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本科生畢業(yè)論文 畢業(yè)論文題目 630t 立式冷擠壓機有限元分析與改進設(shè)計 學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 班 級 指 導(dǎo) 教 師 完 成 日 期 I 畢業(yè)設(shè)計（論文）前期工作材料 學(xué) 生 姓 名： 學(xué)號： 教 科 部： 專 業(yè)： 設(shè)計（論 文）題目： 630 指 導(dǎo) 老 師： 材 料 目 錄 序號 名 稱 數(shù)量 備注 1 畢業(yè)設(shè)計（論文）選題、審題表 1 2 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 1 3 畢業(yè)設(shè)計（論文）實習調(diào)研報告 1 4 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告（含文獻綜述） 1 5 畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯（含原文） 1 6 畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 1 年 月 日 件二： 揚州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）題目申報表 設(shè)計（論文）題 目 630題目類型 題目來源 面向?qū)I(yè) 指導(dǎo)教師 職 稱 學(xué) 位 從事專業(yè) 題目簡介： 本課題主要對 630限元 計算 ， 分析擠壓機在承受 630t 和 1000t 載荷作用 時 ， 床身的 應(yīng)力和變形分布規(guī)律 ，從而了解機床的 強度 和 剛度 。在此基礎(chǔ)上，運用大型通用有限元軟件對擠壓機進行整體建模，分析得到各個部件應(yīng)力與變形的全場分布規(guī)律，并對擠壓機進行改進設(shè)計，在保證擠壓機強度的基礎(chǔ)上，提高機床的剛度和加工精度，減輕床身的重量以節(jié)省材料和制造成本。 審核意見： 審核人簽名： 年 月 日 題目類型－－ 1、為結(jié)合科研； 2、為結(jié)合生產(chǎn)實際； 3、為結(jié)合大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃； 4、為結(jié)合學(xué)科競賽； 5、模擬仿真； 6、其它 題目來源 －－ ； 擬 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 教 科 部： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名 : 學(xué)號 : 畢業(yè)（論文）題目： 630 起 迄 日 期： 設(shè)計（論文）地點： 指 導(dǎo) 老 師： 專 業(yè) 負 責 人： 發(fā)任務(wù)書日期： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進度計劃 起止日期 工 作 內(nèi) 容 畢業(yè)設(shè)計開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實習調(diào)研和實習報告，完成開題報告； 進行畢業(yè)設(shè)計，學(xué)習有限元軟件的使用方法、進行理論計算與有限元模擬、分析模擬結(jié)果，接收畢業(yè)設(shè)計中期檢查，撰寫畢業(yè)設(shè)計論文 ； 修改完善畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設(shè)計期間的所有資料、成果并歸檔。 所在專業(yè)審核意見： 負責人： 年 月 日 學(xué)院意見： 院長： 年 月 日 附件五： 畢業(yè)論文任務(wù)書 論文題目 630年級 專業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容： 本課題主要對 630t 立式冷擠壓機進行 有限元 計算 ， 分析擠壓機在承受 630t 和 1000t 載荷作用 時 ， 床身的 應(yīng)力和變形分布規(guī)律，從而了解機床的 強度 和 剛度 。在此基礎(chǔ)上，運用大型通用有限元軟件對擠壓機進行整體建模，分析得到各個部件應(yīng)力與變形的全場分布規(guī)律，并對擠壓機進行改進設(shè)計，在保證擠壓機強度的基礎(chǔ)上，提 高機床的剛度和加工精度，減輕床身的重量以節(jié)省材料和制造成本。 主要任務(wù)及基本要求（包括指定的參考資料）： 2. 對 630析擠壓機在承受 630t 和 1000t 載荷作用時，床身的應(yīng)力和變形分布規(guī)律，從而了解機床的強度和剛度； 3. 在此基礎(chǔ)上，運用大型通用有限元軟件對擠壓機進行整體建模，分析得到各個部件應(yīng)力與變形的全場分布規(guī)律，并對擠壓機進行改進設(shè)計，在保證擠壓機強度的基礎(chǔ)上，提高機床的剛度和加工精度 ，減輕床身的重量以節(jié)省材料和制造成本； 5篇以上，翻譯不少于 5000印刷符的英文資料； 括工作任務(wù)分析、調(diào)研報告或文獻綜述、方案擬定與分析以及實施計劃等； 幅不少于 1萬字。 發(fā)出任務(wù)書日期 ： 完成期限： 指導(dǎo)教師簽名： 專業(yè)主任簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )開題報告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號 ： 專 業(yè)： 設(shè)計 (論文 )題目： 630 指 導(dǎo) 老 師： 年 月 日 附件六： 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 設(shè)計（論文）題 目 630t 立式冷擠壓機有限 元分析與改進設(shè)計 題目來源 題目類型 指導(dǎo)教 師 學(xué)生 姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 開題報告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準備與總結(jié)，研究目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段、 內(nèi)容及時間安排；完成畢業(yè)設(shè)計（論文）所具備的條件因素等。） 文 獻 綜 述 一前言 近幾年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，冷擠壓技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。不少高等學(xué)校、科研院所和企業(yè)公司都開展了冷擠壓技術(shù)的實驗研究，其成果已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)。中國 有限公司掌握了多工位冷鍛生產(chǎn)技術(shù)，批量生產(chǎn)自行車、摩托車、汽車精鍛件，已形成年產(chǎn) 3000春一汽汽車工藝研究所已熟練掌握汽車輪胎螺母和花鍵軸的冷擠壓成形，并且正式向外轉(zhuǎn)讓技術(shù)。中國現(xiàn)在已可以生產(chǎn) 1600~10000 美國 司是世界上生產(chǎn)多工位冷鍛機的研究中心?，F(xiàn)在又將具有 5成形中心 "，具有很大的柔性，既能適應(yīng)鍛件不同形狀、不同高度，也能適應(yīng)工序間工件翻轉(zhuǎn)和多臺階加工。利用這種 "成形中心 "可以加工各種各樣的緊固件以及其他較為 復(fù)雜的帶凸緣或帶孔的擠壓件，它完全由微機處理，由可編程控制器自動控制，換模時間僅需幾十秒鐘。德國舒勒公司生產(chǎn) B 系列多工位立式冷擠壓機、 列多工位臥式冷擠壓機。隨著冷擠壓工藝的日趨成熟和發(fā)展，與其相應(yīng)的冷擠壓設(shè)備也在不斷更新和完善。為了滿足冷擠壓工藝的需要，冷擠壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能必需滿足其工藝對設(shè)備力能特性和速度特性的要求。在擠壓設(shè)備方面，中國已具備設(shè)計和制造各級噸位擠壓壓力機的能力。除采用通用機械壓力機、液壓機、冷擠壓力機外，還成功地采用摩擦壓力機與高速設(shè)備進行冷擠壓生產(chǎn)。 二 本課題研究的的意義 目的：我國冷擠壓機和國外比有很大差距，主要原因在分析研究上，國外不僅用計算機模擬仿真技術(shù)，還通過大量的實驗來模擬。而我國主要是通過理論計算，根據(jù)經(jīng)驗來估算許用應(yīng)力，再用有限元分析軟件來分析，但側(cè)重靜態(tài)分析，很少用模擬實驗裝置來做大量的實驗。本課題的研究希望能動態(tài)分析設(shè)計，優(yōu)化選擇方案，實現(xiàn)冷擠壓機的高速化和自動化，提高機床的精度，減輕質(zhì)量，提高壽命，增加我國壓力機在國際市場的競爭優(yōu)勢。 意義：本課題主要是通過有限元分析法來進行靜、動態(tài)分析，模擬冷擠壓機床身的變形、應(yīng)力分布和振動情況 ，選擇最優(yōu)方案，提高我們機械結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計能力。另外應(yīng)用這些先進的分析方法，還能夠提高我國壓力機的剛度、精度、穩(wěn)定性和使用壽命，提高國際競爭優(yōu)勢。 三本課題研究的內(nèi)容 630于兩套機構(gòu)均接近于死點附近區(qū)域內(nèi)工作，所以這種壓機滑塊的工作行程速度緩慢，有利于冷擠壓工藝，又由于機構(gòu)具有急回特性，對提高生產(chǎn)效率有利，因此，這種機構(gòu)廣泛適用于冷擠壓機。 360t 立式冷擠壓機拉力肘桿機構(gòu)件尺寸參數(shù)是用計算加作圖的方法來確定。由于作圖及測參數(shù)，按嚴格的幾何關(guān)系推 導(dǎo)出拉力肘桿機構(gòu)構(gòu)件尺寸參數(shù)的計算公式。這不僅使壓機的滑塊行程、工作行程和急回特性系數(shù)精確地滿足預(yù)先給定的值，而且機構(gòu)的所有構(gòu)件尺寸參數(shù)都是有計算公式確定的，不需要作圖的方法來確定。與通用產(chǎn)品一樣，當確定壓力機各部位工作正常后。應(yīng)對壓力機進行空轉(zhuǎn)和輕負荷試驗，以檢查導(dǎo)軌發(fā)熱、精度變化情況，并根據(jù)需要進行適當?shù)恼{(diào)整。 當滑塊處于最大裝模高度時的精度調(diào)整合格后，再按通過產(chǎn)品的要求，進行中間、最小裝模高度時滑塊精度的檢測和調(diào)整。此時由于壓力機的各連接部位、定位部位和導(dǎo)向部位均已確定并固定好，滑塊精度僅受調(diào)整螺桿積 累誤差以及連桿、導(dǎo)柱、調(diào)整螺桿三者的剛度影響。目前機械壓力機的液壓過載保護系統(tǒng)的滿負荷壓力都在 20負荷壓力約為 22壓墊的預(yù)壓力約為 10些壓力值既可以使壓力機的液壓過載保護容易實現(xiàn)，又可保證液壓墊的液壓剛性而且，整個液壓過載系統(tǒng) 簡單可靠，維修方便。 630身作為壓力機的一個關(guān)鍵部件，其強度和剛度對壓力機的精度起決定性的作用，它不僅影響壓力機的工作性能，使用壽命，還直接影響安裝在機床上的各種模具的壽命及成形零件的加工精度，故合理地設(shè)計機身具有十分 重要的意義。因此對 630t 立式冷擠壓機機身我們利用有限元方法分析機身的受力，并對其進行實際的動靜態(tài)應(yīng)力測試，以驗證有限元的正確性，而后利用模態(tài)分析結(jié)果，對機身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使其在方便零部件的安裝和結(jié)構(gòu)可靠性方面都達到了最優(yōu)化的效果。 1 有限元計算，建立機身力學(xué)模型，建立有限元模型，計算結(jié)果分析。 2 動靜態(tài)應(yīng)力測試，布片位置，應(yīng)力測試數(shù)據(jù)計算。 3 有限元計算結(jié)果約測試結(jié)果比較，應(yīng)力比較，變形比較，比較結(jié)果。 4 優(yōu)化設(shè)計 5 得出結(jié)論。運用有限元方法對 630t 立式冷擠壓機機身進行受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠準確地計算出機身 各個部位的應(yīng)力和應(yīng)變，在保證機身強度、剛度的前提，提供最優(yōu)化機身的焊接結(jié)構(gòu)形式與焊接鋼板厚度，使所設(shè)計的機身有最好的使用性能和最低的材料消耗與制造成本，以便獲得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。 630于結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、剪切效率高和剪切后板料不發(fā)生弓形、翹曲、扭曲變形而得到廣泛使用。在剪切過程中，隨著刀架做回轉(zhuǎn)運動，立式冷擠壓機剪切后角及剪切會發(fā)生變化。刀架作直線運動的擠壓機剪切力計算來進行，造成計算不準確，使設(shè)計尺寸出現(xiàn)偏差，并進而影響其實用性能。立式冷擠壓機剪切力的計算一般采 用刀架作直線運動的斜刃剪板機剪切力計算公式進行計算。盡管理論上是可行的，但是由于實際制造中為簡化加工工藝，將刀片安裝面由空間螺旋面簡化成平面，從而造成在剪切過程中剪切間隙和剪切后角變化而變化，而較大的剪切前角則會使刀具出現(xiàn)早期損壞。由于目前立式冷擠壓機刀架刀片安裝面制造大多采用簡化工藝，因此有必要在計算其剪切力時考慮剪切間隙和剪切前、后角變化的影響。 擠壓機刀架的剛性對金屬板材的擠壓質(zhì)量有著重要的影響，刀架剛性過小將導(dǎo)致加工板材的直線度降低、毛刺變大，嚴重時會引起刀片的崩刃與機床剪切能力的下降。 隨著人們對 產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，工件的加工質(zhì)量主要體現(xiàn)在角度及直線精度上，而擠壓機的折彎精度是決定板件折彎質(zhì)量的首要因素。擠壓機的滑塊及工作臺彈 性變形導(dǎo)致的壓力分布不均勻，會造成滑塊及工作臺撓曲變形，影響折彎精度。 擠壓機機械補償方式由于其靈活性好、成本低能實現(xiàn)撓度的連續(xù)補償?shù)葍?yōu)點，在傳統(tǒng)機械式楔形補償器的基礎(chǔ)上，提出了一種全新結(jié)構(gòu)的楔形補償器，建立了一整套壓力補償效果測試系統(tǒng)，驗證了其在解決壓力不均勻問題可行性。 學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教師 審核簽名： 日期： 主要參考文獻 [1] 羅中華 J]1997， （ 2） :58[2] 羅中華 J]． 1997，（ 2） :23[3] 羅中華 8 型臥式冷擠壓機壓力肘桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 [J]1996，（ 1） :106[4] 趙長樣 7— 500冷擠壓力機的研制 [J]1994,（ 3） :40[5] 陳曼龍 J]33（ 1）： 117[6] 柏甫榮，高建和 J] 2010，（ 11）： 90[7] 顧祥軍 J]2010， 10（ 2）： 476[8] 劉營營 J]2009，（ 6）： 35[9] 王曉強 J]2007，（ 3）： 28[10] 李健 J]1998，（ 2） 37[11] 陳琪 J]2010，（ 27）： 44[12] 陳琪 J]2011，（ 4）： 20[13] 史榮 J] 126）： 9[14] 李塹 J]2011，（ 6）： 33[15] 武銳 J]2011，（ 6）： 62[16] 高建和 J] 6）： 44 畢業(yè)設(shè)計過程 畢業(yè)設(shè)計開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實習調(diào)研和實習報告，完成開題報告； 進行畢業(yè)設(shè)計，學(xué)習有限元軟件的使用方法、進行理論計算與有限元模擬、分析模擬結(jié)果，接收畢業(yè)設(shè)計中期檢查，撰寫畢業(yè)設(shè)計論文 ； 修改完善畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設(shè)計期間的所 有資料、成果并歸檔 參觀實習報告 一、實習目的 1 通過本次實習參觀使我能夠從理論高度上升到實踐高度，更好的實現(xiàn)理論和實踐的結(jié)合，為我以后的工作學(xué)習奠定初步的知識 2通過本次實習使我能夠親身感受到學(xué)生與職工的差別。 3本次實習對我完成畢業(yè)設(shè)計起到很重要的作用。 二、實習時間 2014年 3月 26日 三、實習單位 揚州寶來得科技有限公司 四、參觀主要內(nèi)容 2014 年 3 月 26 日，我們來到了揚州寶來得科技有限公司，首先一位科長為我們介紹了公司的基本情況，寶來得是一家現(xiàn)代化粉末冶金機械零件生 產(chǎn)企業(yè) 要經(jīng)營粉末冶金 制品 ，該產(chǎn)品主要用于電動工 具 、汽車、電器。 來得 )是保來得集團公司識別商標名，代表高精度，高品質(zhì)的粉末冶金專業(yè)制品，集團近 40 余年的研究開發(fā)，已成為世界著名汽車、機車粉末冶金燒結(jié)機械零件的主要供應(yīng)商，揚州保來得工業(yè)有限公司是由香港保來得及揚州粉末冶金廠共同合資成立，并于 1993 年 3 月起動工興建的大型粉末冶金制造廠 。技術(shù)雄厚，設(shè)備精良，檢測手段完善，引進美國，日本當今世界一流的壓機、燒結(jié)、模具加工、檢測等設(shè)備。壓機最大噸位達 1000 噸，產(chǎn)品廣泛配套于汽車、摩托車、家用電器、工程機械等領(lǐng)域。公司主要產(chǎn)品是汽車粉末冶金機械零件、汽車用泵類粉末冶金零件。 進入車間以后，科長帶我們參觀完整條生產(chǎn)線。生產(chǎn)流程為原料粉末 燒結(jié) 合材料、各種類型產(chǎn)品。 粉末冶金設(shè)備 1 真空燒結(jié)爐 2 還原爐 3 擠壓機 通過介紹我們知道原料混合是零件制造中的第一步，也是非常重要的一步，混料的好壞直接關(guān)系到零件的強度等。之后來到壓制車間，通過壓制將粉末壓制成具有固定外 形的零件，壓制車間有很多壓制機器，有些價值 2000 多萬，有 250 噸壓力的，作用在 小面積 上就有了很高的強度，粉末通過壓制成形，之后來到燒結(jié)車間，將燒結(jié)、吸氣、浸銅一步完成，將零件放到耐高溫基底上，然后用刷子將零件表面可能帶有的原材料粉末刷干凈放在底座上，然后將壓制好的銅餅放在零件上。耐火傳送帶就會帶著零件進入機器內(nèi)部，這個裝置自動化集成化程度很高，只需在左端零件放入口和最右端的零件收集需要人工。最后將產(chǎn)品放入模子中整型。 通過這次參觀使我對其生產(chǎn)有了清晰的了解，也為之后的畢業(yè)設(shè)計打下了基礎(chǔ)。把實踐與理論聯(lián)系起來。 附件七： 畢業(yè)設(shè)計（論文）中期自 查表 （中期教學(xué)檢查用） 學(xué)生姓名 學(xué)號 專業(yè) 班級 指導(dǎo)教師 職 稱 副教授 設(shè)計（論文）題 目 630t 立式冷擠壓機有限元分析與改進設(shè)計 個人精力 實際投入 每天平均工作時 間 迄今缺席天數(shù) 出勤率 % 指導(dǎo)教師每周指導(dǎo)次數(shù) 每周指導(dǎo)時間（小時） 未指導(dǎo)的周次及原因 畢業(yè)設(shè)計（論文）工作進度（完成）內(nèi)容及比重 已完成主要內(nèi)容（ 30 %） 待完成主要內(nèi)容（ 70 %） 前期材料以及外文翻譯 擠壓機的有限元分析與改進設(shè)計 存在問題及解決方案 不怎么會使用 件，向同學(xué)以及學(xué)長請教 指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 附件八：畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師審閱意見表 設(shè)計（論文）題目 630t 立式冷擠壓機有限元分析與改進設(shè)計 學(xué)生姓名 專業(yè) 班級 指導(dǎo)教師姓名 職稱 得分 指導(dǎo)教師審閱意見： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 附件九： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 評閱人意見表 設(shè)計（論文）題目 630t 立式冷擠壓機有限元分析與改進設(shè)計 學(xué)生姓名 專業(yè) 班級 評閱人姓名 職稱 得分 評閱人意見： 評閱人簽名： 年 月 日 附件十： 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯結(jié)果表 設(shè)計（論文）題目 630t 立式冷擠壓機有限元分析與改進設(shè)計 學(xué)生姓名 專業(yè) 班級 答辯記錄： 答辯小組意見： 得 分 組長簽名 日 期 答辯委員會意見： 指導(dǎo)教師評 分 評閱人評 分 答辯小組得 分 結(jié)構(gòu)分 最終成績 主任簽章 日 期 I 摘 要 本文主要是通過有限元分析軟件 630t 立式冷擠壓機機身進行靜態(tài)分析，并根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果分析應(yīng)力分布和變形情況，來進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在對630t 立式冷擠壓機機身結(jié)構(gòu)進行受力分析時，將機身底面四個腳采用固定約束方法限制其 6 個自由度，并在加載區(qū)施加均布載荷，然后計算結(jié)果，分析機身整體應(yīng)力云圖和垂直 到機身應(yīng)力集中區(qū)和薄弱環(huán)節(jié)，提出改進方案。 根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，床身整體應(yīng)力不大，說明強度足夠， 但是機床垂直方向變形量較大，導(dǎo)致加工精度較差。所以需要研究如何在降低機床變形量，提高加工精度的條件下，同時減少材料以降低成本。針對該機身結(jié)構(gòu)存在的問題，本文提出了十種優(yōu)化方案，并把每個方案分別建模，導(dǎo)入有限元軟件 析其強度和剛度，然后分析比較每個方案的計算結(jié)果，最終獲得最優(yōu)的改進方案。該方案不僅可以明顯提高機身的剛度，達到了機床加工精度的使用要求，還減輕了床身的質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。 關(guān)鍵詞 630 有限元 ， 靜態(tài)分析 ，改進設(shè)計。 is 30t by on of to 30t is of to of in to to to it is of is is so is to in to in to an of of of of of 目錄 摘要 ....................................................... I ................................................. 一章 緒論 ................................................ 1 課題 研究概況 ................................................ 1 究背景和來源 ................................................ 1 擠壓壓力機研究現(xiàn)狀 .......................................... 2 究目的及意義 ................................................ 2 要研究內(nèi)容 .................................................. 4 第二章 機身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析 ........................................ 5 件簡介 ................................................ 5 紹 .............................................. 5 主要技術(shù)特點 ..................................... 6 限元求解的基本步驟 .............................. 7 身 簡介 ...................................................... 7 立有限元模型 ........................................... 9 ........................................... 9 格劃分 ................................................ 10 界條件 ................................................ 11 料特性 ................................................ 12 算結(jié)果分析 ................................................. 12 身的應(yīng)力應(yīng)變要求 ...................................... 12 始模型整體應(yīng)力圖 ...................................... 13 始模型 整體變形圖 ...................... 錯誤 !未定義書簽。 4 第三章 機身結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計 ........................................ 15 進方案一 ................................................... 15 進方案二 ................................................... 17 進方案三 ................................................... 18 進方案四 ................................................... 20 進方案五 ................................................... 22 進方案六 ................................................... 24 進方案七 ................................................... 26 進方案八 ................................................... 28 進方案九 ................................................... 30 進方案十 .................................................. 32 佳方案確定 ................................................ 35 結(jié)與說明 .................................................. 36 第四章 結(jié)論與展望 ............................................... 37 論 ......................................................... 37 望 ......................................................... 37 致謝 ...................................................... 38 參考文獻 .................................................. 39 外文文獻 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 1 第一章 緒論 課題研究概況 第一臺 2000K 型肘桿式精壓機于 1933 年誕生于日本會田株式會社，到現(xiàn)在為止已經(jīng)生產(chǎn)超過 2000 多臺 9]。 30年代，德國成功開發(fā)剛才的磷化處理工藝，為鋼制冷擠壓零件的成形創(chuàng)造了條件，并在 1955年就開始冷擠壓技術(shù)應(yīng)用于汽車鍛件的生產(chǎn) [9]。 隨 著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對高精度、高效率壓力機的需求愈加迫切，日本 70年代就研發(fā)出 肘桿式 1988年研究出 時日本小松研制出 列和 列冷鍛成形壓力機，這些壓力機精度高，操作簡單，直閉式機身堅固，變形小，滑塊調(diào)節(jié)量大，不需要潤滑的導(dǎo)軌，另外還有自動送料裝置和快速換膜裝置，生產(chǎn)效率高，適宜冷（溫）擠壓工藝 [9]。 現(xiàn)在美國又將具有 5 ～ 6工位的冷鍛機升級為“成形中心”，可以加工各種形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鍛件。 世界正在發(fā)展溫冷擠壓復(fù)合成形工藝。美國的國 民公司、德國的舒勒公司、日本的小松等均研發(fā)出整套冷溫鍛造工藝和生產(chǎn)線裝備 [9]。 上世紀 70年代開始，我國 開始將冷擠壓技術(shù)應(yīng)用到自行車、摩托車和汽車等鍛件的生產(chǎn)當中，但是由于當時沒有從根本上解決工藝，材料，自動化及后處理等技術(shù)問題，使得冷擠壓技術(shù)沒有得到快速發(fā)展 [9]。 80 年代隨著交通工具的發(fā)展， 冷擠壓設(shè)備技術(shù)的引進，使得我國對冷擠壓設(shè)備的需求也越來越大，已經(jīng)掌握多工位冷鍛成形工藝，已經(jīng)可以用冷擠壓設(shè)備生 產(chǎn)表殼、自行車鍛件、精鍛齒輪、火花塞、汽車等速萬向節(jié)和照相機配件等等，已經(jīng)趕上國外先進生產(chǎn)水平。 而中 國 冷擠壓機拉力肘桿機構(gòu)是由曲柄滑塊機構(gòu)加上曲柄擺桿機構(gòu)組成 [9]。由于兩套機構(gòu)均接近于下死點附近區(qū)域內(nèi)工作，所以，這種壓機滑塊的工作行程速度緩慢，有利于冷擠壓工藝，又由于機構(gòu)具急回特性，對提高生產(chǎn)效率有很大作用，因此，這種機構(gòu)廣泛使用于冷擠壓機。我國肘桿機構(gòu)冷擠壓機已經(jīng)發(fā)展成形，相繼出現(xiàn)等長肘桿機構(gòu)，球頭式不等長肘桿機構(gòu)和三角形連桿肘桿機構(gòu)。其中三角形連桿肘桿機構(gòu)的最大優(yōu)點是既能夠增大滑塊的全行程量及工作行程，又能起到增力作用。因此，三角形連桿肘桿機構(gòu)適合于滑塊行程及工作行程較大受力也較大的冷擠壓工 藝 [9]。 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 2 題研究背景和來源 冷擠壓壓力機是鍛壓機械的一種，通過通用曲柄連桿機構(gòu)或肘桿機構(gòu)以及其他如齒輪機構(gòu)等傳動，加工精度高，生產(chǎn)效率高，易于實現(xiàn)機械化，自動化生產(chǎn)，冷擠壓零件在汽車中所占的比例越來越大，所以大力研究和發(fā)展冷擠壓設(shè)備對提高我國機械工業(yè)生產(chǎn)力是非常重要的，但是在我國，對于壓力機的設(shè)計多是采用經(jīng)驗和類比的傳統(tǒng)分析設(shè)計方法，最后設(shè)計出的壓力機往往存在很多問題，比如：機床笨重，速度低，精度差，耗時長，成本較高，而且性能差，生產(chǎn)效率低，無法和發(fā)達國家已經(jīng)定型的較成熟的設(shè)備相比，競爭壓力較大 。所以我國企業(yè)必須改變傳統(tǒng)的研究設(shè)計方法，如現(xiàn)在國內(nèi)外主流的有限元分析法。隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的快速發(fā)展，有限元現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析法已用運而生并且已被廣泛地應(yīng)用于汽車，工程，機床等諸多領(lǐng)域，對現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)揮重要作用。本課題主要來源于校企合作的自選課題，對 630高剛度和精度，并減輕質(zhì)量。 擠壓機的研究現(xiàn)狀 趙長樣 [10]等對 擠壓壓力機進行了研究，發(fā)現(xiàn) 擠壓壓力機在自行車生產(chǎn)中不適合左右后花盤的擠壓工藝要求問題，提出了改進方 案，通過理論計算和有限元仿真手段，設(shè)計出了 擠壓壓力機， 該機采用的是下傳動偏心式閉式立式結(jié)構(gòu)，如下圖 1 圖 1為了改善壓力機受力情況和走動特性，采用了滑塊中心和偏心齒輪中心有一定偏距的偏置機構(gòu)，如下圖 1輪滑塊偏置機構(gòu)。 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 3 圖 1采用該機構(gòu)有以下幾點好處： （ 1） 改變滑塊正反行程運動規(guī)律，有利于進行冷擠壓工藝。 （ 2） 偏置后減少了滑塊對導(dǎo)軌的作用 力，提高了機床的導(dǎo)向精度。 程大、噸位高、能量足，提高了我國鍛件的生產(chǎn)能力和加工精度，已經(jīng)成為了我國大噸位專用冷擠壓壓力機。 課題的研究目的及意義 目的：我國冷擠壓機和國外比有很大差距，主要原因在分析研究上，國外不僅用計算機模擬仿真技術(shù)，還通過大量的實驗來模擬。而我國主要是通過理論計算，根據(jù)經(jīng)驗來估算許用應(yīng)力，再用有限元分析軟件來分析，但側(cè)重靜態(tài)分析，很少用模擬實驗裝置來做大量的實驗。本課題的研究希望能動態(tài)分析設(shè)計，優(yōu)化選擇方案，實現(xiàn)冷擠壓機的高速 化和自動化，提高機床的精度，減輕質(zhì)量，提高壽命，增加我國壓力機在國際市場的競爭優(yōu)勢。 意義：本課題主要是通過有限元分析法來進行靜、動態(tài)分析，模擬冷擠壓機床身的變形、應(yīng)力分布和振動情況，選擇最優(yōu)方案，提高我們機械結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計能力。另外應(yīng)用這些先進的分析方法，還能夠提高我國壓力機的剛度、精度、穩(wěn)定性和使用壽命，提高國際競爭優(yōu)勢。 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 4 文主要研究內(nèi)容與要求 本課題主要是對 630t 立式冷擠壓機床身進行有限元計算，分析擠壓機在承受 800t 載荷作用時，床身的應(yīng)力和變形分布規(guī)律，從而了解機床的強度和剛度。在此基礎(chǔ)上，運用大型通用有限元軟件對擠壓機進行整體建模，分析得到各個部件應(yīng)力與變形的全場分布規(guī)律，并對擠壓機進行改進設(shè)計，在保證擠壓機強度的基礎(chǔ)上，提高機床的剛度和加工精度 ,本課題要求加工精度小于 1上下兩加載板之間的總變形量小于 1上加載板前后左右變形量要一致，避免機身前后或者左右發(fā)生扭曲變形，否則嚴重影響加工精度，在此基礎(chǔ)上考慮到機身應(yīng)力的合理分布，要減輕床身的重量以節(jié)省材料和制造成本。 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 5 第二章 機身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析 對于 630t 立式冷擠壓壓力機分析，主要采用 限元軟件進行應(yīng)力與變形的計算，通過分析計算得到的云圖，了解強度和剛度，以此來分析機床的剛性和加工精度。 件簡介 紹 件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、石油工業(yè)、航空航天、機械制造、能源、船泊、土木、海洋工程、生物工程等許多領(lǐng)域。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 司開發(fā) 件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 I－ ， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級具之一，是有限元法的在工程上的實際應(yīng)用。 件是第一個通過量認證的大型分析設(shè)計類軟件，是美國機械工程師協(xié)會 （ 美國核安全局（ 近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認證的標準分析軟件。在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標準化技術(shù)委員會認證并在國務(wù)院十七個部委推廣使用?，F(xiàn)在已經(jīng)通過了 000 質(zhì)量體系認證 [17]。 件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 前處理模塊（前處理器）提供了一 個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。包括參數(shù)定義、實體建模、網(wǎng)格劃分 [17]。 分析計算模塊（求解器）包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。在次階段，我們進行分析類型定義、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷選項。 后處理模塊（后處理器）可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi) 部）等圖形 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 6 方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。在 后處理模塊分為通用后處理模塊（ 和時間歷程后處理器（ [17]。 啟動 入歡迎畫面以后，程序會停留在開始平臺。我們可以從開始平臺（主菜單）可以進入各處理模塊： 用前處理模塊）， 解模塊）， 用后處理模塊）， 時間歷程后處理模塊）等。各個模塊如下圖 2序的模塊化結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)主菜單 [17]。 圖 2序的模塊化結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)主菜單 主要技術(shù)特點 [17] 為載有限元分析軟件中的佼佼者，是因為它有其自身的獨特優(yōu)勢和技術(shù)特點，下面作簡要說明： 1. 程序功能強大，應(yīng)用范圍廣，用戶界面友好。 2. 交互式圖形顯示。 3. 能實現(xiàn)多場及多耦合分析。 4. 統(tǒng)一使用集中的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)和結(jié)果。 模塊結(jié)構(gòu) 解器 通用后處理器 間歷程后處理器 優(yōu)化設(shè)計 模塊 估分析模塊 其它功能 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 7 5. 具有多物理場優(yōu)化功能。 6. 具有強大的非線性分析能力。 7. 方便的二次開發(fā)能力。 限元求解的基本步驟 [17] 件含有多種有限元求解功能，包括從簡單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動態(tài)分析。不過一個典型的 析過程一般可以分成三步： 1．建立模型 （前處理模塊： 1) 指定工作名 (標題 ( 2) 選擇并定義單元類型。 3) 定義單元實常數(shù)。 4) 定義材料特性。 5) 創(chuàng)建或讀入幾何模型。 6) 劃分網(wǎng)格獲得網(wǎng)格化的模型。 7) 檢查模型。 8) 存儲模型。 2. 加載求解（求解模塊： 1) 選擇分析類型并 設(shè)置分析選項。 2) 施加載荷。 3) 設(shè)置載荷步選項。 4) 求解。 3. 查看分析結(jié)果。 1）查看分析結(jié)果。 2） 分析處理并評估結(jié)果。 身簡介 壓力機的一個基本支撐部件就是機身，在運作的時候?qū)⒊惺苋抗ぷ髯冃瘟?。因此，合理設(shè)計機身結(jié)構(gòu)對提高壓力機剛度和減少機身質(zhì)量，降低成本，都有重要 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 8 的意義。 機身分為三大類，即開式機身和閉式機身和半閉式。我研究的 630t 立式冷擠壓機是半閉式的。 框架形結(jié)構(gòu)床身剛性好， 所以能承受較大的載荷，而且載荷分布比較均勻。 該設(shè)備的主要參數(shù)與要求如下 ： 型號 : 630t 立式 ； 機身材料是 密度 37800 ； 彈性模量 E=210 泊松比 μ= 動載荷系數(shù)： 于設(shè)備在使用中載荷會隨時間有一定的變化）； 加載 800 t；（考慮到動載荷系數(shù)，實際加載 =630*50t） 上下加載板垂直方向相對位移最大 1 如下圖 230 圖 230圖 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 9 有限元模型的建立 打開 限元軟件導(dǎo)入所建的機身模型如下： (直接將 件所建立的 630t 立式冷擠壓機機身三維模型導(dǎo)入到 件中 )如下圖 2入的 630t 立式冷擠壓機機身模型。 圖 2入的 630元類型的選擇 該機身是 接結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般的六面體單元無法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的使用要求，而不管多么復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)模型，四面體單元都能精確底反映出結(jié)果信息，適應(yīng)性 強，所以可采用四面體單元劃分，本文在 計算時采用的單元類型就是四面體單元。 此單元能夠容許不規(guī)則形狀，并且不會降低精確性，特別適合邊界為曲線的模型 。 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 10 元網(wǎng)格的劃分 本文采用自由網(wǎng)格劃分，但為了遵循“均勻應(yīng)力區(qū)粗劃，應(yīng)力梯度大的區(qū)域細劃”的原則，部分參數(shù)設(shè)置如下 ; 將 置成 將 設(shè)置成 將 設(shè)置成 將 置成 圖 2格劃分參數(shù)設(shè)置如圖 網(wǎng)格劃分后有限元模型如圖 2示。有限元模型中一共有 275024 個節(jié)點，有 149378 個單元。 胡遠江 630t 立式冷擠壓壓力機有限元分析與改進設(shè)計 11 圖 230界條件的施加 機身靜態(tài)分析的邊界條件包括兩個方面：邊界約束和施加載荷。 1） 載荷的施加 實際載荷取 800t，而 件中輸入的載荷是壓強值，故轉(zhuǎn)化為壓強作為載荷，其中上矩形墊板尺寸： 250*280環(huán)形墊板尺寸： D=300d=85矩形墊板 ?? 載荷 /面積 =123環(huán)形墊板 ?? 載荷 /面積 =114）邊界約束條件