864 自動(dòng)鉆床的總體方案設(shè)計(jì)

864 自動(dòng)鉆床的總體方案設(shè)計(jì),自動(dòng),鉆床,總體,整體,方案設(shè)計(jì) 熱擠壓模的壓力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)帥詞俊 肖剛 倪正順 （中國(guó) 長(zhǎng)沙 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(shè)計(jì)語言創(chuàng)建的。模型的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，三維壓力圖顯示應(yīng)力集中在擠壓模的邊緣，并且應(yīng)力分布很不均勻。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)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(yīng)力集中減少27%。關(guān)鍵詞：三維方法；建模；熱擠壓模；優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介隨著日常生活標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)不斷地發(fā)展，鋁制品被廣泛地應(yīng)用到生活的每一個(gè)角落。產(chǎn)品也要求越來越多樣化，復(fù)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(chǎn)品的形狀、尺寸、精度和表面狀況，而且影響產(chǎn)品的性能。所以熱擠壓模是擠壓成形技術(shù)的關(guān)鍵。通常情況下，我們都是通過把三維有限元簡(jiǎn)化成二維模型來研究擠壓模具以改進(jìn)模具的質(zhì)量和延長(zhǎng)模具的使用壽命。但這僅僅適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的模具。在不進(jìn)行三維有限元分析的情況下，分析的結(jié)果不能給產(chǎn)品的制造帶來切實(shí)地幫助和有用的信息。本文將以鋁板沖壓模為例來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1、 實(shí)體模型圖1所示為一熱沖壓平面結(jié)合模具的公模簡(jiǎn)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(biāo)點(diǎn)P 1和P 5直線L（ ）和圓（ ）的交點(diǎn)坐標(biāo)為：bkxy??22Ryx??（1）1))()(25,1 ??kb（2）bkxy??,,圖1 熱擠壓模具簡(jiǎn)圖1．2 坐標(biāo)點(diǎn)P2和P6直線L 1（ ）和直線L 2（ ）的交點(diǎn)P 2坐標(biāo)為：bkxy??1Sy?（3）S?12（4）1y直線L 2（ ）和直線L 2（ ）的交點(diǎn)P 6坐標(biāo)為：bkx??2Sy?（5）26S（6）kxy1．3 坐標(biāo)點(diǎn)P3、P4、P7和P8P3和P 1關(guān)于y軸對(duì)稱，P 4和P 2也關(guān)于y軸對(duì)稱；P 7和P 5關(guān)于x軸對(duì)稱，P 8和P 6也關(guān)于x軸對(duì)稱。1．4 方程中的變量在方程式（1）-（6）中，對(duì)于點(diǎn)P 1和P 2， ，R=R 1；對(duì)于點(diǎn)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(diǎn)P 1-P4和P 5-P8，用弧線連接P 1到P 8這些交點(diǎn)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(yīng)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(yīng)用VA命令，系統(tǒng)將根據(jù)以上曲面生成實(shí)體。1．8 模具的對(duì)稱性用布爾邏輯的添加和拭除等操作完成模具主要實(shí)體和中心的創(chuàng)建（如圖3）。模具的對(duì)稱性有助于模具1/4實(shí)體有限元分析的計(jì)算（如圖4）。圖3 模具實(shí)體模型 圖4 四分之一實(shí)體模型2、 模型的計(jì)算以沖壓鋁合金（6063AL-Mg-Si）的平面模具為例。鋁的熔點(diǎn)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(chǎn)品的質(zhì)量，將工作溫度定為450℃。模具材料為4Gr5MoSiV1(H13)。溫度在450℃以下時(shí)，其初態(tài)模數(shù)與熱熔比分別為210G 和0.25，其屈服強(qiáng)度為1200 ，摩擦系數(shù)為0.3。將固態(tài)92的aMPaMP三維元素進(jìn)行自由嚙合。為了承載注射時(shí)的摩擦力，表面154繪制成規(guī)則的四邊形（如圖5），對(duì)于1600噸的擠壓機(jī)，擠壓強(qiáng)度可按方程式7計(jì)算，計(jì)算數(shù)值如表1示。(7))()( '''21 dzdtz TRTRP????圖5 摩擦力負(fù)荷圖表1 模具各部分強(qiáng)度表zRzTtdT'zR'zT'dP83.42 27.41 222.72 19.53 191.80 53.23 14.38 612.54模具經(jīng)常發(fā)生邊緣斷裂，其強(qiáng)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(shè)計(jì)變量，當(dāng)量極限壓力（ ）為設(shè)max?計(jì)的目標(biāo)功能。設(shè)計(jì)變量的范圍列于表2中。表2 設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍m/1m/2H/)/(1??)/(2??65-85 80-98 60-90 20-40 20-403、 計(jì)算結(jié)果圖6為當(dāng)量應(yīng)力圖，從圖中我們可以得出，在邊緣處壓應(yīng)力最大。圖表3中從大到小列出24個(gè)當(dāng)量壓應(yīng)力值。數(shù)據(jù)顯示，最大的當(dāng)量壓應(yīng)力為1006.5 ，其高度比第二數(shù)值912.0 在14.5%，其壓應(yīng)力在邊緣處收斂嚴(yán)aMPaMP重，該部分容易了生裂縫。設(shè)計(jì)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(dāng)量應(yīng)力=1006.5 。在21次迭代中，第18次迭代最為適宜。此時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)分別為max?aPR1=65.048mm，R 2=80.065mm，H=89.596mm， =30.642°, =20.045°,最大當(dāng)1?2?量應(yīng)力 =733.1 ，減少了27%。迭代結(jié)果如表4所示。max?aMP圖6 最大當(dāng)量應(yīng)力圖表3 結(jié)點(diǎn)壓力值結(jié)點(diǎn) 971 528 719 698 3950 714arMP/?1006.5 912.0 832.7 800.6 804.4 795.3結(jié)點(diǎn) 1156 702 727 710 723 700ar/789.9 778.8 775.8 769.0 763.6 763.5結(jié)點(diǎn) 739 708 706 731 759 1178arP/?769.3 756.8 755.9 739.8 739.1 736.0結(jié)點(diǎn) 704 747 690 743 694 696arM/734.3 715.9 706.4 700.3 700.1 695.6設(shè)計(jì)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(dāng)量應(yīng)力=1006.5 。在21次迭代中，第18次迭代最為適宜。此時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)分別為max?aPR1=65.048mm，R 2=80.065mm，H=89.596mm， =30.642°, =20.045°,最大當(dāng)1?2?量應(yīng)力 =733.1 ，減少了27%。迭代結(jié)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(jié)論1） 在ANSYS軟件的基礎(chǔ)上，其二次開發(fā)設(shè)計(jì)語言APDL用來開發(fā)擠壓鋁件的熱擠壓模的三維模型已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。2） 三維的應(yīng)力分布極為不均。熱擠壓模的邊緣處是危險(xiǎn)應(yīng)力集中的地方。最理想的幾何設(shè)計(jì)可使最大應(yīng)力下降27%。一個(gè)好的沖模不僅僅是要減少?zèng)_量的數(shù)量，而且要減少在設(shè)變中消耗的時(shí)間，這樣才能有效的提高生產(chǎn)力。參考文獻(xiàn)[1] Yin Jianhua. 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