864 自動鉆床的總體方案設計

864 自動鉆床的總體方案設計,自動,鉆床,總體,整體,方案設計 熱擠壓模的壓力分析和優(yōu)化設計帥詞俊 肖剛 倪正順 （中國 長沙 中南大學機電工程學院 410083）摘要熱擠壓模的三維模型是用ANSYS軟件和其二次開發(fā)編程語言—ANSYS參數(shù)設計語言創(chuàng)建的。模型的有限元分析和優(yōu)化設計完成后，三維壓力圖顯示應力集中在擠壓模的邊緣，并且應力分布很不均勻。通過優(yōu)化設計結果可得出擠壓模的最佳高度為89.596mm，最佳的澆道口半徑為65.048mm和80.065mm,與沒有優(yōu)化前相比應力集中減少27%。關鍵詞：三維方法；建模；熱擠壓模；優(yōu)化設計簡介隨著日常生活標準的持續(xù)不斷地發(fā)展，鋁制品被廣泛地應用到生活的每一個角落。產品也要求越來越多樣化，復雜程度和精密度的要求也越來越高。擠壓模是基本的擠壓成形過程。它不僅決定產品的形狀、尺寸、精度和表面狀況，而且影響產品的性能。所以熱擠壓模是擠壓成形技術的關鍵。通常情況下，我們都是通過把三維有限元簡化成二維模型來研究擠壓模具以改進模具的質量和延長模具的使用壽命。但這僅僅適用于結構簡單的模具。在不進行三維有限元分析的情況下，分析的結果不能給產品的制造帶來切實地幫助和有用的信息。本文將以鋁板沖壓模為例來進行優(yōu)化設計。1、 實體模型圖1所示為一熱沖壓平面結合模具的公模簡圖。其外徑為227.000mm，高度為80.000mm，其它參數(shù)如圖1所示。其建模方法如下：1．1 坐標點P 1和P 5直線L（ ）和圓（ ）的交點坐標為：bkxy??22Ryx??（1）1))()(25,1 ??kb（2）bkxy??,,圖1 熱擠壓模具簡圖1．2 坐標點P2和P6直線L 1（ ）和直線L 2（ ）的交點P 2坐標為：bkxy??1Sy?（3）S?12（4）1y直線L 2（ ）和直線L 2（ ）的交點P 6坐標為：bkx??2Sy?（5）26S（6）kxy1．3 坐標點P3、P4、P7和P8P3和P 1關于y軸對稱，P 4和P 2也關于y軸對稱；P 7和P 5關于x軸對稱，P 8和P 6也關于x軸對稱。1．4 方程中的變量在方程式（1）-（6）中，對于點P 1和P 2， ，R=R 1；對于點P 5和2Tkb??P6， ，R=R 2。R 1、R 2、T 1、T 2、S 1和S 2都是隨著高度H變化的，可表2Tkb??示為：、 、 、 、 、 ；)(1zfR)(2zf)(31zf?)(42zf)(51zf?)(62zfS。],0[Hz?1．5 特定高度的截面形狀連接點P 1-P4和P 5-P8，用弧線連接P 1到P 8這些交點集即可獲得特定高度的截面形狀。1．6 任意高度的截面形狀高度H被分為等高面的INUM（INUM由精確度確定，INUM越高，精確度也越高）。任意高度的截面形狀如圖2示：圖2 截面曲線圖1．7 光滑曲面應用ANSYS軟件中的SKIN命令，光滑曲面將沿曲線生成，該曲面即為澆道口表面。應用VA命令，系統(tǒng)將根據(jù)以上曲面生成實體。1．8 模具的對稱性用布爾邏輯的添加和拭除等操作完成模具主要實體和中心的創(chuàng)建（如圖3）。模具的對稱性有助于模具1/4實體有限元分析的計算（如圖4）。圖3 模具實體模型 圖4 四分之一實體模型2、 模型的計算以沖壓鋁合金（6063AL-Mg-Si）的平面模具為例。鋁的熔點為657℃，而鋁合金AL+Mg 2Si的熔化溫度為558℃，考慮到注射的壓力和產品的質量，將工作溫度定為450℃。模具材料為4Gr5MoSiV1(H13)。溫度在450℃以下時，其初態(tài)模數(shù)與熱熔比分別為210G 和0.25，其屈服強度為1200 ，摩擦系數(shù)為0.3。將固態(tài)92的aMPaMP三維元素進行自由嚙合。為了承載注射時的摩擦力，表面154繪制成規(guī)則的四邊形（如圖5），對于1600噸的擠壓機，擠壓強度可按方程式7計算，計算數(shù)值如表1示。(7))()( '''21 dzdtz TRTRP????圖5 摩擦力負荷圖表1 模具各部分強度表zRzTtdT'zR'zT'dP83.42 27.41 222.72 19.53 191.80 53.23 14.38 612.54模具經常發(fā)生邊緣斷裂，其強度主要取決于模具的高度和分流孔的分布。本文中，高度H和分流孔的半徑R 1及R 2為設計變量，當量極限壓力（ ）為設max?計的目標功能。設計變量的范圍列于表2中。表2 設計參數(shù)變化范圍m/1m/2H/)/(1??)/(2??65-85 80-98 60-90 20-40 20-403、 計算結果圖6為當量應力圖，從圖中我們可以得出，在邊緣處壓應力最大。圖表3中從大到小列出24個當量壓應力值。數(shù)據(jù)顯示，最大的當量壓應力為1006.5 ，其高度比第二數(shù)值912.0 在14.5%，其壓應力在邊緣處收斂嚴aMPaMP重，該部分容易了生裂縫。設計參數(shù)R 1、R 2、H、 和 的初始值分別為1?275.000mm，88.000mm，80.000mm，30.000°和30.000°，最大當量應力=1006.5 。在21次迭代中，第18次迭代最為適宜。此時設計參數(shù)分別為max?aPR1=65.048mm，R 2=80.065mm，H=89.596mm， =30.642°, =20.045°,最大當1?2?量應力 =733.1 ，減少了27%。迭代結果如表4所示。max?aMP圖6 最大當量應力圖表3 結點壓力值結點 971 528 719 698 3950 714arMP/?1006.5 912.0 832.7 800.6 804.4 795.3結點 1156 702 727 710 723 700ar/789.9 778.8 775.8 769.0 763.6 763.5結點 739 708 706 731 759 1178arP/?769.3 756.8 755.9 739.8 739.1 736.0結點 704 747 690 743 694 696arM/734.3 715.9 706.4 700.3 700.1 695.6設計參數(shù)R 1、R 2、H、 和 的初始值分別為1?275.000mm，88.000mm，80.000mm，30.000°和30.000°，最大當量應力=1006.5 。在21次迭代中，第18次迭代最為適宜。此時設計參數(shù)分別為max?aPR1=65.048mm，R 2=80.065mm，H=89.596mm， =30.642°, =20.045°,最大當1?2?量應力 =733.1 ，減少了27%。迭代結果如表4所示：axaM表4 優(yōu)化過程迭代次數(shù)參數(shù)值1 2 3 4 5 6mR/175.000 81.943 77.358 80.855 67.249 80.441288.000 88.229 95.261 90.478 89.535 89.983H/80.000 71.640 60.100 80.854 89.684 74.327)/(1??30.000 33.847 29.382 21.400 32.633 36.729230.000 30.751 26.406 26.946 23.018 36.729/max?MP1066.5 1167.4 1323.2 1229.7 882.5 1241.7迭代次數(shù)參數(shù)值7 8 9 10 11 12R/167.365 65.591 65.184 65.172 65.067 65.048293.661 82.791 93.753 80.604 80.153 80.070mH/81.409 65.297 61.478 84.955 88.627 65.808)(1??31.816 37.644 39.474 33.861 34.052 30.585/221.267 20.325 24.740 20.113 20.058 23.479/max?MP882.4 866.8 943.9 756.0 749.7 780.0迭代次數(shù)參數(shù)值13 14 15 16 17 18R/165.047 65.048 65.048 65.047 65.048 65.048280.063 3 93.506 83.63 84.987 80.070 80.065mH/85.141 88.116 87.945 88.978 89.598 89.596)(1??32.456 35.414 27.786 33.231 23.144 30.642/222.214 20.044 35.941 20.046 20.045 20.045/max?MP769.6 760.4 788.0 795.8 769.0 723.1迭代次數(shù)參數(shù)值19 20 21R/165.043 65.042 65.042280.045 80.044 80.045mH/89.867 66.840 89.839)/(1??30.250 27.556 31.341220.042 20.042 20.042/max?MP741.3 821.3 751.34、 結論1） 在ANSYS軟件的基礎上，其二次開發(fā)設計語言APDL用來開發(fā)擠壓鋁件的熱擠壓模的三維模型已經可以實現(xiàn)。2） 三維的應力分布極為不均。熱擠壓模的邊緣處是危險應力集中的地方。最理想的幾何設計可使最大應力下降27%。一個好的沖模不僅僅是要減少沖量的數(shù)量，而且要減少在設變中消耗的時間，這樣才能有效的提高生產力。參考文獻[1] Yin Jianhua. 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