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脆性材料断裂预荷机构的虚拟开发 摘要 裂纹技术是一种应用于分离材料的新方法，它的思想是通过为欲断体主动制 造缺陷，并对其施加适当的载荷，来实现欲断体快速低能耗的分离。本文是基于 裂纹技术的应用研究。断裂设计的首要任务就是设计对低应力脆断敏感的应力状 态，使材料易于脆断。本文通过对脆性材料在不同外载荷作用下破坏时断口裂纹 扩展形势的分析与比较，找出了合理的脆性棒料预荷方式，提出使脆性棒料处于 低应力脆断敏感状态的一种理论方法一轴向拉伸法。 然后进行脆性材料掰断机的设计。在设计过程中：基于应力断料的思想，根 据棒料掰断的力学模型，借鉴裂纹技术理论，运用力封闭夹紧棒料的方法，设计 脆性材料掰断机的结构。本文主要是进行预荷机构的设计，再选择合理的送料及 断料机构。然后，根据所加工棒料的尺寸范围，进行零件的强度设计，特别是关 键部件，避免零件应力失效而带来的丧失棒料掰断精度。在满足零件强度的要求 下，拟订出零件的尺寸。 接着利用p r o e 工程软件，建立脆性材料预荷机构的几何模型。并以此为基 础完成了脆性材料预荷机构的虚拟装配及干涉调节。随后以建立好的几何模型为 基础在工程软件a d a m s 中，对脆性材料预荷机构的主要部件做了运动分析和力学 分析。验证了脆性材料预荷机构结构的合理设计。最后使用有限元分析软件a n s y s 对切口刃进行了静力分析和模态分析验证其静态刚度并为加工选择合理的工艺 参数，避开共振提供了技术数据。 通过本课题的研究，丰富了裂纹技术理论的应用，同时也论证了虚拟样机技 术在本课题方面实施的可行性和必要性，为制造实物样机提供了理论依据。 关键字：脆性材料；轴向拉伸法：预荷机构；虚拟开发 硕七学位论文 a b s t r a c t c r a c kt e c h n o l o g yi san e wm e t h o do fs e p a r a t i n gm a t e r i a l s i tm a k e sf l a w s i n t e n t i o n a l l yo nt h eo b j e e tt ob es e p a r a t e d b ya p p l y i n ga p p r o p r i a t el o a d ，t h eo b j e c t c o u l db es e p a r a t e dq u i c k l ya n dw i t hl o we n e r g yc o n s u m p t i o n t h i sp a p e ri sb a s e do n t h ec r a c kt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nr e s e a r c h t h ep r i m a r yt a s ko fd e s i g no nl o ws t r e s s b r i t t l ef r a c t u r ei ss e n s i t i v et ot h es t r e s ss t a t e ，m a k i n gt h em a t e r i a le a s yt ob r i t t l e f r a c t u r e t h i sa r t i c l et h r o u g ht ot h eb r i t t l em a t e r i a l su n d e rd i f f e r e n tl o a d si sd e s t r o y e d w h e nt h ef r a c t u r ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，f i n d i n go u tt h er e a s o n a b l eb r i t t l eb a r p r e l o a dm e t h o d m a k eb e i t t l e b a ra tl o ws t r e s sb r i t t l ef r a c t u r es e n s i t i v es t a t e m e t h o d a x i a lt e n s i o nm e t h o d t h e nb e g i nt h eb r i t t l em a t e r i a ls n a p p i n g m a t e r i a l s ，b a s e do nt h es t r e s s b l a n k i n gt h o u g h t ，a c c o r d i n gt ot h er o db r e a k i n g - o f fm e c h a n i c a lm o d e l ，d r a w i n g l e s s o n sf r o mt h em a t r i xc r a c kf r a c t u r et h e o r y ，t h eu s eo ff o r c ec l o s u r ec l a m p i n gb a r m e t h o d ，d e s i g no fb r i t t l em a t e r i a ls n a p p i n gm a c h i n es t r u c t u r e t h i sp a p e ri sm a i n l y f o rp r e - l o a dm e c h a n i s md e s i g n ，a n dt h e ns e l e c tt h er e a s o n a b l ef e e d i n ga n dc u t t i n g m e c h a n i s m t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n gb a rs i z er a n g e ，p a r to ft h es t r e n g t h d e s i g n ，e s p e c i a l l yt h ek e yc o m p o n e n t s ，t oa v o i df a i l u r eo fp a r t sb r o u g h tt h el o s so f s t r e s sb a ra c c u r a c y u l t i m a t e l y , t h es t r e n g t ht om e e tt h er e q u i r e m e n t so fp a r t s ，t h e d e v e l o p m e n to ft h es i z eo fp a r t s t h e nu s eo fp r o es o f t w a r e ，e s t a b l i s h i n gb r i t t l e m a t e r i a ll o a d i n gm e c h a n i s mg e o m e n t r i cm o d e l f i n a l l y , i na d a m se n g i n e e r i n g s o f t w a r eb a s e do nt h ee s t a b l i s h e dg e o m e t r i cm o d e lf o rb r i t t l em a t e r i a l s ，a n a l y s i st h e m a i nc o m p o n e n t so fp r e l o a d i n gm e c h a n i s m v a l i d a t et h eb r i t t l em a t e r i a ll o a d i n g m e c h a n i s ms t r u c t u r ed e s i g n f i n a l l y , t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sa r eu s e dt od o s t a t i ca n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i s ，w h i c hv e r i f i e st h eb a s i cs h a f ts t i f f n e s sa n dp r o v i d e t e c h n i c a lp a r a m e t e r st ot h ec h o i c eo f s p e e d t h r o u g ht h i st o p i cr e s e a r c h ，t h ea p p l i c a t i o no fc r a c kt e c h n i c a lt h e o r yi se n r i c h e di n t h ep a p e r ，m e a n w h i l e ，d e m o n s t r a t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi nt h ep r o je c t f e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t y , a st h ep h y s i c a lp r o t o t y p em a n u f a c t u r ep r o v i d e sat h e o r e t i c a l b a s i s k e yw o r d s ：b r i t t l eb a r ；a x i a lt e n s i o nm e t h o d ；l o a d i n gm e c h a n i s m ；v i r t u a l d e v e l o p m e n t v 脆性材料断裂预荷机构的虚拟开发 插图索引 图1 1 应力断料试验简图5 图1 2 旋转弯曲型应力断料机5 图1 3 弯曲限制型应力断料机6 图1 4 斜块式精密剪切机原理示意图7 图1 5 气液式高速棒料剪切机7 图1 6 弯折式应力断料机8 图1 7 液压式棒料折断机的结构简图8 图1 8 研究方法分析图1 3 图1 9 脆性材料掰断机预荷机构的开发流程图1 4 图2 1 裂纹的三种位移类型。l5 图2 2 裂尖处分区的简化示意图1 6 图2 3 脆性金属材料内裂纹受拉示意图。1 7 图2 4 脆性材料断口1 8 图3 1 脆性材料掰断机系统组成2 0 图3 2 脆性材料掰断机机械系统方案设计流程图。2 l 图3 3 脆性材料掰断机的总体方案图。2 1 图3 4 掰断棒料部分原理图2 2 图3 5 掰断机构掰断部分的示意图2 2 图3 6 掰断机构的装配图2 3 图3 7 曲柄连杆机构图2 4 图3 8 轴向拉伸机构简图2 5 图3 9 上压板2 6 图3 1 0 上模的零件图2 6 图3 1 l 夹紧切口的零件图2 7 图3 1 2 下模的零件图2 7 图3 1 3 轴的零件图2 8 图3 1 4 弹簧的零件图2 9 图3 1 5 曲柄的零件图2 9 图3 1 6 外壳的零件图2 9 图3 17 液压系统图3l 图4 1 零件制造、造型过程对比图。3 3 图4 2 p r o e n g i n e e r 零件设计的基本流程。3 3 图4 3 拉伸件的实体模型3 5 v l 硕士学位论文 图4 4 旋转件的实体模型3 6 图4 5 轴类件的实体模型3 6 图4 6 标准件的实体模型3 7 图4 7 掰断机构的三维装配效果图3 9 图4 8 预荷机构的三维装配效果图3 9 图5 1a d a m s 工作流程图4 1 图5 2 预荷机构的简化模型：4 2 图5 3a d a m s 里把刚才的d a o r e n a d a m s xt 文件i m p o r t 的演示图4 3 图5 4 导入模型质量添加演示图4 3 图5 5 重力设置对话框4 4 图5 6a d a m s n e w 的约束库4 4 图5 7a d a m s v e w 完整的约束库。4 4 图5 8 预荷机构的添加约束模型图一4 6 图5 9 预荷机构的施加力图。4 6 图5 1 0 滑块与下夹紧块接触力分析4 7 图5 1 1 关键零件的位移、速度、加速度曲线4 9 图6 1 夹紧切口刃的3 d 图51 图6 2 切口刃结构示意图及受力图5 2 图6 3 划分网格模型图5 2 图6 4 切口刃应力图。5 3 图6 5 切口刃变形图5 3 图6 6 切口刃模态分析振型图5 6 v i i 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、研究目的及意义 1 1 1 课题来源 本课题属于科研课题，是甘肃省科技攻关项目“新型剪切设备的虚拟开发技 术研究”的一部分。 新设备的虚拟开发技术研究已经被列为甘肃省科技攻关项目，该项目以某类 产品的虚拟开发为突破点，逐步延伸为机械装备的虚拟开发技术，该项技术是现 代制造技术的前沿，课题完成后将会形成仿真与虚拟制造技术学科方向。 1 1 2 课题的目的及意义 本课题的目的：在掌握断裂理论、一般折断机理和传统剪切机设计方法的基 础上，探讨新型折断机的可行性，认识折断机理并设计出折断机的关键部件结构， 为设计折断机的总体结构及完成新型断料设备的虚拟开发打下了基础。其中包括 整机的装配，零部件的测试及机构在运动过程中的运动学、动力学分析及其参数 的仿真。 本课题的意义：在前人已有的基础上，根据脆性棒料的特点，运用裂纹技术 理论，设计使脆性棒料处于低应力脆断敏感状态的一种机构轴向拉伸机构。 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。通过本课题的研究，论证了虚拟样机技术在本课题方面实施的 可行性和必要性，为制造实物样机提供了理论依据。通过本课题的成功完成，论 证新型折断机的虚拟产品开发技术在我国实施的可行性和必要性。 1 2 国内外研究现状综述 裂纹技术包括三个部分：一是断裂设计原理，二是应力断料方法，三是裂纹 技术断料装备。其中裂纹技术装备的设计是裂纹技术的一个重要组成部分，是裂 纹技术应用的归宿，也是裂纹技术生命力的有力体现。由于下料的重要标志是有 新的表面产生，而低应力脆断有可能在趋近于材料表面能的低能耗水平下产生新 的表面，因此把裂纹技术应用于金属下料是很适宜的【l 】。 1 2 1 断裂设计原理研究现状 裂纹及其失稳扩展的破坏作用无论是在古代或在现代来说，低应力脆性断裂 一直是生产工具及工程构件的大敌，早就被人们防范着。自发明带刃工具之日起， 人们便不断改进工具的材料和改进土具制造方法、表面状况、努力提高工具的断 脆性材料断裂预荷机构的虚拟开发 裂韧性。例如，河姆渡的原始社会遗址所出七百多件全产工具中，骨器占了百分 之七十，大汉口文化晚期所发明的管钻法穿孔技术，即提高了钻孔速度和质量， 又防止了因琢钻而引发的工具材料断裂现象，这也是裂纹观念的原始实践。 又如，在1 9 4 3 - 1 9 4 7 年之间美国5 0 0 0 余艘焊接船竞连续发生了一千多起断 裂事故，其中有2 3 8 艘竟完全毁坏。这些灾难性的事故，引起了人们的震惊和警 觉，但是传统的“安全设计观点”却根本无法解释事故的原因，因为事故往往就 发生在远远低于材料的屈服应力、甚至发生在低于许用应力的情况下【2 】。 于一九二一年，葛里菲斯( a a c r i 伍t h ) 首先根据体系能最平衡的观点研究了 玻璃、陶瓷等脆性材料裂纹扩展的问题，他由研究分子引力论推断出了玻璃的抗 拉强度比实验测试的强度要大一百倍到一万倍，分析原因推断可能是由于细小的 内部缺陷或裂纹引起了应力集中，导致了材料断裂在很低的名义应力下发生。葛 里菲斯( a a c r i f f i t h ) 的研究奠定了断裂力学的理论基础，但是在当时却并没有引 起广泛的重视。过了将近三十年，砍文( g r i r w i n ) 才指出：葛里菲斯型的平衡必 须存在于载荷功，材料贮存的塑性变形功、弹性应变能和表面能的变化之间。经 过奥罗万( 0 r o w a n ) 、欧文以及博伊德( b o y d ) 、威尔斯( w e l l s ) 等人的工作，才使 得葛里菲斯对理想脆性材料所做的研究应用于断裂前发生塑件变形的材料。六十 年代后，在各国学者的努力下，逐渐形成了断裂力学这一新的裂纹理论【3 卅。 葛里菲斯的脆性断裂理论研究成果被长期搁置未采用，其主要原因是在二十 年代脆性断裂在生产中还不是一个严重问题。在三十年代后，由于工业交通的迅 速发展，大型钢结构的灾难性断裂事故才迭次发生，于是引起了人们极大的警觉。 据统计，仅在一九三八年到一九四二年间：世界各国有四十多座大桥就因贯穿性 裂纹扩展而断塌。早在1 9 1 9 年，于美国的马萨诸塞州波士顿地方一座高为1 5 2 米，直径为2 7 4 米的糖蜜罐，刚使用了三年便发生了破坏，造成了重大的人身 伤亡和财产损失。而破坏的突然性却使得一些人为之辩护，断言是由于有人放置 了爆炸物所致。最终在辩论的六年之后，主持调查者才得以判定，蜜罐是因为裂 纹的“超应力”而毁坏的。一九四四年，美国俄亥俄州的克利夫兰的一起球形液 态天然气贮堆的脆性断裂事故，就造成一百二十八人死亡，造成六百八十万美元 的损失。这一时期发生了数以千计的各类脆断事故，如三万二千吨的“世界协和 号油轮被裂纹撕成两段，大批船舶甲板裂断、大型油罐开裂、高压容器爆炸、飞 机失事、桥梁断塌等等，使地人们视裂纹为“灾星 ，谈“裂 色变，使得裂纹 问题的研究成了紧迫的科学与生产课题。为了弄清楚工程材料为什么在远低于计 算强度的低应力下就发生了脆性断裂，各国学者将弹塑性理论应用于裂纹研究， 探讨如何控制和防止结构的脆性断裂破坏，着眼于工程结构安全设计问题的断裂 力学就在这样的历史条件下诞生了，并成了现代力学的一个活跃领域【5 击】。 如同水能载舟亦能复舟一样，裂纹也同样具有利与害的两重性。灾难性的裂 2 硕士学位论文 纹事故既然已经逼使人们找到了断裂力学这一新的强度理论，而功利性的裂纹也 必然要求人们提供新的解释和说明。人类为了预防灾难性事故的发生而进行的裂 纹理论研究和实践，在一定阶段上，将借助于辩证思维的杠杆，转化到同它本来 目的相反的路径上去：即从防止裂纹之害转化为利用裂纹之利。从进行断裂的控 制转化为有控制的断裂。从防止断裂的应力研究转化为利用应力进行断裂。裂纹 所固有的二重性，历史地、合乎逻辑地造成断裂力学的分化，从而在与加工技术 的结合上开拓出了新的领域【7 1 。 基于以上思想，在一九七八年五月，我们开始了裂纹技术及其装备的研究。 到一九a - - 年六月，这项科研成果成功的通过了科学鉴定。从理论意义上来说， 它无疑将发展成为断裂力学于应用研究的一个新的分支；从生产实践的意义上来 说，也必将发展成为一个新的材料加工技术领域。其研究者认为：既然裂纹及其 失稳扩展可以声速刹那间将巨大的油轮甲板撕裂成两半，那么，只要采取适宜的 预荷方式进行足够的弹性应变能的储备，同时利用工程材料进行脆性断裂的缺口 效应、尺寸效应、锐度效应、疲劳效应、温度效应，就有可能使得裂纹以神奇的 速度且按照人们的指令有目的的去完成材料加工的任务，试验已经证实了这一设 想。已公布的试验数据和一些工厂的生产实践表明了：利用裂纹失稳扩展来实现 机械加工中的下料工序，具有能耗小、效率高、断口规则平整、没有切口宽度而 大大的节省了原材料和工具消耗等优点，且越是难切削加工的材料越容易实现低 应力脆性断裂。至此，裂纹技术的思维历史在一个大的阶段上完成了过程的一个 循环，恰恰又是裂纹技术的新起点的开始【引。 从1 9 7 8 年开始，我们利用了裂纹扩展进行了大量的断料试验，证实了可以 利用预制裂纹和敏感的应力状态，来实现高效低能耗的规则断裂，我们将这种新 的断料工艺定名为“应力断料”。1 9 8 2 年，成功的研制了国内外第一台全自动应 力断料机的科研样机。应力断料也初步应用于生产实践，且效果良好。 大量的理论和实验研究表明：适宜的预加载荷方式将造成的敏感应力状态， 利用人为切口的应力集中效应或缺口效应，可以通过裂纹的扩展来实现固体材料 连续界面规则和快速的分离。即同“安全设计 相反，我们研究的方向是故意制 造裂纹，故意使裂纹扩展，努力将裂纹的破坏作用转化为形成新表面的积极作用， 使得可怕的低应力脆断在机械加工中得以应用。这项研究工作已经为我们展示了 一个可以预见的广阔的技术领域，我们将其定名为“裂纹技术”【9 】。 这里主要介绍裂纹技术的理论基础，特别是它的由来及其研究进展，晟后介 绍其在机械加工中的应用结果。裂纹技术以认识裂纹扩展的规律，驱使裂纹来实 现固体的连续界面的分离为己任。其研究和认识的对象就是裂纹。目前所有关于 裂纹的研究，特别是断裂力学和断裂物理的研究成果，都为裂纹技术的诞生提供 了基础条件，并成为了裂纹技术基本原理的重要组成部分。 脆性材料断裂预荷机构的虚拟开发 不言而喻，裂纹技术是充分受惠于断裂力学，且充分受惠于现代裂纹理论的。 然而裂纹技术的诞生却要求裂纹理论有一个新的延伸和发展方向。具体来讲，裂 纹技术要求人为快速地在欲断体上制造一条裂纹：要使失稳后的裂纹会按预定的 方向规则扩展；要使这条裂纹会迅速的通过亚临界扩展区；要使所有的断裂都不 会发生宏观塑性变形，不改变材料的金相组织及机械性能的前提下，以低应力脆 断的形式进行。也就是要使一个失控过程变为一个有控过程；一个缓变过程变成 一个突变过程；一个自然过程变成一个人为过程。这一系列新冒出来的问题，势 必将裂纹理论引导进入一个新的研究领域，势必丰富并发展了裂纹理论。 事实上，能从防止裂纹之害到利用裂纹之利，是从事物的一个方面到另一个 方面的转变，其本身就已经蕴藏了开展另一并行逻辑分支研究的信息，且本身就 在概念上获得了突破。这里我们将裂纹理论沿着裂纹技术实践方向所出现的新的 分支称为“断裂技术 。它与现有的裂纹力学一起构成了完整的裂纹理论天地。 裂纹技术的基本定义是：在适宜的预荷方式造成的敏感应力状态下，利用人 为切口的应力集中效应或缺口效应，使切口尖端的裂纹扩展，从而实现固体材料 连续界面的快速和规则分离。裂纹技术与断裂力学主要是在固体力学的逆问题上 出现了离异。断裂力学致力于研究裂纹的扩展方向及裂纹的临界扩展条件，来确 定断裂判据。而裂纹技术应用于应力下料，即在确保裂纹沿欲断面进行扩展的前 提下，来求解其预加载荷的方式。断裂力学是要防止裂纹的产生，而裂纹技术却 是要人为的制造裂纹；断裂力学是希望高循环周次以延长构件寿命，裂纹技术却 是力争超低周次以提高断裂效率；断裂力学是要认识敏感应力场，裂纹技术却是 要主动设计敏感应力场；断裂力学是要控制安全载荷，裂纹技术却是要施加超应 力预荷；断裂力学是研究止裂，裂纹技术则是充分的利用引裂及催裂效应；断裂 力学不考虑新表面，而裂纹技术要求控制裂纹走向，实现规则断裂。总之，裂纹 技术即受惠于断裂力学，又不能不另辟径，走自己的路【l 。 本文通过对裂纹断裂的深入研究，从避免及减轻裂纹闭合现象造成的影响入 手，探讨了一种新型的预荷方式下棒料裂纹扩展规律，并用已有的理论研究证明 了该加载方式的优越性。 1 2 2 应力断料设备的发展现状 机械加工中的头道工序一般来说是下料工序，特别是棒料的下料。下料就是 从母材上面截下满足一定规格要求的材料，下料的重要标志是新表面的产生。传 统的锯、铣、车等下料方法，效率低、刀具损坏快，并且耗去切口处的材料；冲 剪下料切口严重变形，会影响到后续工序，且仅能下小直径的料。裂纹技术中的 “应力断料”却是通过人为预制敏感缺口，且利用材料的缺口、锐度和疲劳效应， 在预定载荷的作用下，使切口根部产生应力集中，使切口尖端的裂纹扩展，来达 到预期的目标断裂。大量的试验研究证明，应力断料比之传统的下料方法有以下 4 硕十学位论文 优点：高效，试验测定实用的断料机动时间一般为3 - 6s ；节约原材料和工 具消耗：节能，同车削切断相比，能量消耗少；越是难加工的材料越容易脆 断。 应力断料是裂纹技术的一个主要应用方面，且随着断裂力学与裂纹技术的发 展，应力断料的应用也必将越来越广泛，并且随着科学技术的发展，针对机械行 业各种下料的要求，一定能制定出一系列的应力断料方法，能够完全地解决机械 加工下料中尚存的高能耗、低效率等问题，也为社会的发展带来了更大的经济效 益。 应力断料设备的研究已有一些成果，前苏联有一些可以参考的资料，国内一 些科研单位也致力于这方面的努力，而其他国家这方面的研究多限于断裂理论与 断裂方法的研究。 自1 9 7 8 年来，兰州理工大学的裂纹研究所致力于裂纹的逆向研究，即人为 地制造裂纹源，主动地引裂、诱裂并促使其快速失稳扩展，来实现定向断裂。经 过一系列的理论研究与实验，已经取得了一些成绩，并申请了多项专利。1 9 7 8 年4 月份在兰州理工大学机制实验室首先在c 6 2 0 型普通车床上利用一些简陋的 辅具成功的实现了低应力脆性断裂a 3 钢的试验。同年8 月，他们设计并制造了 滚动轴承辅具，对预切环形切口的棒料进行了断料实验，且取得了满意的断口。 试验装置简图如图1 1 所示。此后一系列的试验研究都表明了这一技术潜在的工 程价值。l9 8 2 年兰州理工大学( 原甘肃工业大学) 裂纹技术课题组成功研制了 液压全自动应力断料机，这是裂纹技术装备的第一台科研样机【l l 】。此后相继研制 出了6 个系列不同加载方式与切口方式的裂纹技术应力断料设备，并申请了专 利。 图1 1 应力断料试验简图 图1 2 旋转弯曲型应力断料机 脆性材料断裂预荷机构的虚拟开发 19 9 6 年兰州理工大学申请了一种旋转弯曲式应力断料机的专利，如图1 2 所 示。该装置是一种针对塑性金属棒料开发的应力断料装置。它主要是由旋转夹紧 预夹紧部件1 及预载荷施力部件2 组成，预荷施力部件所产生的载荷通过载荷夹 紧部件间接作用于棒料3 上，使已带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着切口处产生应力断裂。该设备的专利号为 9 6 2 0 2 8 5 3 3 f 12 1 。 1 9 9 8 年兰州理工大学成功研制了一种弯曲限制型应力断料机，如图1 3 所示， 其预荷机构是施力部件和限位部件组成。施力部件包含传递冲压力的滑柱，冲头 装在滑柱下端。滑柱装在滑套中，且可以在滑套中上下滑动，滑套被固定在支座 上。限制部件中有两个小滑柱和一个滑块，两个滑柱的上端分别同滑块接触，其 中的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了棒机料上的 环形切口，冲头的冲击段位是楔形或圆弧形。该设备已经申请专利，专利号是 9 8 2 0 1 4 5 7 0 1 1 3 1 。 图1 3 弯曲限制型应力断料机 顶压板 a ) 6 硕十学位论文 b ) 图1 4 斜块式精密剪切机原理示意图 图1 4 是斜块式精密剪切机原理图，其中a ) 为定模结构原理图，b ) 为动模结 构原理部分，动模与定模结构大体相同。该设备的核心是一个力封闭系统。它的 剪切过程是棒料由定长的送料机构送入剪切机构的剪切位置，然后动模开始动 作，动模剪刃部分夹紧棒料后继续向下运动。同时棒料作用在定模剪刃上，使得 定模受力，带动定模向下运动，使得定模剪刃也夹紧棒料，当棒料被动模和定模 的剪刃完全夹紧时，定模停止运动。而动模继续向下运动直到棒料被剪断。在整 个过程中送料机构随着棒料上下浮动【1 4 】。 图1 5 气液式高速棒料剪切机 图1 5 是太原重型机械学院( 现太原科技大学) 研制的一种气液式高速棒 料剪切机，并已申请专利，其专利号为1 2 5 9 4 1 5 。工作过程：首先，5 下腔进入 液压油，压缩6 上腔中的高压气体，4 气液缸活塞杆上升到指定位置时，停止进 油。这个过程即储备能量，又使送料机构将棒料送到所需位置并夹紧。接着，5 下腔流出液压油，上腔压力逐渐减小，6 中高压气体瞬速膨胀，于是推动4 气液 缸活塞杆快速向下运动，3 动剪刃开始剪切棒料，剪断后，5 下腔再次进入液压 油，4 气液缸活塞杆向上升起，工作行程结束，复位行程开始。然后进入下一个 循环【15 1 。 桂林电子工业学院研制了一种弯折式应力断料机，该机包括送料机构、夹紧 机构、弯折冲料机构和切槽机构，不同的是切槽机构是由直角支架、及安装在其 7 脆性材料断裂预荷机构的虚拟开发 上的左右旋丝杆、右旋螺母、左旋螺母、手轮、支撑板、两个电机、两板燕尾滑 动拖板和上下两把圆锯切槽刀( 或砂轮) 组成，通过手轮的顺、反时针旋转，带 动丝杆转，由于丝杆上下两段的螺纹是反向的，带动左旋螺母和右旋螺母反向移 动，螺母又会带动燕尾滑动拖板沿燕尾导轨反向上下移动滑动拖板带动电机和 锯。这种切槽机构切槽时棒料静止不动，而刀具或砂轮片或砂轮上下反向移动， 从而可以实现切槽深度的调节。不绕棒料中心旋转，且结构简单，该设备的专利 号为2 0 0 4 2 0 0 6 1 3 8 2 0 【1 6 j 。如图1 6 所示。 图1 6 弯折式应力断料机 1 床身2 送料机构3 切槽机构 。 7 一一| f l | _ _ 图1 7 液压式棒料折断机的结构简图 国内华中理工大学与湖北鄂城重型机器厂联合研制的一种液压式棒料折断 机已获国家专利，并已在大冶钢厂生产线上使用，主要适用于硬度较高的碳钢和 合金钢棒料材料的冷折断工艺。该设备采用了圆盘式高速无齿摩擦钢锯，使得该 机具有调整简单锯口小、折断力小、折断面质量好、效率高等优点，适用于钢铁 厂的流水线生产。同时，还避免了使用砂轮切片所造成的粉尘污染，或使用有齿 钢锯齿易折断以致寿命短的缺陷。其结构简图如图1 7 所示，它主要是由机架1 、 圆盘式高速无齿摩擦钢锯2 、棒料支撑座3 、顶断压头4 、快速缸5 、主缸6 等组 成，是一种卧式压力设备。棒料由传输带送入折断机，由挡板器按要求长度定位， 锻压头在两个快速缸的驱动下快速前进，压头接近棒料时，引起振动。可高速旋 转的、垂直上下运动的圆盘无齿摩擦钢锯向下运动，对棒料进行切口。然后，摩 擦钢锯就快速退回，主缸升压，压头使棒料折断。为避免棒料折断时产生液压冲 击和振动，在主缸的尾部安装有缓冲缸，用来吸收因棒料突然折断时的液压系统 8 硕十学位论文 来不及释放的液压能及机架的弹性变形能。棒料折断后经缓冲和预压，压头快速 回程，完成了一次工作循环。折断部分则由辊道快速送出，机器便可进行下一次 工作循环【1 7 ，1 引。 湖北重型机器集团有限公司生产的液压折断机y z 3 1 5 0 ，其主要参数如表1 1 所示： 表1 1 液压折断机y z 3 15 0 参数规格 最大工加压速工作压块间总功外形尺寸 规格公称压 作压力 闩l 行程 距率长x 宽x 高 d 己 型号力k n m p am m sm mm mk wm m y z4 4 0 5 7 2 0 x 5 0 9 9 315 02 51 03 5 04 l 3 15 01 0 0 02 5 9 0 从以上分析，我们可以知道弯曲限制型应力断料机、气液式高速棒料剪切机、 旋转弯曲型应力断料机以及弯折式应力断料机共同的缺点：结构复杂、需要大量 的附具( 如切槽机构等) 、工艺复杂( 需要预制切口) 及加工周期长。斜块式精 密剪切机虽然在剪切棒料时，不需要预制切口，但其内部结构过于复杂。其中液 压式棒料折断机虽然结构简单，但当棒料断裂，外力还没有撤除的时候容易产生 失控并且还需要预制切口。以冷掰的脆性材料断料设备相较其它断料设备有着结 构简单、加工时间短、工艺简单( 不需要预制切口) 等优点，有着很高的研究价 值。并且，从上述机构中，通过类比的方式，可以借鉴其中一些对脆性材料掰断 机而言可行的结构，对脆性材料掰断机的设计有了最初的思想火焰。 1 2 3 虚拟产品开发技术的发展现状 传统典型的产品开发过程，是采用物理原型来进行产品设计及测试验证，其 产品开发过程主要包括产品设计、产品试制、产品设计评价、生产组织与准备等 各个环节。其中一些环节，如产品试制是产品开发的必须环节，但也是产品开发 的瓶颈环节，因为新产品动态性能的好坏在图纸设计阶段是无法预测的，只有等 物理样机试制出来，通过试验和使用才能确认。同时在修改设计时，如何修改以 及修改后的性能如何也不得而知，如果想要获得满意的定型产品，通常要经过反 复“设计一试制一试验一修改”的过程，这就导致了产品研发及调试的周期长，成 本高，难以把握住市场的有利时机，导致降低了产品的竞争力。可见这种产品开 发模式无法满足人们对新产品开发的要求，根本不能适应现代经济的发展需求。 随着全球性市场竞争的出现，企业也面临着越来越大的压力。如何以尽可能 短的时间，用尽可能低的成本条件，生产出尽可能高质量的产品，已成为企业生 存和发展的必要条件。以往已经采用的技术和过程变革，仍无法在缩短时间上取 得实质性的实破，不能满足当今市场瞬息万变的需求。虚拟设计技术( v d ) 就是在 9 脆性材料断裂预荷机构的虚拟开发 这样的时代背景下产生的，它是2 0 世纪9 0 年代中后期的最新产品开发技术。虚拟 设计技术的概念是由美国科学家拉厄尔于2 0 世纪8 0 年代初最早提出的【1 9 】。 虚拟设计是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新的研究领域，它是计算机图形学、信 息处理、计算机网络、人工智能、机械设计与制造等技术综合发展的产物，在机 械行业中有广泛的前景，如虚拟布局、虚拟装配、产品原形快速成型、虚拟制造 等。虚拟设计将产品设计的全过程数字化【2 0 1 ，用计算机模拟了整个产品的开发过 程，用计算机完成产品的设计、分析、加工、装配、测试等过程。设计人员可以 直接使用c a d 系统所能提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机中定 义了各零部件间的约束关系并且对机械系统进行虚拟装配，从而可以获得机械系 统的虚拟样机。然后使用相应的系统仿真软件在各种虚拟环境中模拟系统的运动 瞄，并对其在各种工况下的受力和运动情况进行仿真分析，观测各组成部分的相 互运动情况。虚拟样机技术可以方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案， 并对整个系统进行不断的改进，只有这种“设计一实验测试一再设计 循环到满 足设计要求的时候，才在虚拟样机的基础上再制造物理样机来进行验证。因此， 虚拟设计系统基本上不会消耗资源和能量，并对缩短产品的开发周期，节省制造 成本有着重要的意义。虚拟开发过程可以在计算机上实现，即可以完成产品的数 字化过程，又具有网络环境下的可交互性，具有传统设计所无法比拟的优点【2 2 1 。 1 2 3 1 虚拟产品开发技术的国际发展现状 国外许多知名企业己经在积极地开展虚拟设计技术的应用研究，特别是工程 机械、汽车、飞机、航天以及武器等产品的应用事例和成果层出不穷【2 引。 在美国，爱荷华大学、麻省理工学院、标准与技术研究院、里海大学、通用 电气公司等单位自9 0 年代以来先后提出了虚拟企业、虚拟制造环境、虚拟制造 技术等虚拟产品开发关键技术等先进概念【2 4 1 。美国国防部和自然科学基金会资助 了多家研究单位共同制定了以敏捷制造和虚拟企业为核心的“下一代的制造 计 划。 虚拟产品开发技术首先在汽车、航空、航天、军事等领域中获得成功的应用。 例如，美国波音公司设计波音7 7 7 客机时，就采用了c a t i a 系统来进行产 品的数字化建模，并且利用含有用户、买主及各个技术领域的专业人员所组成的 2 0 0 多个综合设计队，利用并行结构系统的设计思想来设计产品，并将实物装配 检验改为数字化预装配检验，同时利用了c a t i a 系统中工程分析功能来对设计 的零部件进行结构、性能仿真，大大地缩短了产品的开发周期( 由原来所需8 年 降至5 年) ，也提高了产品设计的可靠性，使波音7 7 7 成为首架无图纸生产出的 飞机。同时，在还没有样机的情况下，波音公司就已经接受了来自新加坡的b o e i n g 的第一批订单1 2 副。 世界最大的挖土机和建筑设备制造企! l k c a t e r p i l l a ri nc 虚拟设计技术来评价新 l o 硕士学位论文 样车的内部可视性。该公司推出的反铲装载机便是其研究成果。在该样车设计过 程中，曾产生了三个概念上看起来都具可行性的设计方案。但在其虚拟环境下， 技术人员很快发现其中的两个设计方案在操作反铲连杆时，操作人员都无法看到 操作结果。以此为依据，不仅确定了正确的设计方案，节约了两个机型试制所需 的大量费用，而且使整个开发周期缩短了9 个月。该公司还打算将该项技术用于客 户“实际试车”新产品 2 6 1 。 德国汽车业的虚拟技术应用最快也最广泛。目前，德国的所有汽车制造企业 都建立了自己的虚拟开发中心。宝马、奔驰、大众等公司的报告显示，应用虚拟 技术，以“数字汽车”模型来替代木制或铁皮制的汽车模型，可将新车的开发时间 从原来的1 年以上缩短到2 个月左右，且开发成本最多可降低到原先的1 1 0 2 7 1 。 虚拟产品开发技术的出现虽然只有短短几年，但对工业界，尤其是制造业来 说却已产生了巨大的影响1 2 8 1 。 1 2 3 2 虚拟产品开发技术的国内发展现状 在我国，虚拟产品开发技术的研究才刚刚起步。就涉及的相关技术领域而言， 多数研究是在虚拟现实、c a d c a m 、仿真技术等方面进行的，主要是在汽车、 挖掘机、轮船、飞机等产品制造出来后进行模拟训练。很多技术研究还仅限于国 外理论消化，国外软件的引进试用，以及与国内环境的结合上。近年来，虚拟产 品开发技术在我国的重视程度已大有改观，尤其是虚拟企业的理论研究和实践活 动方面比较活跃，取得了一定的进展。例如，计算机集成制造系统的研究，某些 工程项目的研究以及飞机零部件的异地设计等。 国内从事虚拟产品开发相关工作的主要是一些经济、技术实力雄厚的研发部 门、重点高校及大型企业： 一小部分国有和合资大中型企业，或者已掌握了虚拟产品开发技术的一些基 础和关键技术如1 2 9 j ：三维建模、虚拟装配、有限元分析和仿真分析等用于工程机 械产品开发( 如徐州工程机械集团有限公司) ，大大的缩短了产品开发周期，降 低了产品开发成本。并依靠自身雄厚的高级技术人才和先进软硬件条件，成立了 研发中心，专门进行虚拟产品设计的技术研究和技术应用工作( 如一汽的虚拟现 实中心) 3 0 】。 国内的一些重点高校，如北京航空航天大学、清华大学等，在虚拟产品开发 方面都进行了深入探索，并成立相关特色学术梯队，也拥有一定的开发软硬件环 境，与企业联合进行开发，促进了虚拟产品开发技术在我国的推广与应用。但虚 拟产品开发技术作为当前最新的产品开发技术，在我国的发展还只是处于刚刚起 步阶段1 3 。同国外相比，在国内对该技术研究的广度和深度还远远不够，且应用 的程度和范围也相当狭窄，相关的软件平台和硬件设备在数量和质量上离国外也 有很多差距。因此，其研究工作还有待加大力度，缩短与国外的差距，来适应全 脆性材料断裂预荷机构的虚拟开发 球经济的发展需求【3 2 j 。 总之，国际国内上各知名大型企业成功运用虚拟产品开发技术的众多实例， 及其本身无以伦比的先进性和优越性，证明了该技术的发展和应用有着极其广阔 的前景，势必会成为未来产品开发的主流1 3 3 1 。 1 3 课题的研究内容 1 3 1 课题的主要研究的内容 本论文各章节主要研究内容如下： 第1 章是绪论，主要介绍研究了应力断料设备的发展现状以