管殼體單工多力點(diǎn)擠壓塑變模型研究*

李紅軍，嚴(yán) 龍，閆久江，陳 偉，李 燕

(武漢紡織大學(xué)，湖北武漢 430073)

0 引言

在現(xiàn)有工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，管殼狀物產(chǎn)品占有一定的比例，諸如雷管體、管殼式換熱器［1］、電子封裝管殼系統(tǒng)等，管殼狀產(chǎn)品由于其本身的構(gòu)造特征而通常需要特殊生產(chǎn)工藝的處理，隨著現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，管殼體產(chǎn)品制造設(shè)備的更新與改良進(jìn)程也日益加快，而大多數(shù)管殼體產(chǎn)品內(nèi)部都需加入爆藥或其它相應(yīng)配件，基本都需一道擠壓工藝［2］，該工藝要求管殼體產(chǎn)品擠壓處有均勻的卡痕［3］或封裝印記，由于管殼體自身構(gòu)造的特殊性，對(duì)管殼體狀產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝提出了較高的要求，在現(xiàn)有大多數(shù)管殼體擠壓機(jī)中，管殼體擠壓器和推力氣缸是鑲嵌安裝在擠壓活動(dòng)板和擠壓固定板中的，采用推力氣缸帶動(dòng)擠壓活動(dòng)板上下活動(dòng)的方式，控制管殼體擠壓器的收縮與擴(kuò)張，從而完成內(nèi)部管殼體的擠壓工藝，筆者基于改良現(xiàn)有管殼體產(chǎn)品擠壓設(shè)備和擠壓工藝方式，以提高管殼體卡痕質(zhì)量，進(jìn)行了大量管殼體擠壓實(shí)驗(yàn)。采用單工位多平均施力點(diǎn)的發(fā)散施力方式構(gòu)建管殼體擠壓模型，并運(yùn)用專業(yè)分析軟件Inventor對(duì)擠壓活動(dòng)板進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)照擠壓活動(dòng)板的應(yīng)力分析結(jié)果，得出發(fā)散施力方式下擠壓活動(dòng)板對(duì)整體管殼體擠壓模型的影響。

1 管殼體擠壓塑變成形原理

1.1 管殼體擠壓機(jī)構(gòu)模型

在現(xiàn)有管殼體擠壓機(jī)中，擠壓系統(tǒng)是核心部分，擠壓系統(tǒng)包括管殼體擠壓器、推力氣缸、擠壓固定板、擠壓活動(dòng)板等構(gòu)件，其中管殼體擠壓器是對(duì)管殼體的直接施力構(gòu)件，管殼體擠壓器為錐形回轉(zhuǎn)體中空彈性器具，當(dāng)管殼體置于管殼體擠壓器中時(shí)，在外力作用下，管殼體擠壓器整體均勻收縮，因此擠壓管殼體壁適當(dāng)位置向中心軸線收縮，從而完成管殼體的擠壓，擠壓活動(dòng)板是管殼體擠壓器的直接施力構(gòu)件，管殼體擠壓器直徑小的一端與擠壓固定板固連，直徑大的一端垂直套裝于擠壓活動(dòng)板中。推力氣缸固定安裝在擠壓固定板上，推力氣缸活塞桿頂端與擠壓活動(dòng)板固定連接，因此推力氣缸活塞桿的伸縮可帶動(dòng)擠壓活動(dòng)板的上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而擠壓活動(dòng)板帶動(dòng)管殼體擠壓器直徑大的一端收縮與擴(kuò)張。圖1為管殼體擠壓系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 管殼體擠壓系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 管殼體擠壓塑性變形原理

管殼狀產(chǎn)品的材質(zhì)有多種，一般多數(shù)場(chǎng)合用普通碳鋼，有腐蝕性的場(chǎng)合可用不銹鋼，在少數(shù)腐蝕性較大的場(chǎng)合也可用石墨或聚四氟乙烯或紫銅管等材料，當(dāng)管殼體受到來(lái)自管殼體擠壓器的擠壓應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生均勻的卡痕或封裝印記，因此管殼體最終產(chǎn)生塑性變形，圖2為管殼體所受擠壓應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系圖。

圖2 管殼體擠壓應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系圖

管殼體受到管殼體擠壓器的均勻擠壓后，管殼體壁向中心軸線收縮，點(diǎn)b所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σe為管殼體的彈性極限，點(diǎn)b之前的全部應(yīng)變區(qū)間內(nèi)，管殼體為彈性變形［4］，點(diǎn)b之后的應(yīng)變區(qū)間為管殼體塑性變形區(qū)域，點(diǎn)f管殼體塑性變形達(dá)到最大，管殼體發(fā)生斷裂。因此，設(shè)計(jì)合理的管殼體擠壓機(jī)構(gòu)模型應(yīng)使得管殼體所受應(yīng)變?cè)邳c(diǎn)b和點(diǎn)f之間的區(qū)域內(nèi)。

2 管殼體擠壓機(jī)模型

2.1 管殼體卡痕成型原理

基于上述管殼體擠壓系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用管殼體擠壓原理，并進(jìn)行大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)，最后建立具體的管殼體擠壓模型，圖3為管殼體擠壓模型原理圖。

2.2 發(fā)散施力方式的擠壓活動(dòng)板模型

在管殼體擠壓原理中，通過(guò)改變擠壓施力點(diǎn)的數(shù)量和作用位置，使得管殼體擠壓系統(tǒng)中的重要力執(zhí)行原件擠壓活動(dòng)板本身有不同的受力方式，從而影響到管殼體擠壓器擠壓管殼體的作用形式，進(jìn)而影響到管殼體最終的擠壓效率和質(zhì)量，筆者致力于構(gòu)建有利于提高現(xiàn)有管殼體擠壓質(zhì)量的管殼體擠壓優(yōu)化模型，使擠壓活動(dòng)板自身所受應(yīng)力能夠處于合理的范圍，且擠壓活動(dòng)板的材料安全系數(shù)達(dá)到最大，于是相對(duì)于擠壓活動(dòng)板，發(fā)散施力方式的管殼體單工多力擠壓模型應(yīng)運(yùn)而生，圖4是發(fā)散施力方式的擠壓活動(dòng)板模型。

圖3 管殼體擠壓模型原理圖

圖4 發(fā)散施力管殼印痕模型

上述發(fā)散施力方式的管殼體擠壓活動(dòng)板模型中擠壓施力點(diǎn)均勻分布在管殼體擠壓器四周，保證了擠壓活動(dòng)板和管殼體擠壓器的受力均勻，因此能極好地保證管殼體受力均勻，從而使得管殼體卡痕較均一，極大地提高了管殼體卡痕質(zhì)量，但也可能存在單工位多平均施力點(diǎn)帶來(lái)的管殼體擠壓機(jī)構(gòu)成本偏高和擠壓效率偏低的問(wèn)題。

3 管殼體擠壓塑變模型擠壓活動(dòng)板應(yīng)力分析

3.1 基于Inventor的擠壓活動(dòng)板的應(yīng)力分析

第二章已提出了發(fā)散施力方式的管殼體擠壓活動(dòng)板模型，筆者將運(yùn)用Inventor從應(yīng)力分析的角度對(duì)管殼體單工多力點(diǎn)擠壓塑變模型中重要構(gòu)件擠壓活動(dòng)板進(jìn)行有限元分析，以其分析研究不同管殼體卡印方案中管殼體受力狀況，為管殼體擠壓模型設(shè)計(jì)找到合適的理論指導(dǎo)方向，首先對(duì)發(fā)散施力方式下的擠壓活動(dòng)板進(jìn)行應(yīng)力分析建模。

圖5為運(yùn)用Inventor對(duì)發(fā)散施力方式下的擠壓活動(dòng)板進(jìn)行的應(yīng)力分析建模圖，擠壓活動(dòng)板材料設(shè)定為鍛鋼，擠壓活動(dòng)板幾何尺寸按照實(shí)際管殼體擠壓模型中尺寸給定，在圖5中，擠壓活動(dòng)板幾何中心位置為管殼體擠壓器活動(dòng)套裝于擠壓活動(dòng)板上的位置，筆者將對(duì)擠壓活動(dòng)板受力至變形的極限位置進(jìn)行分析，當(dāng)管殼體擠壓器對(duì)管殼體完成擠壓工藝時(shí)，擠壓活動(dòng)板將變形至所施加力的極限位置，因此對(duì)擠壓活動(dòng)板進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)將擠壓活動(dòng)板幾何中心位置可模擬成固定，圖5中，擠壓施力點(diǎn)均勻分布在擠壓活動(dòng)板幾何中心四周淡綠色的位置處，擠壓活動(dòng)板自身厚為30 mm、直徑為300 mm的圓形鍛鋼板，氣缸對(duì)擠壓活動(dòng)板所施加力總和大約為8 000 N，擠壓活動(dòng)板的材料計(jì)算參數(shù)如表1所列。

表1 擠壓活動(dòng)板材料性質(zhì)表

在Inventor中設(shè)定好擠壓活動(dòng)板模型的相關(guān)參數(shù)，并模擬擠壓活動(dòng)板在管殼體單工多力點(diǎn)擠壓塑變模型中的真實(shí)受力情形，最終得到擠壓活動(dòng)板的Mises等效應(yīng)力分析圖如圖6所示。

圖5 發(fā)散施力方式的擠壓活動(dòng)板應(yīng)力分析建模

圖6 發(fā)散施力方式下擠壓活動(dòng)板Mises等效應(yīng)力分析圖

由圖6可看出，發(fā)散施力方式下的擠壓活動(dòng)板受到周?chē)鶆虻臄D壓力，有一定的變形，由于受到管殼體擠壓器在幾何中心位置的摩擦阻力，因此在擠壓活動(dòng)板中心位置有應(yīng)力集中現(xiàn)象，運(yùn)用Inventor導(dǎo)出發(fā)散施力方式下的擠壓活動(dòng)板應(yīng)力分析的報(bào)告表如表2所列。

表2 發(fā)散施力方式下擠壓活動(dòng)板應(yīng)力分析結(jié)果

以上為利用Inventor分析得出的發(fā)散施力方式下的擠壓活動(dòng)板所受應(yīng)力相關(guān)參數(shù)，下面再對(duì)擠壓活動(dòng)板進(jìn)行具體的定量分析，首先利用Inventor提供的分析參數(shù)來(lái)進(jìn)行發(fā)散施力方式下的擠壓活動(dòng)板強(qiáng)度校核，由于擠壓活動(dòng)板為鍛鋼，屬于塑性材料，通常以屈服的形式失效，故采用第三或第四強(qiáng)度理論來(lái)校核擠壓活動(dòng)板的強(qiáng)度。

由表2可知，在管殼體被擠壓過(guò)程中，擠壓活動(dòng)板所受第一最大主應(yīng)力σ1=10.204 7 MPa，第二最大主應(yīng)力σ2=0 MPa，第三最大主應(yīng)力σ3=2.349 95 MPa，根據(jù)畸變能密度屈服準(zhǔn)則，屈服應(yīng)力為:

代入Inventor分析所得數(shù)值，得到發(fā)散施力方案中擠壓活動(dòng)板所受對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為:

而發(fā)散施力方案中擠壓活動(dòng)板的許用應(yīng)力應(yīng)為屈服極限與安全系數(shù)的比值，即

由表1可知，擠壓活動(dòng)板的材料屈服極限σs為250 MPa，安全系數(shù)取最大值15，代入數(shù)值得擠壓活動(dòng)板許用應(yīng)力為:

則σs1≤［σ］

因此發(fā)散施力方式中的擠壓活動(dòng)板符合第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件，即發(fā)散施力方式下，擠壓活動(dòng)板所承受的應(yīng)力強(qiáng)度在合適的范圍內(nèi)。

3.2 擠壓活動(dòng)板應(yīng)力分析總結(jié)

通過(guò)對(duì)管殼體單工多力擠壓塑變模型中的重要施力構(gòu)件擠壓活動(dòng)板進(jìn)行的應(yīng)力分析，可知擠壓活動(dòng)板在單工位多平均施力點(diǎn)的發(fā)散施力方式下，能滿足相應(yīng)的材料強(qiáng)度條件，對(duì)照表2可看出，擠壓活動(dòng)板變形綜合位移為0.0136 962，因此可知發(fā)散施力方式下，擠壓活動(dòng)板變形量相對(duì)較小，則有利于保證管殼體的卡痕均勻性，而擠壓活動(dòng)板所受到的最大Mises等效應(yīng)力為11.591 9 MPa，但所受最大等效應(yīng)力仍小于擠壓活動(dòng)板的許用應(yīng)力［σ］，在等效應(yīng)變方面，擠壓活動(dòng)板等效應(yīng)變的最大值為0.000 097 973 7 mm，因此等效應(yīng)變相對(duì)較小，接著分析管殼體擠壓活動(dòng)板自身設(shè)計(jì)對(duì)擠壓活動(dòng)板應(yīng)力的影響，發(fā)散施力方式下，擠壓力均勻分布在擠壓活動(dòng)板四周，對(duì)擠壓活動(dòng)板自身壽命保證有所提高，確保了管殼體卡口器各方位受力均勻，同時(shí)極大地保證了管殼體徑向卡痕的均勻性。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者構(gòu)建了管殼體單工多力擠壓塑變模型，并利用專業(yè)分析軟件Inventor對(duì)該模型中的重要施力構(gòu)件擠壓活動(dòng)板進(jìn)行了應(yīng)力綜合分析，發(fā)現(xiàn)管殼體單工多力擠壓塑變模型中的發(fā)散施力方式使擠壓活動(dòng)板受力均勻，進(jìn)而使管殼體卡口器各方位受力均衡，因此能極大地保證管殼體徑向卡痕的均勻性，但單工位多平均施力點(diǎn)可能不利于充分利用管殼體擠壓活動(dòng)板平臺(tái)空間，從而導(dǎo)致管殼體擠壓效率相對(duì)低下。綜上所述，發(fā)散施力方式下的管殼體單工多力擠壓塑變模型能極大地改善傳統(tǒng)的管殼體卡痕質(zhì)量偏低的現(xiàn)象，但也可能存在管殼體擠壓效率整體偏低的問(wèn)題。

［1］ 李紅軍.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2006，19(6):6－8.

［2］ 肖月華，張海金.新型起爆藥的應(yīng)用［J］.爆破器材，2003，32 (1):24－27.

［3］ 嚴(yán) 龍.氣缸位置分布對(duì)管殼體卡痕的影響［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2013，5(26):83－85.

［4］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004.