疲劳寿命约束下冷镦机床身的拓扑优化.pdf

2 0 1 4年 1 1月 第4 2卷 第2 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 。 2 2 ． 0 1 4 疲劳寿命约束下冷镦机床身的拓扑优化 何彬 湖北理工学院机 电工程 学院，湖北黄石 4 3 5 0 0 3 摘要如何满足预定寿命的要求是锻压机床轻量化设计需要解决的难点问题。针对冷镦机床身的材料、结构和工况特 点，分析了冷镦机床身疲劳寿命的计算方法，提出了疲劳寿命约束下冷镦机床身的拓扑优化算法和过程。并以某型号冷镦 机床身为例，运用 A B A Q U S 有限元和F e - s a f e 疲劳寿命分析软件，实现了疲劳寿命作用下床身的拓扑优化迭代过程，验证了 所提出的算法，有效地将疲劳寿命与拓扑优化以及再设计环节予以结合 ，从而同时满足床身轻量化和预定寿命的要求。 关键词冷镦机床身；疲劳寿命 ；拓扑优化；再设计 中图分类号T H1 2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 42 2 0 5 0～ 3 To p o l og y Op timi z a tio n o f He a di ng M a c hi n e Be d un de r Fa tig u e Li f e Co ns t r a i n t HE Bi n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ， H u b e i P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， H u a n g s h i H u b e i 4 3 5 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t O n e o f t h e d i f fi c u l t p r o b l e ms t o b e s o l v e d i n l i g h t we i g h t d e s i g n f o r f o r g i n g ma c h i n e i s h o w t o s a t i s f y t h e r e q u i r e me n t o f i n t e n d e d l i f e ． C o n s i d e rin g t h e f e a t u r e o f wo r k i n g c o n d i t i o n，ma t e r i a l a n d s t r u c t u r e o f h e a d i n g ma c h i n e b e d，t h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f t h e b e d ’ S f a t i g u e l i f e wa s a n a l y z e d，a n d t h e a l g o r i t h m a n d p r o c e s s o f t o p o l o g y o p t i mi z a t i o n w e r e p u t f o r w a r d u n d e r f a t i g u e l i f e c o n s t r a i n t ． I n a d d i t i o n，a t y p e o f h e a d i n g ma c h i n e b e d wa s t a k e n a s a N e x a mp l e t o r e a l i z e t h e i t e r a t i o n p r o c e s s o f t o p o l o gy o p t i mi z a t i o n u n d e r t h e b e d s f a t i g u e l i f e c o n s t r a i n t a n d t e s t i f y t h e p r o p o s e d a l g o ri t h m ， wh i c h c o u l d e f f e c t i v e l y i n t e g r a t e b e d s f a t i gu e l i f e w i t h i t s t o p o l o g y o p t i mi z a t i o n a n d r e d e s i g n S O a s t o me e t t h e r e q u i r e me n t s o f b o t h l i g h t w e i g h t a n d i n t e n d e d l i f e ． Ke ywor ds He a d i ng ma c h i n e b e d； Fa t i gu e l i f e；To po l o gy o p t i mi z a t i o n； Re d e s i g n 锻压机床是钢材消耗量最大的一类机床，锻压机 床的轻量化是绿色制造和设计的必然要求。如何结合 整机的使用寿命 ，实现其全局轻量化是锻压机床轻量 化设计需要解决的难点问题之一。传统的锻压机床轻 量化设计更多依靠单一的结构优化，即主要考虑刚度 和频率约束，很少兼顾到使用寿命的影响，其原因在 于结构的轻量化设计与抗疲劳设计的要求相矛盾，使 得疲劳寿命难于对整个轻量化设计过程产生约束⋯。 拓扑优化是实现锻压机床轻量化设计的有效手段，从 掌握的文献看 J ，通过拓扑优化对锻压机床一些关 键零部件进行轻量化设计 ，很少有考虑到疲劳寿命的 约束。文中以冷镦机床身为例 ，将床身的疲劳寿命分 析与床身的拓扑优化和再设计过程结合起来，从而在 实现轻量化设计的同时满足冷镦机床身的寿命设计要 求 。 1 冷镦机床身疲劳寿命分析与计算方法 冷镦工艺利用金属在外力作用下产生的塑性变 形 ，并借助于模具，使金属体积作重新分布及转移， 从而形成所需要 的零件或毛坯。冷镦机是应用冷镦工 艺生产各类标准件、紧固件、异形件的工作母机 ，属 于典型的锻压机床。 。 。 影响冷镦机床身疲劳的因素主要包括工作条件 载荷特性、加载频率、介质和温度等 、床身状态 应力 集 中、尺 寸 、表 面加 工 质 量 和 表 面 强 化 处 理 等 以及材料 化 学成 分 、金相 组 织 、内部 缺陷 和 纤维方 向等 。冷镦机的一个工作循环 中包括送 料、夹持、移位、镦粗、成型、切型和落料等工序， 床身主要在镦粗、成 载栅 型 、切型等工 序 中承 受载荷 ，由于冷镦 机工 作 时 的 周 期 性 ， 镦 粗成 型切 型 时间 t 图 1 冷镦机床身的近似载荷谱 有循环特性 的三 级载 。 一 ～ 荷谱 ，如图 1 所示 。 冷镦机镦断和镦粗时虽 然给工 件 的冲击力较 大 ， 但是施加到床身上则转换为线载荷和面载荷 ，整体应 力水平相对较 低；冷镦机每分钟 镦断次数 一般为 1 4 0～ 2 0 0次，床身的使用寿命要求在 1 5～ 2 0年，据 此可以推算其疲劳寿命应在 1 0 。以上，属于高周疲 劳。冷镦机床身常用材料为灰铸铁，高周疲劳的铸铁 收稿 日期 2 0 1 31 0 0 4 基金项目湖北省自然科学基金项目 2 0 1 2 F F C 0 1 6 ；湖北理工学院校级重点项目 1 3 x j z O 4 A 作者简介何彬 1 9 7 O 一 ，男，工学博士，副教授，研究方向为结构优化、机床技术。Em a i l h e b i n _ l 1 6 3 ． c o in 。 第2 2期 胡兆国 等高压油管球头挤压模具及夹具设计 7 5 制管坯沿前后、上下两个方向的移动 自由度以及绕前 后 、上下两个方 向轴线转动 的 自由度 的定位元件 ，不 仅可以作为定位元件还可以作为夹紧机构的执行元 件 ，又进一步简化了夹具结构。 3 ． 3 夹紧机构的选择 由于夹紧管坯的力不是很大，因此，夹紧管坯的 动力 源无需气 动或液动 ；再 有该 产品的批 量较小 ，生 产效率不是第一位的，降低工艺装备的成本较为重 要，因而，没必要设计制造效率高、结构复杂、成本 高的高效夹紧机构。所 以，采用手动、螺旋夹 紧机 构，图2中的上 V形块 1 4作为夹紧机构的具体执行 元 件。 3 ． 4快 速装 夹的措 施 虽然没必要设计制造效率高、结构复杂、成本高 的高效夹紧机构，但是，针对手动、螺旋夹紧机构采 用一定的措施仍可以提高其装夹效率。其措施是将上 V形块 1 4的螺母压紧处设计成图2的 A向视图 图 8 的形状即可实现快速装夹。拆卸时，螺母向上拧 出一 定 的 距 离 ，然 后 向 外 转成 图 2右 边 视 图的 位 置 即可 翻转上 V形 块 1 4进 行 装夹 ，为 了进一 步提高装 夹速 度 ，防 止夹 紧 螺 杆 1 6 转的角度太大而浪费时间， 设计成 只能 向外 转成 图 2 的角度 。 ， ，／ ／ ， 寸 、 ＼ 、 3 ． 5 防止管坯挤压时后退的措施 管坯挤压时沿其轴向的挤压力较大，克服此挤压 轴向力是靠夹紧后上、下 V形块对管坯 的摩擦力来 实现。根据物理知识可知 ，此摩擦力 的大小与 V形 块对管坯 的压力以及 V形块与管坯的摩擦因数大小 成正比，而 V形块对管坯 的压力与螺母拧的松 紧有 关 ，螺母又不 能拧得太 紧 ，否则 ，会将螺纹拧坏 。也 即增大此处的摩擦力不能光靠通过增大 V形块对管 坯的压力来实现，还需增大 V形块与管坯之间摩擦 因数 ，为此，将 V形块的工作面做成了网纹表面。 3 ． 6开模状态定位 、夹紧元件 与瓣合 凹模 之 间距 离的确 定 开模状态下，定位、夹紧元件 上、下 V形块 与瓣合凹模 1 3之间距离 开模状态下 ，图 2中的尺 寸 己 ，图 2画 的是 闭模 状 态 越 大 管坯 的稳定 性 越 小。为了尽可能地减小开模状态下，定位、夹紧元件 与瓣合凹模 1 3之间距离以增大管坯的稳定性，将上、 下 V形块的左端做出凹坑 见图2 以容纳螺母，并 且确定模具闭合时 ，定位、夹紧元件 上、下 v形 块与瓣合凹模 1 3之间距离 图2中的尺寸 为2 m m，又 由于挤 压 时 滑 块要 向右 移 动 1 0 ． 9 3 m m，所 以，开模状态 下 ，定 位 、夹 紧元件 与瓣合 凹模 1 3之 间距离 为 1 2 ． 9 3 m m。 4 设计正确性的验证 根据前述设计指导思想设计制造了图2所示的挤 压模具及夹具 ，生产实践证 明 设计指导思想完全正 确，生产出了完全符合要求的零件。图9是用图2所 示的挤压模具及夹具生产出的完全符合要求的零件的 照片。 图9 高压油管 参考文献 [ 1 ]杨金凤， 王春焱， 何丁勇． 机床夹具及应用[ M] ． 北京 北 京理工大学出版社， 2 0 1 1 ． [ 2 ]张水中． 挤压工艺及模具设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 0 ． [ 3 ]王咏梅， 李春茂， 张瑞萍， 等． P r o ／ E N G I N E E R Wi l d fi r e 5 。 0 中文版基础教程[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 1 2 ． [ 4 ] 胡兆国， 朱超． s 6 冷凝器固定支架零件冲压工艺及模具 设计[ J ] ． 锻压技术， 2 0 1 3 ， 3 8 4 ． [ 5 ]刘建超 ， 张宝忠． 冲压模具设计与制造[ M] ． 北京 高等 教育出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 6 ]杨关全． 冷冲压工艺与模具设计[ M] ． 大连 大连理工大 学出版社 ， 2 0 1 2 ． 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