（机械制造及其自动化专业论文）精密直线导轨矫直机设计与分析.pdf

摘要 2 1 世纪，制造工业的发展更加迅速，通用机械、汽车、电机等行业大量使 用如直线导轨这类零件，在由原始胚料经过粗加工、精加工、热处理等工艺手 段制成成品的过程中不可避免出现弯曲变形，如果不进行矫直处理会影响工件 的后序加工和使用，甚至可能出现相当数量的废品。为了能满足下道工序对工 件直线度、切削余量等方面的要求：或者直接满足最终成品对零件直线度、轴 颈跳动等方面的要求，需要通过一种精密高效的矫直设备来确保半成品、成品 达到较严格的中间工艺要求和最终设计要求。有些直线导轨零件长期或非正常 使用后，也会产生直线精度不能达到使用要求得情况，对这类零件采取精密直 线校直，往往也会带来巨大的经济效益。 矫直方法一般有加热矫直法、冷压法、冷矫法，其中包括压力矫直法、平 行辊矫直法、斜辊矫直法、转毂矫直法、平动矫直法、拉伸矫直法、拉弯矫直 法及其他一些特殊矫直法等。本文根据弹塑性理论设计了压力反弯矫直机。首 先，操作台向系统输入被矫直工件的材料、几何特性参数。然后，系统自动对 工件的弯曲变形进行检测，根据检测信息调整工件压点和两支承的位置同时通 过运行存储在系统中的程序对输入和检测信息进行运算，根据运算结果向控制系 统发出指令，从而控制压头的压下量，此时伺服电机带动曲柄滑块运行的行程，完 成第一次矫直。接下来进行二次检测、信息处理、并再次矫直，如此循环下去直 至工件达到要求的精度。 本文独立设计了基于曲柄滑块机构的压力矫直机的整体结构，进行了矫直 机的参数计算与分析，对关键零部件进行了校核，保证其j 下常工作。采用 s o l i d w o r k s 软件建立了矫直机各部件的三维模型，以此来验证各部分设计的合理 性，并制定合理的装配顺序，生成了矫卣机的实体模型。运用a b a q u s 软件对央 头和压头等关键部件进行有限元分析，对矫直机的校直精度进行分析，经过论 证完全适合设计要求。 关键词：矫直，有限元，直线导轨，a b a q u s a b s t r a c t o n c eg e t t i n gi n t ot h e21s t c e n t u r y ，m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i s d e v e l o p i n g c o n s i d e r a b l y f a s t m e a n w h i l em o r ea n dm o r el i n e a rr o l l i n gg u i d e sh a v e b e e n i n t r o d u c e di n t o g e n e r a lm a c h i n e r y , a u t o m o b i l e s ，e l e c t r i c a l a n do t h e ri n d u s t r i e s b e n d i n gd e f o r m a t i o ni n e v i t a b l ya p p e a r sd u r i n gt h ep r o c e s sf r o mo r i g i n a lb i l l e tt ot h e e v e n t u a lp r o d u c t sa f t e rr o u g h i n g ，f i n i s h i n g , h e a tt r e a t m e n t t h ed e f o r m a t i o nw i l l a p p a r e n t l ya f f e c tt h ef o l l o w i n gp a r t so ft h eo r d e rp r o c e s s i n ga n dl e a dt oc o n s i d e r a b l e a m o u n to fw a s t ew i t h o u tp r o p e rs t r a i g h t e n i n gt r e a t m e n t i no r d e rt om e e tt h en e x t p r o c e s so nt h ew o r kp i e c es t r a i g h t n e s s ，c u t t i n gm a r g i na n do t h e rr e q u i r e m e n t s ；o r d i r e c t l y t om e e tt h ef i n a l p r o d u c to nt h ep a r ts t r a i g h t n e s s ，j o u m a l a n dj i t t e r r e q u i r e m e n t s ，w es h o u l dm a k ei t c e r t a i nt h a tp r o d u c t sm e e tt h em i d d l eo fm o r e s t r i n g e n tp r o c e s sr e q u i r e m e n t sa n df i n a ld e s i g nr e q u i r e m e n t st h r o u g has o p h i s t i c a t e d a n de f f i c i e n te q u i p m e n t s o m el i n e a rr o l l i n gg u i d e sf a i lt om e e ts t r a i g h t - l i n ea c c u r a c y s t a n d a r da f t e rl o n g t e r mo rn o n n o r m a lu s e t u r n i n gs u c hp a r t st op r e c i s i o ns t r a i g h t a l i g n m e n to f t e nw i l lb r i n gh u g ee c o n o m i cb e n e f i t s s t r a i g h t e n i n gm e t h o d sg e n e r a l l yi n c l u d eh e a t ，c o l d ，c o l ds t r a i g h t e n i n gm e t h o d s ， t h ep a r a l l e lr o l l e rs t r a i g h t e n i n gm e t h o d ，i n c l i n e dr o l l e rs t r a i g h t e n i n gm e t h o d ，t r a n s f e r h u bs t r a i g h t e n i n gm e t h o d ，t r a n s l a t i o ns t r a i g h t e n i n gm e t h o d ，l as t r e t c hs t r a i g h t e n i n g m e t h o d ，s t r e t c hb e n d i n ga n do t h e rs p e c i a lo n e s 。t h i sa r t i c l em a n a g e st od e s i g nt h e p r e s s u r eo p b e n d i n gs t r a i g h t e n i n gm a c h i n ea c c o r d i n gt op l a s t i ct h e o r y f i r s t ，t h e m a t e r i a la n dg e o m e t r yp a r a m e t e r so ft h ew o r kp i e c ea l ei n p u tf r o mt h eo p e r a t i n g p l a t f o r m t h e n ，t h es y s t e mw i l la u t o m a t i c a l l yd e t e c td e f o r m a t i o no ft h ew o r kp i e c e a n da d j u s tt h el o c a t i o no fp o i n t sa n dt w oc o n t r a c t o r sb a s e do nt h em o n i t o r i n gr e s u l t a tt h es a m et i m e ，b yr u n n i n gt h es t o r e dp r o c e d u r e si nt h es y s t e mt oc a l c u l a t et h et e s t a n di n p u ti n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h ec o n t r o ls y s t e mw i l lr e c e i v et h e r e s p e c t i v ec o m m a n d st oc o n t r o lt h ep r e s s u r eh e a d ，t h e ni tw i l lr u nt h es e r v o m o t o rt o d r i v et h es l i d e rt r i p ，c o m p l e t i n gt h ef i r s ts t r a i g h t e n i n gs t e p a n da f t e rs e c o n d a r y d e t e c t i o n ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，a n dr e - s t r a i g h t e n i n g ，t h ec y c l ew i l lc o n t i n u eu n t i l t h ew o r kp i e c ea c h i e v e st h er e q u i r e da c c u r a c y t h i si n d e p e n d e n td e s i g ni nt h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f p r e s s u r ec r a n ks t r a i g h t e n i n gm a c h i n e c a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h es t r a i g h t e n i n g m a c h i n ep a r a m e t e r s b e s i d e s ，t h ek e yc o m p o n e n t sa r ec h e c k e dt oe n s u r et h e i rs t a b l e u w o r ko fw h o l es y s t e m s o l i d w o r k sh a sb e e nu s e dt ob u i l dt h et h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lo fe a c hc o m p o n e n ti no r d e rt ov 舐f yt h a ta l lp a r t so ft h ed e s i g ni sr e a s o n a b l e a n dd e v e l o par e a s o n a b l ea s s e m b l ys e q u e n c e , g e n e r a t i n gt h es o l i dm o d e lo f s t r a i g h t e n i n gm a c h i n e t h eu s eo fa b a q u ss o f t w a r ei st om a k ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o nt o pc h u c k s 、p r e s s u r eh e a da n do t h e rk e yc o m p o n e n t s ，t h ep r e c i s i o no f s t r a i g h t e n i n gm a c h i n eh a sa l s ob e e na n a l y z e d ，t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sh a v eb e e n c o m p l e t e l ya c h i e v e da f t e rc o m p r e h e n s i v es t u d y k e yw o r d s ：s t r a i g h t e n i n g ，f i n i t ee l e m e n t ，s t r a i g h tl i n eg u i d e , a b a q u s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：玉盔日期：竺! ! ：! 兰：望 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 至甄 导师( 签名) ： 日期必夕 武汉理大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的意义与来源 1 1 课题研究的目的和意义 伴随着新世纪的到来，制造工业对于国民经济的发展越来越具有举足轻重 的作用，通用机械设各、机车、机床等加工制造行业大量使用直线导轨一类零 件导轨零件由原始胚料经过粗加工、精加工、热处理等工艺手段制成零件半 成品的过程中无法防止出现弯曲变形，若对此不采取矫直处理会干扰该t 件的 后序加工以及使用严重时会造成一定数量的次品甚至废品。为了使工件能够 满足接下来各项工序对工件的直线度、切削余量等方面的要求，或者可以直接 在零件直线度、轴颈跳动等方面满足对最终成品的要求，需要一种高精度高效 率的矫直设备来满足对半成品、成品达到规定的叶l 倒工艺要求或最终产品要求 部分直线导轨零件因为长期或者非矿常使用后，也可能会出现零件直线精度不 能再满足其使用要求的情况，此时若采取更换零部件的方式，往往会花费大量 的人力物力，经常更换甚至会耽误证常生产活动，此时对此类零件若采用精密 直线导轨矫直机校直，会节省人力物力，提高lj _ 的生产效率，带来巨大的经 济效益。 图1 1 典型直线导轨实物 武汉理r 人学硕十学位论文 通常意义上的矫直，是指通过一定的工艺方法，使产生弯曲或扭曲变形的 工件由曲变直。矫直的方法一般有加热矫直法、冷压法、冷矫法，其中包括压 力矫直法、平行辊矫直法、斜辊矫直法、转毂矫直法、平动矫直法、拉伸矫直 法、拉弯矫直法以及其它的一些特殊矫直方法。压力矫直的工艺过程是将工件 用一对支点支起来，于工件弯曲最大的位置逆方向加压，使工件发生反向变形， 变形包括塑性变形和弹性变形，卸去所施加的压力后，工件除去塑性变形部分 的变形弹性回弹，假如工件弹性回复量刚好等于加压反向变形量时，那么工件 即得以矫直。压力矫直即是把有初始弯曲的金属工件放置在距离可调的两支点 间，然后于工件弯曲最大处施加压力，使弯曲金属工件形成反向弯曲后最终达 到到平直状态。矫直工作过程是：通过操控台将待矫直零件的材料、几何特性 等参数输入计算机系统；系统便对该工件的弯曲变形通过传感器进行自动检测， 依据检测信息来确定压点和支点的位置；通过运行存储于计算机系统中的程序 对输入和检测信息进行处理，依据处理结果向控制系统发出指令，控制压头的 压下量即伺服电机带动曲柄滑块运行的行程，完成第一次矫直；然后进行第二 次检测、信息处理、若工件未达到使用要求则自动再次进行矫直，如此循环往 复，直至工件达到规定的精度为止。由于导轨结构等方面的原因，在批量生产 中往往要合理布置各种矫直工序，以确保导轨加工精度要求。 在所有的三点弯曲矫直工艺设备中，当f j 应用较广的矫直设备大概分为以 下几种类型：普通液压矫j 下机、手动伺服精密矫直机、进口的全自动精密矫直 液压机。上述矫直设备广泛应用于汽车制造、拖拉机制造、机床加工制造等机 械加工行业，用来矫直各种因制造，加工，热处理工艺等而发生弯曲变形的轴 类零部件。通常情况下可以矫直的轴类零件的的直径、长度都不太大。本文独 立设计了基于曲柄滑块机构的压力矫直机的整体结构，进行了矫直机各部分的 参数计算，对关键零部件进行了校核，保证其正常工作。采用s o li d w o r k s 软件 建立了矫直机各部件的三维模型，以此来验证各部分设计的合理性，并制定合 理的装配顺序，生成了矫直机的实体模型。运用a b a q u s 软件对夹头和压头等关 键部件进行有限元分析，对矫直机的校直精度进行分析，经过论证完全适合设 计要求。 1 1 2 本课题的来源 本课题来源：湖北省自然科学基金：集多挠度在线检测与回弹预测的多点 2 武汉理f ：人学硕十学位论文 多步矫直方法研究，2 0 0 5 7 2 0 0 7 9 。 1 2 和本课题有关的国内外研究现状 就我国的工业发展水平来看，常规的矫直设备尚需添补和改造，不过应该 尽可能的采用高效能的常规设备，如新的拉弯矫直设备，新的3 一卜3 矫直机， 大型二辊矫直机，滚动模转毂矫直机及变辊距矫直机等；新的矫直技术也需积 极开发，如振动矫直、高效高精度滚光矫直、液压拉弯矫直、高精度压力矫直， 矫直过程的计算机控制、复合辊行的矫直技术以及复合转毂矫直技术等；在矫 直理论研究方面应该走出自己的道路，如材料强化影响的计算机方法、变形能 的测定及计算方法、等曲率塑性区长度及深度对矫直质量的影响，在矫直过程 中克服残留应力影响的方法，减少矫直过程的摩擦损失，最佳结构参数的确定 方法，斜辊的受力测定与计算方法、热处理轧材的矫直方法以及双向旋转矫直 法等担1 。 2 0 世纪七、八十年代开始，法国、德国、美国、同本和前苏联等发达国家 陆续研制开发出具有本国特色的全自动精密矫直机，从而大大提高了生产效率， 同时也极大得提升了产品质量和竞争能力，取得了非常显著的综合经济效益和 社会效益，精密矫直机得到越来越广泛的重视和应用。随着我国改革开放的历 史进程不断向前推进，机械制造业在国民经济中越来越具有举足轻重的作用， 国内企业逐渐走出国门，随着产业升级，技术改造的推进，国内机械加工制造 企业对全自动精密矫直机的需求也逐渐增大。但由于我国在自动矫直机研究制 造方面起步较晚，大多数厂家采取传统工艺制造的手动压力矫正机，因其矫直 下压量难以准确控制，矫直精度较低并且矫直效率低，难以满足生产效率和质 量要求。目前矫直工艺理论研究大多是针对轴类和管类零件，随着工业技术的 发展，非轴类零件的压力矫直也必定会提上同程。因此，高精度，精密自动化， 大型化的压力矫直机研究将是矫直机发展的趋势协。 1 3 研究目标和内容 1 3 1 研究目标 压力反弯矫直是施加压力使待矫直工件发生弹塑性反弯，卸载后该工件弹 武汉理工大学硕士学位论文 性回弹，并保留一部分永久变形。初始时，具有初始弯曲量瓯的零件，两边支 点支撑，中点处加载压力载荷，后发生反方向弯曲，反向弯曲量是瓦，工件产 生弹塑性变形；在卸掉f 之后，工件变形中一部分为塑性变形，另外一部分为 弹性变形会弹性回弹，如果工件的回弹量恰好与弯曲变形量万。相等，则该工件 就得到矫直。这时，全部下压量也就是矫直行程为瑟= 8 0 + 氏。 直线导轨的初始曲率既包含随机性又包含规律性，随机性是指弯曲部位和 弯曲程度在每一根导轨上都不相同；规律性是指弯曲部位一般来说多集中在某 处或某几处，弯曲程度最大不会超过某种限度，并且变化是连续的h 1 。综合来讲， 截面模量较大的工件和长度较小的工件其原始弯曲也较小，同时曲率变化的梯 度也较小。 选择的压力矫直工艺应与原始曲率的随机性和规律性保持适应。比如说两 支点的距离可以调节，压头位置也应该可以调节，这牙膏才能确保施加的载荷 作用在工件原始曲率最大的地方；工件必须能够翻转一定的角度，以确保各个 方向上的弯曲都能够被矫直。当然，根绝工程力学的知识，我们应该了解到， 在压弯同样的工件时，如果两支点问间距变大，则所需的矫直力会变小，因此 若工件的初始曲率变化较人时，此时要缩短两支点l 日j 的距离；此外，截面面积 大的工件一般来说初始曲率较小，同时曲率变化梯的范围也较小，因此需要大 一点的支点距离，所以两支点间的距离也应该可以调节。只有这样才能确保得 到较好的矫直效果和矫直精度。 压力矫直工艺中下压量的调节也非常重要，因为采用恰当的下压量，则在 卸载后工件的矫直程度4 会很好。一般来说，采用单纯弯曲的方式来进行反弯 矫直在实际上是行不通的。因为轴类工件各处的原始曲率往往并不是一致的， 此时若单纯采用固定的反弯弯矩来矫直，其结果是不仅达不到矫直工件的目的， 反而将造成工件上之前直的部分产生弯曲。所以现实生产应用中，往往会选择 三点弯曲矫直方式。矫氲机的结构设计和控制系统也要考虑并实现这些工艺旧! 。 下面依据直线导轨通常变形的三种情况，依次来讨论所应该采取的合理矫直方 式： 1 ) 工件上存在单个弧度的变形情况 通过材料力学的知识我们可以知道，对于此类简支梁，就算是压力作用点 不在中点处，它的最大变形也会发生在中点不远处，因此要尽可能的防止将之 前没有变形的部分压弯，压点通常要定在初始变形量的最大点或者接近最大点 的地方。同时两个支撑要尽可能对称分布于压点两侧。支点间的间距应该依据 4 武汉理工大学硕：t 学位论文 原始曲率变化幅度来选择。因为弯矩变化梯度等于支点反力，所以矫直时要手 工设置弯矩变化梯度同工件原始曲率变化梯度一致，则易取得较好的矫直效果。 而原始曲率变化梯度是决定于截面特性和零件长度的，它j 下比于抗弯截面模量， 反比于长度。在截面特性相同的条件下，加长距离相当于减小曲率变化梯度， 矫直的规律和弯曲的规律是一致的。在截面特性不同的条件下，对于大截面的 零件可加长支点距离，这样既能减小矫直力，又符合原始曲率梯度；对于小截 面的零件可缩短支点距离，这样既能符合原始曲率梯度，又可充分发挥机器的 能力。 2 ) 有二个或二个以上弧度的变形，总变形为有限个 使用第一种情况的方法针对每个弧度依次进行矫直处理，以达到对材料矫 直的目的。 3 ) 有无限多个弧度的变形，也就是波浪形的变形 这种情况下，冈为相邻两弧度之间距离太小所以不可以使各弧度逐个得到 矫直。针对这种情况，考虑到可以加载较大的反弯弯曲，卸载后各处的弹复曲 率都将是一个常数，凶而使得各处残留曲率的相对值均为常数。也即是 兑先施 加一个或者两个较人的反弯压力使得工件在卸载后变成一个或两个较大弧度的 残留曲率。经过这样的处理之后，就可以对该工件按第一类情况或者第二类情 况的方法进行矫直处理。此时的变形情况已经明确，选择合适的支点问距、合 适的压点位置同时确定好所需的压下量，则可以对工件进行矫直处理，并使工 件在卸载之后弹复变直。 这里采用反弯挠度与回弹挠度相等的变形原则，是矫直时所需的最小变形， 矫直后的残留挠度等于零。零件在奇偶安置过程中存在二个阶段：其一，零件受 压后产生弯曲变形；其二，压力撤销后零件的弹复变形| 6 1 。由图卜2 可知，当k ，= 0 时，即当万户瓯( 反弯挠度等于回弹挠度) 时，零件在卸载后弹复变直，用曲 率表示为：k ，= k 。 武汉理一i ：大学硕士学位论文 磊 磊 图1 - 2 矫直变形示意图与曲率关系图 系统的工艺流程图如下： 图1 - 3 系统工艺流程图 系统工艺流程简介：系统有进料模块，测量模块，仿真模块，执行模块四 6 武汉理t 大学硕十学位论文 大模块组成。将工件置于水平支架上，由进料模块将工件置于工位上；然后由 测量模块开始测量，光源发出光，照射到传感器上，当工件遮挡了部分光线会 有数据采集系统采集信号，系统接到信号后开始装夹工件。以工件矫直支点为 坐标，测的工件的相对直线度误差。如果误差在设定的范围内，那么进给机构 将工件水平移动一段距离进行下一次的测量。如果误差超出范围则由系统推算 出矫直的行程，然后对工件进行压力变形 1 。完成一个方向的矫直后，工件反转 9 0 度，矫直工件另一个方向的直线度。 系统实现自动控制，技术方案如下： 整个系统配有工业控制器，具有自动送取料、自动测量、计算机控制、实 时监控功能。系统共分为四个模块，包括进料模块、测量模块、工业控制模块、 矫压模块等。 金属条材直线精度提升系统一 l 上 ，r1，土 i 送料模块 测量模块一工控模块一脏模块一 l i ，r 控制系统硬件一控制系统软件一 图1 - 4 直线导轨校直系统结构简图 系统结构如图所示，其中( 1 ) 送料模块由底座、央头、工件步进及跨距调整 装置组成；( 2 ) 测量模块由位置传感器、测量系统装央台组成，测量条材直线精 度；( 3 ) 工业控制模块分为控制系统硬件和控制系统软件：控制系统硬件由工业 控制器、总线硬件、伺服电机、辅助定位、限位单元组成：控制系统软件由误 差测量软件、误差处理软件、控制软件组成；( 4 ) 矫压模块由光栅传感器、光栅 采集卡、矫压变形系统组成。 1 3 2 研究内容 本文主要做以下内容： 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 精密直线导轨矫直机总体结构设计与系统分析，其中包含：矫直机机架， 动力装置，传送装置及其支撑系统，夹紧装置，压弯装置，定位系统，主要是 系统的介绍矫直机的结构。 2 重要组件的有限元分析和其余部分的选取，着重对央紧装置，压弯装置 进行系统设计，对涉及到的传感器进行选择。 3 矫直机性能分析。精密直线导轨矫直机具有自动化，高精度的特点，所 以要针对其相关性能进行分析，以确保校直精度达到规定标准要求，并具有较 好的稳定性。 1 4 本章小结 本章介绍了研究精密直线导轨矫直机的目的和意义。以及矫直机的国内外 发展现状，同时结合项目提出的要求，确定了本论文的研究目标和内容。 8 武汉理丁大学硕十学位论文 第2 章矫直理论与参数计算 矫直理论是运用材料力学和弹塑力学的基础理论，说明金属条材弹塑性弯 曲的基本原理以及各种矫直方法的基本原理。主要涉及弯曲矫直过程中的应力 与应变、弯矩与曲率、能量与曲率、以及各种曲率之间的关系。压力矫直亦称 简单反弯矫直，由于条材各处的原始曲率并非均匀一致，用同一的反弯弯矩进 行矫直，往往达不到矫直目的，而且纯弯矩的加载也是很困难的1 8 1 。实践证明， 压力矫直是简单可行的合理的矫直方法。 图2 - 1 矫直原理图 条材的原始曲率既有随机性也有规律性。所谓随机性是指弯曲部位和弯曲 程度在每根条材上都互不相同；所谓规律性是指弯曲部位较多的集中在某处或 者某几处，弯曲程度最大不超过某种限度，而且其变化是连续的。如细长条材 容易产生龙弯，而且头部弯曲较大；短粗条材的弯曲方向单纯，而且弯度较小。 这里所反映的基本规律是断面模数大的条材，其曲率变化的梯度小；长度小的 条材，其曲率变化的梯度也小。反之，其曲率变化的梯度大旧 l 。压力矫直的工 艺规范应该同这种随机性及规律性相适应。因此支点距离应该可调，压下量应 该可调；条材应该能自由位移，保证压力集中作用在原始曲率最大处；条材应 能翻转一定的角度，可使各方向的弯曲得到反弯矫直。 2 1 金属材料的弹塑性弯曲 2 1 1 弹塑性弯曲的基本概念 金属材料的弹塑性弯曲是既有弹性变形又有塑性变形的弯曲。当弯曲变形 达到屈服极限之前，各条纵向纤维的变形可以看作简单的拉压变形，并遵守虎 9 武汉理- t ：大学硕十学位论文 克定律，应力与应变之间有线性关系：o r = e 占。式中的系数e 即弹性模量， 是与金属种类有关的弹性常数。常见的e 值见表2 1 。 表2 - 1 常用金属材料弹性模量表 序号 材料名称弹性模量e g p a切变模量g g p a 泊松比p 1 镍铬钢、合金钢 2 0 67 9 3 80 2 5 o 3 2 碳钢 1 9 6 2 0 67 90 2 4 o 2 8 3 灰铸铁、白口铸铁 1 1 3 1 5 7 4 4 0 2 3 0 2 7 4 轧制磷青铜 1 1 34 10 3 2 o 3 5 5 轧制纯铜 1 0 83 90 3 l 0 3 4 6轧制锰青铜1 0 83 90 3 5 7 冷拔黄铜 8 9 9 73 4 3 60 3 2 0 4 2 8轧制锌8 23 lo 2 7 9轧制铝 6 82 5 ，一2 60 3 2 0 3 6 当弯曲变形达到屈服极限之后，该条纵向纤维的应力与应变关系不再遵守 虎克定律，而且必然有一部分变形得不到恢复而成为永久变形。弹塑性弯曲在 方式上，有受弯矩作用的纯弯曲；受横向载荷作用的梁弯曲；绕过圆柱体受拉 力作用产生的拉完；圆形材料和零件在旋转中守弯矩或横向载荷作用而产生的 旋转弯曲：板材在轧制过程中由于变形不匀而产生的双向波浪弯曲；f j 三种弯 曲都属于单方向的弯曲，我们称之为一维弯曲；旋转弯曲与波浪弯曲为二维弯 曲；双向波浪弯曲或称瓢曲呓。 假设材料任意厚度处纤维的纵向变形为占，在弹塑性交界处的变形为占，在 弹塑性交界处的厚度为力，。可推导出： l o 武汉理i ：人学硕士学位论文 ，一hl ，一h t 占= j 口= 2 2 p z2 z2 z 弘撒= 一p = 百s 一2 瓦占， hh t ( 2 1 ) 假设善= 等称为弹区比。这些变换关系，对于理想会属或对于强化金属都 是适用的。 2 1 2 弹塑性弯曲的弯矩 厂v n j e , t 1一 _ ，-口r o l l i l l i 7 - ! ) ff 广 占 - - 图2 - 2 矩形条材弯曲应力应变图 这罩主要讨论矩形断面材料，根掘弯曲应力与应变关系，设断面宽度为b ， 则其弯矩为： m = 2 毫2 b o z d z + 2 dfl-i】f：2 b 。| z dz 旬 。 q e 一犯 哮 生融一旦弛旦阻卫、 h p 口 武汉理+ r 大学硕+ 学位论文 2 z o - 由几何关系知仃2抽，代入上式，得： m = 2 b f , 2 争2 d ：+ 2 b 胆o t z d 2 ：h 籼t 积分后整理得 m = m ，( 1 5 一o 5 f 2 ) ( 2 2 ) 式中z 。为弹性断面模数， ， b h 。 么，= t 5 m 为弹性极限弯矩， m r = z r 仃f 。 假设称为塑弯比，则 m = 1 5 一o 5 4 2 ( 2 - 3 ) 由上面两式看出，弹塑性弯矩( m ) 与弹区比( m ) 成反比。弹区比越大， 塑性区越小，故弯矩越小；塑弯比也越小。式( 2 3 ) 是两个无因次量的关系式， 因此它适用于任何理想会属的矩形材计算“3 1 。 现在以材料中点受集中载荷为例，来分析各断面的弯矩和塑性区的变化情 况。按图2 3 的简支梁来考虑，其弯矩与x 轴坐标关系为 l m 7 妥式 一， 二，-壬 火 d 1 6 2 t - 一 4 - 0 ，【6 2 1 d f ! l - p o 丁 t 毒 i t 、) 。 1 _x 一- ，i 一一l 一 f n t ，一 h n 面一一 一 i ， 一 ( 图2 - 3 矩形断面的m - x 曲线与f x 曲线 ”詈( 纠 1 2 武汉理i ：人学硕士学位论文 式中1 为支点距离，f 为集中载荷。 这个弯矩在塑性变形区内时，要与断面的弹塑性弯矩相平衡，即 m 工= m ，( 1 5 一o 5 六) 式中六为距中点x 处断面的弹区比。 于是可以写出 导( 兰一x ) = m ，( 1 5 一o 5 ) 即 x = 三2 一弘+ 等+ 丝f 幺亿4 ) f i f ” 此式代表一抛物线，式中，、m ，、f 是已知量。对于一定断面尺寸的材料，m ， 是常量。此式改变支点距离1 和载荷f ，都会使抛物线的形状受到改变1 1 4 1 。如加 大f 力使材料中点达到最大弹塑性弯矩时，即x = o 处m = l 5 m ，时，由式( 2 4 ) 知，在x ：o ，f 。：o 条件下的f ：6 竽 在这一载荷作用下，弹性极限弯矩将发生在 主c 圭叫= m ， l ! p 半c 扣= m ， |ll 即z = 处。由材料中点算起，到 处止为弹塑性变形区。由 处起到支点 666 止为弹性变形区。弹性区长度为三3 。 前面已知 mm a x ：一z s ：万一 一一一一，i ， m ， z ， 即最大塑弯比等于塑性断面模数与弹性断面模数之比。计算的结果表明， 许多不同的断面，其砺。相同或接近；一些相同断面，由于尺寸不同或放置方 式不同，其一m 。并不相同。所以称万懈为最大塑弯比。 1 3 武汉理j ：人学硕十学位论文 2 1 3 弹塑性弯曲的曲率 金属条材在矫直加工中的受力状态基本上属于集中载荷作用。在压力矫直 状态下，考虑到工件的弯曲及接触点的弹性压扁，载荷作用点也将形成一个小 面积。在力学分析上将它们简化成集中载荷，只能说比较接近实际；在几何分 析上从微小线段来考虑弯曲的曲率与变形，也是既接近实际又方便的引。弯曲时 的曲率关系如图2 4 。 图2 4 弯曲时的曲率关系 按材料原始为弯曲状态来分析，设其原始曲率为c o ，相应的曲率半径为p o ； 弯曲后的曲率加大为c 。，相应的曲率半径为户。；弹复的曲率为c s ，相应曲率 半径为p s ；弹复后的残留曲率为c f ，相应曲率半径为p c ；这时总弯曲曲率为c ， 它是压弯前后的曲率差，其相应的曲率半径为统；塑性曲率为g ，它是压弯前 与弹复后的曲率差，其相应的曲率半径为以。上述这些曲率同样是代表单位弧 长的弧心角，因此他们之间的关系也是角度关系，故有 g = c w + c o q = c w c c ( 2 5 ) e = c c + c o 此式中曲率皆规定：凹者为“+ ”，凸者为“一 。 弹塑性弯曲所达到的弯矩为： m w = m ，m 1 4 武汉理下大学硕士学位论文 故 c r = 等砺( 2 - 6 ) j e l 式中告= c f ，称为弹性极限曲率，故上式可写成 c i = c m 令c ，c f = c i ，称为相对弹复曲率，于是有 c 厂= m ( 2 7 ) 可见，相对弹复曲率等于塑弯比，因此他们有共同的最小值 c 。i n5 m i n i = 1 ，和共同的最大值肘一。由表2 1 知，各种型材的 m 一= 1 2 2 。因此，理想会属材料的最大弹复能力只比纯弹性弯曲的弹复能 力大2 0 1 0 0 ，根据断面不同，弹复能力也不同，断面的m 一值越大，弹复能 力越大i l 。 下面来分析下总曲率与弹区比的关系，对两种同样的材料，一种进行弹性 极限弯曲，另一种进行弹塑性弯曲，如图4 5 所示。 所以 令c c ，= c ， 图4 5 总曲率与弹区比的关系 q = 等c f = 等g 鱼：旦：土( 2 - 8 ) = = 一= 一 j c t h t乞 称为相对总曲率：上式可变为 一c ：! 武汉理工大学硕士学位论文 即 以矩形材为例，由 改写成 由式( 4 8 ) 、( 4 9 ) 及e = m ，日、c o = c o c , ，可求出其它相对曲率值： c 。= c e c o = 厂( m ) c o c 。= c 。一c ，= 厂( m ) 一m c o c ，= c c 干c o = 厂似) 一m ( 2 11 ) 式( 2 - 7 ) 、( 2 - 9 ) 、( 2 - 11 ) 称为基本曲率方程式。 2 2 金属材料的反弯矫直 如果材料被弯曲时发生了塑性变形，那么卸载后只能回复一部分变形，剩 下部分为永久变形。我们主要研究在原始为平直状态下进行弯曲时，弹复后的 残留变形，此式可称之为塑性变形。反弯矫直是发展最早的矫直方法“引。反弯矫 直法的机械化就是常见的压力矫直机，条材在压头与支点之间形成反弯，并不 断改变压下量，可使各种程度的原始弯曲得到矫直。 2 2 1 矫直原理 条材的原始曲率既有随机性也有规律性。所谓随机性是指弯曲部位和弯曲 程度在每根条材上都互不相同；所谓规律性是弯曲部位较多地集中在某处或某 几处，其变化是连续的。一般来说，断面模数大的条材，其曲率变化的梯度小； 长度小的条材，其曲率变化的梯度也小。压力矫直的工艺规范应该同这种随机 性及觇律性相适应。因此支点距离应该可调，压下量应该可调；条材应该能自 由移位，保证压力集中作用在原始曲率最大处；条材应能翻转角度，可使各方 向的弯曲得到反弯矫直。 1 6 武汉理工大学硕七学1 7 ：论文 图2 - 6 支点距离与弯矩梯度 结合图2 - 6 ，来分析两种支点距离、两种压力时的曲率变化梯度，当条材矫 直所需的弯矩确定之后，支点距离越大，矫直力越小，即由 m n l 默- - 竽= 竽 得 三坠：量或丝k ：墨 ，l 2 ，2 2 可见弯矩变化梯度等于支点反力，对于大断面的条材矫直可以加长支点距 离，对于小断面的条材矫直可以缩短支点距离。 条材在反弯矫直时，支点距已经选定合适，还须选用一个一确的压下量， 才能使条材在卸载后弹复变直。因此压下量的调节也是矫直质鼍的决定因素。 现取- - d , 段单位长度条材进行反弯矫直，如图2 7 所示。 1 7 武汉理工大学硕十学位论文 f、v、7 卜_ - 一_ 一 、 图2 7 反弯矫直的变形与曲军 假蹬条材的原始弯曲半径为, o o ，反弯的曲率半径为p 。，卸载后弹复变直。 即原始截面n 。转到d ，b t 后弹复n a ：如位置。这种变化也相当于在最后状态的条 材上出口。蚝位置转到口，“后再弹复到d ：6 2 位置l 。从角度关系柬找出曲率关系， 即c ，= c 。如果用挠度来表示，也可以说弹复挠度等r 压弯挠度，即j ，= 氏。 这时总的曲率变化为q = c 0 + c 。由于塑弯比m 是相对总曲率c ：的函数，m 也是于。+ 己。的函数。已知一c 。= 一c ，= 一m ，故可写出于。一面= 0 ，把它再写成 一c 。及己。的函数形式为 e ( c 。c o ) = 0 ( 2 1 2 ) 此式称为矫直曲率方程式。 下面以矩形材为例，已知 一一 1 c 。= m = 1 5 0 5 ；二= i i c 。+ c or 可改写为 i ：+ ( 2 己。一l5 声：+ 【：一3 i 。e 。+ 05 1 5 i ：= 0 ( 21 3 ) 此式就是矩形材的矫直曲率方程式y ( c 。，c o ) = 0 的具体形式。给定一系列 武汉理一r 大学硕士学位论文 石。值后解出对应的弓，值，并作出石。一一c 。曲线。该曲线可适用于理想金属各种 矩形断面轧材的矫直曲率求解。 2 2 2 矫直力与矫直功 根据矫直弯矩m 及支点距离1 可以算出矫直力 f ：丝 ， 在设计压力矫直机的结构尺寸时，需要按最大矫直力进行计算，故需求出 最大矫直力 = 竿= 4 ，m ，m 一 为了计算压力矫直机的动力参数，尚需算出压力矫直功，由于矫直功增量 等于挠度增量与压力增量的乘积，故矫直功为 = f d w = rf d 巧d ， 这个功应该等于两支点问全部弯曲长度的每斡位长度条材弯曲变形能的总 合，即 w = u x d j 弯曲变形能畋在塑性段是弹区比六的函数，万，也是关的函数；由图2 8 知m ，2 。故与工也有函数关系。因此式的积分是可行的。弯曲变形能 在弹性段可用材料力学方法求出。故上式可改写为 = 等，f + 2 托d ， 倍 现在以矩形材为例，因为 万一- 1 5 _ o 5 2 故 六= ( 3 一翁 所以矩形材的变形能为 铲警b + 六) = 等b 3 + 叫 1 9 武汉理r 人学硕斗：学位论文 式( 2 1 4 ) 中积分项对于矩形材来说可具体表达为 2 f ，2 等岭卜孵2 x ，v 2 - - 1 ”m 日? r 3 8 l t - 9 l 七h 啦 代入式( 2 1 4 ) ，得矩形材的矫直功 ：筹竿七h h l 2 在最大弹塑性弯曲情况下，f ，刮p ，代入式( 2 1 5 ) 中，得最大矫直功 。m l 7 嘲 1a e j 这个最大矫直功是计算电机容量的根据。大多数压力矫直机都带有飞轮或 具有较大的飞轮力矩，因此电机容量的选择要考虑飞轮力矩的作用。 2 3 本章小结 本章首先介绍了弹塑性弯曲的基本概念，接着介绍了弹塑性材料的弯矩和 曲率及其相互问的关系，并以金属矩形材为例，详细介绍了金属材料反弯矫直 的矫直原理，矫直力与矫直功。 x 一 ，堡l l 一2 j +一 必 rj x 一 垒 一 2 一r fn，“孵面鲫一2 得 = ， ， ” 后入 带值 矢 将 武汉理 ：人学硕十学位论文 第3 章矫直机的总装设计及总体结构分析 3 1 总体方案选定 各行各业的机械装备中，大量使用轴、管、棒