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基于开槽下料一体化的中大直径棒料低应力下料方法研究

基于开槽下料一体化的中大直径棒料低应力下料方法研究

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作者：金永山中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

低应力精密下料作为一种新兴的下料方式,具有节能、节材、环保的特点,是具备很大发展前景的下料技术。但目前针对直径为40～65mm的中大直径金属棒料低应力下料的机理研究较少。为此本文采用理论分析和数值仿真方法对中大直径棒料下料过... 详细信息

低应力精密下料作为一种新兴的下料方式,具有节能、节材、环保的特点,是具备很大发展前景的下料技术。但目前针对直径为40～65mm的中大直径金属棒料低应力下料的机理研究较少。为此本文采用理论分析和数值仿真方法对中大直径棒料下料过程中V型槽尖端裂纹的起裂扩展机理进行了研究,提出基于开槽下料一体化的低应力下料方法并搭建了下料试验样机,最后基于该系统开展了下料试验研究。首先,利用ABAQUS的XFEM(扩展有限元法)在未预制裂纹条件下研究了中大直径棒料V型槽尖端裂纹起裂机理,分析了45#钢棒料的起裂角、起裂位置和临界加载力,研究结果表明棒料夹持力臂L、加载力臂L对裂纹起裂位置影响很小,起裂位置靠近尖端;L越大,L越小,起裂角越小,确定L为20mm,L为125mm;通过FRANC3D研究了裂纹扩展规律,在弯曲载荷作用下裂纹扩展以I型裂纹为主,II型裂纹为辅,初始裂纹在近表面处扩展能力超过裂纹深处,I型裂纹扩展逐步占据主导作用。不同深长比初始裂纹扩展时K、K分布规律基本一致,最终扩展形貌趋于长椭圆形。其次,提出了针对中大直径棒料的开槽下料一体化低应力下料方案,将棒料表面开槽和下料整合到同一模块。根据已得到的棒料仿真结果确定了下料机结构的关键参数。然后设计了下料机机械结构,包括前端加载机构、中间进给与自动夹紧机构及后端辅助支撑机构等,并对关键零部件进行了受力分析与校核。在机械结构中:明确了各零部件组成及布局;计算刀具参数并分析了开槽模块的模态振型是可靠的;设计转盘配重块提升了旋转加工稳定性;分析主夹紧与辅助夹紧机构受力并设计定位V形块可靠夹紧直径为40～65mm的棒料;设计了三角-楔形结构支撑长棒料和调节棒料定位中心。最后,设计并研制了低应力下料机的液压系统和控制系统。对液压系统的液压缸、液压泵等进行计算选型,明确了各液压元件并设计了液压工作路线;完成了PLC、人机交互界面的设计及变频器与电机的计算选型。搭建了低应力下料试验样机,并在试验中提出包括起裂偏距、起裂角和瞬断面积比等参数的断面评价方法。对3种材质的棒料进行试验,结果表明下料机可适用不同材料的金属棒料,下料结果满足实际生产的要求。

关键词：低应力下料起裂与扩展中大直径棒料开槽下料一体化 V型槽

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