（机械制造及其自动化专业论文）塑性材料交变弯折机构设计及虚拟样机开发.pdf

d e s i g na n dv h - t u a ld e v e l o p m e n to f a l t e r n a t i n gb e n dm a c h i n e f o rp l a s t i cm a t e r i a l b y r u a n g u o - ji n g b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i z a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r j u n e ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：伉固筠 日期：列年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：倪j 匀筠 导师签名：磊布唠 笏。p。名 日期：列年多月多日 日期：z o ，年月多日 兰州理工大学硕士学位论文 目录 l i |录i 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引一 第1 章绪论l 1 1 课题的来源、意义1 1 1 1 课题的来源1 1 1 2 课题的意义1 1 2 断料机构国内外研究现状l 1 2 1 关于应力断料1 1 2 2 传统下料方法概述2 1 2 3 新型断料设备的发展现状4 1 3 虚拟样机技术综述6 1 3 1 虚拟样机的概念6 1 3 2 虚拟样机的发展概况7 1 4 课题研究目标、研究内容9 1 4 1 研究目标9 1 4 2 研究内容9 1 5 课题研究方法、技术路线一1 0 1 5 1 研究方法1o 1 5 2 技术路线1 0 1 6 本章小结1 0 第二章塑性材料交变弯折机构的工作原理及结构设计1 1 2 1 交变弯折机构的理论依据1 l 2 1 1 塑性材料复合型裂纹的断裂判据1 1 2 1 2 塑性材料的断裂机理1 2 2 1 3 几种棒料断裂模型1 3 2 2 交变弯折机构的工作原理及结构设计。1 5 2 2 1 交变弯折机构的工作原理15 2 2 2 交变弯折机构切口部分设计16 2 2 3 交变弯折机构弯折部分设计l9 2 3 本章小结2 2 第3 章塑性材料交变弯折机构的实体建模一2 3 3 1p r o e n g i n e e r 软件及其特点2 3 3 2 零件设计的基本步骤及基本流程2 3 3 3 交变弯折断料机构主要零件的建模2 5 3 3 1 拉伸件模型的建立2 5 3 3 2 旋转件模型的建立2 5 3 3 3 轴类模型的建立2 6 3 3 4 标准件模型的建立2 6 塑性材料交变弯折机构设计及虚拟样机开发 3 4 虚拟装配2 7 3 4 1 虚拟装配技术2 8 3 4 2 虚拟装配中常用到的约束2 9 3 4 3 切口机构主轴系统的虚拟装配3 l 3 4 4 交变弯折机构的虚拟装配3 2 3 5 装配体的干涉检查3 5 3 6 本章小结3 5 第4 章交变弯折机构的工作过程仿真及结果分析3 6 4 1 实体模型转化为仿真模型一3 6 4 1 1 机构模型转化的必要性3 6 4 1 2a d a m s 软件概述3 6 4 1 - 3 模型转化方法3 7 4 1 4 模型转化中应注意的问题3 8 4 2 仿真前的准备工作一3 9 4 2 1 仿真模型的建立3 9 4 2 2a d a m s 中还需添加的工作4 0 4 3 交变弯折机构仿真分析一4 l 4 3 1 切口机构的工作过程及仿真分析4 2 4 3 2 切口机构中偏心距的优化分析4 5 4 3 3 弯折机构的工作过程及仿真分析4 8 4 4 本章小结5 0 第5 章交变弯折断料机构静动态特性分析5 2 5 1 切口机构主轴静力学分析一5 2 5 1 1 主轴静力学分析5 2 5 1 2 主轴结构有限元分析模型5 2 5 2 切口机构主轴动力学分析5 4 5 2 1 主轴结构动力学分析5 4 5 2 2 主轴模态分析5 5 5 - 3 主轴发热及温升分析5 8 5 3 1 热分析模型的建立5 8 5 3 2 主轴发热量和温度场分析5 9 5 4 本章小结6 0 第6 章总结和展望。6 2 参考文献6 3 致 射6 7 附录a 攻读硕士学位期间所发表的论文6 8 兰州理工大学硕士学位论文 摘要 在甘肃省人才工程项目和兰州理工大学特色学术梯队及特色研究方向基金资 助下，开展了针对塑性材料交变弯折机构的虚拟开发，开发了一种新型断料虚拟 装置。 本课题从应力断料出发，以裂纹技术为基础，研究交变弯折断料的基础理论 和断裂机制，对交变弯折装置的主要机构完成了初步设计后，进行切口机构和弯 折机构的建模和仿真。主要完成的工作和取得的结果： 分析了几种常见的下料断裂模型，比较它们的特征、实施方法和适用范围， 指出其存在的问题，在此基础上，提出一种针对塑性棒料在夹紧不旋转情况下的 断料方法交变弯折断料，并研究了交变弯折断料的的基础理论和工作原理。 依据前面的分析理论，进行交变弯折机构断料装置的主要机构切口机构、 弯折机构的结构设计。采用p r o e 建模软件，完成零件虚拟建模和虚拟装配，并 进行干涉检查，修正了设计中的缺陷。 通过将p r o e 模型转化为抛物面后成功转入到动力学仿真软件a d a m s 平台中， 对所设计的机构进行运动学和动力学的仿真分析，验证机构运动原理及运动功能 完整性，并以速度、加速度及受力情况等曲线形式将设计参数表达出来。另外还 对影响扭转驱动力的曲柄滑块的偏心距进行了仿真优化。 最后，建立了弹性体动力学分析模型，采用有限元法对主轴结构进行静态分 析，并对影响动态性能的结构运用模态综合技术进行了固有振动特性分析，得到 主轴的静态刚度及固有振型的各阶频率，并且建立了主轴的热力学模型，然后利 用有限元法计算主轴的发热温度场，通过分析结果提出对主轴箱部分的优化设计。 关键词：应力断料；交变弯折；虚拟装配；仿真分析；模态分析；优化 a b s tr a c t u n d e rt h ea s s i s t a n c eo fg a n s ut a l e n tp r o j e c t s ，a n d t h ea c a d e m l ct e a mo f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya n dt h e f u n df o rs p e c i a lr e s e a r c h ，t h ev 1 r t u a l d e v e l o p m e n to fa l t e r n a t i n gb e n d m a c h i n ew a si n v e s t i g a t e d f o r s u p p l y i n gan e w b l a n k i n gd e v i c e b e g i n i n gw i t hs t r e s sf r a c t u r e ，t h er e s e a r c ho ft h eb a s i ct h e o r y a n dp r i n c l p l eo t a l t e r n a t i n gb e n d d e v i c ew a ss t u d i e d ，w h i c hb a s e d o nc r a c kt e c h n o l o g y a n e r c o m p l e t i n gt h ep r e l i m i n a r ) rd e s i g nf o rt h ea l t e r n a t i n gb e n d d e v i c e sm a i nb o d y ，t h e m o d e la n ds i m u l a t i o no ft h ec u t t i n gm a c h i n ea n dr o t a t i n gb e n d m a c h i n ea t ef o l l o w e d i nt h i sa r t i c l e ，t h em a i n l yw o r ka n da c h i v e r m e n to f t h i st h e s i sa sf o 儿o w s ： f i r s t l y ，s e v e r a lc o 衄o nb l a n k i n gm o d e l sa r ei n t r o d u c e d a n dc o m p a r e dl nt n l s t h e s i s t h r o u g ha n a l y s i s i n gt h e i rc h a r a c t e r i s t i c 、i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s a n ds c o p e s o fa p p l i c a t i o n ，r e c o m m e n dt h e i re s s e n t i a ld e f e c t b a s e d o nt h i s ，an e wt y p eo ts 仃e s s b l a n k i n gm e t h o df o rp l a s t i cm a t e r i a l w h i c hi sa l t e r n a t eb e n d i n gc u t t i n gm o d e l l s p r o p o s e d a l s o ，t h eb a s i ct h e o r ya n dw o r k i n gp r i n c i p l e a t ep r o p o s e d s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u st h e o r ya n dt h ew o r k i n gp r i n e i p i e o ft h e a l t e m a t i n gb e n d i n gd e v i c e ，t h ec u t t i n gm a c h i n ea n dt h er o t a t i n g b e n d m gm a c h i n e , w h i c ha r et h em a i n l yb o d yo ft h ea l t e r n a t i n gb e n d i n gd e v i c e ，a r ed e s i g n e d u t l l l z m g p r o em o d e l i n gs o f t w a r e ，t h ev i r t u a lm o d e l i n ga n dv i r t u a la s s e m b l yo f t h ea l t e m a t i n g b e n d i n gm a c h i n ea r ed e v e l o p e d ；a n d ，t h e f l a w si nt h ed e v i c ea r ef i x e dt h r o u g h i n t e r f e r e n c ec h e c k i n gb yt h ep r o em o d e l i n gs o f t w a r e t h ed i g i t a lm o d e l s i nt h ep r o ea r es u c c e s s f u lt r a n s f e r r e d t ot h ed y n 锄1 c s i m u l a t i o ns o r w a r ea d a m sb yc h a n g i n gt h e 3 - d i m e n s i o nm o d e l si n t op a r a b o l 0 1 d m o d e l s a sar e s u l t ，t h ek i n e m a t i c s a n dd y n a m i c ss i m u l a t i o no ft h ea l t e m a t i n g b e n d i n gm a c h i n ec 觚b ep e r f o r m e d t h ed y n a m i ca n a l y s i s o nd i g i t a lm o d e l sc a nb e u s e dt ov e r i f yt h em e c h a n i s mm o t i o np r i n c i p l e a n df u n c t i o n ，a n dt h ek l n e m a t l c a l s i m u l a t i o no ft h em o d e l sc a l lb eu s e dt oc h e c km e c h a n i c a lc o m p o n e n t s 吼p a c t a n d i n t e r f e r e n c e 邪w e l l 鹊m a c h i n em o v e m e n tf u n c t i o n f u r t h e r m o r e ，t h e r e s u l t so ft h e s i m u l a t i o na n da i l a l y r s i so ft h em o d e l s a r ed i s p l a y e do i lt h ec u r v eg r a p h a l s o , t h e r o t a t ed r i v i n gf o r c ei sm i n i f i e db yo p t i m i z i n g t h ec r a n k s l i d e r so f f s e t f i n a l l y ，t h ee l a s t i cs t a t i ca n dd y n a m i cm o d e li s e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e s t a t i ca n a l y s i so ft h es p i n d l e ss t r u c t u r e ，b yu s i n g t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d w 1 t ht h e h e l po fm o d es y n t h e s i st e c h n i q u e ，t h es p l i n d l e ss t i f f n e s sa n dm o d e l s o fv i b r a t i o ni n 兰州理工大学硕士学位论文 d i f f e r e n tn a t u r a lf r e q u e n c i e sa r eo b t a i n e d ，a st h en a t u r a lv i b r a t i o ni su s e dt oa n a l y s i s t h es t r u c t u r e ，w h i c hm a ya f f e c tt h e s p i n d l e sd y n a m i cp r o p e r t i e s f u r t h e r m o r e ，t h e s p i n d l et h e r m a la n a l y s i sm o d e lw a se s t a b l i s h e d ；a sar e s u l t ，t h es p i n d l et e m p e r a t u r e f i e l dw a sa n a l y s i s e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d f i n a l l y , t h eo p t i m i z a t i o nf o r t h eh e a d s t o c kw a se s t a b l i s h e db ya n a l y z i n gt h er e s u l e s k e yw o r d s ：s t r e s sf r a c t u r e ；a l t e rb e n d i n g ；v i r t u a la s s e m b l y ；m o t i o ns i m u l a t i o n ； m o d a la n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n i l l 塑性材料交变弯折机构设计及虚拟样机开发 插图索引 图1 1 旋转弯曲型应力断料机5 图1 2 弯曲限制型应力断料机5 图1 3 弯折式应力断料机6 图1 4 液压式棒料折断机构6 图1 5 棒料弯曲受力示意图。9 图1 6 塑性材料交变弯折机构的开发流程图1 0 图2 1 塑性断裂过程中裂尖周围上材料的微元的破坏一1 2 图2 2 微元由于塑性变形产生的单元面间滑动而造成的破坏面共面1 3 图2 3 几种棒料的断裂模型1 4 图2 4 棒料旋转弯曲受力示意图1 4 图2 5 交变弯折断料机构的结构简图1 6 图2 6 棒料切口参数示意图1 6 图2 7 切口机构结构原理图1 7 图2 8 切口机构主轴装配图1 8 图2 9 弯折机构结构图2 0 图2 1 0 液压系统图2 1 图2 11 电动卡爪图2 2 图3 1 零件制造、造型过程对比图2 4 图3 2p r o e n g i n e e r 零件设计的基本流程。2 4 图3 3 拉伸件的实体模型2 5 图3 4 旋转件的实体模型2 6 图3 5 切口机构主轴的实体模型2 6 图3 6 标准件的实体模型2 6 图3 7p r o e 装配的流程图2 9 图3 8 键与主轴装配约束图3 0 图3 9 箱体与工作台对齐约束图3 0 图3 1 0 带轮与轴插入约束图3 1 图3 1 1 切口机构主轴装配图一3 2 图3 12 弯曲机构装配图3 3 图3 13 切口机构装配图3 3 图3 1 4 交变弯折机构总体装配图3 4 图3 1 5 交变弯折机构装配爆炸图3 4 i v 兰州理工大学硕士学位论文 图4 1a d a m s 工作流程图3 7 图4 2 连接工作集4 0 图4 3 约束对话框：4 0 图4 4 重力设置对话框4 2 图4 5 切口机构约束实体、线框图4 3 图4 6 仿真工具箱4 3 图4 7 刀具行程曲线4 3 图4 8 切削速度图4 4 图4 9 刀具受力图4 4 图4 10 曲柄力矩测量图4 5 图4 1 1 定义设计变量图4 6 图4 12 设计变量修改图4 6 图4 13 设计研究对话框4 6 图4 1 4 设计研究报告4 7 图4 1 5 优化后的曲柄扭矩测量图4 7 图4 1 6 弯折机构实体及线框图4 8 图4 1 7 传感器定义对话框一4 9 图4 1 8 工作台相对位移曲线5 0 图4 19 卡爪位移图5 0 图5 1 主轴网格划分图5 3 图5 2 添加约束和作用力的主轴模型5 3 图5 3 切口时主轴应变图5 4 图5 4 切口时主轴应力图5 4 图5 5 两组弹簧单元主轴模型5 5 图5 6c o m b i n l 4 单元5 6 图5 7 主轴一阶振型图5 6 图5 8 主轴二阶振型图。5 7 图5 9 主轴三阶振型图5 7 图5 10 主轴温度场。6 0 v 兰州理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、意义 1 1 1 课题的来源 本课题为兰州理工大学裂纹所学术梯队及甘肃省人才工程项目重点资助课题 的一部分。 1 1 2 课题的意义 本课题的意义在于：在前人已有成绩的基础上，根据塑性材料的特点，运用 疲劳断裂理论，设计一种效率高、振动小、断口规则平整、金相组织和机械性能 均保持不变的断料机构。并将虚拟样机技术与机构的创新设计结合起来，运用现 代设计方法完成预定要求的机构创新设计。通过本课题的完成，论证虚拟样机技 术在有关本课题方面实施的可行性和必要性，为实际制造实物提供理论依据。 1 2 断料机构国内外研究现状 1 2 1 关于应力断料 工程中常用的结构材料，设计时一般只注意超载引起的塑性破坏，至于防止 构件的破坏，则采用控制传统强度和韧度指标的方法。随着高强度、超高强度材 料以及大型结构的广泛应用，一些按照传统强度理论和常规设计方法设计、制造 并经严格检验合格的产品，先后发生了不少灾难性的断裂事故。例如，1 9 4 3 - 1 9 4 7 年美国5 0 0 0 余艘焊接船竟然连续发生了一千多起断裂事故，其中2 3 8 艘完全毁坏。 这些灾难性的事故，引起人们的震惊和警觉，但是用传统的“安全设计观点 却 无法解释事故的原因，因为事故往往发生在远远低于材料的屈服应力、甚至低于 许用应力的情况下。而且过去认为强度很好的结构，如采用高强度钢材料和断面 很厚的结构，反而易于发生脆断事故，这就是所谓的低应力脆性断裂现象。这就 使得人们开始从根本上去探讨传统的设计思想，认识它的不足，并竭力寻求更合 理的设计途径。人们对上述脆性断裂现象进行了大量的分析和研究，发现脆性破 坏总是由宏观缺陷或裂纹的失稳扩展引起的，有时裂纹还会持续缓慢地作亚临界 扩展，最后达到临界状态，发生半脆性断裂。由于在加工和使用( 加载、疲劳和 腐蚀等) 过程中形成的宏观裂纹是客观存在的，因此，构件中存在的缺陷或出现 的裂纹也是不可避免的。传统的强度理论往往假设材料中没有缺陷或不存在裂纹， 所以，按照传统的强度理论设计的构件有时仍然不能够确保使用安全，断裂力学 塑性材料交变弯折机构设计及虚拟样机开发 1 1 就是在这种情况下发展起来的。 断裂现象的发生，大多是由宏观缺陷或裂纹失稳扩展引起的脆性破坏，或者 是由疲劳引起的破坏。任何工程结构都不可避免地存在着类似于裂纹的缺陷，它 们有的是结构材料本身所固有的，有的是制造过程中产生的，有的是使用过程中 造成的缺陷。这些缺陷的存在，降低了结构的承载能力，最后导致失效。由于脆 性断裂大多是从应力集中处开始的，因此，机械加工中的所产生的缺陷，特别是 缺口和裂纹，通常是脆性断裂的源头。1 9 2 1 年，葛里菲斯( a g r i f j f i t h ) 首先根据 体系能量观点【2 】研究了玻璃、陶瓷等脆性材料的裂纹扩展问题，他从研究分子引 力推断出玻璃的抗拉强度比实验测试的实际强度要大1 0 0 倍到l 万倍，他的研究 奠定了断裂力学的理论基础，但当时并未得到重视：过了近3 0 年，欧文才指出： 葛里菲斯型的平衡必须存在于载荷功、材料贮存的弹性应变能、塑性变形功和表 面能的变化之间【1 1 ；随后，经过欧文、奥罗万( o r o m a n ) 及威尔斯( w e l l s ) 、博伊德 ( b o y d ) 等人的工作，才使葛里菲斯对理想脆断性材料所做的研究有可能应用于断 裂前发生塑性变形的材料【3 】2 0 世纪6 0 年代以后，在各国学者的努力下，逐渐形 成了断裂力学这一裂纹理论。 断裂力学从实际构件中存在着缺陷或裂纹的客观事实出发，把构件看成是连 续和间断的统一体来进行研究。断裂力学应用弹塑性理论研究裂纹尖端附近应力、 应变状态，研究裂纹的扩展规律，考察裂纹对结构强度和使用寿命的影响，建立 断裂判据；确定能够反映材料抵抗断裂的断裂韧性指标，分析含裂纹构件的强度 和寿命，提出新的强度设计概念和计算方法；探讨如何控制和防止结构的断裂破 坏，它是结构损伤容限设计的理论基础。现在断裂力学的研究范围已经涉及线弹 性断裂、弹塑性断裂、界面断裂、疲劳损伤和微细观断裂、非金属材料和复合材 料断裂等诸多领域。 由于预应力切断的突发性是断裂力学司空见惯的裂纹失稳扩展，任何工程材 料只要有一定的缺口并且处在对断裂敏感的应力状态下，就会出现刹那间完成界 面分离的低应力脆性断裂。对于从防止断裂来说，裂纹扩展意味着灾难；但从希 望主动寻求断裂来说，裂纹扩展意味着一条新的切断工艺路线。基于此思想，1 9 7 8 年，才由魏庆同、郎福元两位教授首先提出了利用材料的裂纹或缺陷实现主动断 裂的思想，并将其定义为“裂纹技术 【4 】。“裂纹技术 的提出意味着人们可以利 用固体材料的裂纹尖端的应力奇异性，把裂纹的破坏作用转化到为人类造福的有 益作用，把可怕的低应力脆断应用于固体分离，该技术首先在机械加工中的断料 工序中得到应用 5 - 6 j 。 1 2 2 传统下料方法概述 机械加工中的头道工序一般是下料工序，特别是棒料的下料。下料就是从母 2 兰州理工大学硕士学位论文 材上截下满足一定规格要求的材料。下料的重要标志是要产生新的表面。现有的 下料方法普遍存在着耗能高、效率低、材料消耗大和下料质量差等问题，因而， 寻求高质量、低消耗、高效率和低能耗的精密下料方法成为人们追求的目标。下 料工序质量的好坏直接影响到后续工序乃至成品质量的好坏、经济效益的高低。 随着加工工业的发展，对于不同的材料、批量和精度等要求，已经出现了多种下 料方法。下面简单对比一下各种传统的断料方法【7 l ： 1 一般剪切 方法：剪切下料是通过两个刀片在外力的推动下作相对剪切棒料的方法。 特点：剪切下料的优点是生产率高，无切口损耗，操作简单，工具费用较低 缺点是经剪切下料的毛坯，裂纹的扩展方向难以控制，造成剪切件的几何畸变， 即出现塌头，其端部变形大，端面质量差，尺寸精度低。 用途：剪切下料主要用于碳素钢及合金结构钢，也可用于部分铝合金及钛合 金。对于中、小型模锻件的大批量生产，用这种下料方法尤为适宜。 2 锯切 方法：锯床有圆盘锯、弓形锯、带锯等几种，其中应用最多的是圆盘锯。 锯切下料是航空工业锻压生产中应用较为广泛的下料方法之一，其主要特点 有： ( 1 ) 适应性强，多数金属或合金棒料均可进行锯切； ( 2 ) 锯切毛坯的端面质量好，尺寸精度较好： ( 3 ) 生产率较低，切口材料损耗较大； ( 4 ) 适宜于多品种、小批量的生产。 3 车床切割 特点：车床下料的端面质量好，尺寸精度高、端面与毛坯轴线的垂线度好， 但切口损耗较高。它适于切割端面质量要求较高的圆形棒料，并具有很高的生产 效率。 4 砂轮切割 砂轮切割下料是用高速旋转的砂轮片来切割棒料的，其主要特点有： ( 1 ) 生产率较机床切割为高，但不及剪床； ( 2 ) 端面质量和尺寸精度均较高： ( 3 ) 设备简单，价格便宜，操作方便： ( 4 ) 切口有金属损耗，砂轮片寿命低、易损坏，切割时的噪音大。 用途：砂轮切割下料可用于直径小于5 0 m m 的小规格棒料，尤其适于切割硬 度较高的棒料。砂轮切割一般用于高温合金、不锈钢、耐热钢、钛合金、铝合金 的下料，也可用于结构钢及工具钢的下料，但一般不用于镁合金的下料。对于一 些内应力较大的材料，例如锻态的马氏体钢等，砂轮切割时，可能引起切割表面 3 塑性材料交变弯折机构设计及虚拟样机开发 产生裂纹。 5 阳极一机械切割f 8 】 方法：阳极一机械切割时，在同一直流电路上将被切割的棒料接正极，切割盘 接负极。当切割盘高速切入棒料时，形成连续的蚀除金属的过程，直至切断棒料 为止。它的特点为： ( 1 ) 可切割任何导电的金属或合金； ( 2 ) 尺寸精度较高，端面质量较好； ( 3 ) 切割盘可用低碳钢制造； ( 4 ) 切割损耗小； ( 5 ) 切割力小，从而简化了机床结构； ( 6 ) 切割时材料组织的影响区小； ( 7 ) 能耗大，对自身机构也有腐蚀。 用途：阳极一机械切割主要用于切割硬度高、韧性大、采用其它机械切割比较 困难的材料，以及大截面的毛坯。 6 冷折【9 】 方法：在棒料需要切断处预制小槽( 单边、双边或环形) ，当施加压力、力 矩时，缺口处产生应力集中而断裂。 特点：冷折下料一般在冲床或液压机上，生产率较高，端面质量较剪切稍好， 断口无损耗。 用途：它适用于钢棒料，尤其是高碳钢和轴承钢等。这种下料单边预制槽的 棒料得到的毛坯尺寸精度不高，但有预制双边和环形槽的棒料精度较高。 1 2 3 新型断料设备的发展现状 近年来随着加工技术的发展，一些新的下料方法也涌现出来，如线切割下料 法、电化学下料法、激光切割、新型剪切下料法等。 采用电火花线切割法下料时，虽然材料消耗极小，但切割效率也很低一般速 度低于2 0 m m 2 r t f i n ，即使是最新的高速走丝线切割机床其切割速度也只能达到 1 0 0 m m 2 m i n 1 0 】，而且在高速走丝时，钼丝的损耗速度增加很快，加工成本大大 提高，所以该方法仅适用于单件小批的场合。另外线切割下料法、电化学下料法、 激光切割等下料方法也存在着一个共同的缺点，即对设备的要求较高，通常此类 设备都比较昂贵。例如瑞士生产的用于轴承行业毛坯制备的哈德布尔高速切割机， 在中国市场的售价高达数百万元，令很多企业望机兴叹【1 1 】。 而剪切下料研究的项目比较多，精密剪切和高速剪切更是成了研究的热点， 取得了一定的进展，现在已经研究出了多种形式【1 2 】。剪切断料主要有四种方式： 1 机械传动式，具体又分为飞轮式；凸轮式，代表产品有意大利萨西布公司 4 兰州理工大学硕士学位论文 生产的双飞轮高速剪切机可以剪切妒l o m m 合金钢或6 p 3 2 m m 低碳钢，生产效率 2 0 一2 2 0 件m i n ，美国f e n n 公司高速精密冲击剪切机可以剪切5 0 m m 棒料( 材料 强度6 3 k g m m 2 ) ，生产效率为5 0 - 3 0 0 件m i n 。 2 机械气动式高速棒料剪切机，此类剪切机主要有日本多摩川大学柳原直人 等研制了一套附设在一般通用压力机上的简单增速装置，其适合小尺寸的棒料剪 切。 3 流体传动式高速棒料剪切机，具体有内燃式，代表产品有英国伯明翰大学 设计的“p e t r o * o f o r g e 力液化气高速锤【”】，相应专利g b l 3 7 9 8 9 6 ，可剪切最大棒 料直径妒2 2 m m ，生产效率5 5 件m i n ；压缩空气式【1 4 】，代表产品是瑞典h j o 公司 生产的p s a 2 0 型和p s a 6 0 高速棒料剪切机，可剪切9 2 0 m m 和9 2 5 m m 的铜、铝棒料， 最大剪切速度可达l o m s ；气液式，代表产品是西安交通大学赵升吨等根据陈金 德、王朝明、于德弘的“低应力冲击剪切法 设计的新型低能耗中速棒料精密剪 切机，剪切速度可达5 5 朋s ；液气式，其特点是对各种尺寸的棒料更容易实现能 量控制，调节方便。 4 斜块式精密剪切机t 1 5 】，主要由兰州理工大学裂纹研究所研究制造，其零间 隙约束剪切法获得的坯件切口面光整，垂直度好，大大提高了切口面的质量。 在将“应力断料法 应用于生产实践方面，兰州理工大学裂纹所成就最为突 出，申请了多项专利。 卜预荷夹紧部件2 一预载荷施力部件卜滑柱2 一弹簧3 一滑块4 一滑柱 3 一棒料 4 一切槽机构5 一滑柱6 一滑套7 一复位弹簧8 一冲头 5 一旋转夹紧部件6 一主轴箱9 一预断棒料1 0 - 立柱1 1 - v 型支1 2 - 支座 图1 1 旋转弯曲型应力断料机图1 2 弯曲限制型应力断料机 1 9 9 6 年我校申请了一种旋转弯曲式应力断料机专利，如图1 1 所示。该装置 主要由旋转夹紧预夹紧部件和预载荷施力部件组成，预载荷施力部件所产生的载 荷通过载荷夹紧部件间接的作用于棒料上，使已切制出切槽的棒料在旋转的同时 进行摆动，棒料在旋转和弯曲所产生的复合作用下沿切口处产生应力断裂。该设 5 塑性材料交变弯折机构设计及虚拟样机开发 备的专利是9 6 2 0 2 8 5 3 3 。 1 9 9 8 年我校成功研制了一种弯曲限制型应力断料机，如图1 2 所示，其预荷 机构由施力部件和限位部件组成，施力部件包括传递冲压力的滑柱，冲头装在滑 柱的下端，滑柱装在滑套中，并可以在滑套中上下滑动，滑套固定在支座上，限 制部件包括两个小滑柱和一个滑块，两个滑柱上端分别同滑块接触，其中一个滑 柱和滑块以自锁斜面形式接触，施力部件中的冲头对准棒料上的环形切口，冲头 的冲击段位契形或圆弧形。该设备已经成功申请了专利，专利号为9 8 2 0 1 4 5 7 0 。 _ - 、一 一二 t 、 l | | j i ： 图1 3 弯折式应力断料机图1 4 液压式棒料折断机构 图1 3 所示为桂林电子工业学院设计的一种弯折式应力断料机，包括送料机 构、夹紧机构、弯折冲料机构和切槽机构。不同的是切槽机构由直角支架及安装 在其上的左右螺旋杆、左右旋螺母、支撑板、手轮、两板燕尾滑动拖动、两个电 机和上下两把圆锯切槽刀组成，设备的专利号为2 0 0 4 2 0 0 6 1 3 8 2 0 。另外华中理工 大学和湖北鄂城重型机器厂联合研制开发的一种液压式棒料折断机【l6 1 ，其结构如 图1 4 所示，主要用于硬度较高的碳钢和合金钢棒料材料的冷折工艺，由于该设 备采用了圆盘式高速无齿摩擦钢锯，使得该设备具有调整简单、锯口小、折断面 质量好、折断力小、效率高等特点。 虽然上述的冷折断料设备具有：断口质量高、效率高、结构简单、越是难加 工的材料越容易被折断的特点，但是现有的设备没有专门针对塑性棒料在夹紧不 旋转情况下的断料。基于此问题，本文就是以冷折为手段，研究基于冷折的塑性 材料的新型断料设备。 1 3 虚拟样机技术综述 1 3 1 虚拟样机的概念 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g 简称v p ) 是以利用先进的c a d 技术建立起 来的主模型为中心，将其扩展衍生到产品生命周期的不同阶段，建立与物理样机 相一致的数字化仿真模型。该模型必须能够反映物理样机的特性，包括外观、空 间关系以及运动学、动力学等方面。用户应能从不同的角度，以不同的比例