（机械制造及其自动化专业论文）塑性材料折断机构的虚拟设计.pdf

硕士学位论文 摘要 下料往往影响着生产线效率和后续工序的质量。与传统下料方法相比，应力 断料法有低能耗、高效率、节约原材料、减少刀具损耗等优点。本文设计了一种 针对塑性材料的折断机构。 本文以应力断料法和裂纹技术为基础，利用虚拟样机技术，探讨了塑性材料 折断机构的工作原理，完成机构的初步设计，在此基础上进行虚拟建模和装配。 最后对其进行了运动学和动力学分析。在本文中主要做了以下工作： 1 分析了传统下料方式存在的问题，论述了虚拟开发技术的优势，在此基础 上，探讨了塑性材料折断机构的的工作原理，介绍其断裂判据，建立疲劳寿命的 估算模型。 2 应用传统设计方法，对塑性材料折断机构中的主要机构切槽机构和预荷机 构进行结构设计，完成其装配图：分析出机构的薄弱环节，在后续部分对其进行 运动学和动力学分析。 3 应用p r o e 软件对切槽机构和预荷机构进行虚拟虚拟建模和装配，对其进行 干涉分析，修改并完善尺寸缺陷。 、 4 应用a d a m s 软件对机构进行运动学分析，得出的结论验证了机构运动原理 的合理性；以刀具运动平稳为目标，以斜面倾角为变量，对机构进行优化。 5 应用有限元分析方法，使用a n s y s 软件对主轴进行静力学分析，结论验证 了强度和刚度符合要求；使用a n s y s 对主轴进行模态分析，找出所存在的问题， 为优化设计提供依据。 塑性材料折断机构的虚拟设计 a bs t r a c t t h e q u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ff o l l o w - u pp r o c es sw a sd i r e c t l ya f f e c t e db yb l a n k i n g q u a l i t y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm a t e r i a lf e e d i n gm e t h o d ，t h ea d v a n t a g e so ft h e s t r e s sb l a n k i n gm e t h o dw e r el o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g he f f i c i e n c y , e c o n o m i z i n g r a wm a t e r i a l s ，r e d u c i n gl o s so f c u t t i n gt o o l s ，e t c t h eb r e a k i n gi n s t i t u t i o n so fp l a s t i c m a t e r i a l sw e r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e rw a sb a s e do nt h es t r e s sb l a n k i n gm e t h o da n dc r a c k st e c h n o l o g y w i t h t h eu s eo fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y , t h ep l a s t i cm a t e r i a lb r i t t l em e c h a n i s m sw o r k p r i n c i p l ew a sd i s c u s s e da n dt h ep r e l i m i n a r yd e s i g no ft h ei n s t i t u t i o n sw a sc o m p l e t e d i nt h i sp a p e r t h e nt h ev i r t u a lm o d e l i n ga n da s s e m b l yw e r ed o n e f i n a l l y , w ed i dt h e k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i s t h em a i nw o r ko ft h ep a p e rw a sa sf o l l o w s ： 1 t h ee x i s t e n c ep r o b l e mo ft h et r a d i t i o n a lw a yo f u s i n gm a t e r i a lw a sa a n a l y z e d t h ea d v a n t a g e so ft h ev i r t u a lt e c h n o l o g yw e r ed i s c u s s e di n t h i s p a p e r a l s o ，t h e p l a s t i cm a t e r i a lb r i t t l em e c h a n i s m sw o r kp r i n c i p l ew a sd i s c u s s e d a n dt h ef r a c t u r e c r i t e r i o nw a si n t r o d u c e d t h ef a t i g u el i f eo fe s t i m a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d 2 w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，t h ec u t t i n ga n dp r e l o a d i n g i n s t i t u t i o n sw h i c hw e r et h em a i ni n s t i t u t i o n so f p l a s t i cm a t e r i a l sb r i t t l em e c h a n i s m s w e r ed e s i g n e dp r e l i m i n a r i l y t h e nt h ea s s e m b l yd r a w i n gw a sc o m p l e t e d t h ew e a k l i n ko ft h em e c h a n i s mw a sa n a l y z e d t h em o t i o na n dd y n a m i c sa n a l y s i sw a sd o n ei n t h ef o l l o w i n gp a r t s 3 t h em o d e l i n ga n da s s e m b l ym e t h o do fv i r t u a l p r o t o t y p eo ft h ec u t t i n ga n d p r e l o a d i n gi n s t i t u t i o n sw e r es t u d i e di np r o e a n dt h ei n t e r f e r e n c ea n a l y s i so ft h e c o m p l e t e dv i r t u a lm o d e lw a sd o n e t h es i z ed e f e c t sw e r em o d i f i e d 4 t h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h em e c h a n i s mw a sa n a l y z e db ya d a m s t h e c o n c l u s i o nr e a c h e dt h a tt h ep r i n c i p l eo fm o v e m e n tw a sr e a s o n a b l e t h em e c h a n i s m w a so p t i m i z e d t h eo b je c t i v ew a st h a tm a k es u r et h em o t i o no ft h et o o lw a ss t a b l e a n dt h ev a r i a b l ew a si n c l i n e da n g e l 5 t h em e c h a n i c a la n a l y s i so ft h es p i n d l ew a sd o n ei na n s y s t h ec o n c l u s i o n m o d i f i e dt h a tt h es t r e n g t ha n dt h es t i f f n e s sw e r eu pt os t a n d a r d t h em o d a la n a l y s i s o ft h es p i n d l ew a sd o n ei na n s y ss ot h a tw ec o u l df i n dt h e e x i s t i n gp r o b l e m s i t c o u l dp r o v i d et h eb a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n 硕十学位论文 k e yw o r d s ：s t r e s sb r o k e nm a t e r i a l ；r o t a t i o nc a n t ；v i r t u a ld e s i g n ；s i m u l a t i o n m o v e m e n t ；d y n a m i ca n a l y s i s i 塑性材料折断机构的虚拟设计 插图索引 图1 1 旋转弯曲型断料机5 图1 2 弯曲限制型应力断料机6 图1 3 弯折式应力断料机构6 图1 4 变频振动精密下料机机构简图6 图1 5 塑性材料折断机构的设计流程图1 0 图2 1v 型口棒料受力图1 4 图3 1 塑性材料折断机构力学模型一1 7 图3 2 塑性材料折断机构的结构简图一1 7 图3 3 棒料v 型口切口参数1 8 图3 4 切槽机构空心主轴1 9 图3 5 圆柱体内表面2 0 图3 6 切槽机构装配图2 1 图3 7 预荷机构装配图2 2 图3 8 液压系统图2 3 图3 9 电动卡爪图2 7 图3 1 0 塑性材料折断机构总体装配图2 8 图4 1p r o e n g i n e e r 零件设计的基本流程3 0 图4 2 主轴通过旋转命令产生毛坯造型3 0 图4 3 主轴通过拉伸切除镜像命令产生键槽3 1 图4 4 主轴通过阵列命令产生螺钉孔一3 l 图4 5 带轮通过旋转命令产生虚拟模型3 2 图4 6 弹簧通过螺旋扫描产生的基体特征3 2 图4 7 弹簧通过实体化命令产生端面一3 2 图4 8 标准件双列滚子轴承与圆螺母3 3 图4 9 主轴与键的虚拟装配一3 4 图4 1o 主轴与轴承应用插入装配约束之后的状态3 4 图4 1 1 主轴与轴承应用对齐约束之后的状态3 5 图4 1 2 切槽机构主轴系统与下箱盖的虚拟装配3 5 图4 1 3 预荷机构与工作台的虚拟装配3 5 图4 1 4 切槽机构主轴系统装配图3 6 图4 1 5 切槽机构主轴系统爆炸视图一3 6 图4 16 预荷机构整体装配图( 左) 和爆炸图( 右) 3 6 硕十学位论文 图4 1 7 预荷机构的整体装配图3 7 图5 1a d a m s 中重力的添加：4 0 图5 2a d a m s 中的约束类型4 1 图5 3 切槽机构加完载荷后的模型图4 2 图5 4 预荷机构添加完约束和和驱动之后的模型图4 3 图5 5 刀具z 轴上运动位移时间图4 4 图5 6 刀具x 轴上运行位移时间图4 4 图5 7 刀具在x z 平面的运行轨迹图4 4 图5 8 刀具切削加速度图4 5 图5 9 刀具切削受力图4 5 图5 1 0 工作台位移图4 5 图5 1 1 液压缸所需提供的液压力4 6 图5 1 2 刀具切削加速度图一4 6 图6 1 主轴有限元网格划分图4 9 图6 2 主轴受力分析图5 0 图6 3 应力图( 左) 与应变图( 右) 一5 l 图6 4 主轴的六阶振型图j 5 2 v 塑性材料折断机构的虚拟设计 附表索引 表2 14 5 号钢棒料的技术参数。1 6 表2 24 5 号钢的疲劳性能参数。1 6 表3 14 5 号钢的主要机械性能1 9 表6 1a n s y s 模拟主轴三维实体材料性能4 7 表6 2 主轴振型特点5l v i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、背景、目的及意义 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。旨在与课题组其它成员一起研究新型断料设备，利用现代设计手段 提高设计质量，同时建立该设备的虚拟设计平台。 1 1 2 课题的背景 在机械加工行业里，下料经常是第一道工序，在标准件及零件的加工中必不 可少。提高下料效率是提高整条生产线效率的基础，所以目前工厂均采用自动下 料机来提高效益。另一方面下料必将产生新的表面，它的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，出现了 多种下料方法，如：剪切【l 】，锯切，车床切割，冷折，阳极一机械切割，电解磨 削，超声波法，电火花方法，电化学方法，电子束加工以及爆炸断料法等，这些 下料方法均存在一些缺陷和不足，如：效率低，耗能大，工件和刀具材料损耗较 大，断面质量差，成本高等，因而寻求一种高质量、高效率、低能耗的精密下料 方法成为人们追求的目标。 应力断料工艺是在断裂力学的基础上，人为的制造切口，以产生应力集中效 应，在适宜的预荷作用下，使切口尖端的裂纹快速扩展，从而实现固体材料快速 规则的断裂。经实践证明，应力断料法有以下优点【6 】：高效、节能、越难切削的 材料越易脆断、断面平整、节约原材料等。本文就是应用应力断料法来设计一种 下料机构。 传统的机械设计过程复杂冗长，为了检验产品可能产生的缺陷，往往需要制 造多个样机，这一过程中造成了大量资源和时间的浪费，在这样的背景下，虚拟 产品开发技术应运而生。随着计算机技术、机械设计和制造技术、人工智能等的 快速发展，以及市场经济的竞争的快速发展，众多企业更多的选用虚拟开发技术 来应对风云万变的市场，并及时的做出合理应对和重新规划。 本文应用应力断料法，结合虚拟开发技术，设计塑性材料折断机构的主要部 分，在本人开始此课题之前，本课题组的其它研究人员在下料装置和虚拟产品开 发方面做了大量的工作，在他们的基础上，我将完成我的课题。 随着加工工业的发展，出现了多种下料方法。下面简单对比一下各种传统的 断料方法的特点【l 】。 塑性材料折断机构的虚拟设计 1 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 是适应性强，多数金属或合金棒料，均可进行锯切；锯切毛坯的端面质量好，尺 寸精度较好；生产率较低，切口材料损耗较大；适宜于多品种、小批量的生产。 2 车床切割：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。 3 砂轮切割：这种方式生产率较机床切割为高，但不及剪床；端面质量和尺 寸精度均较高；设备简单，价格便宜，操作方便；但是切口有金属损耗，砂轮片 寿命低、易损坏，切割时的噪音大。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，可能引起切割表面产生裂纹。 4 阳极一机械切割方法：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。它可切割任何导电的金属或合金；尺寸精度较高，端 随着加工工业的发展，出现了多种下料方法。下面简单对比一下各种传统的断料 方法的特点【1 1 。 1 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 是适应性强，多数金属或合金棒料，均可进行锯切；锯切毛坯的端面质量好，尺 寸精度较好；生产率较低，切口材料损耗较大；适宜于多品种、小批量的生产。 2 车床切割：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。 3 砂轮切割：这种方式生产率较机床切割为高，但不及剪床；端面质量和尺 寸精度均较高；设备简单，价格便宜，操作方便；但是切口有金属损耗，砂轮片 寿命低、易损坏，切割时的噪音大。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，可能引起切割表面产生裂纹。 4 阳极一机械切割方法：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 2 硕士学位论文 过程，直至切断棒料为止。它可切割任何导电的金属或合金；尺寸精度较高，端 1 1 3 课题目的 本课题的研究目标是在了解传统断料机构和应力断料机构的原理基础上，借 鉴日常生活中反复弯折塑性材料才能使其断裂的原理，应用虚拟产品开发技术， 对设计的结构进行虚拟建模、装配，并对其进行运动学和动力学分析，根据所得 结果对机构进行优化，最终完成塑性材料折断机构的虚拟开发。 1 1 4 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，为制造实物提供理论依据。 1 2 应力断料法 1 2 1 传统下料方法概述 随着加工工业的发展，出现了多种下料方法。下面简单对比一下各种传统的 断料方法的特点 1 l 。 1 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 是适应性强，多数金属或合金棒料，均可进行锯切；锯切毛坯的端面质量好，尺 寸精度较好；生产率较低，切口材料损耗较大；适宜于多品种、小批量的生产。 2 车床切割：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。 3 砂轮切割：这种方式生产率较机床切割为高，但不及剪床；端面质量和尺 寸精度均较高；设备简单，价格便宜，操作方便；但是切口有金属损耗，砂轮片 寿命低、易损坏，切割时的噪音大。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，可能引起切割表面产生裂纹。 4 阳极一机械切割方法：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。它可切割任何导电的金属或合金；尺寸精度较高，端 3 塑性材料折断机构的虚拟设计 i 自= 目目_ 目目l 目e = = 目= 自目自目目毫_ j e 自寡# 自目目2 自e e = e = = = = j = = = = = = = = 目= = = = 目ii i e 自= = = e 目= = = 目 面质量较好；切割盘可用低碳钢制造；切割损耗小；切割力小，从而简化了机床 结构；切割时材料组织的影响区小；能耗大，对自身机构也有腐蚀。主要用于切 割硬度高、韧性大、采用其他机械切割比较困难的材料，以及大截面的毛坯。 5 剪切方法：剪切方法又分为一般剪切法和精密剪切法。 ( 1 ) 一般剪切：剪切下料生产率高，无切口损耗，操作简单，工具费用较低。 但经剪切下料的毛坯，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。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。、高速 剪切、径向夹紧剪切、轴向加压剪切。 ( 2 ) 精密剪切1 3 j ： 1 ) 青脆温度热剪切这种方法经常适用于低碳钢的剪切。剪切前将棒料预热至 温热状态，利用这一温度区域钢的青脆性进行剪切。虽然其剪切面的主要部分是 剪裂带，但凹凸较少，剪切面质量好，压塌量、椭圆度都明显减小。该剪切方法 适用于大直径棒料的剪切。 2 ) 高速剪切通过高速加载提高坯料的剪切质量。在高速载荷下，被剪材料的 韧性下降，脆性增大，剪切变形区域变窄，塑性变形小，从而提高了剪切质量。 研究表明，在加载速度4 5 m s 以上时，剪切质量得到显着提高j 高速剪切冲击力 大，能耗大，设备受力状况恶劣。 3 ) 径向夹紧剪切先将棒料夹紧，然后完成棒料的剪切。径向夹紧剪切的优点 在于，消除了普通剪切方法棒料产生倾斜的几何原因，消除了被剪切坯料所受的 弯曲力矩，从而解决了坯料先弯后剪切的问题，径向夹紧改变了剪切区材料的应 力状态，形成多向压力。 4 ) 轴向加压剪切在坯料的端面施加轴向压力，使剪切过程中棒料剪切区的轴 向压力增加，实现材料的塑性剪切分离。这种方法主要适用于铜、铝和低碳钢等 软材料。由于在剪切过程中存在很大的压应力，剪刃和设备的工作环境恶化，而 且实现机构复杂、昂贵。 6 其它下料方法：如电火花切割，电化学切割，高压水切割，激光切割，电 子束加工以及爆炸断料法等。 由上可看所有这些断料方法的共同特点是：它们都要使用断料工具，从而造 成了一定的切口宽度，而且切口宽度内的一层被加工材料都将被严重破坏甚至粉 碎，从而消耗大量的功。因此我们都在寻求高质量、低能耗、高效率的精密下料 方法。 1 2 2 应力断料法概述 应力断料工艺是在断裂力学的理论基础之上，人为的制造切口，以产生应力 集中效应，在适宜的预荷作用下，使切口尖端的裂纹快速扩展，从而实现固体材 4 硕士学位论文 料连续界面快速和规则地分离。经实践证明，应力断料法有以下优点【6 j ： 1 高效理论上，裂纹失稳扩展的速率相当于声速，即比高速切削的速度高 1 0 0 倍，不论工件尺寸大小，只要充分过载疲劳，断裂过程都将在刹那间完成； 实际上因为各种因素的限制，自然不会出现1 0 0 倍的高效，事实上使用的应力断 料机具的断料机动效率平均可提高1 0 倍。 2 节能金属材料裂纹失稳前扩展时的塑性、应变能变化，比表面能变化大3 6 个能量级，而各种切削加工均要使被切削层经过塑性变形之后形成表面，同物理 过程能引起连续界面分离所需要的能量相比，切削过程的能耗大得惊人。而应力 断料则可能在尽量趋近于表面能的低能消耗下实现连续界面的分离，同车、铣、 锯切相比，使用的应力断料能耗平均可降低为1 1 0 。 3 节约原材料和工具消耗这是因为应力断料不需要切断息道、车刀和锯条之 类的切削工具，又没有道具宽度造成的切口宽度。 4 越难切削的材料越容易脆断因为越难切削加工材料的断裂韧性越差，越容 易实现应力断料。例如，应力断高速钢料的功耗仅为断4 5 号钢的0 0 6 倍( 即1 1 7 ) 。 5 断料规则平整无冲剪下料的“马蹄口。 此外，应力断料法比较简单，很容易普及和大面积推广，可在普车床上利用 廉价辅具断料，亦可研制各种高效专用应力断料机。 本文利用应力断料法设计塑性材料折断机构，与脆性材料不同，脆性材料被 夹紧之后，在棒料两端施加力使其受到弯矩作用，便可直接被掰断。而塑性材料 则可借鉴日常生活中塑性材料被反复弯折才会断裂的实例，在棒料被夹紧之后， 棒料的一端需要受到一个循环往复的载荷的作用才会断裂。 1 2 3 应力断料机的国内外研究现状 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。 1 9 9 6 年，兰州理工大学申请专利旋转弯曲型断料机，该机构应用应力断料法 完成下料工序。如图1 1 所示，它主要由旋 转夹紧预夹紧部件l 和预载荷施力部件2 组 成，预载荷施力部件所产生的载荷通过载 荷加紧部件间接的作用于棒料3 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的复合作用下沿切 口处产生应力断裂。该设备的专利是 图1 1 旋转弯曲型断料机 9 6 2 0 2 8 5 3 3 【4 j ，该设备工作过程中棒料旋转，可能造成甩料现象的发生。 5 塑性材料折断机构的虚拟设计 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 构是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 图1 2 弯曲限制型应力断料机 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机料 上的环形切口，冲头的冲击段位楔形或圆弧 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 1 5 j ，该设备应用应力断料法， 针对脆性材料所设计的，直接在棒料两端施 加压力，将其直接掰断，而不需反复弯折。 2 0 0 4 年，桂林电子工业学院研制的一种弯折 式应力断料机，如图1 3 所示。它包括送料机构、 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 旋丝杆、左旋螺母、右旋螺母、支撑板、手轮、 两板燕尾滑动拖板、两个电机和上下两把圆锯 切槽刀或砂轮组成，通过手轮的顺、反时针旋 转，并带动丝杆旋转，由于丝杆上下两段的螺 图1 3 弯折式应力断料机构 纹是反向的，其带动左旋螺母和右旋螺母反向卜床身；2 一送料机构；3 一切槽机构： 移动，螺母又带动燕尾滑动拖板沿燕尾导轨图4 一夹紧机构；5 一弯折冲料机构 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，棒料不动，刀具 或砂轮片或砂轮上下反向移动，从而实现切槽深 度的调节。不绕棒料中心旋转，且结构简单，设 备的的专利号为2 0 0 4 2 0 0 6 1 3 8 2 0 t 6 i 。 2 0 0 7 年，西安交通大学赵升吨设计的低应力变 频振动精密下料即是采用纯弯曲预荷方式的典型 设备。该系统依靠变频振动电动机1 驱动其两端的 两个扇形偏心块2 产生旋转离心力，该离心力再通 过动模具4 作用于带有v 形槽的金属棒料上，从而 在棒料v 形槽尖端诱发裂纹并使其迅速均匀扩 展直至棒料断裂【8 】。变频振动下料机的机械结构 如图1 5 所示。这种结构所产生的棒料断面有明显 的贝纹线。 6 图1 4 变频振动精密下料机机 构简图 硕士学位论文 综上所述，以断裂力学为理论基础的应力断料法有着广泛的前景，但目前所 设计的机构结构复杂，效率以及振动都不尽人意，且没有针对塑性材料，棒料在 夹紧不旋转的情况下的断料机构。本课题就是在前人的基础上，应用应力断料法 设计一种效率高、振动小、满足断口要求的塑性材料折断机构。 1 3 虚拟产品开发技术 1 3 1 虚拟产品开发技术的课题意义 虚拟产品开发技术并不是凭空而生的，它一方面随着计算机技术、机械设计 和制造技术、人工智能等的快速发展，另一方面由于市场经济的竞争和快速发展 导致，在保证技术及质量的基础上，追求更高效的产品开发过程。现如今社会， 企业更多的选用虚拟开发技术来应对风云万变的市场，并及时的做出合理应对和 重新规划。 传统的机械设计过程繁琐。首先要论证方案的可行性，接着进行产品设计， 为了检验所设计产品使用过程中可能产生的缺陷，通常都要进行样机的制造，对 样机进行各种各样的实验，包括破坏性的，当发现缺陷时即返工修改设计，再次 进行样机实验，周而复始的实验造成了大量的的物质和时间的浪费，如果是比较 复杂的系统时，设计周期更是长的无法灵活应对市场变换了。有的时候，为了节 省时间，样机的制造这一个过程会被省略或者减少，可以想象，这样的产品迅速 上市后缺陷是无可避免的。面对传统产品设计中的种种弊端，2 0 世纪9 0 年代，虚 拟开发技术应运而生。 虚拟产品开发技术就是采用计算机实现机构的设计与仿真，在计算机及网络 的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、仿真分析、质量检验等【9 1 。 这种开发技术是产品在投入市场之前，在计算机软件的运作下，产品的外形便有 了虚拟设计，且机构的运动形式、运动性能等均在软件里面进行了仿真分析，并 在分析之后进行了无数的修改及优化，这一系列的工作均在软件里完成，减少了 传统样机制造所造成的物质浪费，且大大缩短了产品开发周期。 在虚拟设计中，设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地 交互，实现了从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深 化概念和萌发新意。虚拟设计技术充分地利用了模拟仿真技术，但它又不同于一 般的模拟仿真技术，它具有虚拟现实的特征，如：自主性、交互性、存在感等。它 不再使用传统的二维交互手段，而直接进行三维设计。并提供各种输入设备偿i 据 手套、三维导航装置等) 与虚拟环境进行交互。 另外，它们也支持其他的输入方法，如语音识别、手势及眼神跟踪等。这样 的虚拟设计系统不需要进行系统的培训就可以掌握，一般的设计人员稍加熟悉后 便能成功地利用其进行产品设计。初步研究表明，这样的虚拟设计系统使设计效 7 塑性材料折断机构的虚拟设计 率提高5 1 0 倍，甚至更高。不难预见这种系统具有很大的潜在市场，值得重点 研究和开发。在电子计算机技术和虚拟现实技术的推动下，虚拟设计技术必将迅 速发展起来。这项技术的应用不仅能够提高设计效率，而且有助于萌发新的设计 思路。 虚拟开发技术的快速发展，对机械设计的各个阶段产生了深远的影响。使设 计的整个流程也发生了根本性的变化，通过虚拟开发技术的运用，使从事产品设 计、分析、制造、仿真和支持等各合作人员通过网络通讯和数据库等组建成“虚 拟 的产品开发小组，将设计人员、工程师、分析专家、供应厂商以及客户连成 一体，实现并行开发，采用并行开发模式，减少了传统造型设计中大量的重复性 工作【l o 】。随着虚拟开发技术的进一步深入，所设计出的机械产品更能满足人们的 真实需求。 1 3 2 虚拟产品开发技术的国内外研究现状 虚拟产品开发技术应用于工程机械、航天、汽车、飞机等多个领域，它不仅 能对产品进行设计、仿真和分析，还有助于确定最好的制造方案。国内外有很多 应用虚拟产品开发技术来进行产品设计的例子。 c a t e r p i l l a r i n e ，世界上最大的建筑设备制造企业，于1 9 9 6 年将虚拟样机开发 技术用于反铲装载机样车的设计过程中，在设计的过程中，有三个设计方案，在 虚拟样机的仿真过程中，技术人员发现两个方案无法看到反铲连杆的最低位置， 由此确定了正确的设计方案，并减少了物理样机的制造，而且节约了开发周期【l 。 虚拟样机开发技术里面可以虚拟仿真数万个零件，如波音7 7 7 飞机上的3 0 0 万 个零件的设计及整体设计均可以再虚拟环境中成功运行，这仅需要一个由数百台 计算机组成的工作站，在此系统中，设计师佩戴头盔显示器，虚拟穿行于飞机中， 检查各项零件设计。由此节省经费，缩短设计时间。 为了解决关于复杂工程车辆多学科仿真问题，瑞典的v o l v o 公司也与瑞 l i n k p i n g 大学、瑞典r o y a li n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 等合作，发展多学科仿真集成软 件技术，制订了虚拟系统编程( v l s p ) 研究项目。v i s p 项目开发界面友好的动力 学分析平台，对复杂工程车辆进行虚拟建模和精确仿真【1 2 1 。 国内一些重点高校，在虚拟产品开发方面进行了深入研究，为促进虚拟产品 开发技术在我国的推广与应用做出了贡献。例如兰州理工大学裂纹所在这方面做 了大量的工作，从9 8 级硕士研究生开始，很多人在设计机构的过程中以虚拟产品 开发技术为手段，对所设计的机构进行虚拟建模、虚拟装配以及进行虚拟分析， 并对机构进行优化，比着传统的产品设计方法节约了很多资金和时间。 综上所述，虚拟制造技术可以大大降低生产成本，缩短产品的上市时间，它 的发展是大势所趋，相关的软件平台也正在不断完善，国内外的知名大企业也已 经有很多成功应用虚拟产品的实例，我所设计的机构也正是应用虚拟产品开发技 8 硕十学位论文 术来完成的。 1 4 课题的研究内容 本论文各章节主要研究内容如下： 第一章绪论，主要介绍应力断料法和虚拟开发技术的课题意义及国内外研究 现状，且通过以往的应力断料机构的对比，找出它们的优点和不足，用以借鉴。 第二章介绍了断料机构的理论基础，阐述了塑性材料折断机构的断裂判据， 对棒料的疲劳寿命进行估算，说明此种折断机构是高效的。 第三章介绍了塑性材料折断机构的工作原理，在此基础上进行总体方案设 计，根据所加工棒料的尺寸范围进行各个零件的设计，在满足零件强度的要求下， 拟定出各零件的尺寸，完成了切槽机构和预荷机构的结构设计，并完成了切槽机 构和预荷机构的整体装配图，对它们的工作过程进行了阐述。找出机构中薄弱环 节，在后续部分进行着重分析。 第四章介绍了折断机构的建模过程，完成了切槽机构和预荷机构的虚拟建模 和装配，进行干涉检验，修改尺寸缺陷。 第五章对折断机构进行了运动分析，在a d a m s 中对关键机构进行仿真，得 出机构运动轨迹符合预先设定的结果，以此验证机构运动的正确性；以机构运动 更加平稳为目标，以结构设计部分所提出的斜面倾角为变量，对机构进行优化设 计。 第六章对折断机构进行动态分析，通过a n s y s 对主轴系统进行静力分析和模 态分析。建立主轴系统有限元模型求出了它在极限工况下的应力和应变，分析结 果验证了结构刚度满足静力学要求。通过对主轴有限元模型进行模态分析，得到 主轴的固有频率、振型，为机床加工选择合理的工艺参数，避开共振提供了技术 数据。 结论与展望，对全文做了概括性总结，归纳了本课题所做的主要工作及其创 新之处；同时也列出了尚需改进的地方，并对今后的研究工作进行了展望。 1 5 拟采取的研究方法、技术路线 1 5 1 拟采取的研究方法 在了解了现今已有的应力断料机构( 如旋转弯曲机构等) 的工作原理及其特 点的基础上，应用常规设计方法中的设计理论知识、经验关系式设计出塑性材料 折断机构，应用虚拟产品开发技术对所设计的机构进行虚拟建模、虚拟装配并且 对它进行运动分析和动态分析。 9 塑性材料折断机构的虚拟设计 1 5 2 拟采取的技术路线 塑性材料折断机构的设计流程图如1 6 所示。 图1 5 塑性材料折断机构的设计流程图 1 根据力学模型设计棒料折断机构 因为塑性材料不像脆性材料一样一掰即断，而是需要反复弯折，并且最好是 在有裂纹处反复弯折才可断裂。所以本文中设计了切槽机构，在需要断料的位置 预先切出一个裂口，接着设计的预荷机构在棒料的尾端施加循环往复的预荷力， 从而实现棒料的快速断裂。 2 对所设计棒料折断机构进行三维建模 运用p r o e 对切槽机构和预荷机构进行虚拟建模和虚拟装配，反复修改直至机 构不发生了干涉，验证机构尺寸设计的合理性。 3 对所建模型进行运动分析和动态分析 运用a d a m s 对切槽机构和预荷机构进行运动分析，输出结果验证了所设计的 结构可以完成预先设定好的运动轨迹，以此证明机构运动的正确性和合理性。通 过a n s y s 对机构进行静态分析，验证机构的刚度是否符合要求；接着对其进行模 态分析，得到的数据为机构工作期间避免共振提供了理论依据。 1 6 本文的主要工作 本文以塑性材料折断机构为研究对象，应用虚拟产品开发技术，对所设计的 结构进行运动学和动力学分析，验证所设计结构的合理性，本文主要工作有以下 1 0 硕士学位论文 几点： 1 根据应力断料法需提前在棒料上切出适宜缺口的要求，设计合理的切槽机 构，完成初步的尺寸设计；根据预荷机构的行程路线，设计出预荷机构初步尺寸， 完成其装配图； 2 在p r o e 中完成虚拟建模和虚拟装配，进行干涉检查，修改尺寸缺陷； 3 对完成的虚拟模型进行运动学分析，反复修改机构，使机构的运动轨迹符 合预先设计好的路线； 4 在不发生干涉的状况下，以运动平稳为目标，以结构设计阶段分析出的尺 寸为变量，对机构进行优化设计； 5 在结构设计阶段分析出结构所存在的问题，在后续部分对其着重进行动态 特性分析，观察其输出数据是否符合要求，反复修改直至符合， 6 对机构的主要零部件进行模态分析，得出固有频率，以防在以后的工作中 产生共振而加速机构的损坏。 塑性材料折断机构的虚拟设计 第2 章塑性材料折断机构断裂判据及棒料疲劳寿命估算 塑性材料在外力的作用下，产生抵抗外力的塑性变形，反而使金属材料因塑 性变形而强化，所以生活中塑性材料的断裂需反复弯折才能完成。文中所设计的 塑性断料机构首先在棒料需折断的位置切制环状v 型切口，再加一循环往复运动 的载荷，切1 ：3 受到交变载荷的作用，实现规则断裂。 本章的主要目的是分析了塑性材料的断裂判据，并完成棒料的疲劳寿命估算。 2 1 塑性材料复合型裂纹的断裂判据 裂纹按其力学特征可以分为i 型( 张开型) 裂纹、i i 型( 滑开型) 裂纹和 型( 撕开型) 裂纹。塑性材料在交变弯折疲劳载荷的作用下生成i 一复合型裂 纹，这种断裂属于复合型裂纹的脆性断裂【1 7 】，采用应变能密度因子理论进行断裂 判据【1 8 】。 应变能密度因子参数s 表示为： s = 口l l 蜀2 + 2 a 1 2 k 1 翰+ 翰2 + 口3 3 翰2 ( 2 1 ) 公式内的参数为： 口i - 2 而1 ( 3 4 v - c o s 啪+ c o s 乡) j 口l z2 志( 2 s i n 0 ) ( c o s 0 1 + 2 1 ，) 2 志 4 ( 1 一v ) ( 1 一c 硎) + ( 1 + c o s 口) ( 3 c 础一1 ) 1 口3 32 而 ( 2 2 ) 其中：g 为材料的剪切模量、y 为泊松比、秒为极角。 裂纹沿着势能密度最大，应变能密度因子最小的方向开始。 在0 = o o 处：o s a o = 0 a 2 s 0 0 2 0( 2 3 ) 其中a o 为断裂角，不稳定不平衡的位置就是势能最大的地方，应变能密度因 子s 达到