高效节能的大型压铸机关键技术研究

【摘要】：压铸技术是材料制备与零件成形一体化的先进制造技术，压铸机是压力铸造的基础设备，技术含量较高，属机、电、液一体化的精密、复杂设备。我国压铸设备尤其是大型压铸设备在设计方法、制造工艺、工作效率、能耗、可靠性等方面与发达国家相比还存在较大差距。 针对国内压铸设备落后的现状，结合国家智能制造装备发展专项“高效智能压铸岛系统”、粤港关键领域重点突破项目，本文以25000kN大型压铸机为研究对象，以高效节能压铸机的关键技术为主要研究内容，结合目前压铸机设计和产品制造过程中存在的突出问题，采用数值模拟技术，从合模机构运动学仿真、优化设计、整机结构强度分析、整机模态、冲击响应、热传导和热-结构耦合等动态特性分析、重要结构部件轻量化设计、控制系统关键节能技术等方面进行理论研究、计算机模拟和实验研究；最终完成了样机开发，并取得以下研究成果： 基于运动学仿真开展压铸机双曲肘合模机构优化设计与研究。系统全面地分析了双曲肘合模机构的运动特性和力学特性，建立了相应的数学模型，推导出了合模机构的各部件几何尺寸、位置与扩力系数、模板行程之间的关系，结合实际样机设计要求，选取行程比和扩力系数为目标函数，确定了适宜的设计变量和约束条件；利用ADAMS软件对双曲肘五铰点斜排列合模机构进行运动和力学特性分析，并对合模机构进行了优化设计，将扩力系数由18.93提升至23.59，提升了24.6%，达到国外同类先进水平，锁模力由25.89MN提高到了32.27MN，液压系统选用低功率的液压马达和阀在更短的建压时间输出更小的压力可满足合模力25000kN要求，动型座板行程减少了26.3%，与优化前比较发现：合模过程的冲击和振动减小，在一定程度上可以节能降耗，提升工作效率。为提高压铸件的品质和压铸机的可靠性提供了技术依据。 基于多体动力学进行压铸机整机强度分析。对比研究了多刚体系统和多柔性体系统仿真结果，获取了合模机构关键部件速度、加速度及力学性能时间历程曲线，研究发现柔性体系统的仿真结果能真实反映机构的运动和力学特性。基于多柔性体动力学分析方法对25000kN压铸机进行强度分析和校核，并通过CAE软件对合模机构进行了强度分析，分析结果有效验证了柔性体动力学分析结果。 进行整机综合动态特性分析。采用改进的Craig-Bampton方法计算出了包含大量高度非线性接触副的25000kN压铸机合模机构装配体的约束模态，获取了前20阶模态的共振频率和对应的阵型。识别出整机各部件对振动激励响应的敏感程度以及抗振薄弱区，避免共振，为压铸设备优化设计和压铸件生产提供了依据；对合模机构进行冲击响应分析，发现动型座板、长铰、钩铰及尾板和哥林柱受冲击载荷影响大；对“热冲击”载荷和结构载荷共同作用下的模板和模具系统进行温度场分析、热-结构耦合特性分析，动型座板和定型座板局部最大应力分别为254.1MPa和181.6MPa。校核冲击载荷、热-结构载荷耦合作用下各部件的强度，均满足要求。可以对动型座板进行适度优化，对定型座板和尾板进行轻量化设计。 对压铸机重要结构部件进行轻量化设计研究。运用连续体结构的变密度拓扑优化方法和尺寸优化方法对压铸机重要部件—尾板、定型座板、动型座板和底座进行了优化，研究了约束体积百分数和惩罚因子对拓扑优化结果的影响，确定了适合压铸设备模板连续体结构轻量化设计的约束体积百分书和惩罚因子分别为0.7和3。经过结构拓扑和尺寸优化后整机总重量由91.10t减少至79.75t，减重率达到12.5%，其中运动部件减重率达到6.4%。轻量化设计后可以有效降低液压系统油泵负荷，节能降耗，提高工作效率。 开展压铸机控制系统关键节能技术研究及测试。在研究压铸机耗能原理的基础上，提出采用变频控制技术结合嵌入式实时控制器的实现压铸设备节能的技术方案，即在控制系统硬件和软件设计基础上，应用双DSP专用能效系统中央处理器和无感矢量闭环转矩控制技术，配合压铸设备专用程序软件，大幅度降低循环生产过程中的小流量状态下的电力消耗。进行实验测试，发现节能效果最大达到41%，工作效率基本保持不变，实现节能降耗的目的，与国内外常规压铸机相比，可节电25%~35%。该技术在周期性变负荷运行机械设备节能研究方面具有通用性和指导意义，具备较大的推广应用空间。