安全鎖端頭加工分析.doc

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1、基于有限元技術(shù)的安全鎖端頭加工分析摘要：安全鎖端頭采用冷壓縮頸工藝進行加工，通過仿真各種尺寸端頭的塑性形變過程，得到不同尺寸端頭經(jīng)過縮頸工藝處理后，端頭伸長量、內(nèi)徑收縮量及其端頭所受的真實應(yīng)力，對比經(jīng)驗公式的軸向拉力，確定適當?shù)亩祟^尺寸，使得安全鎖端頭既能滿足軸向拉伸要求，又能降低端頭的縮頸操作的設(shè)備磨損。關(guān)鍵字：安全鎖端頭、縮頸、塑性形變、端頭伸長量、內(nèi)徑收縮量、真實應(yīng)力、設(shè)備磨損1引言安全索是齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司研制生產(chǎn)的產(chǎn)品，是鐵路車輛轉(zhuǎn)向架上的一種重要配件。北車集團沈陽機車車輛有限責任公司于2006年引進安全索生產(chǎn)技術(shù)，利用原有的壓力機和沖床等設(shè)備自行加工。根據(jù)

2、原生產(chǎn)技術(shù)，安全鎖生產(chǎn)過程中存在安全鎖生產(chǎn)效率低，設(shè)備磨損嚴重等問題。為了提高安全鎖的生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低設(shè)備損耗。根據(jù)沈車公司的實際情況，對加工工藝進行改進成為沈車公司的必然選擇。安全鎖端頭是安全鎖的重要組成部分，生產(chǎn)過程中運用沖床，采用冷擠壓工藝。冷擠壓工藝的加工方法是利用金屬材料的塑性變性的原理，實現(xiàn)端頭的縮頸效果。在室溫的條件下，將冷態(tài)的金屬毛坯裝入壓力機的模具型腔內(nèi)，在壓力機的作用下金屬毛坯形成塑性流動，最終使毛坯達到所需的形狀與尺寸?？s頸效果的好壞直接影響著安全鎖的抗拉能力，同時，冷擠壓過程受力情況與沖床設(shè)備的磨損息息相關(guān)。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元法越來

3、越多地應(yīng)用于計算機輔助設(shè)計方面[1-2]。國內(nèi)外一些學(xué)者對鐓粗，擠壓、摩擦等問題的有限元求解發(fā)表過不少文章[3-4]。一般認為有限元法是預(yù)測變形體應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速度和溫度分布的強有力的手段。零配件設(shè)計與加工過程中，采用有限元分析方法對零部件的熱-結(jié)構(gòu)、應(yīng)力-應(yīng)變、模態(tài)等進行仿真計算，得到零部件的受力、形變、強度、震動、金屬疲勞等情況的分析結(jié)果，從而實現(xiàn)對零部件加工過程控制的有效改進已成為工藝設(shè)計的必不可少的一部分[5-7]。本文以安全鎖端頭加工過程為研究對象，建立安全鎖端頭的冷擠壓模型，采用有限元分析技術(shù)，對不同尺寸的端頭的冷擠壓過程進行仿真，得出即能夠滿足安全鎖質(zhì)量要求，又能有

4、效夠降低設(shè)備磨損的合理端頭尺寸。2計算模型與原理2.1端頭模型2.1.1端頭材料端頭材質(zhì)為標準件用碳素鋼熱軋圓鋼其牌號和化學(xué)成份，如下表1所示：表1端頭成分牌號化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))(%)CSiMnPSBL2O.09-0.15≤0.070.25-O.55≤O.040≤0.040碳素鋼熱軋圓鋼的力學(xué)性能如下表2所示：表2碳素鋼熱軋圓鋼力學(xué)性能牌號屈服點（MPa）抗拉強度（MPa）伸長率（MPa）BL2≥215335-410≥332.1.2計算模型生產(chǎn)中使用的安全鎖端頭的二維與三維模型如圖1(a)、(b)所示。(a)端頭二維圖(b)端頭三維圖圖1安全鎖端頭模型為了計算的簡便與準確，有限元

5、計算前先，根據(jù)模型的約束條件與加載條件將模型簡化，如圖2所示：圖2剖分單元安全鎖端頭剖分后，可得安全鎖端頭的共剖分成8784個單元，其結(jié)果如圖3所示。圖3剖分結(jié)果2.2計算原理2.2.1塑性力學(xué)-關(guān)聯(lián)流動法則流動法則定義了塑性應(yīng)變增量的分量和應(yīng)力分量及應(yīng)力增量分量之間的關(guān)系，它描述屈服時塑性應(yīng)變的方向。當塑性流動方向與屈服面的外法線方向相同時稱為關(guān)聯(lián)流動法則。2.2.2金屬塑性形變特點物體在外力作用下都會發(fā)生形變，如果承受的外力較大，即大于材料屈服點時，使得形變超過某一限度，撤走外力之后，其所引起的形變并不會完全消失，而是存在剩余形變，則稱之為塑性形變。利用金屬材料的塑性形變過程進

6、行加工已成為金屬加工常用方法之一。金屬塑性成形方法的主要優(yōu)點有：?1、金屬材料經(jīng)過相應(yīng)的塑性加工后，其組織、性能都能得到改善和提高，特別是對于鑄造組織，效果更為顯著。2、金屬塑性成形主要是靠金屬在塑性狀態(tài)下的體積轉(zhuǎn)移，而不需靠部分地切除金屬的體積，因而制件的材料利用率高，流線分布合理，從而也提高了制件的強度。?3、用塑性成形方法得到的工件可以達到較高的精度。近年來，應(yīng)用先進的技術(shù)和設(shè)備，不少零件已達到少、無切削的要求。例如，精密鍛造的傘齒輪，其齒形部分精度可不經(jīng)切削加工直接使用，精鍛葉片的復(fù)雜曲面可達到只需磨削的精度。?4、塑性成形方法具有很高的生產(chǎn)率。2.2.3壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線碳

7、素鋼熱軋圓鋼在壓縮狀態(tài)下，應(yīng)力為：(2-1)應(yīng)變?yōu)椋?2-2)其中，為端頭的壓縮應(yīng)力；為端頭表面初始受壓面積；為端頭的形變大小；為端頭的初始尺寸。端頭在壓縮應(yīng)力的作用下，橫截面積為：(2-3)其中為端頭的體積。在真實壓縮應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生變性后真實應(yīng)力為：(2-4)真實應(yīng)變?yōu)椋?2-5)根據(jù)測試，可得碳素鋼熱軋圓鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與真實應(yīng)力與真實應(yīng)變曲線對應(yīng)關(guān)系，如下圖4所示：1218001600140012008006004002000F/kN21.7520.981