摘要：文章結合500C型壓鑄機，介紹了壓鑄機的工作過程，在此基礎上詳細分析了壓鑄機的工作載荷，建立了壓鑄機整機有限元分析模型，使用大型有限元分析軟件ANSYS對整機進行了三維有限元分析，給出壓鑄機各主要受力部件的應力與變形關系，為壓鑄機的改進設計提供了重要的依據。

引 言

壓力鑄造是一種先進的少無切削加工方式，而壓鑄機是壓鑄生產中最關鍵的設備，其設計制造相當復雜。目前，國內在壓鑄裝備研究方面是一個薄弱環節，特別是在獨立開發新型壓鑄機研究工作方面幾乎是完全空白，因此，國內壓鑄機企業多半是引進國外的成型產品，自主設計能力不足，嚴重影響了我國相關行業的進一步發展。

1、壓鑄機工作載荷分析

壓鑄機設計計算中的難點就是各主要受力部件的應力計算。本文采用有限元法，以500C型壓鑄機為例，對壓鑄機進行整機應力分析。采用壓鑄機制造壓鑄件的工藝過程，分為合模(鎖模)、壓鑄注射及開模(取出工件)等主要工藝步驟，在不同階段，壓鑄機的合模機構的載荷和受力不同。由于本文主要考慮壓鑄機主要結構件及合模系統有限元分析模型的載荷，故以受載最為嚴重的壓鑄注射狀態來分析，而有限元分析模型是根據500C的型譜參數來建立的 。

1.1 動、靜模板分型面上的最大載荷動、靜模板在壓鑄工藝過程中，先后承受合型力(鎖模力)以及壓鑄時的脹型力的作用 ，如圖1所示。

1.1.1 鎖模力Ps

對于所研究的500C型壓鑄機，其設計名義額定鎖模力為5000kN 。根據設計要求，應有15%左右的設計余量，故取為5800kN。

由圖1可知，鎖模力Ps的大小，由調節合模系統總變形量δ來確定，其載荷P 分布作用于動、靜模的接觸面上。

1.1.2 脹型力Pz

壓鑄注射工藝過程一般分為注射缸金屬聚集、充型及增壓補縮3個階段，壓射缸的壓力(比壓)在增壓補縮階達到最大值Pmax，這時型腔中充滿金屬，脹型力達到最大值。

即Pz= Pmax × A

A = Al+ A2 + A3                               (1)

其中，A為型腔在分型面投影面積；Al為工件投影面積；A2為橫澆口投影面積；A3 為豎澆口投影面積。

為了使壓鑄時動靜模不分離，避免金屬外濺和零件出現飛邊，要求脹型力Pz必須小于鎖模力Ps。

根據設計規范，一般有

Pz≤ 0.85 XPs                               (2)

在設計時，鎖模力Ps已經由不同型號壓鑄機的型譜主參數給定，因此，用戶在選用壓鑄機加工零件時，零件的最大壓鑄面積必須符合(1)、(2)式的要求。

根據加工零件模腔投影圖得知A=370cm2 ，由5OOC型譜參數得知P=135MPa，故可求得脹型力為

Pz= Pmax × A ≈5000kN

1.1.3 動、靜模板分型面上的最大栽荷

由圖1可知，當壓鑄注射時，型腔壓力增大，動、靜模接觸面之間的鎖合力逐漸減小。根據系統變形諧調關系，動、靜模分型面上最大載荷為

Pmax= Pz + Pc

當脹型力Pz過大時，Pc≤0，則動靜模分離。由于δm(模邊變形量)實際很小，Pmax≈Ps，則有

Pmax≈Ps= Pz + Pc

即Pc= Ps - Pz =800kN

由于Pc均布于動、靜模型腔內，當模腔偏心時，Pc對合模機構的軸向形心產生偏載，沿偏距反向線性增大。

1.2 注射缸中最大壓射力和沖擊載荷

1.2.1 最大壓射力及作用位置

壓鑄過程分為金屬聚集、充型及增壓補縮階段，其中增壓補縮階段壓力最大，500C壓鑄機增壓時最大壓射力Pdmax=520kN。有限元分析模型中，為了計算C型支架受載后的應力與變形，故把Pdmax作用于壓鑄油缸的右端法蘭連接面，同時向左通過活塞沖頭作用于壓射室鑄型金屬液 。

1.2.2 液壓缸中沖擊栽荷

壓射室鑄型金屬液在沖頭作用下以一定的流速和壓力實現3個階段的壓鑄工藝要求，在充型結束時，運動很快停止，形成較大沖擊載荷。根據設計要求，移動質量m=93.7kg，移動速度v=3.5m/s，停止時間t=0.002S，由沖量公式mv=Pgt，沖擊力Pg計算為Pg= mv/t=164 kN。由于Pg< FONT>，且沖擊力是出現在增壓補縮之前，為了安全起見，在有限元模型中仍然把最大壓射力和沖擊力疊加后作用于壓縮缸中。

2、有限元分析模型的建立

2.1 實體模型的建立

由于本文采用的分析軟件平臺是ANSYS，而在ANSYS中直接進行三維實體建模十分困難，故采用了在Solidworks軟件環境中進行三維實體建模，并進行裝配，然后，通過ANSYS的CAD接口讀入的方法 。

2.2 約束與載荷的處理

2.2.1 約束條件

(1)頭板底面作為所有自由度全部約束，即3個轉動自由度及3個移動自由度均被約束，選用ALL約束，且值為0。

(2)二板底面的中間部分直接放在導軌上，可以沿導軌移動，故只在垂直方向的移動受約束，即選用UY約束，值為0。

(3)基于與二板同樣的原因，尾板底面的兩側部分也受UY約束。

(4)C型架底部放置于機架上，故也可看成UY約束。

2.2.2 載 荷

壓鑄機工作時，整個系統為一力封閉系統，現將該封閉鏈從模具處斷開，即將模具視為不接觸，而取代的則是脹型力及部分剩余的預緊力，為了使模型能很好地模擬實際壓鑄時的偏心受載狀態，特將模型作相應處理：

(1)按典型壓鑄件的工作圖，在模具上挖出型腔、直澆口及橫澆口，模具安裝在動、靜模板上。

(2)脹型力作用于型腔及澆口位置。

(3)部分剩余的預緊力作用在四周。

(4)沖擊力及增壓力的反作用力作用于C型架上油缸的法蘭盤上。添加約束及載荷后的模型如圖2所示。

2.3 其 他

(1)單位制與材料參數。長度單位為mm，質量單位為kg，時間單位為s，力單位為N，則密度單位為kg/mm3，應力單位為MPa，彈性模量單位也為MPa。根據所設定的單位制及整機材料ZG230-450鑄鋼，彈性模量E=2.02×105 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8× 10kg/mm3。

(2)單元控制。單元類型為三維四面體實體單元SOLID72，單元尺寸控制為60。按此設置后，共劃分單元93 597個，節點22 346個。

3 、計算結果分析

3.1 整體應力及位移計算結果

壓鑄機的整體位移情況的填色圖，如圖3所示。由圖3可見，最大位移均出現在動模板上。

壓鑄機的整體應力水平不高，但局部應力較高，最大應力出現在合模缸座與鉸鏈四桿機構相連的銷軸上，因為具體的點在實體內部，故不能從應力填色圖上看出顏色的變化。為清楚起見，將整體應力情況列于表1中。表1中銷軸1表示圖3中與靜模板上部相連的銷軸，銷軸2表示圖3中與動模板上部相連接的銷軸，大杠1表示被遮擋大杠。

3.2 結果分析

在整個系統中，大杠主要承受拉應力，各個鉸及銷軸主要承受壓應力，銷軸及尾板、動模板還承受彎曲正應力的影響，從動模板至尾板是應力水平較高的區域。

沿z軸正方向(由缸座一動模板一靜模板方向為z正方向)的位移主要表現在缸座上，而沿z軸負方向的位移主要表現在動模板及其后面的受壓件上。

（1）對于靜模板與動模板，應了解變形情況。

（2）對于動模板、缸座以及鎖軸需分析其最大壓應力及彎曲正應力情況。

4、結論

壓鑄機是一種機、電、液、信息技術集成度很高的大型綜合系統，結構較為復雜，本文對其整體模型進行三維有限元分析的方法是可行的。

（1）進行整體模型有限元分析的前提是對其載荷的正確確定，本文所完成的壓鑄機工作載荷分析較為完整，且便于有限元分析前處理時進行加載。

（2）本文所得到的關于整體模型計算結果分析，對壓鑄要的開發設計具有指導意義。

（3）文中所述方法亦可借鑒用于其它大型復雜結構的有限元分析計算。