礦用液壓支架設(shè)計
礦用液壓支架設(shè)計,液壓,支架,設(shè)計
精密鍛造模具尺寸精度及模具應(yīng)力的
集成計算機(jī)輔助決策支持系統(tǒng)
摘要:在精密鍛造中,我們可以廣泛而有效地應(yīng)用決策支持系統(tǒng)。決策支持系統(tǒng)是基于早期有經(jīng)驗的鍛造模具設(shè)計工程師的總結(jié)和經(jīng)驗而產(chǎn)生的。在降低成本、提高元件可靠性的過程中,精密零配件正扮演著越來越重要的角色。因此,在許多應(yīng)用領(lǐng)域中,業(yè)務(wù)規(guī)范本身也已經(jīng)成為固有的部分或工藝流程。在鍛造模具設(shè)計中,高尺寸精度更是主要目標(biāo)之一。任何鍛件的承載力和使用壽命在很大程度上都受尺寸精度影響。為了預(yù)測部件的尺寸,并確定精鍛模具的尺寸,我們有必要分析一下影響尺寸精度的因素。并且在鍛造的每個階段中都對模具和產(chǎn)品的空間演變進(jìn)行分析。在這項研究中,自圓柱形工件投入使用以來,徑向和切向應(yīng)力都將作為模具應(yīng)力被測定。為確保鍛模尺寸和產(chǎn)品尺寸相吻合,應(yīng)盡量避免鑲件與鍛模間的彈性擴(kuò)張和收縮。
關(guān)鍵詞:精密鍛造 模具應(yīng)力 決策支持系統(tǒng)
1引言
精密成型工藝與鍛件尺寸精度在模具鍛造中地位特殊。由于其經(jīng)濟(jì)效益的原因,精密成形已經(jīng)成為金屬成形技術(shù)所要實現(xiàn)最重要的目標(biāo)之一。在鍛造行業(yè)中,為了獲得較高的鍛造精度和較長的模具壽命,我們已經(jīng)開始著眼于如何提高的鍛件尺寸精度。由于模具和工件的彈性和熱特性的不同影響,鍛件的尺寸很有可能有別于模具型腔。在這些特性中,刀具和工件材料彈性運動對尺寸精度的影響較大。
模具和毛坯的彈性特性受零件不同形狀的影響,即使是相同的材料。因此,設(shè)計者應(yīng)充分認(rèn)識到消除誤測模具和毛坯彈性變形的重要性。許多研究人員在優(yōu)化模具、延長模具壽命和優(yōu)化工藝設(shè)計的研究中,運用實驗和數(shù)學(xué)的方法研究了型腔補(bǔ)償。在數(shù)字分析方面,Takshashi和Brebbia 用邊界元法分析了鍛造模具應(yīng)力。 Sadeghi和Dean則研究了關(guān)于尺寸精度的精密鍛造軸對稱組件。 Eyercioglu 和Dean也研究了精密齒輪的設(shè)計和加工。此外,一些研究還提到了尺寸精度和有限元,上限元素技術(shù)(UBET)等一些數(shù)學(xué)研究方法,而平板法也在鍛造工具的彈性特性的過程中被提出。
Gerhard 和 Altan聲明他們的模具結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)力及彈性偏差預(yù)測都是基于模具壽命預(yù)測的。尤其在熱鍛,模具應(yīng)力,機(jī)械連接的構(gòu)型及熱應(yīng)力,修復(fù)模具疲勞,表面裂紋,裂紋擴(kuò)展,等影響模具壽命和效益方面頗具成效。
大多數(shù)成形操作中,形變模式的控制是非常復(fù)雜的,因此我們不可能給予定量的描述。毛坯在成形區(qū)的材料形變模式受很多因素的影響,如摩擦,潤滑,溫度,流速,邊界條件,材料性能,刀具和毛坯幾何形狀等。該金屬成形工藝優(yōu)化設(shè)計不但需要了解這些參數(shù)的影響而且要對過程中機(jī)械參數(shù)的相互作用有所研究,以便了解特定金屬的成型工藝。為了獲得所需的幾何和力學(xué)性能,工藝參數(shù)必須準(zhǔn)確,優(yōu)化,并得到適當(dāng)?shù)目刂啤?
對于鍛造模具的設(shè)計要求及負(fù)荷的預(yù)測, 經(jīng)驗豐富的工具設(shè)計師運用所積累的知識一般通過正確處理尺寸精度來實現(xiàn)。而這些知識,經(jīng)驗都是基于工業(yè)試驗的。除了有關(guān)模具應(yīng)力和鍛造負(fù)荷的數(shù)學(xué)計算外,必要的過程計劃及源于行業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)范的準(zhǔn)則和知識也為鍛模設(shè)計提供了一個理想的實施方案 。
2模具設(shè)計的通用假設(shè)
模具設(shè)計一般受多個因素的影響,并且各個因素之間又相互關(guān)聯(lián)。如:產(chǎn)品的類型、形狀及個別特殊情況等,但主要受強(qiáng)度要求的影響。我們應(yīng)該意識到,由于鍛模中復(fù)雜的應(yīng)力分布,在設(shè)計要求方面不是特別精確。這一情況的出現(xiàn)也是有原因的,如產(chǎn)品材料的分布和徑向壓力的大小就無法確定。此外,產(chǎn)品的材料在鍛造過程中也會不斷的變化,這是由于壓力分布的不斷變化造成的,因而就無法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但通常,我們會假定存在這樣一個穩(wěn)態(tài),在模具煅燒的過程中內(nèi)部壓力始終不變。有了這些假設(shè),就可以對理論空心氣瓶進(jìn)行計算。與其他方法相比,邊界元法(UBET)融入了上限定理和有限元素法的優(yōu)點,以便對變形速率、模具負(fù)載和型腔充填等重要參數(shù)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的預(yù)測。作為初始階段的最優(yōu)化的算法,UBET無可挑剔,但仍需盡快達(dá)成近乎完美的解決方案。
模具內(nèi)部不斷上升的應(yīng)力主要來源于煅燒時模具內(nèi)部較高的壓力。然而,壓力并非一直不變。由于壓力主要集中在模具與形變工件相接觸的部分,所以壓力在鍛造過程中會有所變化,而壓區(qū)的長度也將發(fā)生變化。該鍛件在尺寸上會與模具有所不同,這主要是由以下幾個因素造成的:
-鑲件會收縮至模具外環(huán)的大小以方便工件從模具腔體內(nèi)抽出(Ue)。
-在熱鍛造中,模具可能會被預(yù)加熱,然后在鋼坯加熱過程中會被進(jìn)一步加熱。這將造成模具形腔擴(kuò)展(UT)。
-工件從鍛造溫度冷卻至室溫時會發(fā)生收縮現(xiàn)象(Uc)。
-在模具零件的電火花加工時,電極與工件之間會發(fā)生火花間隙。這降低了模腔尺寸(克)。
如圖1所示,假設(shè)工件的初始半徑為R0,則模具的最終半徑R4的將是:
R4 =R0 +Ue+Ut-Uc-G
3.公式計算
3.1擴(kuò)展的彈性模計算(Ue)
為了計算由模具的彈性形變造成的工件尺寸的變化,我們必須考慮工件的彈塑性形變。假設(shè)工件受模具的應(yīng)力是不變的,并且鍛件在最大負(fù)荷時始終保持圓柱形,
同時模具形變是又是彈性的,沿其軸線不變。忽略工件與鍛模接口的摩擦,工件的尺寸在沖頭負(fù)荷產(chǎn)生和消失時發(fā)生變化。此外,工件尺寸的變化發(fā)生在脫模階段。
為了計算出的模具在徑向壓力的擴(kuò)張總量,我們必須考慮無壓力雙汽缸的膨脹量。工件上存在的沖頭負(fù)荷會導(dǎo)致兩種形式的形變。首先,工件將發(fā)生彈性形變,當(dāng)沖頭應(yīng)力等于工件的屈服應(yīng)力時,工件開始發(fā)生塑性形變,壓縮一直持續(xù)到工件接觸到模具內(nèi)壁。為了保證工件表面的連續(xù)性,箍張力(切向)工件和收縮環(huán)必須在這一點上是相等的,即:εθ1=εθ2.下標(biāo)1和2分別為鑲件和收縮環(huán)。當(dāng)工件所施加的負(fù)荷達(dá)到最大時,徑向應(yīng)力將大于其屈服應(yīng)力。在這種情況下,如果沖頭負(fù)荷消失,工件將受到模具的塑性壓力直到工件上的徑向應(yīng)力降低到剪切屈服應(yīng)力的兩倍(Sy)。通過使用特雷斯卡的屈服準(zhǔn)則,在本階段結(jié)束時,
工件的徑向膨脹的總值可以通過以下公式計算出:
在鍛造過程結(jié)束時,沖壓力為零,徑向應(yīng)力(2Sy)仍然作用在工件上。在工件抽出時,它的半徑將彈性擴(kuò)大而回收量(S)可以通過假設(shè)壓力(簡1 / 4平方米)呈圓柱形分布并且取σz= 0:
、
Ev Ew分別是工件材料的楊氏模量和泊松比 。
彈性模膨脹造成的工件的尺寸變化為:
3.2熱模拓展的計算(Ut)
在熱鍛造中為防止鍛模組件開裂、降低工件冷卻率,通常會對模具進(jìn)行預(yù)熱。煅燒過程中工件上的部分熱量會進(jìn)一步加熱模具,這兩部分熱量會導(dǎo)致模具膨脹。模具的徑向溫度分布預(yù)熱溫度為Tp,圖2給出了鈦合金的孔徑大小。我們假定模具的溫度始終不變,但是工件上產(chǎn)生的熱量會隨徑向溫度梯度形成外熱力流。假設(shè)預(yù)熱均勻,則模壁會自由膨脹所有徑向膨脹量計算如下:
這里,Tr為室溫,Tp是預(yù)熱溫度,αd為模具材料的熱膨脹系數(shù)。模具內(nèi)表面溫度不斷上升,圖3為壓力分布示意圖。
因此,由熱壓力造成的任一半徑的徑向位移量可以由計算而得:
高溫造成的模具總膨脹量為:
3.3產(chǎn)品熱收縮的計算(Uc)
熱成型加工后的收縮量受加工溫度和鍛造材料熱膨脹的共同影響。假設(shè)收縮徑向發(fā)生,鍛造完成時的溫度是均勻的,則任何半徑的徑向收縮量為:
其中,Tf是鍛造溫度,αw工件的熱膨脹系數(shù),r是工件收縮前的半徑。為了實現(xiàn)高精度的模具尺寸公差范圍、模具尺寸會被嚴(yán)格控制。正如上文所述,在調(diào)整模具和確定毛坯尺寸之前很明顯要對上述因素給予充分的考慮。在上述的分析中, 要先計算出影響鍛造尺寸的參數(shù),而對于一個給定的條件,模具的輪廓是確定的。并且已經(jīng)有用于計算這些數(shù)據(jù)和修正模具的產(chǎn)品鍛造尺寸的程序。鑲件和收縮環(huán)的尺寸(見圖4)可以通過等式10-17計算得出。
其中a是模具內(nèi)半徑、b是鑲件外半徑、c是收縮環(huán)的外半徑、z是干擾參量,Pi是內(nèi)壓力。
4總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
現(xiàn)在我們已經(jīng)實現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)為決策支持系統(tǒng)建立了推理和控制能力,同時找到了正確處理模具應(yīng)力和產(chǎn)品尺寸精度的方法。
我們也開始考慮運用一種智能的面向?qū)ο笙到y(tǒng)生產(chǎn)出高精度的產(chǎn)品。我們曾試圖用母系框架(幾何、鍛造負(fù)荷、模具幾何、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架來描述這項工作的知識表征。模具裝配、材料)與面框相連接。每個母系框架又設(shè)有有子框架。圖5為整體框架。
母系框架通常用來描述一般的對象。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)定義詳細(xì)說明了數(shù)據(jù)庫的存儲方式,以方便數(shù)據(jù)的搜索和整理。為了將文本數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)我們需要調(diào)整子框架和例證以使其能代指特定的對象。鍛造負(fù)荷的預(yù)測對尺寸精度和模具壽命至關(guān)重要。
下面的這個框架有六個子框架,它是開發(fā)系統(tǒng)主要框架之一(見圖6)。
輪廓框架:這個框架從它的幾何母系框架獲取知識表達(dá)。為了確定煅燒負(fù)荷,輪廓將首先被加熱。為了找到斜行和弧線,要對實體進(jìn)行搜索。在這個過程中, 為了找到斜行或弧,相關(guān)的支架都要被刪除。
移除框架:在這個框架中,移除的實體將被儲存在數(shù)據(jù)庫中。這里有兩個實例:其中一種包含斜行的信息而另一個包含了弧域框架:這個框架也是鍛造負(fù)荷母系框架的子框架。幾何分解就是源于這個框架的。垂直和水平線都引自同行的角點。通過這種方式,矩形區(qū)域得以劃分。域的有關(guān)知識儲存在數(shù)據(jù)庫中。
摩擦框架:域的一側(cè)與材料、模具或沖床的一側(cè)相連。因此,兩側(cè)都會被檢查,而摩擦系數(shù)也是確定的。該框架用于測定域的兩側(cè)是否與材料、模具或沖床的一側(cè)相連。
潤滑框架:潤滑框架從摩擦框架獲取信息。這一框架有四層標(biāo)準(zhǔn):良潤滑,潤滑、差及零潤滑(干)。這些標(biāo)準(zhǔn)必須由用戶認(rèn)定。輸入值通常用于域各邊及所有產(chǎn)品摩擦系數(shù)的確定。
流動應(yīng)力框架:不同材料的形變特性各有迥異。一旦發(fā)生形變流動應(yīng)力值就會隨之變化。因此, 材料的這一屬性必須隨時掌握。
5實驗
在實驗中用到一個600kN的液壓力,同時,石墨水也將被用作潤滑劑。最后,必須確保所有的工作表面都被完全潤滑。AISI空氣硬化中度偏冷合金被作為一種鑲件材料被使用。工具箱中有容器、沖床、噴射器及墊板。
同時要鍛造U形、T形及錐形的鋁制產(chǎn)品。實驗在室溫下進(jìn)行。并且用到了三種不同大小的圓柱形鋁質(zhì)坯料。外徑40毫米、高度20毫米的產(chǎn)品都由工料桿和空心桿獲得。
5.1閥瓣鍛造
為確定鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,我們進(jìn)行了閥瓣鍛造壓縮試驗。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),我們又進(jìn)行了增量壓縮測試,并在每一次加載之后對面積減少量及相應(yīng)的載荷進(jìn)行計算與記錄。高度的降低量與載荷關(guān)系如圖7所示。圖8為應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了確定摩擦系數(shù)(m),我們對模環(huán)進(jìn)行了抗壓測試。扁環(huán)樣本在兩個擋板間發(fā)生可塑性壓縮。增加摩擦?xí)a(chǎn)生材料的內(nèi)向流,相反,減少摩擦則會造成材料的外向流。對于抗壓測試中給定的高縮比,相應(yīng)的試件內(nèi)徑尺寸為我們提供了工件與模具間現(xiàn)行摩擦系數(shù)的數(shù)量級 。
從這個角度看,鋁的模環(huán)抗壓測試的數(shù)據(jù)見表格1。ΔH和%ΔD的值可由下面的方程式計算得出。摩擦系數(shù)m可以從圖9看出。
5.2 u型鍛造
在產(chǎn)品的精密鍛造中,模具填充完全被認(rèn)為是提高鑄造部分尺寸精度最重要的標(biāo)準(zhǔn)。我們應(yīng)該嚴(yán)格控制毛坯的體積,否則就有可能發(fā)生填模不滿或填模過滿的問題。通常認(rèn)為液態(tài)金屬在棱角處不易流動。這一問題可以通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整毛坯的幾何構(gòu)型來解決。
圖10給出了三種不同大小的毛坯。這些毛坯在煅燒過程中都維持其體積不變。第一個毛坯由圓柱形固態(tài)材料在26噸載荷下鍛造而出。第二個毛坯則在55噸載荷下鍛造出來的,但試件內(nèi)側(cè)明顯出現(xiàn)填模不滿的情況。而第三個毛坯更是同時出現(xiàn)了填模不滿和填模過滿的情況。它的載荷是40噸。
5.3 t型鍛造
t型鍛造如圖11所示。同樣,這里給出了三種不同大小的毛坯。這些毛坯在煅燒過程中都維持其體積不變。雖然這里用了55噸的載荷,圖11a表明,t型產(chǎn)品的模腔仍未填滿。而第二個試件的載荷量是40噸,此時模腔基本上被填滿了。第三個試件形狀較小,直徑不變,在26噸的載荷下獲得了這種產(chǎn)品。
5.4 錐型鍛造
圖12為錐形鍛造。這種產(chǎn)品同樣是用不同尺寸且保持尺寸不變的試件。圖12給出了三種不同尺寸的錐型毛坯。圖12a表明錐型鍛造的產(chǎn)品是不能夠在55噸載荷下得到的,由于毛坯變形出現(xiàn)了填模過滿的情況。實驗二采用了30毫米毛坯直徑和35噸毛坯負(fù)載(圖12b)。在這種情況下,錐形頂部不能完全成型。第三個試件直徑為25毫米,負(fù)荷為24噸。幾乎達(dá)到了尺寸要求。
這些實驗表明,能否鍛造出合格的產(chǎn)品取決于毛坯的幾何形狀,而毛坯的幾何形狀又受翅成型、形變縮鍛與擠壓以及摩擦的影響。
5.5尺寸精度分析
因為精密鍛造的模具在鍛造過程中會受到非常大的徑向壓力,所以模具會發(fā)生較為明顯的徑向形變。模具的這種徑向形變是影響產(chǎn)品尺寸精度的重要因素。要想獲得高精度尺寸的產(chǎn)品,就要對模具和產(chǎn)品的彈性形變進(jìn)行(Ue)估算。
通過上述的分析,影響鍛造尺寸的參數(shù),也就是模具擴(kuò)張(Ue),可以通過等式5并結(jié)合模具尺寸計算得出。U型鍛造的模具修正尺寸和壓力計算的截屏見圖13a、圖13b。圖14Excel表格截圖也給出了計算結(jié)果。
表2.模具修正幾何尺寸(mm)
U型 T型 錐型
Ue -0.03563 -0.03563 -0.04667
工件最終半徑 19.96437 19.96437 19.95333
模具最終半徑 20.03563 20.03563 20.04667
b 28.78528 28.78528 27.66765
c 41.42962 41.42962 38.27494
z 0.02978 0.02978 0.02642
w1 9.98815 10.0456 7.51274
w2 10.0456 9.98815 7.5110
表2分別給出了U型鍛造、T型鍛造和錐形鍛造根據(jù)模具應(yīng)力和尺寸精度的計算結(jié)果推算出的模腔尺寸。圖15給出了合成鍛造的剖面圖。圖16給出了錐型鍛造產(chǎn)品的模具設(shè)計要素。沖床最為獨立的單元,沒有列出詳細(xì)數(shù)據(jù)。沖床充當(dāng)了腔體頂部,與隨機(jī)運動的鍛機(jī)相接觸。噴射器通常用于去除模具內(nèi)尚未形變的產(chǎn)品。也用于產(chǎn)品底部成型。鑲件則促成了模具(模具內(nèi)壁)的成型。
由于鑲件受到鍛造負(fù)荷、摩擦負(fù)荷和溫度的影響,同時它的強(qiáng)度又必須能夠應(yīng)對所有情況, 所以它的選材必須非常慎重。為了增強(qiáng)鑲件對內(nèi)部壓力的抵抗力,通常是在一個或多個收縮環(huán)內(nèi)插入嵌件,使其達(dá)到熱力配合。因此,可以大大減少由鍛造部件傳遞的鍛造壓力與鍛孔上的張應(yīng)力合力。
6結(jié)論
計算機(jī)輔助鍛造設(shè)計對于逐漸沒落的鍛造產(chǎn)業(yè)意義非凡。由于鍛造的形狀在整個產(chǎn)業(yè)中地位突出,所以,發(fā)達(dá)的決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。通常假設(shè)移除外加負(fù)載后,只發(fā)生徑向尺寸變化。為了研究精密鍛造過程中尺寸變化的力學(xué)參數(shù),也會考慮在室溫下由圓柱形模具鍛造缸體。雖然鍛造過程中會忽略加工硬化和溫度變化的影響,但理論和實驗結(jié)果還是非常吻合的。
機(jī)
機(jī)
械
英
文
翻
譯
譯
文
姓 名: 林 超
班 級:07機(jī)制2班
指導(dǎo)老師:楊志波
機(jī)
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