【導(dǎo)讀】金屬擠壓加工是利用金屬塑性壓力形成的一種加工方法。它的本質(zhì)是利用施。定的縫或者孔隙中擠出，從而獲得一定尺寸及截面形狀擠壓制品的壓力成形過程。本課題通過提供原始圖紙及參數(shù)，運(yùn)用傳統(tǒng)方法對(duì)擠壓機(jī)前梁、后梁。ANSYS按照初步設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到擠壓機(jī)主要零部件的應(yīng)力情況。設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照給定的安全系數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。這主要通過增加梁高度。最后可以得出結(jié)論：初始方案中前梁、后梁、動(dòng)梁在結(jié)構(gòu)上均存在有待。提高的地方，部分零部件不符合強(qiáng)度要求。能達(dá)到強(qiáng)度要求，但在以后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)力集中區(qū)域還需要進(jìn)一步優(yōu)化。師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。究所取得的研究成果。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，

　　

【正文】 10 120 圖 第一次優(yōu)化劃分單元后的 模型 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 25 第一次優(yōu)化后的 X 向應(yīng)力值、 Z 向應(yīng)力值、 第一主應(yīng)力的云圖如圖 所示。 圖 （ a） 第一次優(yōu)化后的 X 向應(yīng)力云圖 圖 （ b） 第一次優(yōu)化后的 Z 向應(yīng)力云圖 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 26 圖 (c) 第一次優(yōu)化后的第一主應(yīng)力應(yīng)力云圖 對(duì)初始模型和第一次優(yōu)化后的梁進(jìn)行各項(xiàng)應(yīng)力值的比較 ： 初始模型和第一次優(yōu)化后各項(xiàng)應(yīng)力值的比較 表 Y向應(yīng)力最大 值 （ MPa） Z 向應(yīng)力最大值（ MPa） 第一 主應(yīng)力最大值(MPa) 初始模型 293 204 293 第一次優(yōu)化后 183 128 248 由表 中各項(xiàng)應(yīng)力值的 比較可知，當(dāng)前梁的厚度增加以后， X 向 、 Z 向及第一主應(yīng)力的最大值都有明顯的下降。但結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)應(yīng)力值 與表 相比 仍然偏高，不符合要求，還需要進(jìn)一步優(yōu)化。 第二次優(yōu)化可在第一次優(yōu)化的基礎(chǔ)上 采用 如下 方案： (1) 將前梁接觸壓套的端面 板厚 由 400mm 向?qū)嶓w外外法線方向 增加 200mm，（即厚度變?yōu)?600mm）； (2) 將另一端面厚度由 250mm 向?qū)嶓w外外法線方向 增加 150mm(即厚度變 為400mm)，這時(shí)梁的總厚度 有 3200mm增加 為 3650mm。 (3) 在 因結(jié)構(gòu)輪廓形狀突變而導(dǎo)致的應(yīng)力集中 的地方 ，則畫出倒角 或圓角 以減少應(yīng)力集中； (4) 由于梁上 小 圓孔為岀沙口，最后需要補(bǔ)焊 ，故將岀沙口省去不畫。 優(yōu)化后的模型如圖 所示。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 27 圖 第二次優(yōu)化后的前梁模型 由于優(yōu)化后結(jié)構(gòu)有細(xì)微變化，造成壓緊力和擠壓工作面上的力發(fā)生改變，其面積和力如圖 。 圖 第二次優(yōu)化后的受力面積和壓力大小 第二次優(yōu)化后的 各項(xiàng)應(yīng)力云圖如圖 所示。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 28 圖 （ a） 第二次優(yōu)化后的 X 向應(yīng)力云圖 圖 （ b）第二次優(yōu)化后的 Z 向應(yīng)力云圖 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 29 圖 （ c）第二次優(yōu)化后的第一主應(yīng)力云圖 圖 (d) 第二次優(yōu)化后的局部第一主應(yīng)力云圖 由于擠壓機(jī)梁的破壞主要是拉應(yīng)力造成的，因此下面對(duì)拉應(yīng)力進(jìn)行重點(diǎn)討論。將 第二次優(yōu)化后的各項(xiàng)應(yīng)力值和第一次優(yōu)化后的進(jìn)行比較 可知，當(dāng)?shù)诙蝺?yōu)化后，X 向最大應(yīng)力值達(dá)到 114MPa,比要求的 110MPa 多出 4MPa； Y 向應(yīng)力值達(dá)到了111MPa，比要求的 110MPa 多出 1MPa。對(duì)于第一主應(yīng)力，如圖 （ d） 所示，出現(xiàn)了應(yīng)力奇 異點(diǎn)， 原因一是 由于加載時(shí)采用的是壓力均布到受力面節(jié)點(diǎn)上的方法，這會(huì)導(dǎo)致邊緣上個(gè)別節(jié)點(diǎn)承受很大的壓力，從而出現(xiàn)了應(yīng)力奇異點(diǎn) ；二是該處的遠(yuǎn)角半徑偏小，造成應(yīng)力集中 。除應(yīng)力奇異點(diǎn)外，梁的各處第一主應(yīng)力都小重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 30 于 120MPa。 由 以上分析可見，梁的個(gè)向應(yīng)力值與要求的值基本符合，又因?yàn)榍傲旱陌踩禂?shù)取得較高（取 n=3），因此可認(rèn)為前梁的優(yōu)化基本達(dá)到了要求 ，但 后續(xù)設(shè)計(jì) 中還必須消除應(yīng)力奇異點(diǎn) 。 如表 所示， 通過 第二次優(yōu)化和第一次優(yōu)化的各項(xiàng)應(yīng)力值比較 可以看出，在進(jìn)一步優(yōu)化后 前梁的各項(xiàng)應(yīng)力值均有所下降（應(yīng)力奇異點(diǎn)除外）。 第 二 次優(yōu)化 和第一次優(yōu)化 的各項(xiàng)應(yīng)力值比 較 表 X 向 拉 應(yīng)力最大值 （ MPa） Z 向 拉 應(yīng)力最大值（ MPa） 第一主應(yīng)力最大值 (MPa) 第一次優(yōu)化 148 128 148 第二次優(yōu)化 114 111 261（應(yīng)力奇異點(diǎn)） 后梁的強(qiáng)度校核及優(yōu)化設(shè)計(jì) 后梁的強(qiáng)度校核 后梁的結(jié)構(gòu)與前梁有相似之處，其結(jié)構(gòu)也為箱型，在 中間設(shè)有筋板，為鑄鋼件。上面共 安裝 有 7 個(gè)工作缸，包括一個(gè) 140MN 的主缸， 2 個(gè) 40MN 的側(cè)缸 Ⅰ ，4 個(gè) 的側(cè)缸 Ⅱ 。后梁也 是擠壓機(jī)最重要的承載機(jī)構(gòu)之一，需要對(duì)其進(jìn) 強(qiáng)度校核及優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，改善工作性能。 后梁的建模和單元分析 與前梁一樣，建模時(shí)只建出四分之一模型。單元?jiǎng)澐植捎?SOLID92 單元（即10 節(jié)點(diǎn) 4 面體單元）。劃分單元后的后梁結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 劃分單元后的后梁結(jié)構(gòu) 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 31 施加載荷及邊界條件 對(duì)四分之一后梁的受力分析可知，后梁受到三個(gè)液壓缸法蘭盤施加的壓力，壓套的壓力以及拉桿作用下受到的壓力，這些力均布在各受力面上，使后梁處于平衡狀態(tài)。各力的大小如表 ，各力的受力面積和壓強(qiáng)大小如圖 所示。由分析可知 四分之一 后梁所需要的邊界條件有：梁的兩對(duì)稱面施加對(duì)稱約束；在模型上 上選一適當(dāng)點(diǎn)施加 XU=0 、 YU=0 、 ZU=0 的約束，使梁的位置得以確定。施 加載荷及約束后的梁結(jié)構(gòu)如圖 所示。 后梁上所受各力的大小 表 主缸 側(cè)缸Ⅰ 側(cè)缸Ⅱ 壓套 拉桿 35MN 20MN 75MN 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 32 圖 各力的受力面積和壓強(qiáng)大小 求解結(jié)果及分析 由 所示 應(yīng)力云圖可知，后梁的 Y 向應(yīng)力最大值為 323MPa(受壓 )，位置為主缸和側(cè)缸Ⅱ間的薄壁處，該區(qū)域強(qiáng)度較差，而 Y 方向的最大拉應(yīng)力則為186Mpa，位置在岀沙口處； Z 向應(yīng)力的最大值為 323MPa，而最大拉應(yīng)力為129MPa；第一主應(yīng)力最大值為 187MPa，出現(xiàn)在岀沙口的位置，這是可以通過補(bǔ)焊來減小的。 X 相及 Z 向最大應(yīng)力值出現(xiàn)位置均為圖 (d)區(qū)域，這是由于該區(qū)域和主缸和側(cè)缸Ⅰ的距離最短，屬于薄弱區(qū)域。此外，對(duì)于 Z 向應(yīng)力，由于側(cè)缸Ⅰ的壁厚過 小，側(cè)缸Ⅰ的薄壁也處也出現(xiàn)了很大的應(yīng)力值。因此，該結(jié)構(gòu)存在不合理的地方，需要進(jìn)行優(yōu)化，以降低應(yīng)力值。而在優(yōu)化過程中重點(diǎn)考慮降低應(yīng)力值，減小對(duì)質(zhì)量和體積的考慮。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 33 圖 （ a） 后梁的 Y 向應(yīng)力云圖 圖 （ b）后梁的 Z 向應(yīng)力云圖 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 34 圖 （ c） 后梁的第一主應(yīng)力云圖 圖 （ d） 后梁 Z 向應(yīng)力最大值區(qū)域 后梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 后梁的優(yōu)化方案可采用如下方法： （ 1）將后梁前端面 板厚 由 250mm 增加到 600mm， 后 端面的板厚 由 200mm 增加到 500mm，并使總長由 3200mm變?yōu)?3680mm； （ 2）由于梁上未受力的圓孔為岀沙孔，最后需要補(bǔ)焊，故應(yīng)力分析時(shí)不應(yīng)該存在，而應(yīng)將其省去； 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 35 （ 3）將反放置主缸的凸臺(tái)省去，使主缸和側(cè)缸安裝在同一平面 ,這樣可以 增加薄弱區(qū)域的強(qiáng)度； （ 4）將側(cè)缸邊緣壁厚由 R1100mm增加到 R1200mm,以增加薄壁厚度。 優(yōu)化后的模型劃分單元后如圖所示： 圖 優(yōu)化后的后梁模型 求解后各項(xiàng)應(yīng)力云圖如圖 所示。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 36 圖 （ a） 后梁優(yōu)化后的 Y 向應(yīng)力 圖 （ b）后梁優(yōu)化后的 Z 向應(yīng)力云圖 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 37 圖 （ c）后梁優(yōu)化后的第一主應(yīng)力云圖 圖 （ d）后梁優(yōu)化后的最大第一主應(yīng)力區(qū)域圖 和前梁相似，下面主要討論拉應(yīng)力。 由優(yōu)化 結(jié)果可知，優(yōu)化后的后梁在工作坐標(biāo)下， X向最大 拉 應(yīng)力值為 127MPa；Z 向應(yīng)力最大值為 108MPa，且為壓應(yīng)力；對(duì)于第一主應(yīng)力，其最大值為 130Mpa由表 ，取安全系數(shù) 3n? ，則許用應(yīng)力 ? ? 170MPa? ? ，將最大主應(yīng)力與 ??? 比較可得 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 38 初始模型和優(yōu)化后各項(xiàng)應(yīng)力值的比較 表 Y 向 拉 應(yīng)力最大值 （ MPa） Z 向 拉 應(yīng)力最大值 （ MPa） 第一主應(yīng)力最大值 (MPa) 初始模型 186 129 187 優(yōu)化后的模型 127 108 130 ? ???? ，因此后梁滿足強(qiáng)度條件。 如表 ，將優(yōu)化結(jié)果與初始模型的個(gè)向應(yīng)力值競相比較可知，當(dāng)梁的厚度增加，薄弱區(qū)域得到加強(qiáng)后以后， Y 向及第一主應(yīng)力的最大值都有明顯下降，初始模型經(jīng)優(yōu)化后達(dá)到了強(qiáng)度要求。 動(dòng) 梁的強(qiáng)度校核及 優(yōu) 化 設(shè)計(jì) 擠壓機(jī)的動(dòng)梁的 一 端面上 連接液壓缸的柱塞，另一端面 安裝有擠壓軸這一主要擠壓工具。棟梁在擠壓機(jī)中的作用主要有兩個(gè)：一是 當(dāng)擠壓機(jī)工作使柱塞向前推進(jìn)時(shí)，平衡柱塞的自重。二是通過動(dòng)梁安裝在其下部的壓套的導(dǎo)向作用，控制擠壓軸的前進(jìn)方向。 動(dòng) 梁的強(qiáng)度校核 建模及劃分單元 同前后梁的建模方法相同，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，只建出四分之一模型進(jìn)行分析。單元?jiǎng)澐植捎?SOLID92 單元（即 10 節(jié)點(diǎn) 4 面體單元）。劃分單元后的動(dòng)梁結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 劃分單元后的動(dòng)梁 模型 施加假載荷及約束 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 39 動(dòng)梁共受到四個(gè)力的作用，分別為：主缸柱塞施加的推力 F1，側(cè)缸Ⅰ柱塞施加的推力 F2，側(cè)缸Ⅱ施加的推力 F3，擠壓軸的反作用力 F4，在四分之一模型中這些力的大小見表 。以上各力均布在相應(yīng)的受力面上，各受力面 積和 壓強(qiáng) 大小如圖 所示。采用加壓強(qiáng)的方法施加載荷，將載荷均布到各受力面。對(duì)動(dòng)梁進(jìn)行受力分析和結(jié)構(gòu)分析可知， 四分之一 梁所需要的邊界條件有：梁的兩對(duì)稱面施加對(duì)稱約束；在梁上選一適當(dāng)點(diǎn)施加 xU=0 、 zU=0 、 yU=0 的約束，使梁的位置得以確定，加載荷及約束后的梁結(jié)構(gòu)如圖 所示。 動(dòng)梁 所受 作用力 表 作用力 主缸柱塞 F1 側(cè)缸Ⅰ柱塞 F2 側(cè)缸Ⅱ柱塞 F2 擠壓軸反力 F4 大?。?MN） 35 20 圖 各加載面積和壓強(qiáng)大小 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 40 圖 加載荷及約束后的棟梁模型 求解結(jié)果及分析 由圖 所示 ， X 向應(yīng)力最大值為 680MPa， Z 向最大應(yīng)力值為 300MPa,而最大第一主應(yīng)力則為 823MPa，這些應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其許用應(yīng)力 ,是非常不合理的。造成的原因主要有：初始方案存在不合理的地方，造成了很大的應(yīng)力值，如在應(yīng)力集中的地方未倒圓角；在建模過程中未建出對(duì)應(yīng)力值影響很大的圓角。由于各項(xiàng)應(yīng)力值太大，因此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并且在在優(yōu)化過程中重點(diǎn)關(guān)注梁的強(qiáng)度是否符合要求，而降低對(duì)體積質(zhì)量的考慮。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 擠壓機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核及優(yōu)化 41 圖 （ a） X 向應(yīng)力云圖 圖 (b) 前梁 Z 向應(yīng)力云圖 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）