（材料加工工程专业论文）基于参数化的剖切模具cadndcad的研究与开发.pdf

大学硕士学位论文 abst r a c t ab s t r a c t z t h i s p a p e r c a r r i e d o u t c o m p r e h e n s i v e a n d s y s t e m a t i c s t u d y o n t u b e n o t c h i n g t e c h n o l o g y a n d e s t a b l i s h e d t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f n o t c h i n g - m e t h o d . u s i n g t h e g e o m e t r i c a l r e l a t i o n s h i p o f n o t c h i n g c u t t e r a n d t u b e , t h i s p a p e r d e r i v e d t h e d i v i s i o r y c r i t e r i o n o f e n d - n o t c h i n g t e c h n o l o g y a n d m i d d l e - n o t c h i n g t e c h n o l o g y . a d o p t i n g v e c t o r i a l e x p r e s s i n g m e t h o d , t h i s p a p e r a n a l y s e d a n d o b t a i n e d t h e a c t i n g s u r f a c e o f n o t c h i n g c u t t e r f o r c e , d e r i v e d t h e e x p r e s s i o n o f n o t c h i n g c u t t e r d e s i g n p a r a m e t e r s - - b 3 .模具结构比 较复杂， 工作稳定性较差， 加工质量不够稳定; 4 .凸凹模寿命过短， 需 要 经常更换凸凹 模， 降 低了 生 产效 率。 为了使这一工艺能够 很好地服务于生产实际， 我们甜要将这一工艺进 行具体、深入的理论 分析， 分析加工过程、 受力情况及产生 缺陷的主要原 因，由此获得优化合 理的模具加工参数来指导生产。 重庆大学硕士学位论文 t前言 1 . 2 课题的 研究 背景 剖口 工艺是随着自 行车、 摩托 车、 家具 等行业的 兴起、 发 展 而逐 渐发 展起来的。 通过 对国内 外文 献的 检索， 很少有人对它进行过系 统、 深 入的 研究， 而只有零 碎、片面的经验见 诸文献。 在传统设计中 有很多重要的工 艺参数都是通过实验或设计者的经验来确定的m , 同 ，这造成了 模具设计的 盲目 性， 影响了 剖口 工艺进一步的 推广。 关于 剖口 模具c a d ( n d c a d ) 也只有重庆大学锻压教研室在 a u to c a d r 1 2平台 上进行过研究开发工 作. 目 前， 随着研究工作的不断深入和开发平台的升级， 原有的n d c a d v 1 .0软 件m 已 经在兼容性、 稳定 性 和可 扩展性方面发 现有不足 之处， 因 此 实 现内 核 更新和版本升级是非常 有必 要的. 剖口 模具结构比 一般的模具结构更为复荆10 , 1 1 1 ， 特别是对凸、 凹 模。 我们 采用 参数化设计的方法， 只需 用 户少 盘 参与即 可生 成模具图， 节省了 大t的时间，而又可以 得到合理的 参数值，因 此极大地提高了 剖口 模具的 设计质f， 缩短了研发周期。 对一些常用的标准件，我们将其分系列建成 图库， 用户使用时只需根据一定的 标准直接加以选用。最重要的常用件图 库之一是 滑块， 这种滑块结构复杂， 我们建立了五 个系列共计十五类的滑 块， 基本上满足了最大多数用户的需要。 本课题在原有的n d c a d v 1 .0架构的荃础上，采用全新的 面向 对象 的 开 发 手 段o b j e c ta r x ， 并 且 结 合 工 艺 方 面 的 最 新 研 究 结 果 ， 在a u td c a d 平台上开发出了 适用于a u t o c a d r 1 4 , a u t o c a d 2 0 0 0 . a u t d c a d 2 0 0 0 1 及其以 上版本的剖口 模具计算机辅助设计软件一n d c a d v 2 .0 . 1 . 3 课题的主要工作及特点 管材剖切工艺技术研究及其模具c a d系统的研究与开发主要包括以 下部分: 1 .管 材剖切 工艺 技术 研究 ( 1 ) 剖口、 切口 工艺划分 ( 2 ) 剖口、 切口 工艺分析及凸凹模参数优化 ( 3 ) 切口 刀具力学分析 2 .软件n d c a d系统的研究与开发 ( 1 ) 剖切凸 模设 计子系统 ( 2 ) 剖切凹模设计子系统 重庆大学硕士学位论文 i前言 a . 上凹 模设 计 子 系 统 b . 下凹模设计 子系统 ( 3 ) 剪管刀具设 计子系统 ( 4 ) 剖切工艺分 析 子系 统 ( 5 ) 常用斜滑块结 构及参数图库 ( 6 ) 常用斜滑块典 型零 件图 库 ( 7 ) 典 型模架库 ( 8 ) 常用件图 库 氏标准图框图 库 b . 国标标准件库_ c . 常 用 符 号 库 d . 绘图工具 库 课题工作的主要特点: 1 . 对剖切工艺 进行了 进一步系统、全面的研究， 优化了 工艺设计参数， 解决了 剖切工艺中存在的缺陷，为剖切工艺 提供了 理论基础。在论 文里推导建立了 剖切工艺的分类标准，划分为 剖口 和切口两种形式: 对剖切工艺进行了 详细分析，优化了模具设计参数;对剖切工艺进 行了力学分析， 得到了作用力的定f表达式。 2 . 开发了 剖口 模具c a d软件n d c a d v 2 .0 。 该软 件系统结构完整、功 能全面，经过实践生产证明具有很大的实用价值及推广价值。该软 件实现了凸 凹模的参数化绘图，完善了 常用件库及标准件库， 提高 了 程序执行速度和系统稳定性，同时也提高了 设计精度。 3 . 软件具有良 好有用户界面。根据用户要求， n d c a d系统沿用了大 f的 对话 框 及 菜 单， 所有操作全部是以 图 框、 菜 单、 对话框等形式 进行， 操作方便、 直观、生动、 高效。 4 . 软件具备完善的 容错功能和后续开发功能。 在以 后的研究开发工作 中可以继续方便使 用新的开发手段进行开发。 2管材剖切工艺基本理论分析 2 . 1 剖切工艺简介 下凹模 管材 上凹模 凸模 1a i、 3 ( a ) 切口 4 、 ( 卜 ) 剖口 、 图2 . 1 剖切工艺示意图 此处所说的管材剖切工艺包括管材剖口 和切口 两种工艺，实际上管材 剖口 和切口 都是用冲压方法得到圆管端部的 相贯线，两种工艺 并无实质上 的区别， 只是为了 便于研究才如此划分 19 1 。剖切示意图如图2 . 1 所示，是 以 具有特定型面的切刀为凸 模，凹 模同时 起到压紧作用，管 端材料在凸、 凹模作用下逐渐分离，从而切出圆管端部的相贯线。 从图2 . 1 可以 看出，剖口 工艺中凸 模从管材端部切入，而切口 工艺中 凸模中从距离管端处切入。剖口、切口 工艺的选择与两管的夹角a有关， 当a 角在9 0 0附近时， 采用切口 工艺，当a角比 较大时， 采用剖口 工艺。 因此需要确定一个准则，用来判断选择剖口、切口 工艺。 2 . 2研究目 标 在实际生产中， 常采用两种不同形状的刀具，图2 .2 ( a )为单一柱面 重庆大学硕士学位论 文 2管材剖切工艺荃本理论分析 刀 具， 这 种刀 具 具 有 三 个基 本 参数: r .刀 、b 。 图2 .2 ( b ) 为 双 柱 面刀 具， 其形状比 单柱 面刀具复杂， 这种 主要参数。 如何确定 刀具的 这些参数 刀 具 具 有刀 、 8 、 r d l , r d 2 和h 五 个 及怎样选择刀 具的形状， 这对剖口 质 it的影响是至关重 要的。 ( a ) 单一柱面( b ) 双柱面 图2 .2 两种刀具形式 本章的研究目 标是: 1 ，确定选择刀具形式的 标准; 2 .确定剖口、 切口 工艺的选择标准; 2 . 3刀 具形式的 确定 将图2 .2投影 到 与 轴线垂直的 平面( 12 1. (13 1 ， 得到图2 .3 ( a ). 分析该 图 可以 发现 这 样 的 一 个 情 况: 当r ,- r 2 或 者r . 与凡很 接 近时， 被 剖管 管 端切口 很尖锐。 这在实际生产中是不容许的，因 为切口 经常被拉裂， 产生 很尖锐的毛刺， 造成管端切割质t很差， 在焊接时不蒯it 好地吻合。 为解 决这一缺陷， 采用 两 部 分圆 柱面作为刀具的 刃口 ， 刀 具形式如图2 .2 ( b ) 所示. 小圆 柱 面 的 半 径仍 然 等于r , ， 大圆 柱 面的 半 径 及高 度 值h可以 如 下计算: 孟庆大学硕士学位论文 2管材剖 切工艺荃本理论分析 当r ,- 时， r .,= r 2 - ( r 2 - t) 2 + r 2 = j 2 r 2 - ( r 2 - t) 2 ( 2 . 1 ) 当r l j4 r 2 时， r. i 扩 r ; 一 ( r 2 一 ， ) 2 + r 2 ( 2 . 2 ) h = r , - 了 r ; 一 ( r 2 一 ，) ，( 2 . 3 ) 一般地，如果: ( d r , k , 凡 .k ,- 1 .1 - 1 .2 ， 贝 o r 用图2 .2 ( a ) 所 示 的 刀 具， 即 用 单 一 圆柱面作为刀具的工作面; )r , s k , 凡， 则 采 用 图2 .2 ( b ) 所 示 的 刀 具 ， 即 用 双 圆 柱 面 作为 刀 具 的工作面， 参数值如下: r , = k , 凡. ， k = 1 .0 5 1 . 1 0 双柱 面的内 外 半 径 为 : r d l = r , , r d 2 = 凡 , h = r , - v r ; 一 ( r 2 - t ) 2 ( 2 . 4 ) 图2 .3刀具圆 柱面的 确定 采用双圆柱面作为 剖切凸模的工作面时， 管端尖锐部分变大， 小圆 柱 面之间的刃口 被切掉， 切口 平整， 防止了 管端拉裂、 毛刺大等缺陷的产生， 保证了 被剖圆管r 2 在 焊 接时能够与r . 很好地吻 合。 !庆大学硕士学位论文 2管材剖切工艺基本理论分析 2 . 4 确定剖口、切口工艺的选择标准 2 . 4 . 1 相贯线方程 设圆柱面 z i 的轴线为l 1 1 14 1 1 1-9 ，圆柱面 z 2 的 轴线为 l 2 , l 1 与l 2 相交 于 o 点， 我 们以 o 点 为 原点 建 立三维直角 坐 标 系， l 1 , l 2 均位于 y o 2 平面 内。坐标系如图 2 .4 所示: 圆 柱 面z 2 的 方 程 为 :扩+ 护= 对( 2 .5 ) 其中， 凡为圆 柱面z 2 的半 径。 圆 柱面z 1 的 半 径为r , ， 轴 线为l 1 , l 1 的方程是: x=0 y s i n a一 z c o s a=0 因此，圆柱面z i 的方程为: 图2 .4 求 解坐标系 x 2 + ( y s in a 一 z c o s a ) 2 二 r ; ( 2 . 6 ) 当 a 二 。 时 ， 简 化 为 : 尸+ 砂二 r 2 当 a = 粤 时 ， 简 化 为 : z 相贯线t 为圆柱面z 1 x 2 + 少 ， = r ; 与圆柱面z 2 的交线， 其方程可以表示为: x 2 + z ， 二 心 x 2 + ( y s in a 一 z c o s a ) ， 二 r ( 2 .7 ) 2 . 4 . 2 建立确定剖切方式的 数学模型 !庆大学硕士学位论文 2管材剖切工艺基本理论分析 图2 .5 是图2 . 1 在y o z 坐标面上的 投影。 交点a为 直 线b 1 和b 2 的 交 ( b )考虑t 图2 .5冲头切入方式的确定 b l 的方程为: y s i n a 一 z c o s a二r , 尤=0 ( a ) b 2 的方程为 z = r , x=0 ( b ) rl矛、胜se、 ; 联立解上面 ( a )、( b )两个方程，得到a点的坐标: p a ( 0 ， r , + r , c o s a ， r i ) ， 即 得 : 、s i n a/ y ， = r , + r , c o s ae - s i n a 经过a点并且垂 直于y 轴的 平面t为:夕 = ( 2 . 8 ) r , + r , c o s a s i n a 冲头能否采用剖口 工艺取决于相贯线上否有点 位于if平面的左侧及 这些点到平面的距离。当相贯线上所有的点都位于t平面的右侧， 或者 位于甲平面左侧的相贯线上的点到该平面的距离小于某一特定值时，采 用 剖口 工 艺。 设 最小 的y 坐 标值为、 ， 如 果: ( 2 . 9 ) 杏 烤为一常 数， 推荐 取 为0 .0 5- 0 . 1 ) , 冲头不能 从圆 管 顶 端内 壁切入， 我们 采用切口 工艺。 而当满足: ( 11 0 ) s f 或者: y . ;o z y e ( 2 . 1 1 ) 两种情况之一时， 采用 剖口 工艺。 式 ( 2 . 9 )、( 2 . 1 0 )、 ( 2 . 1 1 )即为 选用切口、剖口 工艺的 标准。 如果采用切口 工艺， 被加工的管端应留 有一段余料， 即刀具刀尖距离管端 有一距离d ，如图2 . 1 ( a )。d 的取值为: d = y , 一 y . . i . 下面来求y . i . 的 值: 先假设采用图2 .2 ( a ) 所示的刀 具， 冲头圆柱面 直 径为r , a ( 2 . 7 )可得: z c o s a 土 廿 无 矛 一 x 2 y = 一 一 一s i n a 分析位于x 2 0 , y ? 。 这两个象限内 的 相贯 线的y . i . 值，则由 作图 式只 由若 所得相贯线上的y 。 可以 得出: z c o s a + 廿 r一 x 2 里 二 一 ( c ) s m a 即 要 求( 。 ) 式 在 x 2 + z 2 = r i 约 束 下 的y 的 极 小 值 。 通 过分 析 可 知 ， 这 是多元函数求极值问 题， 我们用拉格郎日 法来解决。 设: y = ax , z ) z c o s a + j r 一 x 2 竺 二 一一一-， 一一-电 . s i n a 1古界角x1 0 9 . 8 书一，一一一 分 书 即9 5 1 0 0 1 0 5 i l a 临 界角 1 2 0 1 2 5 、 ， 1 刃 图2 .6作图 法 求 临 界 角a s 由 上 图 可 知y a 和y 。两 条曲 线 大 约 在1 0 9 .8 。 左 右 相 交 . 实 际 上 临 界 角a 。 的 精 确 值 是1 0 9 .7 5 0 . 这 里k 取 值 为1 . 1 0 若 采 用 式( 2 . 1 0 ) 和( 2 . 1 1 ) 的 判 断 标 准， 取4 = 0 .0 5 ， 以 y. + 0 .0 5 凡作 图 ， 则y , + 0 .0 5 凡与y a 在 a , = 1 0 6 . 左 右 重 合。 因 此 在实 际 中 ， 对 于r ,- r 2= 1 8 m m , r- 1 .2 m m这 种 情 况 ， a o 大 于1 0 6 。 时 采 用 剖口 工 艺， a . 小 于1 0 6 。 时 采 用 切口 工 艺 。 这时管端有一定的余料d e 又求得: s i n a o =r i 22 y r z 一 ( r 2 一 t ) 2 + r 2 一 r 1 + r 2z 一 ( 凡 一 ， ) ， + r 孟 一( r 2一 t ) 2 ( i ) 风-砚 将式 ( 2 . 3 ) , ( 2 . 4 )代入式 ( i ) 1 整理得: sin ao = 厉百不1).(i + (r )- k 2 (r )2- (k 2+ 1).r 2 r2 渝 ， 2 + k z + i + ( 1 一 二) ， + k z r z 重庆大学硕士学位论文 2管材剖切工艺荃本理论分析 i ( k 2 . (r 1 ) / l 凡一 ( k 2 + 1).(l一 t )2 + k 2r 2 ， ( 2 . 1 6 ) 由 上 可 知 临 界 角 a 。 只 是 会 、 渝 的 函 数 如 图 2 .7 用 二作 为 分 类 的 。 _ 、 二r . 、 ， 、。 。， t 、二，。 ，r , .41,4p fi x ? m ,以 - 7 17 x m, j . ir d l 3 f ma o by t a , mm-s l : y u a o -下 一 e a a - r 2 rt 2 : ; 仍加 .权味咨 i a 1 3 漱衬一 r 产2 图2 .7 临界 角a . 与r i/r 2 的 关 系 从图2 .7 可以看出:在 相 同 的 李情 况 下 r 2 . 、 一 r . 升 . 二 ， _ 一 一 ，.肋开 用 随有 ， 资 川用 人 朋佩 r 2 小。 或 者 用 冬作 为 分 类 的 标 准 ， r 2 以 二为 二 轴 ， r 2 以 临界 角a . 为y 轴， 画 出 一 系 列 二 一 李曲 线 r 2 ，得到图2 . 8 0 重庆大学硕士学位论文 2管材剖切工艺羞本理论分析 报妹穆 0加a 皿a 洪a 加0 . 1 石0.1 皿0 力 图2 .8 临 界 角 a s 与t/ r 2 的 关 系 ， . ， _，. 、 . ，. . 一，。 r , ， 力 人 团 1 . 乙 川以有. 由 : 口 _ ? 日! 刊廿 1 1 胃记 兀 r， r z 临 界 角 随 着 李的 增 大 而 减 r z 一， r . ，j n , p 1 引 6 t 姑 - _ 今、 凡 李的 值 从 上 图 查 出 临 界 角 、 的 值 ， r 2 如 当 r = 1 .2 . 凡 二= 0 .1 r , 时， 从 上图 可以 看出 临 界 角a s = 9 5 .5 0 . 因 此 可以 按 如 下 方 法 确 定 剖 切 形 式: “ 会 、 亩 的 值 ， 用 式 2 .14 或 2.1” 确 定 临 界 角 a s ; 当 “ z a s ， 或 者 a o , z o f ( 3 . 4 ) 因此， 凡( x o 0平面的方程为: , y o , z o ) ( x 一 x . ) + f y ( x o , y o , z o ) ( y 一 y o ) + f ( x o , y o , z o ) ( z 一 z o ) = 0 化简 得: ( x 一 x 0 ) x o + ( z 一 z o ) z o = 0 ( e ) x - x 0 = 义 0 y =y o z一z o r!1 : 0平面法线的方程为 重庆大学硕士学位论文 管材剖切工艺分析与参数优化 设 经过p o 点 并 且 与 切 线y 的 夹 角为ol 角、 位 于 切 平 面q内 的 两 条 直 线为 n t, n 2 ， 设 其 方 向 向 1 7 , 为 , m , n ) ， 则 。 i , n 2 的 直 线 方 程 为 : x 一 x o =v一y o z 一z o 1切刀 因 为1h , 77 2 位于 切 平 面。内 ， 所以77 1 , 17 2 垂 直 于 切 平 面n的 法向 量q ， 即 有 笋 . q 二 。 ， 即 : x.,0, z . i - l , m , n 二 0 化简得: ix o 十 n z o = 0 既 1 = n b其 中 b = 一 丘( f ) x o 设 相 贯 线 上 点 p o ( x o , y o , z o ) 的 切 线 y 的 方 向 向 it 了 为 仓 。 ， ， ， ， 。 。 ， 从 前 面的计算已 知: 二 ，、! 。 、 j=t h , mi , n l i =1 i ， 一 t z o. y o c o s a + z , s m a 卜 x o z . c o s a一y o s i n a z o ( g ) 因为1 7 1 , 77 2 与t 的 夹角为op ， 所以 有: 于 叫 。 5 尹=i二 厂-, = 11 - 11 il l , + m m , + n n , ( h ) l ; + m 子 + 。 矛 一一 a 2 . c o s 2 ( e 弓 , e ) 分 别 为 新 旧 坐 标 系 的 基 底。 0 0 = x o e , + y o e y + z o e , e 二 0 a , ,e , + a z ie y + a 3 , e , 弓= a ,3 = + a n e y + a 3 2 , e ; = a ,3 , + a . e y + a 3 3 e , r.月.1 令 则坐标变换关系为 x = a , , x + a , 夕 , + a ,3 z , 夕 = a n x + a n y + a x ; z z = q 3 1 x + a 3 2 y + a 3 3 z 重庆大学硕士学位论文 3管材剖切工艺分析与参数优化 向ita对 基 底 ( e z , e y , e z ) 的 分 盘 为( a , a z , a a 卜对 墓 底 ( e . , e , e ; ) 的 分 盈 为 ( a al，气与 alz肠气 al气几 因 为x 轴 与x 轴 重 合 ， e = 弓，x = x 所以 有 : a , = 11 21 = 0 , a m = 0 , a , 2 = 0 , a = 0 y o z 坐标面与y o x 坐 标面位于同 一 个平 面内，丫轴与y 轴的 夹角为 a 一 夕， 因 此有， ! y l = l z i l c o s ( a 一 刃 s i n ( a 一 夕 ) 一 s i n ( a 一 fl ) c o s ( a 一 灼 从而得到: a , , = c o s ( a 一 ,6 ) , a = - s i n ( 一 y ) , a , , = s i n ( a 一 ,8 ) , a , , = c o s ( a 一 q ) 0 c o s ( a 一 刀 ) s i n ( a 一 刀 ) 0 一 s i n ( a 一 / j ) c o s ( a 一 刀 ) ( 3 . 1 1 ) ，二一们n r.seeees.l 一- a 故 设在坐标系o x y z 的y轴上有一单位向 量 0 , 1 ,0 ) ，该向 量在坐标系 o x y z 内 为: ，t、阿 洲曰倒撇 0 c o s ( a 一 声 ) s i n ( a 一 刀 ) 0 一 s i n ( a 一 ) c o s ( a 一 夕 ) c o s ( a 一 刀 ) s i n ( a 一 刀 ) 11nuo rlee，万es三.l - 、r.，! 可弓可 r月嗯，.1 a 一一 lwe.、1eej al气几 此即为n面的 法向 量。 将 0 , 1 , 0 1 这个向 且 绕: ， 面内旋转e 角， 则 新 向 f 为 : s i n b , c o s 0 ,0 1 . 该 向 量 在 坐 标 系 o x y z 内 为 : 重庆大学硕士学位论文 3管材剖切工艺分析与参数优化 1胜沪.tj 0 c o s ( a 一 fl ) s in ( a一 q ) 一 s in ( a 一 fl ) c o s ( “ 一 刀 ) s i n b c o s ( a一 刀 ) c o s 夕 s i n ( a一 刀 ) c o s 8 1八tjcu r.esl卫l = 1胜j.j 可或呢 rl.之lest a 一一 !、万.j al几几 当a = 9 0 0时: s i n b s i ns c o s 0 c o s 夕c o s b ( 3 . 1 2 ) ( 3 . 1 3 ) r.砚，. 一一 ，1月es、1少 al几a3 即 为 刀 具 力 作用 面 在空 间 的 法向 盈p . al几几 3 . 1 . 3 . 2 刀具受力分析 yf , 图3 . 1 1刀具 受 力 示意图 如 图3 .1 1 所 示 ， 忽 略 摩 擦 力 时 ， 冲 头 受 万f z 、f , 、 p四 个力的 作 用 . f , f , 的 方 向 向 里 即 为 冲 头 力 作 用 面 的 法 向 量 根据式 ( 3 . 3 ) 有: 声 。 因 为 阵1 , 重庆大学硕士学位论文3管材剖切工艺分析与参数优化 s i n o c o s ( a 一 f8 ) c o s 6 s i n ( a 一 ,6 ) c o s b tri同冈 lc o s a l s i n 口 ( 1 ) ( k ) ( m) 0目网11洞 建立力平衡方程式: 二0 =0 二0 凡凡fz 一f.t卜卫. =一f 得: + f , , f , , + f , , f , + f , , 0 同 lc o s a l p i sin a + s i n a ( n ) 二十 lc o s a l 关于 坐标面少 . 艺 对称， 所以 有: 一凡 因 为 f、 (f s = - f 3, f l, = f ay t f =凡: ( o ) ( 3 . 1 4 ) 3 2 孟庆大学硕士学位论文 3管材剖切工艺分析与参数 优化 当a = 9 0 0 p 2 c o s 刀c o s b 二 p t a n ( a 一 p ) ( 3 . 1 5 ) lf ,! - if l 一月-f r，.卫.月.il 因 为/ 3 ? a 一 9 。 。 得: 份 卜 2 if ,ic o s b c o s f ( 参见 3 .7 节)， a 一 刀 r 一 4 2 ; r 一 1 6 一 1 l 1 p r o p , = 尸 =0 .4 6 p 故 m( a ) = p r o ( 0 .3 8 9 一 0 . 5 c o s a一 0 .4 6 s i n a ) ( 3 . 2 5 ) 所以 8 u 一 m( a ) 8 m( a， 八 。 。 ， p r . s 。二 竺 之 几 =2 共鉴才 二 共 谷卫凡d a二。 . 0 8 3 二 云 子 一 d u a p一 毛 e i s p.e l 此时 半 回 形凹 模与 无 凹 模冲 切比 较，蝙 减小了4 4 .3 % . 由 此 看出 ， 带 平 面侧壁凹模的优点在于不但提供了 有利 于均匀变形的分布夹紧力， 而且夹紧力 的大小也比较合适，同时使得下半部分 圆环基本无扁化。 但是这种凹模对于上半部分圆环的 变形未加以控制，使圆环在a . c两点 的剪切力较大，容易失稳. 为了改善这 种状况，可以 在上半部分圆 环施加分布 夹紧力， 使其在弹性变形范围内 有一个 与冲切变形方向相反的预变形， 这就是 复杂形状凹模。 图3 . 1 9 曾材初始径向 变位 四、复杂形状凹模 复杂形状凹模的下半部分与半圆形凹模相同，其关键工作部分是凹 模的上半部分，即椭圆形部分. 凹模的上半部分在逐渐夹紧零件时，先是使管材两侧产生初始径向 变 位 ， 用。 。 表 示 。 如 图3 . 1 9 所 示 . 而 后， 由 于 凹 模的 作 用 管 材 逐 渐 贴 模， 形成椭圆形的预变形。加工完成后，由于零件的非加工部分保持在弹性变 形范围内， 脱模后其横截面将恢复原来的正圆形。 此变形 特征我们可以 近 币 劲 地 看作在弹性变形范围内 的受均匀外压的带椭圆度管. 网 浏 这种凹模由于有一个与冲切变形方向相反的预变形， 为加工过程中 的变形提供补偿，因而可以 有效地降低管顶塌陷。但是，如果施加的夹紧 力过大， 将可能导致零件非加工区域产生塑性变形及扁化，达不到预期目 的. 所以 如何控制零件上半部分的变形程度， 也就是上半部分凹模的 形状， 是这一工艺分析的关键。 为了简化运算，初始径向变位口可用下式表示:a 1. 2 5 1 。 = 叭c o s 2 a 式中 w o 是 最 大 径向 变 位， a 是 中 心 角 度 。 在均匀外压q( 凹 模) 的作用下， 管将进一步被压扁， 其相应的径 向变位为口。 d w 了 口 = - 山可用下式表示: ( 3 . 2 6 ) 任一剖面的 弯 矩等于q r o 与总的 径向 变位口 十 w 的 乘积， 即 m =q r . ( w 将其代入式 d e rv a a 2 十 山 = + 叭c o s 2 a ) ( 3 . 2 6 ) ，得: 一 r e l (w + w o 一 a ) 上式满足各点连续条件的解为: 0o = 一 丛 生c o s 2 a( 3 . 2 7 ) q -一q 式中是 受 均 匀 外 压的 长管 失 稳的 均 匀 压 力 临 界 值. ( 3 . 2 8 ) 3ei一 在a=， 3 ;r ， 5 x 、 7 ;r 处 ， 4 4 -4 d w_ 、 .卜 “*，一一. ， ， 、 一 二 二 . =u，达竺 p . . 创芍祀 寺 丁 拳 。取 人芍汉 da 汀一4 生在a二 0 和a= n的剖面，其值为: m o= q r o ( %十 - w a q 一 ) 、 q r o . ( 3 . 2 9 ) q _一q 1 一 二 q _ 重庆大学硕士学位论文 3管材剖切工艺分析与参数优化 当 比 值 土很 小 时 ， 由 于 压 力 q 使 椭 回 度 发 生 的 变 化 可 以 忽 略 ， 那 么 : q _ mm - g r o co o 最 大 应 力 等 于由 压 力 q r o 和由 弯 矩m . 产 生 的 应 力 的 总 和， 即 。 一 、 一 _q r ot 十 6 g r ot 2 1 一 二 q _ 该式适用于弹性范围的情况，在比例极限处 = q . r o + 6 q . r o 气 t 1 一 鱼 q _ 当 最外层纤维屈服时， 该 式可以 计算出 相应的 均匀压 力q . 的数值。令 二= m , 丘= n ， 上 式 可 以 写 成 : 凡r o 。 ， 一 a am + (， + 6 n )q _ q , + a ,mm。 一 。 这 是 一 个关 于q ， 的 一 元 二 次 方 程， 必须 满足 _ 0 恒 成 立， 即 a r m + ( 1 + 鱼 )vc ， 一 4 a ,m q , : 0 其中a , 、m、q 。 均 为 常 数， 解出 一 q 。 一 a , m + 4 4 qa ,m 6 m q , 将式 ( 3 . 2 8 )及m带入式 ( 3 . 3 0 )得: ( 3 . 3 0 ) 重庆大学硕士学位论文 管材剖切工艺分析与参数优化 ( 3 . 3 1 ) 根据式 ( 3 . 3 1 ) 可以计算凹模的 工艺设 计参数to o ，由 此确定复杂形 状凹 模。 从理论上讲，采用复杂形状凹模可 以使得零件的扁化趋于最小，可以很好地 解决管顶塌陷的问题。但是在实际加工 中，由于加工椭回形凹模有一定的难度， 因此一般采用近似的圆弧代替 ( 如图 3 .2 0 )的闭合圆形凹模，或者将上半部分 圆环加工为桃尖形，以 提供一定的变形补 偿。 总之，采用不同形式的凹模对于剖 切加工中的管顶塌陷、扁化有不同的影 响.采取适宜的凹模形式对于保证产品质 t是很关键的。 图3 .2 0 实际生产中凹模的 形 状 3 . 2 剖口 工艺参数优化 在剖口 过程中，凸模的切入 有两种方式:一种方式是恰好从管 端内 壁切入，另一种方式是从距离 管件内 壁n 处切入。 如图 3 .2 1 所示。 因为凸 模没有直接接触管件外壁， 所以管顶没有压塌现象产生。如果 在冲切上半圆弧时凹模刃口 没有起 到剪切作用，则管件必然以撕裂的 方式产生变形. 这一方面会造成剖 口 端面质t差， 另一方面也会压塌 管壁.因此，对剖口工艺而言，最 重要的就是要使凹模刃口在冲切上 图3 .2 1 凸 模的两种切入方式 半圆弧时起到剪切作用。 所以，可以 采用与切口 凸 模参数优化一样的方法 来优化剖口凸模参数。 1 . 8 参 数的 确定 当冲头切入管子快到最后阶段时，要求刀具的n面不能过早压塌管 子， 如图 ( 3 .2 2 ) 所示。 因 此 要求: 9 0 0 一 夕 1 8 0 0 - a， 即 夕2 a一 9 0 ( 3 .3 2 ) 一 般地，16 的 取 值 范 围 为4 0 0 - 5 0 0。 但 是 当a 值 较 大， 如a = 1 5 0 “ 时. 降低 要 求夕 2 6 0 0 ， 而 当 夕 值 太 大 时 ， 刀 具 工 作 部 分 过 于 尖 锐， 刀 具 刚 度 ， 影 响 使 用 寿 命 . 因 此夕 值 不 能 过 大， 一 般 取 : 夕 = 5 0 0 - 5 5 0 。 2 . 0 角的优化 因为有剖口 过程中凸 模没有直接接触管件外壁， 管顶无压塌现象产生. 为了 使凹模刃口 起到剪切作 用， 式来确定角0。 因为管壁无压塌现象产生， 就可以 将z : = r ， 一 t 一 ! ( r ， 一 t ) 4 因此在冲切开始时 同 样按照 ( 3 . 1 1 ) 值适当减小， 推荐: ( 3 . 3 3 ) 凸模 图3 .2 2 刀与a的 关 系 剖口凹模参数的优化方法与切口凹模是一致的，在这里就不重复分 析了。 3 . 3 剖切工艺参数优化总结 通过前面的分析讨论，可以 如下确定剖切工艺:p 6 1- 浏、 例 第 一 步 : 根 据r , 、 r z 和t 的 值， 根 据 第2 .3 节 选 择 刀 具 的 形 状 ， 用 式( 2 .2 ) 、 ( 2 .3 ) 来 计 算 刀 具的凡、 h 参 数; 第 二 步 : 根 据的 值r , 、 r z 和t ， 用 式( 2 . 1 4 ) 、( 2 .1 5 ) 来 确 定 临 界 角 a s . 若: oi a z a . ， 采 用 剖口 工 艺 ; )a a . ， 采 用 切口 工 艺， 冲头 从 距 离 圆 管 顶 端d 处 切 入。 d 值 取 为 d=y ,r 一y . .i. 第三步: 刀 具参数0 、q 的 确定 采 用剖口 工艺时， 用第 3 .2 节 确定的 方 法来确定0 、刀o 当 冲头不能够从圆 管顶 端内 壁切入时，夕 、夕 按照下面的 方 法来 确定: i . 根据工件的精度要求确定相应的压塌高度 ( 即确定z 值); i i . 根 据 式 ( 3 .9 ) 确 定 力 作 用 面的 法向 量 1 , m , n ; ii i. 根 据 式( 3 .1 0 ) 确 定 0 、 夕 的 数 值 . 一 般 地， 先 确 定 一 个 刀 值 ( 一 般 取为3 0 0 - 4 0 0) ， 用式( 3 . 1 0 ) 来计算0 值。 若0 值偏大( 如大于5 0 0) ， 则 重 选 一 个 较 大的 刀 值， 再 用 式( 3 . 1 0 ) 来 计 算0 值。 根 据以 上步 骤编制了 剖切 工艺 的 p r o c e s s o 子 程序， 用 户 只需 输入 r , 、 r z 、 t 和a 便 可 完 成 以 上 工 作 。 第四步:凹模形式的确定 设计凹 模时 应根据实际情况选择不同的凹 模形式。 如果 对管零件的 形 状精度要求不高的， 可以 使 用无凹 模冲切; 若是对管零件的 形 状精度有 一定要求的， 可以 使用带平面侧壁凹 模或半圆形凹模; 若是 对管零件的形 状粕度有较高要求的， 应考虑使用闭合圆形凹模，甚至复杂形状凹模，以 便有效降低扁化和场陷。 重庆大学硕士学位论文 3管材剖切工艺分析与参数优化 结 合这些研究结 果， 我们开 发了 计 算机辅助剖切 模具 设 计软 件， 下 一章将简要介绍n d c a d v 2 .0 的研究与开发. 重庆大学硕士学位论文 4 n d c a d v 2 . 0 软件的研究与开发 4 n d c a d v 2 .0软件的 研究与开发 4 . 1 概述