安全锁端头加工分析

1基于有限元技术的安全锁端头加工分析摘要：安全锁端头采用冷压缩颈工艺进行加工，通过仿真各种尺寸端头的塑性形变过程，得到不同尺寸端头经过缩颈工艺处理后，端头伸长量、内径收缩量及其端头所受的真实应力，对比经验公式的轴向拉力，确定适当的端头尺寸，使得安全锁端头既能满足轴向拉伸要求，又能降低端头的缩颈操作的设备磨损。关键字：安全锁端头、缩颈、塑性形变、端头伸长量、内径收缩量、真实应力、设备磨损1引言安全索是齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司研制生产的产品，是铁路车辆转向架上的一种重要配件。北车集团沈阳机车车辆有限责任公司于2006年引进安全索生产技术，利用原有的压力机和冲床等设备自行加工。根据原生产技术，安全锁生产过程中存在安全锁生产效率低，设备磨损严重等问题。为了提高安全锁的生产效率，保证产品质量，降低设备损耗。根据沈车公司的实际情况，对加工工艺进行改进成为沈车公司的必然选择。安全锁端头是安全锁的重要组成部分，生产过程中运用冲床，采用冷挤压工艺。冷挤压工艺的加工方法是利用金属材料的塑性变性的原理，实现端头的缩颈效果。在室温的条件下，将冷态的金属毛坯装入压力机的模具型腔内，在压力机的作用下金属毛坯形成塑性流动，最终使毛坯达到所需的形状与尺寸。缩颈效果的好坏直接影响着安全锁的抗拉能力，同时，冷挤压过程受力情况与冲床设备的磨损息息相关。随着计算机技术的不断发展，有限元法越来越多地应用于计算机辅助设计方面[1-2]。国内外一些学者对镦粗，挤压、摩擦等问题的有限元求解发表过不少文章[3-4]。一般认为有限元法是预测变形体应力、应变、应变速度和温度分布的强有力的手段。零配件设计与加工过程中，采用有限元分析方法对零部件的热-结构、应力-应变、模态等进行仿真计算，得到零部件的受力、形变、强度、震动、金属疲劳等情况的分析结果，从而实现对零部件加工过程控制的有效改进已成为工艺设计的必不可少的一部分[5-7]。本文以安全锁端头加工过程为研究对象，建立安全锁端头的冷挤压模型，采用有限元分析技术，对不同尺寸的端头的冷挤压过程进行仿真，得出即能够满足安全锁质量要求，又能有效够降低设备磨损的合理端头尺寸。沈阳机车车辆有限责任公司22计算模型与原理2.1端头模型2.1.1端头材料端头材质为标准件用碳素钢热轧圆钢其牌号和化学成份，如下表1所示：表1端头成分牌号化学成分(质量分数)(%)CSiMnPSBL2O.09-0.15≤0.070.25-O.55≤O.040≤0.040碳素钢热轧圆钢的力学性能如下表2所示：表2碳素钢热轧圆钢力学性能牌号屈服点（MPa）抗拉强度（MPa）伸长率（MPa）BL2≥215335-410≥332.1.2计算模型生产中使用的安全锁端头的二维与三维模型如图1(a)、(b)所示。(a)端头二维图(b)端头三维图图1安全锁端头模型为了计算的简便与准确，有限元计算前先，根据模型的约束条件与加载条件将模型简化，如图2所示：基于有限元技术的安全锁端头加工分析3图2剖分单元安全锁端头剖分后，可得安全锁端头的共剖分成8784个单元，其结果如图3所示。图3剖分结果2.2计算原理2.2.1塑性力学-关联流动法则流动法则定义了塑性应变增量的分量和应力分量及应力增量分量之间的关系，它描述屈服时塑性应变的方向。当塑性流动方向与屈服面的外法线方向相同时称为关联流动法则。沈阳机车车辆有限责任公司42.2.2金属塑性形变特点物体在外力作用下都会发生形变，如果承受的外力较大，即大于材料屈服点时，使得形变超过某一限度，撤走外力之后，其所引起的形变并不会完全消失，而是存在剩余形变，则称之为塑性形变。利用金属材料的塑性形变过程进行加工已成为金属加工常用方法之一。金属塑性成形方法的主要优点有：1、金属材料经过相应的塑性加工后，其组织、性能都能得到改善和提高，特别是对于铸造组织，效果更为显著。2、金属塑性成形主要是靠金属在塑性状态下的体积转移，而不需靠部分地切除金属的体积，因而制件的材料利用率高，流线分布合理，从而也提高了制件的强度。3、用塑性成形方法得到的工件可以达到较高的精度。近年来，应用先进的技术和设备，不少零件已达到少、无切削的要求。例如，精密锻造的伞齿轮，其齿形部分精度可不经切削加工直接使用，精锻叶片的复杂曲面可达到只需磨削的精度。4、塑性成形方法具有很高的生产率。2.2.3压缩应力应变曲线碳素钢热轧圆钢在压缩状态下，应力为：0AF(2-1)应变为：0ll(2-2)其中，F为端头的压缩应力；0A为端头表面初始受压面积；l为端头的形变大小；0l为端头的初始尺寸。端头在压缩应力F的作用下，横截面积为：llVA0(2-3)基于有限元技术的安全锁端头加工分析5其中V为端头的体积。在真实压缩应力F的作用下，产生l变性后真实应力为：000)(lAllFAFt(2-4)真实应变为：)1ln(0lltldl(2-5)根据测试，可得碳素钢热轧圆钢的应力-应变曲线与真实应力与真实应变曲线对应关系，如下图4所示：1—真实应力与真实应变曲线2—应力应变曲线图4应力-应变曲线2.2.4边界条件加载端头加载的边界条件为：1、端头表面固定位移约束：沿端头表面3—4，各个方向的位移约束为0。2、端头表面周向位移约束：沿端头表面1—2—3，4—5—6，周向位移约束为0。3、端头表面径向位移约束：沿端头表面1—2—3，4—5—6，径向位移量为05X，其中0X表示沿面处各节点的径向坐标值。端头表面如下图5所示：a/MP18001600140012008006004002000F/kN21.7520.9818.2615.1414.7813.1612.0510.888.5600.20.40.60.81.01.21.4(mm)压缩半径r12沈阳机车车辆有限责任公司6图5端头表面2.3仿真结果通过仿真可得，在满足端头缩颈要求基础上，可得经过缩颈加工，端头部件出现延展状态，且在端头孔侧伸长最为显著，最多伸长了1.128mm，如图6所示。图6端头伸长同时，缩颈过程在端头表面形成的压力，如下图7所示。图7端头压力mm412356MPa基于有限元技术的安全锁端头加工分析7此时，缩颈前后端头外径与圆孔内径的变化情况，如图8所示。图中虚线（1）、（2）分别表示缩颈操作前端头外径与圆孔内径所处位置，实线（3）、（4）分别表示缩颈压缩后端头外径与圆孔内径所处位置。（1）缩径前外径（2）缩径前圆孔内径（3）缩颈后外径（4）缩颈后圆孔内径图8缩颈前后半径变化经过仿真计算可得，通过缩颈工艺，端头内孔处被向内压缩了0.332mm。改变端头初始尺寸，使端头的初始外半径逐渐减小，分别构建出外圆直径为10.9mm、10.8mm、10.7mm、10.6mm、10.5mm、10.4mm、10.3mm、10.2mm、10.1mm的端头模型，模型部分范例如图9所示。(a)原是模型(b)外径10.7的模型(c)外径10.3的模型图9不同尺寸端头其中a为端头原始设计的尺寸，b，c为两种实验端头的尺寸。通过有限元计算分析可得，随着设计端头外径的减小，缩颈工艺处理后端头部件出现延展状态、端头所受应力、端头圆孔内孔的变形情况，如图10所示。（1）（2）（3）（4）沈阳机车车辆有限责任公司8（a）端头伸长量（b）端头所受应力（c）端头内径收缩量图10端头变化情况由图10分析可得，随着端头内径的减小，经过缩颈工艺的处理，端头伸长量逐渐减小，端头内径收缩量也逐渐减小。同时，端头表面的应力变化量很小。根据图4的应力与应变曲线与真实应力与真实应变的关系可得，随着端头内径的减小，实现缩颈操作过程所需使用的真实应力迅速减小。基于有限元技术的安全锁端头加工分析9图11真实应力钢丝绳与端头通过挤压形成连接，钢丝绳端头处的工作载荷方向上的滑脱力滑脱力P可表示为：0NFP滑脱力（2-6）其中：F为端头所受摩擦力，0N为端头所受真实应力，为钢丝绳与端头的摩擦系数，约为0.71。安全索要满足单根安全索承受10kN轴向拉力时，安全索端头和接头不抽脱和滑移。所以钢丝绳工作载荷方向上的滑脱力P大于10kN，即：kN08.1471.010N0（2-7）通过以上计算可得，安全锁的端头如果适当减小直径，至多减小0.4mm时，端头由于压缩形成塑性形变所受的真实应力依然能够满足安全锁的轴向拉力。根据冲压机的总压力的经验公式：bnZtFP（2-8）其中，P为总挤压力；tF为冲头工作部分横截面积；Z为模具形状系数，取0.9；n为变形程度系数，取2；b为材料硬度，为173。减小安全锁端头的直径，缩颈工艺处理后，端头所受工作部分的横截面积也逐渐减小，缩颈过程中冲压机的总压力也逐渐减小，使得冲压设备的磨损得到减小。3结论建立不同尺寸的安全锁端头模型，采用有限元分析方法对端头冷压工艺过程进行仿真，从而得到不同尺寸的端头在冷压过程中，端头的伸展量、内径的收缩量以及端头的真实应力。通过对比分析，得出适当减小安全锁端头的直径，至多减少0.4mm，安全锁端头对内径中钢丝绳的压力依旧满足安全锁的轴向拉力指沈阳机车车辆有限责任公司10标。结合冲压机总压力的经验公式，在适当减小安全锁端头的直径的基础上，能够有效降低冲压机的磨损。参考文献[1]杨伟、包忠诩,等.金属塑性成形有限元分析中的网格生成与重划[J].金属成型工艺,1998,4(16),38-40.[2]罗学富.加筋偏心裂纹板的弹塑性有限元分析[J].清华大学报,1986,3(26)18-29.[3]张波,张勤河,张海龙.H型钢热连轧过程的金属变形分析[J].锻压技术2009,6,3(34),88-91.[4]丁发兴,余志武,蒋丽忠.圆钢管混凝土结构非线性有限元分析[J].建筑结构学报.2006,4(27).110-115.[5]田会方,张杰峰.基于VC与Ansys的参数化有限元分析[J].交通与计算机.2004,6(22),116-119.[6]王松,严运兵.某商用客车车架有限元分析与结构优化[D].武汉：武汉科技大学,2012.[7]伍生,刘文芝.基于滚动轴承接触问题的有限元分析[D].内蒙古：内蒙古工业大学.2004.