壓鑄機雙曲肘五鉸點斜排列合模機構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運動和力學特性的研究

模型單元結構對壓鑄機的生產效率、建模工作條件、鑄造質量和工人的勞動安全有重大影響。合模機構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。雙曲肘五鉸點斜排列合模機構是當今國內外壓鑄機廣泛采用的一種結構形式。其主要特點是,運動特性好,符合壓鑄工藝的要求;機構剛性大,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,提高生產率;借助機構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的運動特性分析和力學特性進行分析,討論肘桿機構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的設計提供理論依據(jù),并為合模機構的優(yōu)化設計提供理論模型。1合模缸座上銷軸的位置現(xiàn)在我國生產的壓鑄機的合模機構,多為合模油缸與雙曲肘鉸鏈機構組成。圖1為雙曲肘五鉸點斜排列合模機構的平面圖,圖2為雙曲肘五鉸點斜排列合模機構的運動簡圖。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動肘桿機構擺動,使動模板沿拉桿軸向移動,實現(xiàn)開合模及鎖模工藝要求。當機構運動到終點前某一位置時,模具剛好碰上,機構繼續(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進行結構分析,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。以合模機構的開模極限位置時的C點為初始點,以合模機構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為合模機構的前后肘桿拉直成直線時C點的最大移動量。當合模機構在開模極限位置時: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進行結構分析,油缸行程可用小撐臂A點的移動量來表示。以合模機構的開模極限位置時的A點為初始點,即取XAmin=0,以合模機構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合模機構行程比合模機構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,同時機構長度也越短,即在滿足需要的情況下,合模機構的行程比越大越好。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經肘桿機構產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,連桿機構自鎖的條件是:sin(α+θ+γ+φ)=0,即α+θ+γ+φ=180°(28)連桿機構正常運動的條件是:α＜180°-(θ+γ+φ)(29)4合模機構行程設計現(xiàn)以某合模力為2000kN的壓鑄機的合模機構進行計算,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合模機構設計的理論模型雙曲肘五鉸點斜排列合模機構是目