壓鑄機雙曲肘五鉸點斜排列合模機構(gòu)運動和力學特性的研究

壓鑄機雙曲肘五鉸點斜排列合模機構(gòu)運動和力學特性的研究

模型單元結(jié)構(gòu)對壓鑄機的生產(chǎn)效率、建模工作條件、鑄造質(zhì)量和工人的勞動安全有重大影響。合模機構(gòu)的設計歷來為人所重視。我們試圖保持很大的單元力的放大比和行駛比，以及更好的速度和加速度運動曲線。鎖定模型可靠，開孔模型穩(wěn)定，開孔過程中影響小，能耗低的合模機構(gòu)。雙曲肘五鉸點斜排列合模機構(gòu)是當今國內(nèi)外壓鑄機廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)形式。其主要特點是,運動特性好,符合壓鑄工藝的要求;機構(gòu)剛性大,適合于高速壓鑄所需的超載;合模速度快,有利于縮短成型周期,提高生產(chǎn)率;借助機構(gòu)的自鎖特性鎖緊模具,滿足了其安全、可靠等方面的要求,但對其運動和力學特性的分析較少。本課題著重對雙曲肘五鉸點斜排列合模機構(gòu)的運動特性分析和力學特性進行分析,討論肘桿機構(gòu)的幾何尺寸及位置與模板行程及其速度之間的關系,以便為壓鑄機合模機構(gòu)的設計提供理論依據(jù),并為合模機構(gòu)的優(yōu)化設計提供理論模型。1合模缸座上銷軸的位置現(xiàn)在我國生產(chǎn)的壓鑄機的合模機構(gòu),多為合模油缸與雙曲肘鉸鏈機構(gòu)組成。圖1為雙曲肘五鉸點斜排列合模機構(gòu)的平面圖,圖2為雙曲肘五鉸點斜排列合模機構(gòu)的運動簡圖。圖2中C點為模具完全開啟時動模板上銷軸的位置,C′點為合模機構(gòu)的前后肘桿拉直成直線時模板上銷軸的位置,D點為模具完全開啟時合模缸座上銷軸的位置,D′點為合模機構(gòu)的前后肘桿拉直成直線時合模缸座上銷軸的位置,B點為模具完全開啟時三角塊上銷軸的位置,B′點為合模機構(gòu)的前后肘桿拉直成直線時三角塊上銷軸的位置,F點為模具完全開啟時中間銷軸的位置,F′點為合模機構(gòu)的前后肘桿拉直成直線時中間銷軸的位置,A點為模具完全開啟時小撐臂銷軸的位置,A′點為合模機構(gòu)的前后肘桿拉直成直線時小撐臂銷軸的位置,L1為后肘桿的長度,L2為前肘桿的長度,L3為B與F點之間的長度,L4為中間連桿的長度,L5為B與D點之間的長度,θ為斜排角,αmax為最大啟模角,γ為肘桿L1和肘桿L5夾角,α為桿L1和前后肘桿成直線時的夾角,β為桿L2與水平的夾角,φ為連桿L4與水平的夾角,E為十字頭高度,H為后支座半開距,S0為合模油缸活塞行程,Sm為動模板行程。其工作原理為合模油缸通過小撐臂驅(qū)動肘桿機構(gòu)擺動,使動模板沿拉桿軸向移動,實現(xiàn)開合模及鎖模工藝要求。當機構(gòu)運動到終點前某一位置時,模具剛好碰上,機構(gòu)繼續(xù)運動,迫使合模裝置機件發(fā)生彈性變形,從而對模具產(chǎn)生壓緊力(即鎖模力),以保證壓鑄時模具不被脹模力頂開。運動終止時,桿L1和L2在同一直線上,處于自鎖狀態(tài),這時即使合模油缸卸荷,鎖模力也不會消失。2運動特征分析2.1出合模機構(gòu)的前后肘桿拉直成直線時c點的移動量計算根據(jù)圖2進行結(jié)構(gòu)分析,在不加受力變形時,動模板的移動行程可用C點的移動量來表示,即XC=L1cos(α+θ)+L2cosβ(1)XC=L1cos(α+θ)+L2cosβ(1)式中,XC為C點的移動量。以合模機構(gòu)的開模極限位置時的C點為初始點,以合模機構(gòu)的前后肘桿拉直成直線位置時的C′點為終點,即:L1sin(α+θ)=L2sinβ+(L1+L2)sinθ(2)L1sin(α+θ)=L2sinβ+(L1+L2)sinθ(2)設肘桿比λ=L1/L2,則sinβ=λsin(α+θ)-(1+λ)sinθ(3)cosβ=√1-sin2β=√1-[λsin(α+θ)-(1+λ)sinθ]2(4)cosβ=1?sin2β????????√=1?[λsin(α+θ)?(1+λ)sinθ]2??????????????????????????√(4)由式(3)和式(4)可將式(1)轉(zhuǎn)化為XC=L1cos(α+θ)+L2√1-[λsin(α+θ)-(1+λ)sinθ]2(5)XC=L1cos(α+θ)+L21?[λsin(α+θ)?(1+λ)sinθ]2??????????????????????????√(5)當合模機構(gòu)的前后肘桿拉直成直線時:XCmax=L1cosθ+L2√1-[λsin(α+θ)-(1+λ)sinθ]2=(L1+L2)cosθ(6)XCmax=L1cosθ+L21?[λsin(α+θ)?(1+λ)sinθ]2??????????????????????????√=(L1+L2)cosθ(6)式中,XCmax為合模機構(gòu)的前后肘桿拉直成直線時C點的最大移動量。當合模機構(gòu)在開模極限位置時:XCmin=L1cos(αmax+θ)+L2√1-[λsin(αmax+θ)-(1+λ)sinθ]2(7)XCmin=L1cos(αmax+θ)+L21?[λsin(αmax+θ)?(1+λ)sinθ]2????????????????????????????√(7)式中,XCmin為合模機構(gòu)在開模極限位置時C點的最小移動量。則模板行程為:Sm=XCmax-XCmin=(L1+L2)cosθ-L1cos(αmax+θ)-L2√1-[λsin(αmax+θ)-(1+λ)sinθ]2=(L1+L2)cosθ-L1cos(αmax+θ)-√L22-[L1sin(αmax+θ)-(L1+L2)sinθ]2(8)2.2os+-l5cos+-l5cos6式根據(jù)圖2進行結(jié)構(gòu)分析,油缸行程可用小撐臂A點的移動量來表示。以合模機構(gòu)的開模極限位置時的A點為初始點,即取XAmin=0,以合模機構(gòu)的前后肘桿拉成直線位置時的A′點為終點,即:XAmax=L4cosφ0+L5cos[180°-(αmax+θ+γ)]+L5cos(θ+γ)-L4cosφmax=L4cosφ0-L4cosφmax+L5cos(θ+γ)-L5cos(αmax+θ+γ)(9)式中,φ0為開模極限位置時十字頭與水平方向的夾角;φmax為開模前后肘桿拉直成直線位置時十字頭與水平方向的夾角。合模油缸行程為:S0=XAmax-XAmin=L4cosφ0+L5cos[180°-(αmax+θ+γ)]+L5cos(θ+γ)-L4cosφmax=L4cosφ0-L4cosmax+L5cos(θ+γ)-L5cos(αmax+θ+γ)(10)由E=L4sinφ+L5sin(α+θ+γ)得sinφ=E-L5sin(α+θ+γ)L4(11)由圖2可知:sinφ0=E-L5sin(αmax+θ+γ)L4,sinφmax=E-L5sin(θ+γ)L4(12)再由三角變換公式可得:XAmax=L5[cos(θ+γ)-cos(αmax+θ+γ)-√L24-[E-L5sin(θ+γ)]2+√L24-[E-L5sin(αmax+θ+γ)]2(13)則油缸行程為:S0=XAmax-XAmin=L5[cos(θ+γ)-cos(αmax+θ+γ)]-√L24-[E-L5sin(θ+γ)]2+√L24-[E-L5sin(αmax+θ+γ)]2(14)2.3合模機構(gòu)行程比合模機構(gòu)的行程比是指模板行程Sm與油缸活塞桿行程S0的比值,即:Rs=SmS0(15)式中,Rs為合模機構(gòu)的行程比。在滿足標準系列模板行程的條件下,合模油缸行程越小越好,若合模油缸行程越小,動模板平均移模速度越大,同時機構(gòu)長度也越短,即在滿足需要的情況下,合模機構(gòu)的行程比越大越好。2.4rv與油缸活塞桿移動速度v0之比,計算c合模機構(gòu)的速度變化系數(shù)Rv是指模板移動速度(平均移模速度)Vm與油缸活塞桿移動速度V0之比,即:Rv=VmV0(16)如果忽略摩擦損失,根據(jù)虛功原理,P0·V0=Pm·Vm,則有Rv=VmV0=Ρ0Ρm(17)式中,P0為油缸推力;Pm為移模力。3力學特征分析3.1力臂力臂pb的力臂力的放大倍數(shù)M是指由合模油缸推力P0經(jīng)肘桿機構(gòu)產(chǎn)生推動動模板的移模力Pm與油缸推力P0的比值,即:Μ=ΡmΡ0(18)若不計機構(gòu)在運動中的摩擦、自重、慣性力等因素的影響,可根據(jù)靜力平衡關系求得M,機構(gòu)受力分解圖見圖3。圖3中Pf為點C、F處的受力,Pb為點A、B處的受力,hf為力Pf的力臂,hb為力Pb的力臂。由圖3a可知:Ρm=2Ρfcosβ(19)由圖3b,根據(jù)力矩平衡得:Ρf?hf-Ρb?hb=0(20)再由三角關系可得:Ρf?L1sin(α+θ+β)=Ρb?L5sin(α+φ+θ+γ)(21)由圖3c可知:Ρ0=2Ρbcosφ(22)綜合以上各式整理可得:Ρ0=ΡmL1sin(α+θ+β)cosφL5sin(α+θ+γ+φ)cosβ(23)再根據(jù)式(18)可得:Μ=ΡmΡ0=L5sin(α+θ+γ+φ)cosβL1sin(α+θ+β)cosφ(24)由式(11)可知:φ=arcsinE-L5sin(α+θ+γ)L4(25)由圖2可知:sinβ=L1L2sin(α+θ)-(1+L1L2)sinθβ=arcsin[L1L2sin(α+θ)-(1+L1L2sinθ)](26)將上式代入式(24)經(jīng)化簡得:Μ=L5sin(α+θ+γ+φ)[cosθ-L1√L22-(L1sinα)2sinαsinθ]L1sinαcosφ[1+L1cosαL22-(L1sinα)2](27)3.2連桿機構(gòu)正常運動的條件由Μ=ΡmΡ0=L5sin(α+θ+γ+φ)cosβL1sin(α+θ+γ+φ)可知,連桿機構(gòu)自鎖的條件是:sin(α+θ+γ+φ)=0,即α+θ+γ+φ=180°(28)連桿機構(gòu)正常運動的條件是:α＜180°-(θ+γ+φ)(29)4合模機構(gòu)行程設計現(xiàn)以某合模力為2000kN的壓鑄機的合模機構(gòu)進行計算,其已知值如下:L1=260mm,L2=370mm,L4=93.6mm,L5=173.9mm,E=160mm,θ=4.1°,γ=18.4°,αmax=103.9°,h=275mm。由以上數(shù)據(jù),根據(jù)式(8)可得到該型號的合模機構(gòu)的模板行程Sm=400mm,由式(14)可得到油缸行程S0=365mm,由式(15)可得行程比為1.096。根據(jù)式(27)取α從0到10°,依次算得力的放大倍數(shù)見下表。5合模機構(gòu)設計的理論模型雙曲肘五鉸點斜排列合模機構(gòu)是目