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多型材板材的設(shè)計與開發(fā)小型工業(yè)用成型機(jī)
印度班加羅爾拉邁亞應(yīng)用科學(xué)大學(xué)機(jī)械與制造工程系 Chetan Nejea, Balappa B.Ua,*
摘要：
板料成形機(jī)是機(jī)械加工車間的一種通用設(shè)備，用來對各種形狀的板料進(jìn)行彎曲加工。它通常用于不同的工業(yè)操作，如彎曲不同形狀的金屬板，如波紋形狀，方形形狀，半六邊形等。在小規(guī)模、大規(guī)模的工業(yè)中，有很多種板料成型機(jī)，不可能形成多型材的板料，因此完成了gap項(xiàng)目，并進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，經(jīng)鑒定，存在缺機(jī)成小件的問題，也認(rèn)定該機(jī)成本過高。為了了解用戶和機(jī)器環(huán)境的類型，數(shù)據(jù)收集過程是在小型工業(yè)中進(jìn)行的?？紤]到客戶的需求，為機(jī)器生成QFD和PDS。針對目前用戶工作場所存在的問題，提出了五種多型材板料成形機(jī)的概念。通過加權(quán)排序法選出五個概念中最好的作為最終概念，生成最終概念的幾何模型。為了驗(yàn)證機(jī)床運(yùn)動仿真的正確性，進(jìn)行了靜態(tài)和模態(tài)分析。制作了一臺1:1比例的多型材板料成形機(jī)樣機(jī)，與用戶組一起驗(yàn)證了設(shè)計的正確性和有效性。先進(jìn)材料、制造、管理和熱科學(xué)負(fù)責(zé)的選擇和同行評審（AMMMT 2016）。
關(guān)鍵詞：板料成形，軋輥設(shè)計，小型工業(yè)，多型材，便攜式軋機(jī)。
1.介紹
本研究旨在設(shè)計一臺板料成形機(jī)，以在板料上呈現(xiàn)不同的型材。金屬成形是非常重要的制造作業(yè)。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫漠a(chǎn)品是先進(jìn)材料、制造、管理和熱科學(xué)負(fù)責(zé)的選擇和同行評審（AMMMT 2016）。人造，工程零件[3]。這些產(chǎn)品是由一些原材料經(jīng)過一定的制造工藝生產(chǎn)出來的，從原材料中開發(fā)出結(jié)構(gòu)和最終產(chǎn)品是生產(chǎn)中非常重要的階段。制造是指使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)將原材料轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)品。不同類型的制造技術(shù)有金屬鑄造、金屬成形、金屬加工、金屬連接等[3]。降低生產(chǎn)成本和能源消耗完全取決于正確的材料類型和制造設(shè)備類型。有各種各樣的制造技術(shù)，如連接，分割，涂層，修改，成型，成型。
在板料成形過程中，板料的幾何形狀與模具相同，因?yàn)榘辶铣尚螜C(jī)采用滾柱，所以板料是實(shí)現(xiàn)滾柱成形的，而且由于零件的幾何形狀比較復(fù)雜，使用機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)有時會非常昂貴[1]。成形過程分幾個步驟進(jìn)行，以達(dá)到所需的形狀。在板料成形過程中，工具、機(jī)械、材料性能和摩擦學(xué)等參數(shù)對產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有著重要的影響。在這些參數(shù)中，有些參數(shù)彼此成正比。鈑金件的生產(chǎn)取決于材料性能、應(yīng)用的成形技術(shù)、工藝參數(shù)。在這些過程中，不同的變形模式是拉伸、拉伸、彎曲、拉伸和彎曲、壓縮和彎曲[1]。
目前的設(shè)計有兩個主要缺點(diǎn)，即現(xiàn)有的模型不緊湊，另外，現(xiàn)有的模型只能滿足單一外形，而不能滿足多個外形。因此，本研究旨在填補(bǔ)上述空白，開發(fā)一種新的多型材板料成形機(jī)。
2。概念生成、思維導(dǎo)圖與概念選擇方法
構(gòu)思是每一項(xiàng)成功發(fā)明的重要改進(jìn)步驟之一。在這個項(xiàng)目中，機(jī)器概念設(shè)計是通過考慮各種因素進(jìn)行的，這些因素通過文獻(xiàn)調(diào)查、產(chǎn)品研究和用戶研究得到認(rèn)可。思維導(dǎo)圖已經(jīng)被用于概念的生成，通過擴(kuò)展關(guān)鍵字，如材料、板材、質(zhì)量、價格、操作類型和環(huán)境。這些又被細(xì)分為若干子因素，以考慮設(shè)計概念中的每一個細(xì)節(jié)，如環(huán)境構(gòu)成小規(guī)模工業(yè)、中型工業(yè)、大型工業(yè)。板材包括鋁、鍍鋅、鋼。質(zhì)量包括耐久性。金屬板厚度包括0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm金屬板。價格包括低成本、中成本、高成本。操作類型包括手動和自動。材料包括軟鋼、鑄鐵等。
如圖1所示，概念是使用Google sketch-up工具生成的。考慮QFD
并對PDS的概念設(shè)計做了簡短的列表。根據(jù)不同參數(shù)（如安全性、功能性、重量、易制造性、機(jī)制和成本）的排序方法，進(jìn)一步列出所選概念的簡短清單。如表1所示，采用普氏方法進(jìn)行概念選擇過程。評估這五個概念所考慮的因素是安全性、功能性、重量、制造容易程度、機(jī)制和成本。在五個概念中，概念5的最高得分是24分。因此，考慮到所有的接受和需求，選擇概念5作為最終的，并開始對其進(jìn)行迭代。概念五增加了可調(diào)滾柱、插入金屬板的導(dǎo)軌、易于裝配的機(jī)構(gòu)等不同功能，所有部件都是可更換的。在這個概念中，零件的減少是很小心的，例如齒輪被從概念中去掉，可以減少機(jī)器的維護(hù)時間，提高生產(chǎn)率。
Chetan Neje/ Materials Today: Proceedings 4 (2017) 11210–11217
Fig. 1 Different concept design
三。多型材板料成形機(jī)的設(shè)計計算
軸承設(shè)計
P=1570.74牛頓
因此選用61808系列深溝球軸承[2]軸設(shè)計計算[2]τ=0.75*0.3*（Syt）=81 N/mm~2τ=0.75*0.18*（Sut）=94.5 N/mm~2扭矩變送器由軸給定
結(jié)果=338772.66牛頓-毫米
滾子自重
通過考慮在軸上逐漸施加荷載，軸的標(biāo)準(zhǔn)直徑為35 mm鍵槽設(shè)計[2]
軸徑d=35mm
傳輸功率（p）=1.5千瓦
N=42轉(zhuǎn)/分
鍵槽材料為50C4鋼
=153.3
根據(jù)破壞的最大剪應(yīng)力理論〔4〕
=76.66
軸傳遞的扭矩由
= 286478.89 N-mm
= 8.75mm, depth = 5mm.
四。幾何模型
考慮到可制造性和尺寸細(xì)節(jié)，對最終選定的概念進(jìn)行了產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計。對最終設(shè)計中的所有輔助零件和子裝配進(jìn)行分析，認(rèn)識其開發(fā)過程、目的和裝配周期?？紤]到DFMA和FMEA，設(shè)計迭代已經(jīng)完成。
板料成型機(jī)的裝配模型如圖所示。2，使用CATIA V5軟件建模。最初，機(jī)器的每個部件也使用CATIA V5軟件建模和組裝。
5個。有限元分析（FEA）：
離散化：利用HyperMeshTM對多輪廓板料成形機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膯卧x散。
材料性能：用于制造多型材板料成形機(jī)零件的材料為低碳鋼，低碳鋼的機(jī)械性能為密度（7800 N/mm 2）、楊氏模量（210 GPa）、毒比（0.29）、屈服強(qiáng)度（300-400 MPa）材料性能指定在HyperMesh中。在圖3所示的有限元模型中，使用的單元為實(shí)體45，模型中的單元數(shù)為219514，模型中的節(jié)點(diǎn)數(shù)為258020。模型采用六面體網(wǎng)格劃分。
Fig. 3 Finite element model
邊界條件：對于多輪廓板料成形機(jī)，在錨定位置給出了各自由度。
分析：模型和靜態(tài)（自重）在ANSYS中進(jìn)行
后處理：在超視場下進(jìn)行后處理以繪制模態(tài)形狀、臨界應(yīng)力位置和自重變形
模態(tài)分析：得到模態(tài)解，找出固有頻率和振型。利用有限元軟件ANSYS獲得了模態(tài)解。從16個模態(tài)中提取的固有頻率，并將第一個固有頻率（0.8）與系統(tǒng)頻率（0.7）進(jìn)行比較。這是不匹配的，所以系統(tǒng)中沒有共振。
6。結(jié)果和討論：
靜態(tài)分析：
利用ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析，確定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形和von misses應(yīng)力，如圖4所示。由于結(jié)構(gòu)中重力變形引起的結(jié)構(gòu)自重為0.002 mm，von misses應(yīng)力為1.090 N/mm~2。
Fig. 4 Details of static analysis
模態(tài)分析：
得到模態(tài)解，求出固有頻率和振型，如表2所示。利用有限元軟件ANSYS獲得了模態(tài)解。根據(jù)分析，在模式1至16處獲得的固有頻率為0.8049Hz至594.8Hz，根據(jù)機(jī)器轉(zhuǎn)速頻率為0.67Hz，通過模態(tài)分析，第一個模式的固有頻率為0.85Hz，因此兩者均未加工，因此機(jī)器中沒有共振，機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)
2不同模式下板材成形機(jī)的固有頻率
Mode Number
Natural frequency
Mode Number
Natural frequency
1
0.854
9
37.37
2
1.290
10
49.25
3
2.441
11
97.41
4
5.995
12
269.4
5
5.995
13
328.5
6
6.882
14
339.4
7
9.410
15
416.1
8
34.74
16
594.8
7.裝配模型：
根據(jù)分析計算，確定零件尺寸，并按圖5所示制造機(jī)械零件。采用車削、銑削、鉆孔、膠帶、拋光等不同加工工藝制造機(jī)械零件，通過不同的加工工藝，得到了機(jī)械零件的準(zhǔn)確形狀和尺寸。
Fig. 5 Fabricated model
一旦所有零件的加工都按照尺寸完成，下一步就是組裝模型，組裝之前必須制作一個機(jī)架，以便零件可以方便地插入。框架設(shè)計考慮了所有部件的互換性和機(jī)器的服務(wù)性和便攜性。因此采用緊固件、焊接機(jī)機(jī)架等不同的連接工藝制作。質(zhì)量功能部署圖有助于在考慮功能的情況下達(dá)到目標(biāo)。在已開發(fā)的機(jī)器中，可通過從機(jī)器一側(cè)（設(shè)有導(dǎo)軌）通過板材在金屬板上沖壓多個型材，并在不同厚度的板材上實(shí)現(xiàn)型材，從而提供可調(diào)輥。本機(jī)采用鏈條傳動機(jī)構(gòu)，可手動裝載板材，自動旋轉(zhuǎn)滾筒。導(dǎo)軌有助于將薄板插入機(jī)器。
8.結(jié)論
在開發(fā)的小型工業(yè)用多型材板料成形機(jī)模型中，該機(jī)體積小、攜帶方便、成本較低。顧名思義，多輪廓機(jī)是通過滾筒在板材上沖壓不同的輪廓。本機(jī)適用于更換滾柱、鏈輪、軸承等，有助于提高裝配效率和生產(chǎn)率。沖壓可以在板材上實(shí)現(xiàn)0.5到1.5mm的厚度。提供的功能，如可調(diào)輥和導(dǎo)軌有助于插入紙張和調(diào)整上下軸之間的間隙。因此，這些特性會影響在不同的板材厚度上獲得各種型材，因此這種機(jī)器在小規(guī)模工業(yè)中是可行的，并且機(jī)器操作不需要熟練的工人。
致謝：
作者感謝M.S.Ramaiah應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的支持，班加羅爾-58為了開展這項(xiàng)研究工作。
參考文獻(xiàn)：
[1] 斯密特。金屬板料成形工藝導(dǎo)論，SimTech Simulation et Technologies，（1999）10-27。
[2] Bhandari，V.B.《機(jī)械元件設(shè)計》，新德里：塔塔·麥格勞·希爾（2010），323-385。
[3] 錢德拉穆利。金屬成形技術(shù)的基本概念
[4] Padmanabhan S.，“錐齒輪副的設(shè)計優(yōu)化”，《國際設(shè)計工程雜志》4.4（2011）：364-393。