多層金屬薄板反復(fù)彎曲試驗裝置設(shè)計及運(yùn)動仿真

曾 敏

（山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030006）

1 多層金屬薄板的性能優(yōu)勢及用途

1.1 多層金屬薄板的性能優(yōu)勢

多層金屬復(fù)合材料兼具各組元金屬的優(yōu)良特性，而且還能發(fā)揮出單一組元無法比擬的性能優(yōu)勢：① 成本低廉，適用于批量生產(chǎn)，如鈦/鋼、鎳/鋼復(fù)合板的價格僅相當(dāng)于純鈦和純鎳板的1/5～1/10；② 良好的綜合性能，耐高溫性能良好，比強(qiáng)度和比模量高，導(dǎo)熱性和耐磨性好，熱膨脹小，尺寸趨于穩(wěn)定；③ 可焊性好。

1.2 多層金屬薄板的用途

由于多層金屬薄板的物理化學(xué)性能和綜合力學(xué)性能得到了提高，故其應(yīng)用前景十分廣泛。如不銹鋼復(fù)合板可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油化工、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥衛(wèi)生等行業(yè)；鈦復(fù)合板在航空工業(yè)、冶金等行業(yè)有很大的發(fā)展空間；體育器械、餐具、衛(wèi)生潔具、家庭內(nèi)裝飾材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用不銹鋼（SS）/鋁合金（Al）層狀復(fù)合材料。隨著工藝的不斷發(fā)展，更多具有特殊性能的多層金屬復(fù)合薄板將不斷涌現(xiàn)。

2 金屬反復(fù)彎曲國家標(biāo)準(zhǔn)試驗方法

反復(fù)彎曲試驗的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是將試樣一端夾緊，然后繞規(guī)定半徑的圓柱形表面使試樣彎曲90°，再按相反方向彎曲。其試驗原理如圖1所示。

3 反復(fù)彎曲裝置設(shè)計

根據(jù)金屬反復(fù)彎曲試驗國家標(biāo)準(zhǔn)的原理，本文設(shè)計了能夠測試多層金屬薄板強(qiáng)度的反復(fù)彎曲裝置。

3.1 總體設(shè)計

圖2為試驗裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。該裝置的總體設(shè)計思路為：擺動機(jī)構(gòu)主要由四連桿來控制擺桿的角度（60°），曲柄上安裝帶有平鍵的軸，并通過軸承座中的軸承實現(xiàn)對軸的固定，在軸的另一端通過平鍵連接一個搖桿，搖桿上焊有搖柄，通過搖柄的周期性轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)四連桿的往復(fù)運(yùn)動。夾緊裝置按金屬反復(fù)彎曲試驗的國家標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計，夾持試樣薄板的撥桿固定在小齒輪的切向方向上，小齒輪通過與轉(zhuǎn)動角度為60°的大齒輪嚙合，并控制齒數(shù)比為1∶3來實現(xiàn)小齒輪旋轉(zhuǎn)180°。擺桿通過焊接方式固定在大齒輪上，實現(xiàn)大齒輪的60°轉(zhuǎn)動。

圖1 金屬反復(fù)彎曲試驗國家標(biāo)準(zhǔn)原理圖

圖2 試驗裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 各部件結(jié)構(gòu)尺寸的確定

3.2.1 四連桿工作尺寸的確定

為了實現(xiàn)金屬薄板的反復(fù)彎曲，需要實現(xiàn)四連桿擺桿擺動60°，為此先設(shè)定曲柄與擺桿中心線之間的距離為400mm，曲柄的長度為100mm，然后通過作圖法實現(xiàn)擺桿的擺動角度為60°，從而最終確定連桿的長度為480mm，擺桿的長度為240mm。

3.2.2 曲柄軸結(jié)構(gòu)尺寸的確定

軸的作用是將傳動傳遞到四連桿機(jī)構(gòu)，從而實現(xiàn)金屬薄板的反復(fù)彎曲。因此，在軸的設(shè)計中考慮到曲柄的尺寸、軸承的型號、軸承座的安裝等問題，最終確定的曲柄軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 曲柄軸結(jié)構(gòu)尺寸

3.2.3 圓柱銷結(jié)構(gòu)尺寸的確定

圓柱銷的功能是實現(xiàn)曲柄與連桿的連接與固定，因此，確定圓柱銷的尺寸時需考慮到曲柄的尺寸與連桿的尺寸，最終確定的圓柱銷的結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。

圖4 銷釘結(jié)構(gòu)尺寸

3.2.4 曲柄結(jié)構(gòu)尺寸的確定

曲柄的長度根據(jù)四連桿的尺寸確定為100mm，其余尺寸的確定應(yīng)考慮到曲柄軸及曲柄軸安裝所需要的平鍵的尺寸及連接連桿的圓柱銷的尺寸，最終確定的曲柄結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。

圖5 曲柄結(jié)構(gòu)尺寸

3.2.5 連桿結(jié)構(gòu)尺寸的確定

連桿用來連接曲柄與擺桿，由四連桿的尺寸可確定連桿的長度為480mm，其余尺寸的確定考慮到圓柱銷與擺桿的尺寸，最終確定的連桿結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示。

圖6 連桿結(jié)構(gòu)尺寸

3.2.6 擺桿結(jié)構(gòu)尺寸的確定

擺桿是實現(xiàn)四連桿與夾緊裝置連接的部件，擺桿通過焊接固定在大齒輪上，其長度尺寸由四連桿的尺寸確定為240mm，其余尺寸的確定由連桿與大齒輪的尺寸共同決定。與其焊接在一起的大齒輪的模數(shù)為2，齒數(shù)為76，其他各部分尺寸如下：分度圓壓力角為20°、分度圓直徑d＝152mm、中心距a＝101mm、齒頂圓直徑為Φ156mm、齒根圓直徑為Φ147mm。最終確定的擺桿的結(jié)構(gòu)尺寸如圖7所示。

圖7 擺桿的結(jié)構(gòu)尺寸

3.2.7 小齒輪結(jié)構(gòu)尺寸的確定

小齒輪實現(xiàn)與大齒輪的嚙合，并通過與大齒輪的嚙合可實現(xiàn)角度為180°的往復(fù)轉(zhuǎn)動。因此，小齒輪的模數(shù)m＝2，齒數(shù)為25，其他各部分尺寸如下：分度圓壓力角為20°、分度圓直徑d＝50mm、齒頂圓直徑為Φ54mm、齒根圓直徑為Φ45mm。最終確定的小齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸如圖8所示。

圖8 小齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸

3.2.8 曲柄軸軸承座結(jié)構(gòu)尺寸的確定

軸承座用來實現(xiàn)對軸的固定及安裝，因此軸承座的尺寸由軸及頂住軸的端蓋尺寸來共同決定。根據(jù)曲柄軸的結(jié)構(gòu)尺寸及軸承的型號，最終確定軸承座的結(jié)構(gòu)尺寸如圖9所示。

圖9 軸承座的結(jié)構(gòu)尺寸

4 反復(fù)彎曲裝置的運(yùn)動仿真

對該裝置進(jìn)行運(yùn)動仿真時，首先利用Pro/E 5.0軟件對裝置中的各零件進(jìn)行三維造型，然后選擇合適的裝配模式將該裝置裝配好，其三維模型如圖10所示。接著確定曲柄軸為主運(yùn)動部件，并給予一定的運(yùn)動速度和加速度，最后利用Pro/E中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析功能進(jìn)行該裝置的運(yùn)動分析，從而使該裝置的運(yùn)動過程一目了然，并可以解決零件間干涉以及位移、速度、加速度等問題，使該裝置的結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。反復(fù)彎曲裝置的運(yùn)動仿真如圖11所示。

圖10 反復(fù)彎曲裝置三維模型

5 結(jié)論

通過對反復(fù)彎曲裝置的運(yùn)動仿真及分析，能很清晰地看到裝置的運(yùn)動過程，對裝置的設(shè)計起到了很好的檢測效果。從該裝置的運(yùn)動仿真中深刻體會到了利用三維軟件進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計的好處，使設(shè)計者從復(fù)雜的理論計算中解放了出來，有更多的時間去進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

圖11 反復(fù)彎曲裝置運(yùn)動仿真

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