解过程将直接影响到求解的精度和所花费的时间，甚至是否收敛。机身静态分析的加载包括两个方面：载荷的施加和边界约束。1边界约束条件约束条件是有限元结构分析的一个重要内容，约束条件确定的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。本次分析中，将对机身的下表面进行完全约束，以消除其刚体运动位移，获得受打击力时位移的确定解。2载荷的施加在正常的工作过程中液压模锻锤受力复杂，但打击力最大，其他力与打击力相比数值很小，因此计算时可以忽略，这在前面已经做了详细介绍。并且，本次分析过程中，在考虑重力的情况下进行了计算，发现与不考虑重力的情况下计算出的结果相差很小，这也证实了完全可以忽略重力及其他相对于打击力很小的力对计算的影响。打击力以分布载荷的形式施加在相应的平面上，等效面载荷约为54.4N/mm2。3.4.4 观察计算结果后处理当MSC SimDesigner求解完成后，剩下的工作就是进行后处理。后处理就是观察和分析有限元计算的结果，这是有限元结构分析的重要环节。通过对计算结果的分析与评价，可以检查所采用的有限元模型的合理性。本次分析中，经过后处理操作，可得到机身节点结构应力图（如图3.5所示）和位移图（如图3.6所示）。图3.5 应力图(Von Mises stress)图3.6 位移图(Translational displacement vector)3.5 静态计算结果分析评价通过后处理操作查看计算结果，然后可以对计算结果进行分析评价，可得出所需的相关结论。从前面列出的应力图中可以看出，机身在一些部位存在着较高的应力水平，其应力集中区域主要在机身的燕尾槽处和立柱与上横梁的两个拐角处，其中以燕尾槽根部应力集中最为严重，是在设计中应加以注意的地方。而在有些部位应力值较小，一般机身不会因为这些部位的材料屈服而导致设备破坏。因此，现着重对应力集中区域进行分析。图3.5是机身的应力图，由图可以直观地看出机身各部位的应力水平及应力分布情况。由图3.5可知，机身的应力最大值为128Mpa，发生在燕尾槽根部过渡圆角处（图中变形根部），该点即为机身危险点的位置。机身的两个立柱应力分布区域等强度，在下部靠近模座的地方应力较大在上下四个拐角处产生应力集中；导轨面的应力分布情况是，在靠近模座的那侧的导轨应力大些。由于该液压模锻锤机身的材料是ZG270-500，其屈服极限为270Mpa，机身危险点的最大应力（128Mpa）小于其屈服极限强度，因此C92K-100型100KJ液压模锻锤的机身符合强度要求。所以整个机架结构还有可优化的空间，可以对整体结构进行结构优化设计，以节约设备材料，减轻重量，在优化结构的同时减振降噪，这也将是今后要研究的工作。总 结数控液压模锻锤具有效率高,节约能源,改善工作环境,动力源简单,节约辅助设备投资,消除环境污染,节约水资源以及实现程序控制和机电一体化等优点是锤类锻压设备的发展方向，开发和推广液压模锻锤对国家和企业都会带巨大的经济效益与社会效益。随着计算机技术的普及，有限元分析技术在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视和应用，对大中型机架采用有限元法进行强度和刚度分析计算，可以准确地求出整个机架的应力场和变形场，也可以反映出机架局部应力和应变，找出机架危险点的准确位置，提高计算的准确性是比较理想和精确的计算方法。本文首先把模锻锤的的机身等部件优化，两立柱与砧座