变宽度圆盘剪切机虚拟样机研究

变宽度圆盘剪切机虚拟样机研究 北方工业大学 硕士学位论文变宽度圆盘剪切机虚拟样机研究 姓名:杨秀梅 申请学位级别:硕士 专业:机械制造及其自动化 指导教师:王侃 20080505 北方工业大学硕士学位论文 摘要 本文提出了曲线轨迹剪切的，建立了剪切机曲线轨迹剪切的模型。以变宽度圆盘剪切机为研究对象，从曲线轨迹剪切的速度出发建立了剪切机模型;从剪切板材的厚度不同出发，提出了剪切刀片间隙调整的方案;从虚拟样机技术理论出发，利用运动学动力学分析软件，着重对剪切机进行了运动学分析，并建立了剪切主轴的有限元模型，对主轴进行了应力应变分析。 本文首先对虚拟样机技术做了综述，并系统地介绍了本课中用到的三维建模软件,,心,，,,,?,,,(,、运动学动力学分析软件趟),,,,,,,和有限元分析软件,,,,,,,(,，并对其任意两软件之间的数据转换方式做了详细介绍。 本文以对剪切速度分析为前提，利用速度的分解提出了变宽度剪切的理论基础，并构造了剪切机模型。在剪切不同厚度的板材时，利用偏心套和调整螺母的组合可以有效调整剪切刀片的侧隙和重叠量，从而提高了剪切机在实际剪切应用中的灵活性和剪切的合理性。 由于剪切机剪切轨迹为曲线，应保证速度可以随时调整，所以对于各个方向的速度输入需要伺服控制。论文中通过舢),,,软件建立剪切机模型，对部分典型应用轨迹进行了运动学分析，分析在此情况下的速度输入和角速度输入，为剪切机伺服控制的速度输入提供了理论依据。 剪切机在剪切过程中由于剪切力的反作用力作用在剪刀轴上，所以按照本剪切机所能剪切的最大厚度对剪切力能参数做了分析，并利用,,,,,软件对最薄弱的剪刀轴做了应力应变分析，结果明，剪切时剪切力对剪刀轴变形影响很小，增加了剪切机使用时的安全理论基础。 本论文对剪切机在曲线轨迹剪切领域做了探讨，为剪切范围的扩大做了大量工作，提高了钢板剪切的效率，降低了剪切成本。另外通过分析，优化了剪切机剪切方案，提高了人为控制的工作效率，降低了控制的复杂性。 关键词:圆盘剪切机，曲线轨迹，虚拟样机，运动学分析 北方工业大学硕士学位论文,,，,,,,,,,,;,,,,?,,？,,,,,,,,,,,,,蜀,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,, ,,,,,,,, 砸,,,,,,,,删,,,,州,;,,,,,,,渊,？咖缅唧毗, 诎,,曲,,,,,,鼬,,,,,氓,,吐,,,,,髓缸,,,嬲叩岫,僦,,恤,,,,,,删喇,;,(,，,,,,,,,觚也,，碱,乏，,,,撕,叩吐,,,,,嬲,,,,，,,也,;,删,,,,,,,,,,,锣,，,,,,,,;,,,,,,,,,,眦,,,,,,,,,,,,,盯,,,哇,删,,,,,?,黜(眦恤,,,,,,也;也,唧,,也,恤,,,嗍啦,,,,,,:,,,,?,陆,,汹,,,,;,,,,,盯(,】揶锄,,,,,,，、),,,,,,,,,,锄,;,趾,,,，踟僦,,锄,,,,,，,,,,,,劬,,,,,,,?，,,,,,,;鹤,,巧幻,,,,,,,，,,鲥;,,,,缅删溉,,也,,,,,,,,唧,,,,印:;’呲叩,,,,,他毗,,锄,,,锄,,,,,,,,,,栅,)【,,蛳,) ,,【,、惯,,砬,,,,,，,,,,觚,,,趾嗍,刖,,雠,慨劬础,;;,删;,,,慨,,,岫,,,,,,馏蛐,锄,眦,:,训巳,,?姬,,玳,,(,缅硼,,， 姗删;,黜,,,,,、,,,,,,,,,讲缸此删,,,,,,删,,,,,,,,,,,,、,,,,,,,,,细,;,,(,,,,瞰,,,,,，,,,锄确;,锄, ,,,?戳,,,,,,,,;时蝴，恤 ,,,,,,,删位恤,,,‰,,咖袖蛔巧?,，啪 ,,,,,,,,;,?,;,,曲,觚,,诎,,,,,,,(,;;“;础,龇,,,刎咖,,咖删,,,,,;妇撇,,,,,,,,印,,咖,,,;,,(,,,,岫删,,,恤嗍肌,础石蛐，,,鲫耳,,, ,,;,,,,,,,,;,她们;,,,;,,?,，烈，,,,,,,,,,锣,?,,,,垭缸，玛,优?:，】:吣(,,,,,,妇删时,,,枷,,坶,,也,,,,麟( ,,赋,,,,?,,,盯,,,,,,,，,,,;,,王咀萨、，,,,;,锣(,,,,,,,饿,,,如,龇，,,,,,,,,血,卯,;,,;,,,,,,妇饥,?,，雠,,雕,,,,,,,,,;时?孤,趾,:,,盯,幽衄胁细绷’嬲印,,呲,,硼? ，,,,,也,,,,孤;,,,,廿,,，妇,)【,,,,,,,姗位妇溉(,,,,,,,,,,,,,,,岫,,,?,,,,陀豁锄,,,,的,,,,，,,,?，,;,,,,,脚,浆，,,锣(,,,,,,,,,,,骶觚,,(,,,托, 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变截面辊弯成型技术属新型技术，其产品与等截面辊弯成型产品比较具有较好的力学性能，将广泛地应用于汽车、工程建筑的钢结构部分。变宽度剪切是变截面辊弯成型的前 一道工序，目前变宽度剪切机尚无应用，对本课题的研究具有很强的实用价值。 本课题研究的主要内容如下: ,)根据变宽度剪切的要求和不同厚度板材剪切的可通用性(小范围内)，建立圆 盘剪切机的虚拟样机模型，并确定板材厚度、剪切轨迹与圆盘剪切机中主要参 数(刀盘直径等)的关系;‘ ,)在铷),,,中对系统进行仿真分析，为伺服控制提供速度和角速度输入数据; ,)利用有限元软件分析剪切装置薄弱部分的应力应变，确定在剪切过程中由于剪 切力引起的轴挠度对剪切轨迹准确性的影响。 北方工业大学硕士学位论文,剪切机国内外研究现状 【,,,,】剪切加工方式具有生产效率高、质量稳定、适于批量生产等优点，在生产中得到了广泛的应用，板材剪切加工又是这种加工方式的主要形式和基础。从十九世纪初，人们就开始研究剪切加工。近数十年来，随着航空航天、汽车、船舶、家电、仪器仪表、计算机等工业的发展，剪切技术的应用越来越广泛。为了适应生产发展的需要，许多科技工作者不断地探索求新，完善和开发剪切加工工艺，以求更大限度地发挥剪切技术的优越性和应用水平，剪切生产技术得到了十分迅猛地发展。 长期以来，人们对剪切加工技术的研究重点多集中在成形方面，如板材的拉深、弯曲、胀形及翻边等，这些方面的理论已日趋成熟。但在剪切方面所作的理论研究工作还相当有限，这主要是因为这种看似简单的变形方式、变形过程复杂，主要特点为: ,)变形集中在一个狭小的区域内。被加工材料的大部分都为弹性区，因变形大且 变形区域小，使得用通常的实验方法，如在变形区划网格，然后测量网格的变 形，进而确定应变和应力的方法，也较为困难，用有限元模拟时也要适时地对 变形网格进行重划，才能保证收敛性和计算精度; ,)变形过程中出现被加工材料纤维被切断的现象，且以断裂方式告终。由于很难 建立与实际情况相符的断裂判据，断裂或破坏是研究剪切加工较难解决的问题。 由于存在上述困难及板材剪切加工过程本身的复杂性，其分析模型是非常复杂的，用一般的理论和实验分析、有限元模拟等方法对其进行研究非常困难。对剪切加工的深入研究大致始于二十世纪五十年代，过去，人们对剪切加工的认识，不管是平面问题，还是轴对称问题，多是针对模具设计中的一些基本参数，如模具间隙，剪切或冲裁凸、凹模圆角等给出的一般性的指导原则并未涉及问题的实质。在二十世纪九十年代以前，涉及剪切加工方面的文献资料还很少。 剪切加工的过程很复杂，包括弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。为了获得良好的剪切效果，必须研究剪切时所需要的各种工艺参数如剪切角矽、刀片间隙,、刀片倾角,、剪切速度,和剪切力,及板材厚度,的关系，如图,(,所示。 ,‘，“ 匪,， ,、, ’ ,闲 ，, ,,， 图,(,剪切参数说明示意图 , ,，, ,，,, 北方工业大学硕士学位论文 自二十世纪九十年代开始，日本学者在剪切加工方面作了相对较多的工作。其研究内容涉及各种材料的剪切加工，包括棒材、管材、薄板、厚板、树脂复合板及其它材料，但大部分还是针对金属板材的。其它国家的科技工作者在这方面也作了一些工作。文献资料说明，对板材剪切加工问题的研究，相比较而言，在实验方面没有重要突破，而在用,,,技术分析板材剪切加工方面却取得了一些成果。 近几年来，由于生产的实际需要及计算技术、实验技术的发展，特别是有限元计算及相关技术的逐渐完善及广泛应用，对板材剪切加工方面的研究已逐渐增多，一些研究工作者己开始借助于有限元法，或结合实验方法对剪切加工过程进行了分析，取得了一些成果。 汤川伸树等学者用,,,对板材剪切时断裂前的加工过程进行了模拟，采用了刚塑性材料模型、三角形单元，得出了 相对间隙和刃口圆角尺寸等参数对应力、应变分布的影响规律，提出了用有限元模拟得到的静水应力分布规律来预测板坯中初始裂纹发生点的方法;小森和武等采用节点分离并重划网格技术，对板材剪切加工过程进行了分析。西班牙的,(,踟,等用,,,,,软件对剪切加工过程进行了模拟，对不同相对间隙的剪切过程进行了分析，在实验基础上得出了最佳的相对间隙;香港理工大学的,(,(;,,饥等用,,,模拟了精密剪切加工过程，精密剪切过程需要抑制裂纹的产生，以获得最大光亮带的要求，为此对剪切过程进行了细致的分析，给出了应力、应变分布规律，在计算过程中采用了不同的算法，解决了计算过程中的大转动和卸载问题:埃及,(,觚,玲,基于,,?软件研究了包括刃口圆角半径、模具表面粗糙度和相对间隙等几种工艺参数对剪切过程的影响，得出了一些结论;荷兰的,(,(,钯,锄加等采用弹塑性,(,(,,,,,模型对剪切加工过程进行了模拟，得到了剪切速度对剪切力的影响，还采用了精确的网格实验法，在变形区画上网格，用显微镜对网格的变形进行观测，得出剪切过程中模具切入量和材料应变分布的关系。 在实验测量方面，古闲伸裕提出了采用视塑性?,,,,,,,,,;蚴 法，对板材剪切时的应变场进行了测量和计算，此方法通过变形过程中网格的变化，及不断地对网格进行重划，随后的计算工作繁杂，工作量巨大显而易见。这种用于一般塑性加工问题的应变测量方法，在解决板材剪切加工问题时，还存在不少困难。美国的,,,培,,对铝板在剪切加工状态下的裂纹扩展情况和最终形成的毛刺进行了实验观测，并提出了剪切加工中无量纲参数的概念。,(,,,,,,等学者对,(,,】,,厚度板材的剪切加工进行了研究，得出了几种参数对剪切过程的影响规律。 北方工业大学硕士学位论文 国内学者梁炳文、卢险峰、郭怀军等对板材的剪切加工技术都作了一定程度的深入研究，内容包括了剪切加工的许多方面。燕山大学工学博士学位论文也涉及了剪切加工的许多问题。 最近的文献分析表明，用,,,或实验方法对板材剪切加工过程的研究有越来越多的趋势。 此外，涉及剪切断面的几何量计算或测量剪切表面的硬度及剪切过程中的断裂等其它问题的研究也取得了一些成果。 剪切加工时，用有限元模拟板材在断裂前的变形过程，已成为主要的方法之一。随着大变形弹塑性理论的不断完善，有限元计算技术已日趋成熟，出现了一些功能很强的有限元分析软件，,强订在塑性加工中的应用越来越广泛。对于分析像剪切加工的这种极端变形问题，用,,,模拟时，要解决一个重要的技术问题，这就是网格重划技术，它已成为用有限元分析大变形塑性加工问题的瓶颈。 为使用,,,模拟塑性加工的全过程成为可能，人们对网格重划技术作了许多研究工作，目前国内外在这方面的研究成果较多。使用网格重划技术的,’,模拟广泛用于分析挤压成形、齿轮锻造、模锻等其它塑性加工问题，有些分析还涉及到三维问题。国内吉林工业大学的吴淑芳、高振艳等，清华大学的胡忠等，哈尔滨工业大学的郝南海、单德彬及杨伟军等在这方面都作了一定的工作。至今，已能解决平面问题的网格重划技术，但在具体实施上多要人工干预，网格传递过程中的一些技术问题还有待完善。目前一些分析功能很强的,,,软件，大多不具备这种功能。此外，还有其他学者在网格重划技术研究和开发上也作了许多工作，目前，二维网格重划技术已基本完善。 由于断裂或破坏问题的复杂性，迄今为止用物理方法还不能定性地描述断裂过程的许多特点，涉及断裂过程的弹塑性断裂力学的理论还不完善，对此类问题的研究还有很多困难。利用连续介质力学的理论，借助于数值计算技术， 目前可以求出在某外力作用下物体内的应力场和位移场等。但正如许多研究者指出的那样，精确确定位移场和应力场的方法与下一步关于断裂或破坏问题的极粗糙的估算之间有明显的差异。 虽然存在很大困难，断裂或破坏仍然一直是塑性加工中值得关注的问题，在很多著作中都涉及过这方面的研究，但主要是针对金属切削过程中的断裂问题。,(,(,(,,栅,,,等考虑了多种破坏准则下的裂纹扩展模型，但可以看出，此种模型并不适用于板材剪切时的裂纹扩展。,(,(,,,,,等根据损伤理论，将断裂机理用于板材剪切加工的分析中，在,强订分析时，将过度损伤的单元(当其损伤值超过极限损伤值时)消除。在分析涉及金属的断裂行为时，很多文献采用了类似的方法。小森和武等采用了节点分离的方法，将断裂机理用于板材剪切加工的分析中。,(,(,,,,等，为了考察金属成形过程中的 , 北方工业大学硕士学位论文断裂问题，用数值模拟的方法采用几种断裂准则，分析了裂纹的扩展，并和实验结果作了对照，但采用的模型只适于特定的工艺和几何形状。,(,,,,觚,,,等采用视塑性法研究了棒料的断裂问题。在分析板材的断裂行为时，许多学者采用了,(,(,,瑚眦给出的板材加工时的断裂模型。 此外，在板材剪切加工中采用的破坏准则包括:最大塑性应变准则、静水压应力准则、热硬化梯度最大准则。把这些破坏准则用到板材剪切加工的分析中，还需要一些特殊的方法。 由上述可以看出，剪切加工作为冲压生产的主要方式之一，多年来，特别是近几年，科技工作者在这方面作了许多探索性的工作，取得了不少成果，有些还应用于生产实践，但应该看到，对剪切加工的研究和认识水平尚处于开始阶段，与其在工程上的应用水平和重要性相比，还远远不够。 剪切与冲裁加工，这种看似简单，实则变形过程复杂的加工方式，由于变形区狭小，变形剧烈，局部变形程度大，且以断裂方式告终，对其变形区应力、应变情况，裂纹扩展及断裂，及内在规律性的研究较为困难。剪切加工在生产中的应用虽广，也具有其它方法不能替代的优点，但用普通方法生产的制件的形状和尺寸精度相对较低，不能满足高质量的使用要求，因此，在某种程度上限制了这种方法的应用。这主要是因为，剪切加工过程本身非常复杂，用普通的分析手段和方法，很难掌握剪切加工过程的变形机理和断裂分离机制。反过来，由于剪切加工理论的不完善及研究工作的不足，使得剪切加工工艺的应用一直停留在一个较低的水平上，在一定程度上也制约了剪切生产的发展。因此，对剪切加工工艺进行深入的研究显得越来越重要。 目前，即便在传统的剪切加工工艺中，也存在着许多由于理论研究不足，制约生产发展的现象。如冲裁过程中，理论变形力与实际情况不符;板材剪切时，对变形区应力、应变分布规律、裂纹的产生、扩展、断裂等情况的认识不足，得到的冲裁件的质量差(如毛刺、塌角、斜度大，光亮带不足等)，在相当程度上影响了它们的使用;多数精冲制件要在专门设备上生产等。随着应用领域的扩大，应用水平的提高，冲压制件对质量的要求越来越高，传统的剪切加工方式，越来越不能满足生产发展的需要。这就提出了要开发一些新的冲压加工工艺及加工设备，与之相对应的理论研究，显得越来越紧迫和重要。 现有剪切机中，根据刀片形状与配置以及板材等情况的不同，通常将剪切机分为以下四类:,)平行刀片剪切机:这种剪切机的两个刀片是彼此平行的，通常用于横向热剪切初轧坯(方坯、板坯)和其他方形及矩形断面的钢坯。,)斜刀片剪切机:这种剪切机的两个刀片中的一个相对于另一个刀片成某一角度。此类剪切机常用来冷剪和热剪钢板、 北方工业大学硕士学位论文带钢等。,)圆盘式 剪切机:这种剪切机的两个刀片做成圆盘状，此类剪切机用来纵向剪切钢板及带钢的边或将钢板和带钢纵向剪切成窄条。,)飞剪机:飞剪切机用来横向剪切运动着的轧件。以上剪切机通常用来剪切直线边缘的板材毛坯，不宜用来剪切曲线。对变宽度剪切尚未设计。 小结:各种文献资料表明，无论是对剪切机理的研究还是实验验证都停留在直线剪切的范围内。在剪切加工领域，对于变宽度圆盘剪切机的研究尚属空白，本课题欲通过虚拟样机技术研制一种变宽度圆盘剪切机，对剪切机的实际应用，乃至对整个剪切领域都具有一定的创新意义。同时，对变宽度圆盘剪切机进行优化设计，在降低产品开发成本、提高产品质量方面定会起到很大的作用。,虚拟样机技术及其应用软件介绍 ‘,,‘,,】虚拟样机技术(,矾,设计方法，作为一项计算机辅助工程(,,,)技术于上个世纪八十年代随着计算机技术 ,,脚呶吨,,;,,,,,,)的发展而出现，在九十年代特别是进入,,世纪以后得到了迅速发展和广泛地应用。在这里，虚拟样机是针对于物理样机而言，而虚拟样机技术则是针对于传统的设计方法而言。 ,，简称?叮)是一种全新的机械对一个机械系统的研究可分为静力学、运动学和动力学三种类型，而虚拟样机技术主要进行的是机械系统运动学和动力学分析，因此也被称之为机械系统动态仿真技术。 虚拟样机技术究竟产生于怎样的一个环境，又是如何从众多的设计方法中脱颖而出的呢,,(,虚拟样机技术的产生背景 首先回顾一下传统机械设计方法的设计流程，如图,(,。 图,(,传统的机械设计流程 从传统的设计过程来看，一个新产品的设计需经方案论证、概念设计(加之经验设计)之后进行产品的细节设计，为了验证设计的正确性以及功能实现与否往往需要制造物理样机进行性能测试，如果测试结果满意则投入生产，反之，则将对设计内容进行修 , 北方工业大学硕士学位论文改，再次制造物理样机测试，直至测试结果满意为止。而且，在大多数情况下，样机的试制并不是一两次就能达到设计要求的，往往需要经过多次反复。 因此，传统的设计方法存在很多弊端: ,)物理样机的生产制造需要大量的时间和费用，所以设计成本高、周期长在所难 免。 ,)在某些情况下，物理样机的试验是破坏性的甚至非常危险，比如飞行员的安全 性试验、汽车的碰撞试验等。 ,)传统的设计过程大都采用传统的计算方法，计算速度慢、精度低，难以进行多 种方案的分析对比。 另外一些企业为了避免物理样机试制的繁琐以及费用方面的考虑而尽量省略样机测试这个环节，或者偷工减料、敷衍了事，这势必会降低产品的性能，甚至满足不了设计的要求。在市场竞争日益激烈的今天，为了达到,,,、,,,,时、,,,,、,,,,,;,和,,,,,啪,锄,的要求，我们必须以最短的时间、最好的质量和最低的价格推出产品。谁早推出产品，谁就会占有市场;谁产品性能可靠、价格合理，谁的产品就会受到用户的青睐。那么，有没有一种方法既可以减少样机的试制，又可以实现对样机的测试呢,在这样一种情况下，虚拟样机代替物理样机出现，虚拟样机技术也就应运而生了。,(,虚拟样机技术概念,(,(,虚拟样机技术定义 虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。它的核心部分是多体.