液压柔性高精度冷拔机的成形力分析.pdf

第 6期 总第 1 5 1 期 2 0 0 8年 1 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG 8 乙 AUTOMATI ON No．6 De c ． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 8 0 6 0 0 8 7 0 3 液压柔性高精度冷拔机的成形力分析 唐群 晖，胡鸿产 ，双远 华 太原科技 大学 材料科 学与工程学院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要针对 冷拔 管材 的诸多优点 ， 在 介绍 冷拔 技术应用 的基础上 ， 根据对 弹塑性静力 、 管材表 面的变形 、 流体 动力的润滑和拉拔力的深入研究 ，对高精度液压柔性 冷拔 的成形力进行 分析 ，并对其成形原理作了一定 的探 讨 。 关键词 液压柔性 ；弹塑性静力 ；流体 拉拔力；流体 润滑 中图分类号 TG3 5 6 ． 5 2 文献标识码 A 0 引言 冷拔管材具有机械性能高、尺寸公差小 、粗糙度 低、切削性好等特点 ，因此，冷拔技术得到了广泛的 应用。 2 O世纪 8 0年代 ， 流体润滑技术被研究者应用到 冷拔棒材和管材中， 给拉拔生产带来了很好的效益口 ] 。 近年来 ，以流体作为传力介质的液压柔性成形技术在 国内外发展迅速 ，且在汽车制造业上获得了广泛的应 用， 同时在其它工业领域也引起 了人们的重视l_ 2 J 。 丹麦 和德国的科研人员采用液压润滑的工艺条件 ，推导出 液压在 板材成 形方 面 的力学 方程 ，并对 板材 的表 面变 形状态、应力应变关系和加工质量进行 了C C D观察， 找出了各工艺参数与工件表面质量的变化趋势 ] 。 本 文在这 些研 究 的基 础 上 ，对 高精 密液 压柔性 冷 拔机的成形力作了深入的分析，为实现高精度的管材 生产提供 了理论上的支持 ，以便更进一步地提高管材 质量及其表面精度 。 1 高精度液压柔性冷拔管成形原理 结合拉拔与液压技术的特点，在液体润滑技术的 基础上 ．采用流体静力润滑原理和液压成形原理，对 拔模进行合理改进 ，并选用特殊性能的液压油作为管 坯与拔模之间的受力介质 ，通过液压系统将高压油打 入拔模与工件之间 ，形成承压油腔 ，使拔模与工件不 直接接触 ，成形力通过液压油进行传递。管坯在受力 介质 的压力 作用 下产 生塑性 柔性 变形 ，并 在拉 拔力 作 用下 ，拔制 出高精度管材 。液压柔性冷拔成形工作原 理见 图 】 。 2 成 形 中弹塑 性静 力分析 根据弹塑性理论对管材表面进行流体静力研究 ， 得 出使 管材表 面达 到 弹性变 形极 限和 塑性屈 服极 限 的 收稿 日期 2 0 0 8 0 3 2 8 ；修 回 日期 2 0 0 8 0 7 0 9 作者简介 唐群晖 1 9 8 0 一 ， 男 ， 湖南永州人 ， 硕士研究生 静压力 ，为下一步计算和试验提供压力值。如图 2所 示 ，取管材的任一纵截面 ，假设管材为理想弹塑性材 料 ， 简化为轴对称平面应力问题 ， 采用圆柱坐标系， 由 于应力和变力的对称性， 在 0方向无位移 ， 在 轴上无 转动 ，即 一0 ，并且 一r 一r 一0 ， 只是与 y有 关。其中， 的方向垂直于纸面 ； 方向如图 2 所示 ； 和 是角度的变化量 ， 没有方向； r 和 r 是单位面 积 上 的剪切 力 ， MP a 。 图 1 液 压柔性冷 拔成 形试 验原 理 由弹性力学可知，管材表面在只受外部压力 P的 作用下 ，弹性状态的应力 为 一 ’ d2 1 -- 一 一 一 1 d 2-- ／ I 一 一 二 1 十 仃 一0 端 部开 E 1 。 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 式 中 ， 、 、口 分别 为三 向正应 力 ； D、d分别为管材的外径和内径 ； 户 外部压力 。 随着压力 P的增大，管材的应力也会不断地增大， 当应力的组合达到某一个值时， 管材变形由弹性状态进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 8年第 6期 人到塑性状态，即在管材截面出现塑性变形。 设管材的 屈服极限为 ，按 Mi s e s 屈服极限计算， 由于r 一r 一 r 一0 ， 所 以 一O “o 一 一 。 一2 d ； 由 Tr e s c a屈服条件 一 一O “s 分析得到，当 P渐渐增加 时，内部首先达到屈服，然后逐渐扩展到外部 ， 且达到 管材弹性极限值，其值的屈服极限压力 为 一 号 1 一 d 2 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ” 4 D ＼ ＼ ’ p p 图 2管材 的纵 截 面 当压力继续增加时， 即户 户 时， 在管材的内壁附 近出现塑性区，并且随着压力 P的增大 ，塑性区逐渐 向外扩展， 其 中的截面变形分为弹性和塑性两部分 ， 分 别对这两部分进行分析。 当管材完全进入塑性状态时， 此时的压力为塑性极限压力 户 ，管材不能再承受外 力，因此流体静压不能超过这个值 ，即 一 1 一 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 5 3 流体 作用 下的拉 拔分 析 对一般的空拔管成形进行受力分析 。设壁厚的变 化可以不计 ， 取管材的一个微小截面 ， 它的厚度为 d z， 如图 3所示。在液压柔性冷拔成形中，因为模具和管 材不直接接触 ，所以两者之间的摩擦力就是流体运动 产生的剪切应力。 沿轴向 方向 受力平衡， 平衡微分 方程 为 [ D d D 一 d D ] d 一 D 一 d 2 n a 丌 D V C O S o。⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 式 中 拉拔 应力 ； 管壁的压应力 ； a 模具倾 角 ； r流体剪切应力。 4 流体动力润滑分析 柔性成形中的流体满足一切黏性流体动力力学的 假设条件，所以由牛顿黏性流体摩擦定理有 d r一 1 7 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 7 式 中 流体黏度； 流体速度。 对模具和管材之间的流体进行动力分析 。取模具 和管材表面一流体微分单元 ， 如图 4所示 ， 模具静止 ， 管材运动速度 “ 。 ， 在 向无运动， 压力沿 向无变化。 图 3 管材微分面 l璺 l 4 1日 J 隙 甲 流 体 旱 兀 平衡微分方程为 一 妄。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． ． 8 a z a 、 } 、 U 将式 7 代入式 8 得 一7 。⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯ 9 a 一7 7 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯f U 、 ’ v2。 将 式 8 积分两次， 由速度边界条件的速度表达 式 1 d p y Z __ y h U o 1 一 鲁 和 一 维 雷 诺 方 程 得 未 一 6 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 o 对式 1 0 积分两次 ， 得到流体的压力分布通解 户一』 c i 』 芳 f 2 。 ⋯⋯⋯⋯⋯ 式中f 、c 。 积分常数 ； h 膜厚 。 由边界 条 件 ，求 出积分 常数 C 1 和 c ， ，即可得 蛰 I 流 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年 第 6期 机 械 工 程 与 自 动 化 8 9 体的压力分布 。拉拔管材的塑性屈服条件为 n 一， ， P一 一 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 2 由式 6 、 式 7 、 式 9 、 式 1 0 、 式 1 1 、 式 1 2 联 立求解即可得到拉拔应力、流体的剪切应力和管壁的 压应 力 。 5 结论 本文通过对管材的材料模型及力学模型和流体模 型的理论分析 ，得出管材在液压柔性成形机理作用下 的流体静压值、变形位移量、流体压力 、速度分布和 拉拔力，提出了弹塑变形与液体柔性成形 的耦合分析 方法 。在液体润滑的基础上 ，推导了在流体作用下计 算拉拔力的公式 ，为试验研究提供参考 。 参考 文献 [1 ] 茹铮， 余望． 塑性加工摩擦学[ M] ． 北京 科学出版社， 19 9 2． [ 2 ] 朗利辉， 张士宏． 板液压成型及无模冲液拉深技术[ J ] ． 塑 性工程学报 。 2 0 O 2 4 2 9 ． 3 4 ． [ 3 ] B e c h ． E n t r a p me n t a n d e s c a p e o f l i q u i d l u b r i c a n t i n me t a l f o r mi n g [ J ] ． We a r ， 1 9 9 9 ， 2 3 2 1 3 4 - 1 3 6 ． [ 4 3 徐秉业， 刘信声． 应用弹塑性力学[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 1 9 9 5 ． [ 5 ] 刘鸿文． 材料力学 上、 下册 [ M] ． 第 3版． 北京 高等教 育出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 6 ] 李连诗， 韩观昌． 钢管塑性变形原理 下册 [ M] ． 北京 冶 金工业出版社 ， 1 9 8 9 ． Fo r m i ng Fo r c e De s i g o f Hy d r a u l i c Fl e x i b i l i t yo r m i ng o r c e De s i g n Hy d r a u l i c l e x i b i l i t y a nd Hi g h Ac c ur a c y Co l d - d r a wi ng TANG Qu n h u i ， HU Ho n g - c h a n， S HUANG Yu a n h u a S c h o o l o f Ma t e r i a l S c i e n c e＆E n g i n e e r i n g ， Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e＆Te c h n o l o g y ， Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 ． C h i n a Ab s t r a c t Fo r t h e l o t s o f a d v a n t a g e o f c o l d d r a wi n g t u b e ， a c c o r d i n g t o t h e d e e p r e s e a r c h o n t h e e l a s t i c - p l a s t i c s t a t i c f o r c e ， d e f o r ma t i o n o f d r a wi n g t u b e s u r f a c e ， l u b r i c a t i o n 8 L d r a wi n g f o r c e o f f l e x i b i l i t y l i q u i d， a f o r mi n g f o r c e d e s i g n o f h i g h a c c u r a c y h y d r a u l i c f l e x i b i l i t y wa s p r e s e n t e d i n t h i s a r t i c l e ． Th e r e a r e s o me d i s c u s s i o n s o n t h e c o l d d r a wi n g f o r mi n g o f h i g h a c c u r a c y h y d r a u l i c f l e x i b i l i t y ． Ke y w o r d s h y d r a u l i c f l e x i b i l i t y ； e l a s t i c p l a s t i c s t a t i c f o r c e ； d r a wi n g f o r c e o f f l e x i b i l i t y l i q u i d； l u b r i c a t i o n o f f l e x i b i l i t y l i q u i d ⋯m’⋯Ill m⋯⋯，m⋯lIlm⋯Il lm⋯Ill l⋯⋯ll i bmlIll l ibll llmmlll IllmmIIl ，，I m．Il l 上 接第 8 4页 Ef f e c t o f Ro u g h S u r f a c e Pa t t e r n Pa r a me t e r s o n t h e Lu b r i c a t i n g Pe r f o r ma nc e YI N Xi a o l i a ng, GAO Ch ua ng k ua n， ZHANG Ze ng q i a ng Co l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g． Ta i y u a n Uni v e r s i t y o f Te c hn o l o g y， Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， Chi n a Ab s t r a c t Ta k i n g i n t o a c c o u n t t h e e f f e c t o f r o u g h n e s s ， t r a n s i e n t ， t h e r ma l a n d c h a r a c t e r s o f n o n - Ne wt o n i a n l u b r i c a n t ， t h i s p a p e r n u me r i c a l l y a n a l y z e s t r a n s i e n t t h e r mo - e l a s t o h y d r o d y n a mi c l u b r i c a t i o n p r o b l e m i n l i n e c o n t a c t ， u s i n g t h e d i r e c t i t e r a t i o n me t h o d a n d a s e q u e n t i a l c o l u mn s we e p i n g s c h e me ， r e s p e c t i v e l y t o s o l v e t h e p r e s s u r e e q u a t i o n s a n d t h e t e mp e r a t u r e e q u a t i o n s ． Wi t h t h e me t h o d s， a g r e a t n u mb e r o f s o l u t i o n s h a v e b e e n o b t a i n e d t o i n v e s t i g a t e t h e i n f l u e n c e o f a mp l i t u d e， wa v e l e n g t h a n d p h a s e o f t h e c o s i n e r o ugh ne s s i n EHL． Ke y wo r d s n o n - Ne wt o n i a n f l u i d； r o u g h s u r f a c e ； l u b r i c a t i n g p e r f o r ma n c e mmlIl1 ．1lmIllll i b ．1l mlm．1lmllIl ，mIll l ibm⋯1．1l ll llllll l，l i blll ●， ，m，， ’，m’’’， Im’ ，’ 上接 第 8 6页 Ap p l i c a t i o n o f CO2 Ga s S h i e l d e d W e l d i n g o f Fl u x c o r e d W i r e Te c hn o l o g y o n M a i n Pr e s s u r e Pa r t s o f Bo i l e r LI J i e mu ， W ANG Xi a n g y u n Ta i y u a n Bo i l e r Gr o u pCO ．， Lt d Ta i y u a n 0 3 0 0 2 1 ， Chi n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r c a r r i e d o u t we l d i n g t e c h n o l o g y a n d t e s t a n a l y s i s f o r t h e ma i n p a r a me t e r s o f COz g a s s h i e l d e d we l d i n g o f f l u x c o r e d wi r e ， s u c h a s we l d i n g c u r r e n t ， a r c v o l t a g e， t h e t h r o w o u t l e n g t h o f wi r e ， s h i e l d g a s f l o w ， b y u s i n g o f t h e t e s t p i e c e s o f c o mp o s i t e we l d s e a m a n d b u t t we l d e d s e a m ．An d a f t e r p o s t we l d h e a t t r e a t me n t ， t h e c h e mi c a l c o m p o s i t i o n a n d me t a l l u r g i c a l s t r u c t u r e a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f we l d i n g j o i n t s we r e d e t e r mi n e d ． Th e a n a l y s i s r e s u l t s i n d i c a t e t h a t i n t e g r a t i n g a r g o n a r c r o o t we l d i n g 山 f l u x c o r e d g a s p r o t e c t i o n we l d i n g i s a n e f f i c i e n t me t h o d t o i mp r o v e t h e we l d i n g e f f i c i e n c y a n d q u a l i t y o f t h e“ T” - t y p e b u t t j o i n t o n t h e b o i l e r s d r u m， h e a d e r ， e s p e c i a l l y f o r t h e t h i c k - wa l l p i p e j o i n t o f d i a me t e r mo r e t h a nb 1 5 9 ． Ke y w o r d s f l u x - c o r e d wi r e ； COz g a s s h i e l d e d we l d i n g； ma i n p r e s s u r e p a r t s o f b o i l e r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m