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                        非對稱軸類件楔橫軋模具參數化設計

                        添加時間:2018/08/10 來源:西南石油大學 作者:王辰
                        本文通過對現有的三維實體造型軟件SolidWorks進行二次開發,來完成對模具的工藝參數的自動化計算,獲得模具的成形尺寸,再將所得尺寸參數導入到三維繪圖軟件中,生成參數化模型,實現楔橫軋模具的計算機輔助設計。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          楔橫乳單件軋制非對稱軸類零件時,由于軸類零件左、右斷面收縮率或展寬長度的不一致,模具左、右變形區工藝參數選取不能完全一樣,如果根據經驗選取模具參數,軋制時左右變形區所產生的軸向力難以平衡,導致軸類零件在乳制過程中出現軋件軸向竄動、臺階缺肉等缺陷,影響產品的外形尺寸和機械性能。

                          應用成形楔以外的一組或數組楔來保證軋件的軸向平衡,不僅可以保證產品的外形尺寸和產品質量,還可以擴展工藝參數的選擇范圍,降低模具的生產成本。因此,本文以平楔結構下非對稱軸類件楔橫軋成形中各個因素對非對稱軸成形質量的影響作為研究的主要內容,并設計開發出一款軟件以實現自動化建模,再結合正交試驗與數值模擬的方法對模具結構進行最終的驗證。論文選題具有較為重要的學術意義和工程實際應用價值。

                          本文的主要工作成果如下:

                          (1)以現階段楔橫乳模具設計的有關規范為依據對非對稱件楔橫軋模具進行設計,找出楔橫軋模具各結構參數之間的數學關系。

                          (2)運用SolidWorks二次開發技術和VB編程技術,實現了非對稱楔橫軋模具的參數化建模,大大縮小了模具的設計周期,提高了優化效率。

                          (3)通過運用DEF0RM-3D有限元分析軟件對軋件的中心橫截面上的點進行點追蹤,得到平楔結構參數對軸向竄動的影響規律。

                          (4)以成形的非對稱軸的輪廓形狀為主要指標,兼顧乳制力能和模具長度進行多結構參數的正交數值模擬,得到了模具各個主楔的成形角和展寬角的最優組合。

                          (5)通過運用DEF0RM-3D有限元分析軟件模擬了非對稱楔橫軋的成型過程,分析軋制過程中軸向橫截面工件損傷、等效應變和溫度場的變化規律;分析了精整階段乳件整體速度場及各軋制階段軋件的中心橫截面速度場;分析了軋制過程中模具在三個方向乳制力變化規律、模具磨損以及模具不同位置的溫度變化規律。

                          本文所做的研宄對于創新楔橫乳工藝技術、完善和充實非對稱模橫乳軋制理論、降低生產成本以及提高乳制產品質量具有重要的理論與實用價值。

                          關鍵詞:楔橫軋;非對稱軋制;有限元模擬;參數化設計

                        Abstract

                          In the case of non-symmetrical shaft parts, the parameters of the left and right section of the shaft are not exactly the same. If the mold parameters are selected according to the experience, The axial force generated by the left and right deformation zone during rolling is difficult to balance, resulting in the axial part of the rolling parts in the rolling process, such as the lack of meat and other defects, affecting the product size and mechanical properties.

                          Application of a wedge or a set of wedges to ensure that the axial balance of the workpiece, not only can guarantee the product size and product quality, but also can expand the range of process parameters to reduce the mold production costs. Therefore, the influence of various factors on the quality of asymmetric shaft forming under wedge cross wedge under the wedge structure is the main content of the study. The research has theoretical and engineering application value. The main results of this paper are as follows:

                          (1)Based on the relevant specifications of the wedge rolling die design, the asymmetrical cross wedge rolling die is designed to find out the mathematical relationship between the structural parameters of the cross wedge rolling die.

                          (2)Using the SolidWorks secondary development technology and VB programming software, the parametric modeling of the asymmetric cross wedge rolling die is realized, which greatly reduces the design cycle of the mold and improves the optimization efficiency. (3)Through the use of DEFORM-3D finite element analysis software to track the points on the center cross section of the workpiece, the influence of the parameters of the wedge structure on the axial channeling is obtained.

                          (4)Taking the contour shape of the asymmetric axis as the main index, the orthogonal design of the multi - structure parameters is taken as the average of the rolling force and the die length, and the optimal combination of the forming angle and the widening angle of each main wedge is obtained.

                          (5)The deformation process of the axial cross section workpiece, the equivalent strain and the temperature field during the rolling process were analyzed by using the DEFORM-3D finite element analysis software. The whole process of the finishing section was analyzed Velocity field and the central cross section velocity field of the rolling section of each rolling stage. The variation law of the rolling force in the three directions during the rolling process, the wear of the mold and the temperature variation of the mold at different positions are analyzed.

                          The research results of this paper have important scientific significance and engineering application value for the rolling process of innovative wedge rolling shaft parts, enriching and perfecting the asymmetric rolling theory of wedge rolling, reducing the production cost and improving the quality of rolling products.

                          Keywords: Cross wedge rolling; asymmetric Rolling; Finite element analogy; Parametric Design

                          隨著交通運輸工業和建筑行業的迅猛發展,鐵路車輛用軸、汽車用軸和穿墻螺絲等軸類零件的需求量與日俱增,市場對軸類零件力學性能的要求也越來越高[1]。生產非對稱軸類件通常采用鍛造、切削和楔橫軋三種方法。而楔橫乳相比于其他兩種成形技術,具有生產效率高、金屬纖維連續、節材顯著、勞動條件好和產品質量優異等優點,是近凈成形軸類零件的先進工藝,能夠充分發揮金屬塑性成型的優點。

                          模具的設計是楔橫軋加工的基礎,而在設計楔橫乳模具的過程中需要進行大量的復雜計算和曲面造型,使得建模過程非常復雜,而且在設計初步完成后,還需要結合實際生產對模具參數進行不斷的修改,使得工程設計人員耗費大量的時間和精力,無法把精力投入到模具的優化設計上來。

                          隨著計算機技術的發展,模具設計人員可以通過利用軟件來計算和建模,大大縮短了模具的設計周期[2]。然后使用數值模擬技術來對非對稱楔橫乳的軋制過程進行數值模擬,得到三維狀態下的材料流動狀況、應力應變分布和軋件的變形特征、軋制力等重要信息。通過對仿真結果進行分析后,可以對模橫軋工藝參數進行優化?傊,對軋輥的每一次修正都不需要技術人員重新進行設計、制定工藝,檢驗乳制效果等繁瑣的重復性工作,大大降低了設計人員的勞動程度,提高了設計質量,減少了設計周期并降低了生產成本。

                          本文的主要研宄內容有:

                          (1)以現階段楔橫軋模具設計的有關規范為依據對非對稱件楔橫軋模具進行設計,分析楔橫軋模具各結構參數之間的數學關系。

                          (2)運用S0LIDW0RKS二次開發技術和VB編程技術,對非對稱軸類件楔橫軋模具進行參數化設計。

                          (3)運用DEF0RM-3D有限元分析軟件對乳件的中心橫截面上的點進行點追蹤,分析平楔結構參數對軸向竄動的影響規律。

                          (4)以成形的非對稱軸的輪廓形狀為主要指標,兼顧乳制力能和模具長度進行多結構參數的正交數值模擬,分析模具的最優化結構參數。

                          (5)運用DEF0RM-3D有限元分析軟件模擬了非對稱楔橫乳的成型過程,分析乳制過程中軸向橫截面工件損傷、等效應變和溫度場的變化規律;分析各乳制階段軋件整體速度場以及各軋制階段軋件較大斷面收縮率部位的中心橫截面速度場;分析軋制過程中模具在軸向、徑向和切向上軋制力的變化規律、軋制完成后模具的磨損狀況以及模具不同位置的溫度變化規律。

                           非對稱軸類件楔橫軋模具成品有限元分析:

                        胚料在模具中初始裝配位置
                        胚料在模具中初始裝配位置

                        無平楔結構的楔橫軋模具乳制出的坯料的截面損傷云圖
                        無平楔結構的楔橫軋模具乳制出的坯料的截面損傷云圖

                        有平楔結構的楔橫乳模具乳制出的坯料的截面損傷云圖
                        有平楔結構的楔橫乳模具乳制出的坯料的截面損傷云圖

                        無平楔結構下非對稱軋制縱截面等效應變場
                        無平楔結構下非對稱軋制縱截面等效應變場

                        有平楔結構下非對稱乳制縱截面等效應變場
                        有平楔結構下非對稱乳制縱截面等效應變場

                        無平楔
                        無平楔

                        有平楔
                        有平楔

                        工件整體速率圖
                        工件整體速率圖

                        軋件橫截面上乳制全過程速率圖
                        軋件橫截面上乳制全過程速率圖

                        模具所受載荷
                        模具所受載荷

                        模具磨損分布情況
                        模具磨損分布情況

                        軋制完成時模具表面的溫度分布云圖
                        軋制完成時模具表面的溫度分布云圖

                        目錄

                          第1章 緒論
                            1.1 課題背景及研究的目的和意義
                            1.2 國內外研究現狀
                              1.2.1 楔橫乳工藝簡介
                              1.2.2 楔橫軋技術的發展
                              1.2.3 楔橫軋非對稱軸類件研究現狀
                              1.2.4 楔橫軋模具CAD研究現狀
                            1.3 本文主要研究內容
                          第2章 非對稱軸類件楔橫軋的模具設計
                            2.1 楔橫軋模具特點與成形原理
                            2.2 楔橫軋模具設計的基本原則
                              2.2.1 對稱原則
                              2.2.2 旋轉條件
                              2.2.3 縮頸條件
                              2.2.4 疏松條件
                            2.3 楔橫軋的工藝參數
                              2.3.1 斷面收縮率
                              2.3.2 成形角
                              2.3.3 展寬角
                            2.4 非對稱楔橫軋模具設計計算
                              2.4.1 毛坯與坯料的確定
                              2.4.2 模具型腔設計
                              2.4.3 模具主楔的設計
                              2.4.4 模具平楔的設計
                            2.5 本章小節
                          第3章 非對稱楔橫軋模具參數化設計
                            3.1 SOLIDffORKS軟件及其二次開發
                              3.1.1 S0LIDW0RKS軟件簡介
                              3.1.2 S0LIDW0RKS二次開發技術
                              3.1.3 S0LIDW0RKS土次開發工具一VISUAL BASIC 6.0
                              3.1.4 S0LIDW0RKS宏錄制工具
                            3.2 非對稱楔橫乳模具參數化設計分析
                              3.2.1 軋件參數化分析
                              3.2.2 楔橫乳模具參數化分析
                              3.2.3 非對稱軸類件楔橫軋模具的參數化計算
                              3.2.4 非對稱軸類件楔橫軋模具的參數化建模
                            3.3 本章小節
                          第4章 非對稱楔橫軋模具結構參數優化
                            4.1 剛塑性有限元法
                            4.2 DEF0RM-3D 軟件
                            4.3 DEFORM-3D有限元模擬前處理
                              4.3.1 模型簡化
                              4.3.2 非對稱楔橫乳的前處理
                            4.4 楔橫軋模具平楔結構參數優化
                              4.4.1 平楔高度對軸向竄動抑制效果的影響
                              4.4.2 平楔寬度對軸向竄動抑制效果的影響
                              4.4.3 平楔齒頂長對軸向竄動抑制效果的影響
                              4.4.4 平楔成形角對軸向竄動抑制效果的影響
                            4.5 楔橫乳模具主楔結構參數優化
                              4.5.1 正交試驗設計
                              4.5.2 正交試驗結果分析
                          第5章 非對稱楔橫軋模具及成品有限元分析
                            5.1 坯料分析
                              5.1.1 工件損傷分析
                              5.1.2 軋制完成后等效應變分析
                              5.1.3 軋件溫度場分析
                              5.1.4 乳件金屬流動分析
                            5.2 模具分析
                              5.2.1 模具受力分析
                              5.2.2 模具磨損分析
                              5.2.3 模具整體溫度分析
                            5.3 本章小結
                          第6章 結論與展望
                            6.1 結論
                            6.2 展望
                          致謝
                          參考文獻
                          附錄

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