李紅軍，嚴 龍，閆久江，陳 偉，李 燕

(武漢紡織大學，湖北武漢 430073)

0 引言

在現(xiàn)有工業(yè)自動化生產(chǎn)中，管殼狀物產(chǎn)品占有一定的比例，諸如雷管體、管殼式換熱器［1］、電子封裝管殼系統(tǒng)等，管殼狀產(chǎn)品由于其本身的構(gòu)造特征而通常需要特殊生產(chǎn)工藝的處理，隨著現(xiàn)代工業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化技術(shù)的發(fā)展，管殼體產(chǎn)品制造設(shè)備的更新與改良進程也日益加快，而大多數(shù)管殼體產(chǎn)品內(nèi)部都需加入爆藥或其它相應配件，基本都需一道擠壓工藝［2］，該工藝要求管殼體產(chǎn)品擠壓處有均勻的卡痕［3］或封裝印記，由于管殼體自身構(gòu)造的特殊性，對管殼體狀產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝提出了較高的要求，在現(xiàn)有大多數(shù)管殼體擠壓機中，管殼體擠壓器和推力氣缸是鑲嵌安裝在擠壓活動板和擠壓固定板中的，采用推力氣缸帶動擠壓活動板上下活動的方式，控制管殼體擠壓器的收縮與擴張，從而完成內(nèi)部管殼體的擠壓工藝，筆者基于改良現(xiàn)有管殼體產(chǎn)品擠壓設(shè)備和擠壓工藝方式，以提高管殼體卡痕質(zhì)量，進行了大量管殼體擠壓實驗。采用單工位多平均施力點的發(fā)散施力方式構(gòu)建管殼體擠壓模型，并運用專業(yè)分析軟件Inventor對擠壓活動板進行應力分析，對照擠壓活動板的應力分析結(jié)果，得出發(fā)散施力方式下擠壓活動板對整體管殼體擠壓模型的影響。

1 管殼體擠壓塑變成形原理

1.1 管殼體擠壓機構(gòu)模型

在現(xiàn)有管殼體擠壓機中，擠壓系統(tǒng)是核心部分，擠壓系統(tǒng)包括管殼體擠壓器、推力氣缸、擠壓固定板、擠壓活動板等構(gòu)件，其中管殼體擠壓器是對管殼體的直接施力構(gòu)件，管殼體擠壓器為錐形回轉(zhuǎn)體中空彈性器具，當管殼體置于管殼體擠壓器中時，在外力作用下，管殼體擠壓器整體均勻收縮，因此擠壓管殼體壁適當位置向中心軸線收縮，從而完成管殼體的擠壓，擠壓活動板是管殼體擠壓器的直接施力構(gòu)件，管殼體擠壓器直徑小的一端與擠壓固定板固連，直徑大的一端垂直套裝于擠壓活動板中。推力氣缸固定安裝在擠壓固定板上，推力氣缸活塞桿頂端與擠壓活動板固定連接，因此推力氣缸活塞桿的伸縮可帶動擠壓活動板的上下運動，進而擠壓活動板帶動管殼體擠壓器直徑大的一端收縮與擴張。圖1為管殼體擠壓系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 管殼體擠壓系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 管殼體擠壓塑性變形原理

管殼狀產(chǎn)品的材質(zhì)有多種，一般多數(shù)場合用普通碳鋼，有腐蝕性的場合可用不銹鋼，在少數(shù)腐蝕性較大的場合也可用石墨或聚四氟乙烯或紫銅管等材料，當管殼體受到來自管殼體擠壓器的擠壓應力時會產(chǎn)生均勻的卡痕或封裝印記，因此管殼體最終產(chǎn)生塑性變形，圖2為管殼體所受擠壓應力與應變關(guān)系圖。

圖2 管殼體擠壓應力與應變關(guān)系圖

管殼體受到管殼體擠壓器的均勻擠壓后，管殼體壁向中心軸線收縮，點b所對應的應力σe為管殼體的彈性極限，點b之前的全部應變區(qū)間內(nèi)，管殼體為彈性變形［4］，點b之后的應變區(qū)間為管殼體塑性變形區(qū)域，點f管殼體塑性變形達到最大，管殼體發(fā)生斷裂。因此，設(shè)計合理的管殼體擠壓機構(gòu)模型應使得管殼體所受應變在點b和點f之間的區(qū)域內(nèi)。

2 管殼體擠壓機模型

2.1 管殼體卡痕成型原理

基于上述管殼體擠壓系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，運用管殼體擠壓原理，并進行大量相關(guān)實驗，最后建立具體的管殼體擠壓模型，圖3為管殼體擠壓模型原理圖。

2.2 發(fā)散施力方式的擠壓活動板模型

在管殼體擠壓原理中，通過改變擠壓施力點的數(shù)量和作用位置，使得管殼體擠壓系統(tǒng)中的重要力執(zhí)行原件擠壓活動板本身有不同的受力方式，從而影響到管殼體擠壓器擠壓管殼體的作用形式，進而影響到管殼體最終的擠壓效率和質(zhì)量，筆者致力于構(gòu)建有利于提高現(xiàn)有管殼體擠壓質(zhì)量的管殼體擠壓優(yōu)化模型，使擠壓活動板自身所受應力能夠處于合理的范圍，且擠壓活動板的材料安全系數(shù)達到最大，于是相對于擠壓活動板，發(fā)散施力方式的管殼體單工多力擠壓模型應運而生，圖4是發(fā)散施力方式的擠壓活動板模型。

圖3 管殼體擠壓模型原理圖

圖4 發(fā)散施力管殼印痕模型

上述發(fā)散施力方式的管殼體擠壓活動板模型中擠壓施力點均勻分布在管殼體擠壓器四周，保證了擠壓活動板和管殼體擠壓器的受力均勻，因此能極好地保證管殼體受力均勻，從而使得管殼體卡痕較均一，極大地提高了管殼體卡痕質(zhì)量，但也可能存在單工位多平均施力點帶來的管殼體擠壓機構(gòu)成本偏高和擠壓效率偏低的問題。

3 管殼體擠壓塑變模型擠壓活動板應力分析

3.1 基于Inventor的擠壓活動板的應力分析

第二章已提出了發(fā)散施力方式的管殼體擠壓活動板模型，筆者將運用Inventor從應力分析的角度對管殼體單工多力點擠壓塑變模型中重要構(gòu)件擠壓活動板進行有限元分析，以其分析研究不同管殼體卡印方案中管殼體受力狀況，為管殼體擠壓模型設(shè)計找到合適的理論指導方向，首先對發(fā)散施力方式下的擠壓活動板進行應力分析建模。

圖5為運用Inventor對發(fā)散施力方式下的擠壓活動板進行的應力分析建模圖，擠壓活動板材料設(shè)定為鍛鋼，擠壓活動板幾何尺寸按照實際管殼體擠壓模型中尺寸給定，在圖5中，擠壓活動板幾何中心位置為管殼體擠壓器活動套裝于擠壓活動板上的位置，筆者將對擠壓活動板受力至變形的極限位置進行分析，當管殼體擠壓器對管殼體完成擠壓工藝時，擠壓活動板將變形至所施加力的極限位置，因此對擠壓活動板進行應力分析時將擠壓活動板幾何中心位置可模擬成固定，圖5中，擠壓施力點均勻分布在擠壓活動板幾何中心四周淡綠色的位置處，擠壓活動板自身厚為30 mm、直徑為300 mm的圓形鍛鋼板，氣缸對擠壓活動板所施加力總和大約為8 000 N，擠壓活動板的材料計算參數(shù)如表1所列。

表1 擠壓活動板材料性質(zhì)表

在Inventor中設(shè)定好擠壓活動板模型的相關(guān)參數(shù)，并模擬擠壓活動板在管殼體單工多力點擠壓塑變模型中的真實受力情形，最終得到擠壓活動板的Mises等效應力分析圖如圖6所示。

圖5 發(fā)散施力方式的擠壓活動板應力分析建模

圖6 發(fā)散施力方式下擠壓活動板Mises等效應力分析圖

由圖6可看出，發(fā)散施力方式下的擠壓活動板受到周圍均勻的擠壓力，有一定的變形，由于受到管殼體擠壓器在幾何中心位置的摩擦阻力，因此在擠壓活動板中心位置有應力集中現(xiàn)象，運用Inventor導出發(fā)散施力方式下的擠壓活動板應力分析的報告表如表2所列。

表2 發(fā)散施力方式下擠壓活動板應力分析結(jié)果

以上為利用Inventor分析得出的發(fā)散施力方式下的擠壓活動板所受應力相關(guān)參數(shù)，下面再對擠壓活動板進行具體的定量分析，首先利用Inventor提供的分析參數(shù)來進行發(fā)散施力方式下的擠壓活動板強度校核，由于擠壓活動板為鍛鋼，屬于塑性材料，通常以屈服的形式失效，故采用第三或第四強度理論來校核擠壓活動板的強度。

由表2可知，在管殼體被擠壓過程中，擠壓活動板所受第一最大主應力σ1=10.204 7 MPa，第二最大主應力σ2=0 MPa，第三最大主應力σ3=2.349 95 MPa，根據(jù)畸變能密度屈服準則，屈服應力為:

代入Inventor分析所得數(shù)值，得到發(fā)散施力方案中擠壓活動板所受對應的應力為:

而發(fā)散施力方案中擠壓活動板的許用應力應為屈服極限與安全系數(shù)的比值，即

由表1可知，擠壓活動板的材料屈服極限σs為250 MPa，安全系數(shù)取最大值15，代入數(shù)值得擠壓活動板許用應力為:

則σs1≤［σ］

因此發(fā)散施力方式中的擠壓活動板符合第四強度理論的強度條件，即發(fā)散施力方式下，擠壓活動板所承受的應力強度在合適的范圍內(nèi)。

3.2 擠壓活動板應力分析總結(jié)

通過對管殼體單工多力擠壓塑變模型中的重要施力構(gòu)件擠壓活動板進行的應力分析，可知擠壓活動板在單工位多平均施力點的發(fā)散施力方式下，能滿足相應的材料強度條件，對照表2可看出，擠壓活動板變形綜合位移為0.0136 962，因此可知發(fā)散施力方式下，擠壓活動板變形量相對較小，則有利于保證管殼體的卡痕均勻性，而擠壓活動板所受到的最大Mises等效應力為11.591 9 MPa，但所受最大等效應力仍小于擠壓活動板的許用應力［σ］，在等效應變方面，擠壓活動板等效應變的最大值為0.000 097 973 7 mm，因此等效應變相對較小，接著分析管殼體擠壓活動板自身設(shè)計對擠壓活動板應力的影響，發(fā)散施力方式下，擠壓力均勻分布在擠壓活動板四周，對擠壓活動板自身壽命保證有所提高，確保了管殼體卡口器各方位受力均勻，同時極大地保證了管殼體徑向卡痕的均勻性。

4 結(jié)語

筆者構(gòu)建了管殼體單工多力擠壓塑變模型，并利用專業(yè)分析軟件Inventor對該模型中的重要施力構(gòu)件擠壓活動板進行了應力綜合分析，發(fā)現(xiàn)管殼體單工多力擠壓塑變模型中的發(fā)散施力方式使擠壓活動板受力均勻，進而使管殼體卡口器各方位受力均衡，因此能極大地保證管殼體徑向卡痕的均勻性，但單工位多平均施力點可能不利于充分利用管殼體擠壓活動板平臺空間，從而導致管殼體擠壓效率相對低下。綜上所述，發(fā)散施力方式下的管殼體單工多力擠壓塑變模型能極大地改善傳統(tǒng)的管殼體卡痕質(zhì)量偏低的現(xiàn)象，但也可能存在管殼體擠壓效率整體偏低的問題。

［1］ 李紅軍.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的并聯(lián)機器人運動學研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19(6):6－8.

［2］ 肖月華，張海金.新型起爆藥的應用［J］.爆破器材，2003，32 (1):24－27.

［3］ 嚴 龍.氣缸位置分布對管殼體卡痕的影響［J］.機械研究與應用，2013，5(26):83－85.

［4］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京:高等教育出版社，2004.