基于有限元法的新型粉末成形模架动特性分析

范林静，沈维佳，许世昌

(1. 安徽省特种设备检测院，安徽 合肥 230000； 2. 南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094)

基于有限元法的新型粉末成形模架动特性分析

范林静1，沈维佳2，许世昌2

(1. 安徽省特种设备检测院，安徽 合肥 230000； 2. 南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094)

摘要：通过有限元法对一种新型的粉末成形压机上三下三式模架进行了动特性的分析，主要包括模态分析和稳态分析。有限元分析结果表明模架在受到500 t周期载荷激励下不会发生共振失效，结构符合要求。

关键词：模架；模态分析；稳态分析；有限元法

Analysis and Optimization of Cavity Die’s Interference Quantity of P/M

Mold-frame Based on FEM

FAN Linjing1, SHEN Weijia2, XU Shichang2

(1. Anhui Special Equipment Inspection Institute, Hefei 230000, China;

2. Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:The dynamic characteristics of a new powder press machine of three on three die-set is analyzed by Finite Element Analysis (FEA), including modal analysis and harmonic response analysis. The results of FEA show that the structure of the die-set can fulfil the requirement due to no renosance failure occuring under 500 t cyclic loading.

Key words:mold-frame; modal analysis; harmonic response analysis; FEM (finite element method)

0引言

模架是粉末成形压机的重要组成部分之一。模架是由基本模具、模具支撑、动作机构及其接合器组成。事实上多层模架本身就可以看做是一个精密的压机，在粉末成形过程中，模架各层模板能够单独运动，精准控制，通过设定模具的尺寸形状，压制出满足要求的压坯。所以模架的设计、装配和压制时的动作对于压坯的尺寸精度、密度分布及裂纹的形成起着决定性作用。

1新型粉末成形模架

新型模架是扬州海力精密机械投资研发的HPP-5000P粉末成形压机的配套模架。设计目的是为了成形更复杂零件。模架是上三下三式结构，压制力达到500t，上压头驱动采用曲柄滑块机构，阴模采用液压式下拉驱动，各层模板采用成对油缸驱动，挡块依然采用机械式机构。上三下三式结构上部带有3个冲头，整个模架能够成行4个台面并带有一个中心孔的复杂结构，压制流程如图1所示。为确保压坯的品质，对模架的精密程度、刚度、强度等都提出了更高的要求。模架结构如图2所示。

a—充填；b—移粉；c—开始压制；d—压制结束；e—开始脱模；f—脱模结束；g—开始复位图1　压制流程图

1—上内冲汽缸；2—上中冲汽缸；3—上外冲汽缸；4—上导柱；5—阴模板；6—下中冲支撑汽缸；7—调整板；8—固定板；9—固定板下；10—芯棒；11—下外冲支撑汽缸；12—下中冲模板；13—下外冲模板；14—充填移粉汽缸；15—连接板；16—下导柱；17—引下板图2　新型粉末成形压机模架结构示意图

2新型粉末成形模架动特性分析

2.1模架模态分析(图2)

根据设计出的零件图和装配图建立三维模型，由于模架结构很复杂，组件很多，需要使用Pro/E三维造型软件对模架进行简化和理想化处理。在简化过程应尽量避免实体与实体的相互重叠，从而达到简化零件间装配关系的目的。将建立好的模型导入ansys进行计算分析。模架采用多种材料，例如阴模板采用40Cr，其他各层模板采用经过850 ℃淬火、 520 ℃回火热处理45钢，导柱及活塞使用经830 ℃-840 ℃油淬的GCr15，模冲的材料是Cr12MoV磨具钢等。网格划分采用六面体网格，这种网格分析复杂结构更能保证其精度。对于模态分析，边界条件的设定是很重要的，能影响设备的振型和固有频率。模架的边界条件设定为：模架的固定板固定在机身上；上气缸加紧在上横梁上；各层模板均通过气缸支撑在固定板上，把这些接触面的六个自由度定义为完全固定。另外，各层模板通过导柱限制了x，y方向的自由度。计算得到的1～10阶模态如表1所示。

表1　模架1～10阶固有振动频率表　Hz

通过模态分析可以直观的看到各阶模态的振型。一般的，在振型图上振幅变化比较大的部分，相对容易在外力作用下产生大变形。第1阶模态和第8阶模态的阵型如图3和图4所示。

图3　新型粉末成形压机模架1阶模态

图4　新型粉末成形压机模架8阶模态

由分析得出模架系统的振动主要集中在径向上，尤其是下中冲、下外冲组件和阴模振动变形较大，所以在结构的设计中应着重考虑减小设备径向的误差。在热处理过程中尽量提高各层模板、导柱以及气缸组件的整体刚度，以免引起振动对设备的损坏。模架下连接板部分在第8阶模态也体现出共振变形，但一般来说模态分析阶次越往后越不容易发生共振。

另外粉末成形压机属于低频设备，1min成形6～12个零件，如果按照10个计算，机器的工作频率才达到0.167Hz，而模拟出来的1阶频率为292.4Hz，由此可见，机器的工作频率和设备固有频率不重叠，不会发生共振。

2.2下外冲组件的稳态分析

由模架的整体模态分析得出下中冲、下外冲组件相对容易在外力作用下产生大变形，又因为模架各层模板组件是独立运动的，所受载荷也是独立的，所以对这两部分做一个稳态分析。之后再对其进行谱分析，以验证在500t的外部载荷的激励下设备会不会发生共振。通过ansys计算得出下外模冲组件的1～10阶模态如表2所示。

表2　模架1～10阶固有振动频率表　Hz

模架各层模板在压制过程中均受到500t的周期变化载荷，此载荷无限接近于正弦载荷，故将其视为做简谐运动的周期载荷。模架结构的动力响应中低阶模态起到主要的作用，高阶模态影响不大，并且衰减较快，故可以不考虑。仅分析模型1～10阶固有频率内的响应。

稳态分析的建模过程与模态分析类似，有限元模型、边界条件的加载都相同，不同的是在模冲表面施加4.9e6N的激励载荷，激励载荷为正弦载荷。

图5、图6为下外冲座受载荷激励表面的x、y、z方向位移响应曲线。对比图5和表2可以得出位移的最大峰值在110Hz和200Hz处。对比1～10固有频率表不会发生共振。

图5　下一冲座受力平面沿x和y方向的位移响应曲线和对应幅值角

图6　下一冲座受力平面沿z方向的位移响应曲线和对应幅值角

2.3下中冲组件的稳态分析

通过ansys计算得出下外模冲组件的1～10阶模态如表3所示。

表3　模架1～10阶固有振动频率表　Hz

图7、图8为下二模板在受到载荷激励平面的x、y、z方向位移响应曲线。对比图7和表3可以得出位移最大峰值在368.5Hz和478.5Hz 处。对比1～10固有频率表不会发生共振。

3结语

对粉末成形模架整体和下外冲、下中冲进行了模态分析，得到模架的固有频率和对应的主振型，得出在相对较低的工作频率中模架不会发生共振失效。对在模架整体模态分析中表现出的容易产生振动的结构进行了稳态分析，目的在于确定当设备受到500t的无限近似于正弦力的激励作用下的响应情况，分析在激励作用下会不会产生与设备固有频率相近的频率并引起共振失效。最终得出结论并没有重叠频率，设备不会产生共振失效。

图7　下一冲座受力平面沿x和y方向的位移响应曲线和对应幅值角

图8　下一冲座受力平面沿z方向的位移响应曲线和对应幅值角

参考文献:

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收稿日期：2014-01-21

中图分类号：TH136；TP391.9

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)04-0142-03

作者简介：范林静(1983-)，男，安徽合肥人，工程师，硕士，主要从事特种设备设计检测等研究。