（机械制造及其自动化专业论文）反旋转弯曲疲劳断料机构的虚拟设计.pdf

v i r t u a ld e s i g no fi n v e r s er o t a t i n gb e n d i n g f a t i g u ec u t t i n gm e c h a n i s m l iy m a i n b e ( h e n a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t 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 rt 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 m a c h i n e m a n u f a c t u r i n g & a u t o m a t i o n i n t 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 ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl iy o u t a n g 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他个人或 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。 作者签名奇以、钛 日期：觑年6 月f 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： 导师签名： 亳春致 李如它 日期：刃f 年 日期：力i ，年 fr 6 月3 日 6 旯6b 硕士学位论文 曼曼曼鼍巴量曼舅曼曼皇曼鼍量量曼皇寡曼鼍皇寡iw l! l e h 皇曼兰曼曼曼皇曼量曼皇量鼍量曼葛寰量皇曼葛量鼍舅曼皇曼皇曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼皇曼 目录 目录i 摘要i v a b s t r a c t 1 r 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外相关研究综述1 1 2 1 断裂设计原理研究现状2 1 2 2 应力断料方法和应力断料设备研究现状3 1 3 虚拟设计技术5 1 3 1 虚拟设计技术简介5 1 3 2 虚拟设计技术研究现状6 1 4 研究的目的与意义7 1 5 论文的研究内容8 第2 章反旋转弯曲疲劳断料机构的工作原理分析及棒料疲劳寿命估算1 0 2 1 引言1 0 2 2 反旋转弯曲疲劳断料机构的工作原理1 0 2 2 1 裂纹闭合现象1 0 2 2 2 反旋转弯曲疲劳断料机构的工作原理1 1 2 3 反旋转弯曲载荷下带缺口棒料的疲劳寿命估算方法1 2 2 3 1 棒料始裂寿命估算1 2 2 3 2 扩展寿命估算1 3 2 3 3 实际算例1 4 2 4 本章小结1 5 第3 章反旋转弯曲疲劳断料机构的结构设计1 6 3 1 引言1 6 3 2 预荷机构设计l 8 3 2 1 预荷力的分析计算18 3 2 2 预荷机构总体结构设计1 9 3 2 3 预荷机构主要运动件设计2 0 3 2 4 预荷机构主轴系统设计2 2 3 3 夹紧机构结构设计2 3 3 4 平衡机构结构设计2 5 反旋转弯曲疲劳断料机构的虚拟设计 曼曼曼篁鼍量量量量皇曼皇曼皇曼曼鼍暑鼍曼曼曼蔓_ 一m m 一om 一一 一一m 曼置曼曼曼曼曼 3 5 动力部分设计2 8 3 5 1 旋转动力部分设计2 8 3 5 2 液压传递结构的设计2 8 3 6 本章小结3 1 第4 章反旋转弯曲疲劳断料机构的虚拟建模3 3 4 1p r o e n g i n e e r 实体建模简介3 3 4 2 反旋转弯曲疲劳断料机构的几何建模3 3 4 3 反旋转弯曲疲劳断裂机构虚拟装配3 5 4 3 1 虚拟装配简介3 5 4 3 2 虚拟装配流程3 6 4 4 本章小结4 0 第5 章反旋转弯曲疲劳断料机构的运动学及动力学仿真4 1 5 1 仿真分析软件a d a m s 简介4 1 5 2 机构建模4 2 5 2 1 模型的数据转换与建立4 2 5 2 2 模型的简化4 2 5 2 3 模型约束的添加和检验4 2 5 3 机构运动仿真及优化4 3 5 3 1 机构运动仿真4 3 5 3 2 机构优化4 5 5 4 机构动力学仿真分析4 7 5 4 1 液压驱动力和主轴受力分析4 7 5 4 1 压杆受力分析4 8 5 5 本章小结4 8 第6 章反旋转弯曲疲劳断料机构主轴系统有限元分析5 0 6 1 有限元分析概述5 0 6 2 主轴静力分析5 0 6 2 1 有限元建模5 0 6 2 2 约束的添加和载荷的确定5 1 6 3 主轴模态分析5 2 6 3 1 模态分析概述5 2 6 3 2 主轴有限元模型的建立5 4 6 3 3 求解结果5 4 6 3 4 优化分析5 5 6 4 本章小结5 7 n l 硕士学位论文 结论与展望5 8 参考文献6 0 致谢6 4 附录a 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 5 i 反旋转弯曲疲劳断料机构的虚拟设计 摘要 下料质量的好坏直接影响到后续工序的质量及效率。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。传统下料方法 往往存在效率低，耗能大，断面质量差等缺点，而超声波法、电化学法，电子束 法等现代断料方法对于一般下料要求来说成本较高。反旋转弯曲疲劳断料机可以 有效的解决以上问题。 本文以裂纹技术理论和金属疲劳断裂机理为核心，采用理论推导结合案例分 析的方法，研究棒料在反旋转弯曲状态下疲劳寿命的问题，完成了该机床主要运 动机构的设计和虚拟装配，并对其进行了动态仿真和有限元分析。 本文以提高断裂效率和质量为目标，从研究棒料疲劳寿命入手，采用虚拟设 计方法建立了机构的装配模型。具体完成了以下工作：首先，根据传统弯曲疲劳 下料方式存在裂纹闭合现象影响下料效率的问题，从提高应力比这个角度对机构 加载方式进行改进，并建立了新加载方式下疲劳寿命估算的数学模型。其次，针 对反旋转弯曲模式下棒料不转的特点，设计了斜块压杆机构，解决了施加预荷力 的液压装置不能随主轴转动的问题，使电机，液压缸等动力元件可以相对机架保 持静止；考虑到摩擦扭矩对断面平整度的不利影响，设计了一种可靠传递加载力 的自定心夹具，减少了棒料与夹具间的摩擦扭矩；使用扩程机构配合配重块平衡 了在各个工况下的不平衡质量。再次，选用a d a m s 作为仿真分析软件，对反旋转 弯曲疲劳断料机构三维模型进行优化直至满足设计要求。最后使用有限元分析软 件a b a q u s 对主轴进行了静力分析和模态分析验证了主轴刚度并为转速的选择提 供了技术参数。 本文通过对金属疲劳断裂机理以及反旋转弯曲疲劳下料机构的研究，丰富了 裂纹技术理论的应用，同时也为反旋转弯曲疲劳下料机床的研发和应用提供了理 论支持。 关键词：反旋转弯曲；棒料疲劳寿命；虚拟设计；a d a m s i v 硕士学位论文 a b s t r a c t b l a n k i n gq u a l i t yd i r e c t l ya f f e c t st h eq 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 e s s w i t ht h ed e v e l o p i n go fp r o c e s s i n gi n d u s t r i e s ，f o rd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，v o l u m ea n d p r e c i s i o nr e q u i r e m e n t s ，t h e r eh a sb e e nav a r i e t yo fc u t t i n gm e t h o d s t r a d i t i o n a l c u t t i n gm e t h o d so f t e nh a v em a n yd e f e c t ss u c ha sl o we f f i c i e n c y , e n e r g yc o n s u m p t i o n a n dp o o rq u a l i t yc r o s s - s e c t i o n ，w h i l e ，e l e c t r o c h e m i c a l ，e l e c t r o nb e a mb l a n k i n g m e t h o d sa n do t h e rm o d e mm e t h o d sc o s tt o om u c hf o rt h e g e n e r a lc u t t i n g r e q u i r e m e n t s a n t i r o t a t i n gb e n d i n gf a t i g u ec u t t i n gm a c h i n ec a ne f f e c t i v e l ys o l v e t h ep r o b l e ma b o v e b a s e do nc r a c kt e c h n i c a lt h e o r ya n dm e t a lf a t i g u ec r a c kf r a c t u r em e c h a n i s m ， c o m b i n i n gt h eo r e t i c a la n a l y s i sw i t hp r a c t i c a lc a s e ，f a t i g u el i f eo fb a ru n d e ri n v e r s e r o t a t i n gb e n d i n gi ss t u d i e d ，m a jo rm o v i n go r g a n i z a t i o n si nt h em a c h i n ea r ed e s i g n e d a n dv i r t u a l ya s s e m b l e d ，a n di t sm o t i o ns i m u l a t i o na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sd i d i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ff r a c t u r e ，t h em a t hm o d e lo fb a r f a t i g u el i f e i ss t u d i e da tt h eb e g i n n i n g t h e nt h ea s s e m b l ym o d e li se s t a b l i s h e dw i t h v i r t u a ld e s i g nm e t h o d s p e c i f i c a l l ys p e a k i n g ，t h ef o l l o w i n gw o r ki sc o m p l e t e di nt h i s t h e s i s ：f i r s t ，a c c o r d i n g t ot h ef a c tt h a tc r a c kc l o s u r ep h e n o m e n o ne x i s t si n t r a d i t i o n a lb e n d i n gf a t i g u eb l a n kw h i c hi n f l u e n c ee f f i c i e n c yii m p r o v e st h em o d eo f f a t i g u el o a d i n gt oi n c r e a s es t r e s sr a t i oa n de s t a b l i s h e san e wm a t h e m a t i c a lm o d e lo f l i f ep r e d i c t i o n s e c o n d ，b e c a u s eb a rd o e sn o tr o t a t ei nt h ei n v e r s er o t a t eb e n d i n g m o d e ，w e d g eb l o c k a n dl e v e ri n s t i t u t i o n sa r e d e s i g n e dt o s o l v e h y d r a u l i c s c o m p o n e n tw h i c hs u p p l yp r e l o a df o r c es h o u l dn o tr o t a t e ，a n dt h em o t o r , h y d r a u l i c c y l i n d e ra n do t h e rp o w e rc o m p o n e n t sc a nr e m a i ns t a t i o n a r yr e l a t i v et om a c h i n e f r a m e ；t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ea d v e r s ee f f e c t so ff r i c t i o nt o r q u et oc r o s s - s e c t i o n s f l a t n e s s ，as e l f - c e n t e r i n gf i x t u r ei sd e s i g n e dt h a tc a nt r a n s f e rf i x t u r el o a dr e l i a b l y a n dr e d u c ef r i c t i o n t o r q u e b e t w e e nt h eb a ra n dt h e f i x t u r e ；t h ee x p a n s i o n m e c h a n i s i a ma n dc o u n t e rw e i g h ta r eu s e dt ob a l a n c et h eb a s i cs h a f ti nv a r i o u s c o n d i t i o n s f i n a l l y , t h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea b a q u sa r eu s e dt od os t a t i c a 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 fs p e e d b a s e do nt h es t u d yo ft h ef a t i g u ef r a c t u r em e c h a n i s ma n di n v e r s er o t a t i n g b e n d i n gf a t i g u ec u t t i n gm e c h a n i s m ，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 s e n r i c h e di nt h ep a p e r ，m e a n w h i l e ，t h e o r e t i c a ls u p p o r ti sp r o v i d e df o rt h ed e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fi n v e r s er o t a t i n gb e n d i n gf a t i g u ec u t t i n gm e c h a n i s m v 反旋转弯曲疲劳断料机构的虚拟设计 k e y w o r d s ：i n v e r s er o t a t i n gb e n d i n g ；b a rf a t i g u el i f e ；v i r t u a ld e s i g n ；a d a m s v l 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 将棒料、板料和型材加工成后续工序所需的毛坯是机械加工的第一道工序， 这道工序称为下料。第一道工序质量的好坏直接影响到后续工序加工质量以及 加工效率。从而在不同程度上决定成品质量的好坏、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。如：剪切，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。但这 些下料方法却分别存在一些缺陷和不足，如：效率低，耗能大，工件材料和刀 具材料损耗，断面质量差，成本高。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。 通过对断裂力学的反思，认识了裂纹的功过之后，把研究思路从“防止裂纹 之害 引到了甜利用裂纹之利一的思维轨迹上，从而首先在机械加工技术的交叉 结合上，开拓出了一个利用裂纹和控制裂纹沿给定路线扩展达到“切割 金属材 料并实现无屑下料的新领域凹1 。这门技术的核心思想是在适宜的载荷方式造成的 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、疲劳效应等使切口 尖端裂纹快速扩展，实现固体材料连续界面快速规则分离1 。1 9 7 8 年4 月，在兰 州理工大学( 原甘肃工业大学) 金切实验室成功地进行了有控制的断裂试验以 后，经过几年的探索表明，把裂纹技术应用于机械加工中的下料工序是完全可 行的。这种断料方法称之为“应力断料 h 1 。 应用裂纹技术实现应力断料的方法，具有下列明显的优点：( 1 ) 断料质量 良好。断口规则平整，无料边、料芯、无冲剪下料的“马蹄形? 料口，尤其适 宜对焊工具坯料的下料；( 2 ) 节约原材料和工具消耗。这种工艺方法不需要切断 车刀、锯条之类的工具，没有切口宽度，无断屑，不用切削冷却液，切口刀切 削量很小，刀具消耗少；( 3 ) 节能。应力断料的加载力小，力的作用短，其总 的能耗只有金属切削能耗的1 8 或更小；( 4 ) 高效。由于裂纹失稳扩展速率相 当于声速，故不论工件尺寸大小，只要有足够的预荷或充分过载疲劳，断裂过 程都将在瞬间完成。实用的断料机动时间为3 - 6 秒。( 5 ) 方法简单、容易推广。 可在普通车床上利用廉价辅具断料，亦可设计各型高效应力断料机。如果在全 国推广，每年可为国家节约大量资金，具有明显的经济效益。 1 2 国内外相关研究综述 反旋转弯曲疲劳断料机构的虚拟设计 裂纹技术的研究包括三个部分：一是断裂设计原理，二是应力断料方法，三 是裂纹技术断料设备。其中裂纹技术装备的研究是裂纹技术的一个重要组成部 分，是裂纹技术应用的研究归宿，是裂纹技术生命力的有力体现。由于下料的 重要标志是有新表面产生，而低应力脆性断裂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下料是很适宜的。 1 2 1 断裂设计原理研究现状 断裂设计的任务之一就是设计对低应力脆断敏感的应力状态，使材料易于 脆断因此断裂力学是断裂设计原理的理论基础。断裂力学在2 0 世纪诞生并走 向成熟，国外有许多这方面的著作卜细1 ，但最成功的应用主要集中在疲劳方面。 1 9 2 4 年，g r i f f i t h 对脆性材料的断裂理论作了开创性研究n 们。他发现玻璃 的实际强度远远低于分子结构理论所预期的理论强度。并认为强度的降低是由 于玻璃内部存在细小的缺陷裂纹导致玻璃在低应力下发生脆断。g r i f f i t h 从能 量平衡观点出发，提出了裂纹失稳扩展条件，并以实验验证：用金刚钻轻轻敲 凿玻璃薄壁球壳制造裂纹，在球泡内部冲压，直至球泡爆裂，从实验结果可以 看出断裂应力随裂纹尺寸的增大而减小，当裂纹扩展释放的弹性应变等于新裂 纹形成的表面能时，裂纹就会失稳扩展。但g r i f f i t h 对断裂的研究严格讲只适 用于理想脆性材料，因此有两个关键问题有待解决：一是如何将理论扩展到工 程材料，二是如何将整体能量平衡概念与某种容易分析的新参数相联系。 1 9 4 8 年i r w i n 提出裂纹尖端区域塑性耗散功概念，认为在能量平衡分析中， 只需将塑性耗散功补充进表面能上，修正的g r i f