凸轮机构的三维设计、装配与运动仿真（全套三维及仿真）
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凸轮
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1冲压变形冲压变形工艺可完成多种工序，其基本工序可分为分离工序和变形工序两大类。分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工艺方法，主要有落料、冲孔、切边、剖切、修整等。其中有以冲孔、落料应用最广。变形工序是使坯料的一部分相对另一部分产生位移而不破裂的工艺方法，主要有拉深、弯曲、局部成形、胀形、翻边、缩径、校形、旋压等。从本质上看，冲压成形就是毛坯的变形区在外力的作用下产生相应的塑性变形，所以变形区的应力状态和变形性质是决定冲压成形性质的基本因素。因此，根据变形区应力状态和变形特点进行的冲压成形分类，可以把成形性质相同的成形方法概括成同一个类型并进行系统化的研究。绝大多数冲压成形时毛坯变形区均处于平面应力状态。通常认为在板材表面上不受外力的作用，即使有外力作用，其数值也是较小的，所以可以认为垂直于板面方向的应力为零，使板材毛坯产生塑性变形的是作用于板面方向上相互垂直的两个主应力。由于板厚较小，通常都近似地认为这两个主应力在厚度方向上是均匀分布的。基于这样的分析，可以把各种形式冲压成形中的毛坯变形区的受力状态与变形特点，在平面应力的应力坐标系中冲压应力图与相应的两向应变坐标系中冲压应变图以应力与应变坐标决定的位置来表示。也就是说，冲压应力图与冲压应变图中的不同位置都代表着不同的受力情况与变形特点1冲压毛坯变形区受两向拉应力作用时，可以分为两种情况即0T0和0，T0。再这两种情况下，绝对值最大的应力都是拉应力。以下对这两种情况进行分析。1当0且T0时，安全量理论可以写出如下应力与应变的关系式11/（M）/（M）T/（TM）K式中，T分别是轴对称冲压成形时的径向主应变、切向主应变和厚度方向上的主应变；，T分别是轴对称冲压成形时的径向主应力、切向主应力和厚度方向上的主应力；M平均应力，M（T）/3；K常数。在平面应力状态，式（11）具有如下形式3/（2）3/（2T）3T/（T）K（12）因为0，所以必定有20与0。这个结果表明在两向2拉应力的平面应力状态时，如果绝对值最大拉应力是，则在这个方向上的主应变一定是正应变，即是伸长变形。又因为0，所以必定有（T）2时，0。的变化范围是0。在双向等拉力状态时，有式（12）得0及T0且T0时，有式（12）可知因为0，所以1）定有20与0。这个结果表明对于两向拉应力的平面应力状态，当的绝对值最大时，则在这个方向上的应变一定时正的，即一定是伸长变形。又因为0，所以必定有（T），0。的变化范围是0。当时，0，也就是在双向等拉力状态下，在两个拉应力方向上产生数值相同的伸长变形；在受单向拉应力状态时，当0时，/2，也就是说，在受单向拉应力状态下其变形性质与一般的简单拉伸是完全一样的。这种变形与受力情况，处于冲压应变图中的AOC范围内（见图11）；而在冲压应力图中则处于AOH范围内（见图12）。上述两种冲压情况，仅在最大应力的方向上不同，而两个应力的性质以及它们引起的变形都是一样的。因此，对于各向同性的均质材料，这两种变形是完全相同的。1冲压毛坯变形区受两向压应力的作用，这种变形也分两种情况分析，即0与T0，即在板料厚度方向上的应变是正的，板料增厚。在方向上的变形取决于与的数值当2时，0；当2时，0。这时的变化范围是与0之间。当时，是双向等压力状态时，故有0与T0，即在板料厚度方向上的应变是正的，即为压缩变形，板厚增大。在方向上的变形取决于与的数值当2时，0；当2，0。这时，的数值只能在0。这种变形与受力情况，处于冲压应变图中的GOL范围内（见图11）；而在冲压应力图中则处于DOE范围内（见图12）。1冲压毛坯变形区受两个异号应力的作用，而且拉应力的绝对值大于压应力的绝对值。这种变形共有两种情况，分别作如下分析。1）当0，|时，由式（12）可知因为0，|，所以一定有20及0。这个结果表明在异号的平面应力状态时，如果绝对值最大应力是拉应力，则在这个绝对值最大的拉应力方向上应变一定是正应变，即是伸长变形。又因为0，|，所以必定有00，0，|时，由式（12）可知用与前项相同的方法分析可得0。即在异号应力作用的平面应力状态下，如果绝对值最大应力是拉应力，则在这个方向上的应变是正的，是伸长变形；而在压应力方向上的应变是负的（0，0，0，|时，由式（12）可知因为0，|，所以一定有20，0，即在拉应力方向上的应变是正的，是伸长变形。这时的变化范围只能在与0的范围内。当时，00，0，|时，由式（12）可知用与前项相同的方法分析可得0，0，0,0AONGOH伸长类AOCAOH伸长类双向受压0,|MONFOG伸长类|LOMEOF压缩类异号应力0,|CODAOB伸长类|DOEBOC压缩类7变形区质量问题的表现形式变形程度过大引起变形区产生破裂现象压力作用下失稳起皱成形极限1主要取决于板材的塑性，与厚度无关2可用伸长率及成形极限DLF判断1主要取决于传力区的承载能力2取决于抗失稳能力3与板厚有关变形区板厚的变化减薄增厚提高成形极限的方法1改善板材塑性2使变形均匀化，降低局部变形程度3工序间热处理1采用多道工序成形2改变传力区与变形区的力学关系3采用防起皱措施伸长类成形胀形拉深翻边压缩类成形压缩类成形扩口拉深胀形伸长类成形缩口缩口扩口/4/4翻边图13冲压应变图8冲压成形极限变形区的成形极限传动区的成形极限伸长类变形压缩类变形强度抗拉与抗压缩失衡能力塑性抗缩颈能力变形均化与扩展能力塑性抗起皱能力变形力及其变化各向异性值硬化性能变形抗力化学成分组织变形条件硬化性能应力状态应变梯度硬化性能模具状态力学性能值与值相对厚度化学成分组织变形条件图13体系化研究方法举例9CATEGORIESOFSTAMPINGFORMINGMANYDEFORMATIONPROCESSESCANBEDONEBYSTAMPING,THEBASICPROCESSESOFTHESTAMPINGCANBEDIVIDEDINTOTWOKINDSCUTTINGANDFORMINGCUTTINGISASHEARINGPROCESSTHATONEPARTOFTHEBLANKISCUTFORMTHEOTHERITMAINLYINCLUDESBLANKING,PUNCHING,TRIMMING,PARTINGANDSHAVING,WHEREPUNCHINGANDBLANKINGARETHEMOSTWIDELYUSEDFORMINGISAPROCESSTHATONEPARTOFTHEBLANKHASSOMEDISPLACEMENTFORMTHEOTHERITMAINLYINCLUDESDEEPDRAWING,BENDING,LOCALFORMING,BULGING,FLANGING,NECKING,SIZINGANDSPINNINGINSUBSTANCE,STAMPINGFORMINGISSUCHTHATTHEPLASTICDEFORMATIONOCCURSINTHEDEFORMATIONZONEOFTHESTAMPINGBLANKCAUSEDBYTHEEXTERNALFORCETHESTRESSSTATEANDDEFORMATIONCHARACTERISTICOFTHEDEFORMATIONZONEARETHEBASICFACTORSTODECIDETHEPROPERTIESOFTHESTAMPINGFORMINGBASEDONTHESTRESSSTATEANDDEFORMATIONCHARACTERISTICSOFTHEDEFORMATIONZONE,THEFORMINGMETHODSCANBEDIVIDEDINTOSEVERALCATEGORIESWITHTHESAMEFORMINGPROPERTIESANDTOBESTUDIEDSYSTEMATICALLYTHEDEFORMATIONZONEINALMOSTALLTYPESOFSTAMPINGFORMINGISINTHEPLANESTRESSSTATEUSUALLYTHEREISNOFORCEORONLYSMALLFORCEAPPLIEDONTHEBLANKSURFACEWHENITISASSUMEDTHATTHESTRESSPERPENDICULARTOTHEBLANKSURFACEEQUALTOZERO,TWOPRINCIPALSTRESSESPERPENDICULARTOEACHOTHERANDACTONTHEBLANKSURFACEPRODUCETHEPLASTICDEFORMATIONOFTHEMATERIALDUETOTHESMALLTHICKNESSOFTHEBLANK,ITISASSUMEDAPPROXIMATELYTHATTHETWOPRINCIPALSTRESSESDISTRIBUTEUNIFORMLYALONGTHETHICKNESSDIRECTIONBASEDONTHISANALYSIS,THESTRESSSTATEAND10THEDEFORMATIONCHARACTERISTICSOFTHEDEFORMATIONZONEINALLKINDOFSTAMPINGFORMINGCANBEDENOTEDBYTHEPOINTINTHECOORDINATESOFTHEPLANEPRINCIPALSTRESSDIAGRAMOFTHESTAMPINGSTRESSANDTHECOORDINATESOFTHECORRESPONDINGPLANEPRINCIPALSTAINSDIAGRAMOFTHESTAMPINGSTRAINTHEDIFFERENTPOINTSINTHEFIGURESOFTHESTAMPINGSTRESSANDSTRAINPOSSESSDIFFERENTSTRESSSTATEANDDEFORMATIONCHARACTERISTICS1WHENTHEDEFORMATIONZONEOFTHESTAMPINGBLANKISSUBJECTEDTOPLANETENSILESTRESSES,ITCANBEDIVIDEDINTOTWOCASES,THATIS0,T0AND0,T0INBOTHCASES,THESTRESSWITHTHEMAXIMUMABSOLUTEVALUEISALWAYSATENSILESTRESSTHESETWOCASESAREANALYZEDRESPECTIVELYASFOLLOWS2INTHECASETHAT0ANDT0,ACCORDINGTOTHEINTEGRALTHEORY,THERELATIONSHIPSBETWEENSTRESSESANDSTRAINSARE/（M）/（M）T/（TM）K11WHERE,，TARETHEPRINCIPALSTRAINSOFTHERADIAL,TANGENTIALANDTHICKNESSDIRECTIONSOFTHEAXIALSYMMETRICALSTAMPINGFORMING，ANDTARETHEPRINCIPALSTRESSESOFTHERADIAL,TANGENTIALANDTHICKNESSDIRECTIONSOFTHEAXIALSYMMETRICALSTAMPINGFORMINGMISTHEAVERAGESTRESS,M（T）/3KISACONSTANTINPLANESTRESSSTATE,EQUATION113/（2）3/（2T）3T/（T）K12SINCE0,SO20AND0ITINDICATESTHATINPLANESTRESSSTATEWITHTWOAXIALTENSILESTRESSES,IFTHETENSILESTRESSWITHTHEMAXIMUMABSOLUTEVALUEIS,THEPRINCIPALSTRAININTHISDIRECTIONMUSTBEPOSITIVE,THATIS,THEDEFORMATIONBELONGS11TOTENSILEFORMINGINADDITION,BECAUSE0，THEREFORE（T）2,0THERANGEOFIS0INTHEEQUIBIAXIALTENSILESTRESSSTATE，ACCORDINGTOEQUATION12,0ANDT0ANDT0,ACCORDINGTOEQUATION12,20AND0,THISRESULTSHOWSTHATFORTHEPLANESTRESSSTATEWITHTWOTENSILESTRESSES,WHENTHEABSOLUSTEVALUEOFISTHESTRAININTHISDIRECTIONMUSTBEPOSITIVE,THATIS,ITMUSTBEINTHESTATEOFTENSILEFORMINGALSOBECAUSE0，THEREFORE（T）,012THERANGEOFIS0WHEN,0,THATIS,INEQUIBIAXIALTENSILESTRESSSTATE,THETENSILEDEFORMATIONWITHTHESAMEVALUESOCCURSINTHETWOTENSILESTRESSDIRECTIONSWHEN0,/2,THATIS,INUNIAXIALTENSILESTRESSSTATE,THEDEFORMATIONCHARACTERISTICINTHISCASEISTHESAMEASTHATOFTHEORDINARYUNIAXIALTENSILETHISKINDOFDEFORMATIONISINTHEREGIONAONOFTHEDIAGRAMOFTHESTAMPINGSTRAINSEEFIG11,ANDINTHEREGIONGOHOFTHEDIAGRAMOFTHESTAMPINGSTRESSSEEFIG12BETWEENABOVETWOCASESOFSTAMPINGDEFORMATION,THEPROPERTIESOFAND,ANDTHEDEFORMATIONCAUSEDBYTHEMARETHESAME,ONLYTHEDIRECTIONOFTHEMAXIMUMSTRESSISDIFFERENTTHESETWODEFORMATIONSARESAMEFORISOTROPICHOMOGENEOUSMATERIAL1WHENTHEDEFORMATIONZONEOFSTAMPINGBLANKISSUBJECTEDTOTWOCOMPRESSIVESTRESSESANDT0,ITCANALSOBEDIVIDEDINTOTWOCASES,WHICHARE0ANDT0THESTRAININTHETHICKNESSDIRECTIONOFTHEBLANKTISPOSITIVE,ANDTHETHICKNESSINCREASESTHEDEFORMATIONCONDITIONINTHETANGENTIALDIRECTIONDEPENDSONTHEVALUES13OFANDWHEN2,0WHEN2,0THERANGEOFIS0ANDT0THESTRAININTHETHICKNESSDIRECTIONOFTHEBLANKTISPOSITIVE,ANDTHETHICKNESSINCREASESTHEDEFORMATIONCONDITIONINTHERADIALDIRECTIONDEPENDSONTHEVALUESOFANDWHEN2,0WHEN2,0THERANGEOFIS0THISKINDOFDEFORMATIONISINTHEREGIONGOLOFTHEDIAGRAMOFTHESTAMPINGSTRAINSEEFIG11,ANDINTHEREGIONDOEOFTHEDIAGRAMOFTHESTAMPINGSTRESSSEEFIG123THEDEFORMATIONZONEOFTHESTAMPINGBLANKISSUBJECTEDTOTWOSTRESSESWITHOPPOSITESIGNS,ANDTHEABSOLUTEVALUEOFTHETENSILESTRESSISLARGERTHANTHATOFTHECOMPRESSIVESTRESSTHEREEXISTTWOCASESTOBEANALYZEDASFOLLOW141WHEN0,|,ACCORDINGTOEQUATION12,20AND0THISRESULTSHOWSTHATINTHEPLANESTRESSSTATEWITHOPPOSITESIGNS,IFTHESTRESSWITHTHEMAXIMUMABSOLUTEVALUEISTENSILE,THESTRAININTHEMAXIMUMSTRESSDIRECTIONISPOSITIVE,THATIS,INTHESTATEOFTENSILEFORMINGALSOBECAUSE0,|,THEREFOREWHEN,THEN0,0,0,|,ACCORDINGTOEQUATION12,BYMEANSOFTHESAMEANALYSISMENTIONEDABOVE,0,THATIS,THEDEFORMATIONZONEISINTHEPLANESTRESSSTATEWITHOPPOSITESIGNSIFTHESTRESSWITHTHEMAXIMUMABSOLUTEVALUEISTENSILESTRESS,THESTRAININTHISDIRECTIONISPOSITIVE,THATIS,INTHESTATEOFTENSILEFORMINGTHESTRAININTHERADIALDIRECTIONISNEGATIVE（WHEN,THEN0,0,0,|,ACCORDINGTOEQUATION12,20AND0THESTRAININTHETENSILESTRESSDIRECTIONISPOSITIVE,ORINTHESTATEOFTENSILEFORMINGTHERANGEOFIS0WHEN,THEN0,0,0,|,ACCORDINGTOEQUATION12ANDBYMEANSOFTHESAMEANALYSISMENTIONEDABOVE,WHEN,THEN0,0,0,0AONGOHTENSILEAOCAOHTENSILEBIAXIALCOMPRESSIVESTRESSSTATE0,|MONFOGTENSILE|LOMEOFCOMPRESSIVESTATEOFSTRESSWITHOPPOSITESIGNS0,|CODAOBTENSILE|DOEBOCCOMPRESSIVE20TABLE12COMPARISONBETWEENTENSILEANDCOMPRESSIVEFORMINGITEMTENSILEFORMINGCOMPRESSIVEFORMINGREPRESENTATIONOFTHEQUALITYPROBLEMINTHEDEFORMATIONZONEFRACTUREINTHEDEFORMATIONZONEDUETOEXCESSIVEDEFORMATIONINSTABILITYWRINKLECAUSEDBYCOMPRESSIVESTRESSFORMINGLIMIT3MAINLYDEPENDSONTHEPLASTICITYOFTHEMATERIAL,ANDISIRRELEVANTTOTHETHICKNESS4CANBEESTIMATEDBYEXTENSIBILITYORTHEFORMINGLIMITDLF4MAINLYDEPENDSONTHELOADINGCAPABILITYINTHEFORCETRANSFERRINGZONE5DEPENDSONTHEANTIINSTABILITYCAPABILITY6HASCERTAINRELATIONSHIPTOTHEBLANKTHICKNESSVARIATIONOFTHEBLANKTHICKNESSINTHEDEFORMATIONZONETHINNINGTHICKENINGMETHODSTOIMPROVEFORMINGLIMIT4IMPROVETHEPLASTICITYOFTHEMATERIAL5DECREASELOCAL4ADOPTMULTIPASSFORMINGPROCESS5CHANGETHEMECHANICS21DEFORMATION,ANDINCRE
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