630t立式冷挤压机有限元分析与改进设计开题报告

附件六：扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）
题目
630t立式冷挤压机有限元分析与改进设计
题目来源指导教师出题题目类型为结合科研指导教师
学生姓名学
号
专
业
机械设计制造
及其自动化
开题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段、内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。

）
文献综述
一前言
近几年来，随着工业生产及科学技术的蓬勃发展，冷挤压技术也得到了迅猛发展。

不少高等学校、科研院所和企业公司都开展了冷挤压技术的实验研究，其成果已广泛应用于现代制造业。

中国-江苏森威集团股份有限公司掌握了多工位冷锻生产技术，批量生产自行车、摩托车、汽车精锻件，已形成年产3000t冷锻件的能力。

长春一汽汽车工艺研究所已熟练掌握汽车轮胎螺母和花键轴的冷挤压成形，并且正式向外转让技术。

中国现在已可以生产1600~10000kN的各种型号冷挤压设备。

美国National公司是世界上生产多工位冷锻机的研究中心。

现在又将具有5-6工位的冷锻机研制成"成形中心"，具有很大的柔性，既能适应锻件不同形状、不同高度，也能适应工序间工件翻转和多台阶加工。

利用这种"成形中心"可以加工各种各样的紧固件以及其他较为复杂的带凸缘或带孔的挤压件，它完全由微机处理，由可编程控制器自动控制，换模时间仅需几十秒钟。

德国舒勒公司生产X系列单工位冷挤压机、KB系列多工位立式冷挤压机、GB系列多工位卧式冷挤压机。

随着冷挤压工艺的日趋成熟和发展，与其相应的冷挤压设备也在不断更新和完善。

为了满足冷挤压工艺的需要，冷挤压设备的结构性能必需满足其工艺对设备力能特性和速度特性的要求。

在挤压设备方面，中国已具备设计和制造各级吨位挤压压力机的能力。

除采用通用机械压力机、液压机、冷挤压力机外，还成功地采用摩擦压力机与高速设备进行冷挤压生产。

二本课题研究的的意义
目的：我国冷挤压机和国外比有很大差距，主要原因在分析研究上，国外不仅用计算机模拟仿真技术，还通过大量的实验来模拟。

而我国主要是通过理论计算，根据经验来估算许用应力，再用有限元分析软件来分析，但侧重静态分析，很少用模拟实验装置来做大量的实验。

本课题的研究希望能动态分析设计，优化选择方案，实现冷挤压机的高速化和自动化，提高机床的精度，减轻质量，提高寿命，增加我国压力机在国际市场的竞争优势。

意义：本课题主要是通过有限元分析法来进行静、动态分析，模拟冷挤压机床身的变形、应力分布和振动情况，选择最优方案，提高我们机械结构的分析设计能力。

另外应用这些先进的分析方法，还能够提高我国压力机的刚度、精度、稳定性和使用寿命，提高国际竞争优势。

三本课题研究的内容
630t立式冷挤压机拉力肘机构是由滑块机构加上曲柄摆杆机构组成。

由于两套机构均接近于死点附近区域内工作，所以这种压机滑块的工作行程速度缓慢，有利于冷挤压工艺，又由于机构具有急回特性，对提高生产效率有利，因此，这种机构广泛适用于冷挤压机。

360t立式冷挤压机拉力肘杆机构件尺寸参数是用计算加作图的方法来确定。

由于作图及测参数，按严格的几何关系推导出拉力肘杆机构构件尺寸参数的计算公式。

这不仅使压机的滑块行程、工作行程和急回特性系数精确地满足预先给定的值，而且机构的所有构件尺寸参数都是有计算公式确定的，不需要作图的方法来确定。

与通用产品一样，当确定压力机各部位工作正常后。

应对压力机进行空转和轻负荷试验，以检查导轨发热、精度变化情况，并根据需要进行适当的调整。

当滑块处于最大装模高度时的精度调整合格后，再按通过产品的要求，进行中间、最小装模高度时滑块精度的检测和调整。

此时由于压力机的各连接部位、定位部位和导向部位均已确定并固定好，滑块精度仅受调整螺杆积累误差以及连杆、导柱、调整螺杆三者的刚度影响。

目前机械压力机的液压过载保护系统的满负荷压力都在20MPa 左右，超负荷压力约为22MPa，液压垫的预压力约为10MPa。

这些压力值既可以使压力机的液压过载保护容易实现，又可保证液压垫的液压刚性而且，整个液压过载系统简单可靠，维修方便。

630t立式冷挤压机的精度要求很高，机身作为压力机的一个关键部件，其强度和刚度对压力机的精度起决定性的作用，它不仅影响压力机的工作性能，使用寿命，还直接影响安装在机床上的各种模具的寿命及成形零件的加工精度，故合理地设计机身具有十分重要的意义。

因此对630t立式冷挤压机机身我们利用有限元方法分析机身的受力，并对其进行实际的动静态应力测试，以验证有限元的正确性，而后利用模态分析结果，对机身结构进行优化设计，使其在方便零部件的安装和结构可靠性方面都达到了最优化的效果。

1有限元计算，建立机身力学模型，建立有限元模型，计算结果分析。

2动静态应力测试，布片位置，应力测试数据计算。

3有限元计算结果约测试结果比较，应力比较，变形比较，比较结果。

4优化设计5得出结论。

运用有限元方法对630t立式冷挤压机机身进行受力分析与结构优化，能够准确地计算出机身各个部位的应力和应变，在保证机身强度、刚度的前提，提供最优化机身的焊接结构形式与焊接钢板厚度，使所设计的机身有最好的使用性能和最低的材料消耗与制造成本，以便获得最佳的经济效益和社会效益。

630t立式冷挤压机多采用斜刃剪切，由于结构简单、故障率低、剪切效率高和剪切后板料不发生弓形、翘曲、扭曲变形而得到广泛使用。

在剪切过程中，随着刀架做回转运动，立式冷挤压机剪切后角及剪切会发生变化。

刀架作直线运动的挤压机剪切力计算来进行，造成计算不准确，使设计尺寸出现偏差，并进而影响其实用性能。

立式冷挤压机剪切力的计算一般采用刀架作直线运动的斜刃剪板机剪切力计算公式进行计算。

尽管理论上是可行的，但是由于实际制造中为简化加工工艺，将刀片安装面由空间螺旋面简化成平面，从而造成在剪切过程中剪切间隙和剪切后角变化而变化，而较大的剪切前角则会使刀具出现早期损坏。

由于目前立式冷挤压机刀架刀片安装面制造大多采用简化工艺，因此有必要在计算其剪切力时考虑剪切间隙和剪切前、后角变化的影响。

挤压机刀架的刚性对金属板材的挤压质量有着重要的影响，刀架刚性过小将导致加工板材的直线度降低、毛刺变大，严重时会引起刀片的崩刃与机床剪切能力的下降。

随着人们对产品质量要求的提高，工件的加工质量主要体现在角度及直线精度上，而挤压机的折弯精度是决定板件折弯质量的首要因素。

挤压机的滑块及工作台弹性变形导致的压力分布不均匀，会造成滑块及工作台挠曲变形，影响折弯精度。

挤压机机械补偿方式由于其灵活性好、成本低能实现挠度的连续补偿等优点，在传统
机械式楔形补偿器的基础上，提出了一种全新结构的楔形补偿器，建立了一整套压力补偿效果测试系统，验证了其在解决压力不均匀问题可行性。

学生签名：指导教师审核签名：日期：
主要参考文献
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2014-02-18~2014-03-31
毕业设计开始，查阅中外文资料，完成外文翻译，完成实习调研和实习报告，完成开题报告；
2014-04-20～2014-06-1
进行毕业设计，学习有限元软件的使用方法、进行理论计算与有限元模拟、分析模
拟结果，接收毕业设计中期检查，撰写毕业设计论文；
2014-06-1～2014-06-4
修改完善毕业论文、准备毕业答辩、整理毕业设计期间的所有资料、成果并归档
参观实习报告
一、实习目的
1通过本次实习参观使我能够从理论高度上升到实践高度，更好的实现理论和实践的结合，为我以后的工作学习奠定初步的知识
2通过本次实习使我能够亲身感受到学生与职工的差别。

3本次实习对我完成毕业设计起到很重要的作用。

二、实习时间
2014年3月26日
三、实习单位
扬州宝来得科技有限公司
四、参观主要内容
2014年3月26日，我们来到了扬州宝来得科技有限公司，首先一位科长为我们介绍了公司的基本情况，宝来得是一家现代化粉末冶金机械零件生产企业.这家公司是全国最大的粉末冶金制造企业，主要经营粉末冶金制品，该产品主要用于电动工具、汽车、电器。

Portia(保来得)是保来得集团公司识别商标名，代表高精度，高品质的粉末冶金专业制品，集团近40余年的研究开发，已成为世界著名汽车、机车粉末冶金烧结机械零件的主要供应商，扬州保来得工业有限公司是由香港保来得及扬州粉末冶金厂共同合资成立，并于1993年3月起动工兴建的大型粉末冶金制造厂。

技术雄厚，设备精良，检测手段完善，引进美国，日本当今世界一流的压机、烧结、模具加工、检测等设备。

压机最大吨位达1000吨，产品广泛配套于汽车、摩托车、家用电器、工程机械等领域。

公司主要产品是汽车粉末冶金机械零件、汽车用泵类粉末冶金零件。

进入车间以后，科长带我们参观完整条生产线。

生产流程为原料粉末-成形-烧结-金属材料、复合材料、各种类型产品。

粉末冶金设备1真空烧结炉2还原炉3挤压机
通过介绍我们知道原料混合是零件制造中的第一步，也是非常重要的一步，混料的好坏直接关系到零件的强度等。

之后来到压制车间，通过压制将粉末压制成具有固定外形的零件，压制车间有很多压制机器，有些价值2000多万，有250吨压力的，作用在
小面积上就有了很高的强度，粉末通过压制成形，之后来到烧结车间，将烧结、吸气、浸铜一步完成，将零件放到耐高温基底上，然后用刷子将零件表面可能带有的原材料粉末刷干净放在底座上，然后将压制好的铜饼放在零件上。

耐火传送带就会带着零件进入机器内部，这个装置自动化集成化程度很高，只需在左端零件放入口和最右端的零件收集需要人工。

最后将产品放入模子中整型。

通过这次参观使我对其生产有了清晰的了解，也为之后的毕业设计打下了基础。

把实践与理论联系起来。

Chapter 2 Structure and Deformation in Materials
2.1 INTRODUCTION
2.2 BONDING IN SOLIDS
2.3 STRUCTURE IN CRYSTALLINE MATERIALS
2.4 ELASTIC DEFORMATION AND THEORETICAL STRENGTH
2.5 INELASTIC DEFORMATION
2.6 SUMARRY
OBJECTIVES
Review chemical bonding crystal structure in solid materials at a basic level, and relate these to differences in mechanical behavior among various classes of materials.
Understand the physical basis of elastic deformation, and employ this estimate the theoretical strength of solids due to their chemical bonding. Understand the basic mechanisms of inelastic deformation due to plasticity and creep.
Learn why actual strengths of materials fall far below the theoretical strength to break chemical bonds.
2.1 INTRODUTION
A wide variety of materials are used in applications where resistance to mechanical loading is necessary. These are collectively called engineering materials and can be broadly classified as metals alloys, polymers, ceramics and glasses, and composites. Some typical members of each class are given in Table 2.1.
Differences among the classes of materials as to chemical bonding and microstructure affect mechanical behavior, giving rise to relative advantages and disadvantages among the classes. The situation is summarized by Fig .2.1.For example .the strong chemical bonding in ceramics and glasses imparts mechanical strength and stiffness (high E), and also temperature and corrosion resistance, but cause brittle behavior. In contrast, many polymers are relatively weakly bonded between the chain molecules, in which case the material has low strength and stiffness and is susceptible creep deformation.
Starting from the size sale of primary interest in engineering ,rough one meter ,there is a span of 10 orders of magnitude in size ,down to the sale of the atom ,which is around 10-10m .This situation and various intermediate size scales of interest are indicated in Fig.2.2.At any given size scale ,an understanding of the behavior can be sought by looking at what happens at a smaller scale ;The behavior of a machine ,vehicle ,or structure is explained by the behavior of its component parts ,and the behavior of these can in turn be explained by the use of small (10-1to 10-2m) test specimens ,and the materials .Similarly ,the macroscopic behavior of the material is explained by the behavior of crystal grains ,defects in crystals, polymer chains ,and other microstructure features that exist in size range of 10-3to 10-9m .Thus ,knowledge of behavior over the entire range of size from 1m down to 10-10m contributes to understanding and predicting the performance of machines ,vehicles ,and structures .
This chapter review some of the fundamentals needed to understand mechanical behavior of materials. We will start at the lower end of the size scale in Fig.2.2 and progress upward .The individual topics include chemical bonding ,crystal structures ,defects in crystals ,and the physical causes of elastic ,plastic ,and creep deformation .The next chapter will then apply these concepts in discussing each of the classes of engineering materials in more details .
2.2 BONDING IN SOLIDS
These are several types of chemical bonds that hold atoms and molecules together in solids .Three types of bonds -ionic ,covalent ,and metallic -are collectively termed primary bonds ,Primary bonds are strong and stiff and do not easily melt with increasing temperature .They are responsible for the bonding of metals and ceramics ,and they provide the relaxing high elastic modules (E)in these materials .Van der Waals and hydrogen bonds ,which are relatively weak ,are called secondary bonds .These are important in determining the behavior of liquids and as bonds between the carbon-chain molecules in polymers .
2.2.1 Primary Chemical Bonds
The three types of primary bonds are illustrated in Fig .2.3.Ionic bonding involves the transfer of one or more elections between atoms of different types .Notes that the outer shell of electrons surrounding an atom is stable if it contains eight electrons (except that the stable number is two or the single shell of hydrogen or helium ),Hence ,an atom of the metal sodium ,with only one electron in its outer shell ,can donate an electron to an atom of chlorine ,which has an outer shell with seven electrons .After the reaction ,the sodium atom has an empty outer shell and the chlorine
atom has a stable outer shell of eight elections .The atoms become charged ions ,such as Ma +and Cl -,which attract one another and form a chemical bond due to their opposite electrostatic charges .A collection of such charged ions ,equal numbers of each in this case ,forms an electrically neutral solid arrangement into a regular crystalline array ,as shown in Fig .2.4.
The number of electrons transferred may differ from one .For example, in the salt MgCl2 and in that in the oxide MgO, two electrons are transferred from an Mg2+ ion. Electrons in the next-to-last shell may also be transferred .For example ,iron has two outer shell electrons ,but may from either Fe2+or Fe3+ions .Many common salts ,oxides ,and other solids have bonds that are mostly or partially ionic .These materials tend to be hard and brittle. Covalent bonding involves the sharing of electrons and occurs where the outer shell are half full or more than half full .The shared electrons can be thought of as allowing both atoms involved to have stable outer shells of eight (or two )electrons .For example ,two hydrogen atoms each share an electron with an oxygen atom to make water ,H2O,or two chlorine atoms share one electron to form the diatomic molecules Cl 2.The tight covalent bonds make such simple molecules relatively independent of one another ,so that collections of them tend to form liquids or gases at ambient temperatures . Metallic bonding is responsible for the usually solid form of metals and alloys .For metals ,the outer shell of electrons is in most cases less than half full each atom donates its outer electrons to a "cloud "of electrons .These electrons are shared in common by all of the metal atoms ,which have
become positively charged ions as a result of giving up electrons .The metal ions are thus held together by their mutual attraction to the electron cloud .
2.2.2 Discussion of Primary Bonds
Covalent bonds have the property -not shared by the other primary bonds of being strongly directional .This arises from covalent bonds being depended on the sharing electrons with specific neighboring atoms, whereas ionic and metallic solids are held together by electrostatic attraction involving all neighboring ions .
A continues arrangement of covalent bonds can form a three -dimensional to make a sold .An example is carbon in the form of diamond ,in which each carbon atoms shares an electron with four adjacent ones ,These atoms are arranged at equal angles to one anther in three -dimensional space ,as illustrated in Fig 2.5.As a result of the strong directional bonds ,the crystal is very hard and stiff .Another important continuous arrangement of covalent bonds is the carbon chain .For example ,in the gas ethylene ,C2H4,each molecule is formed by covalent bonds as shown in Fig 2.6.However ,if the double bond between the carbon atoms is replaced by a single bond to each of two adjacent carbon atoms ,then a long chain ,molecule can form .The result is the polymer called polyethylene .
Many solids ,such as SiO2 and other ceramics have chemical bonds that have a mixed ionic -covalent character .The examples given previously of NaCl for ionic bonding and diamond for covalent bonding do represent cases of nearly pure bonding of these types ,but mixed bonding is more common .
Metals of more than one type may be melted together to form an alloy .Metallic bonding is the dominant type in such cases .However, intermetallic, compounds may from with alloys ,often as hard particles .These compounds have a define chemical formula ,such as TiAl3 or Mg2Ni,and
their bonding is generally a combination of the metallic and ionic or covalent types .
2.2.3 Secondary Bonds
Secondary bonds occur due to the presence of an electrostatic dipole ,which can be induced by a primary bond .For example ,in water ,the side of a hydrogen atom away from the covalent bond to the oxygen atom has a positive charge ,due to the sole electron being predominantly on the side toward the oxygen atom .Conservation of charge over the entire molecule then requires a negative charge molecules ,as illustrated in Fig. 2.7.
Such bonds, termed permanent dipole bonds ,occur between various molecules .They are relatively weak ,but are nevertheless sometimes sufficient to bind materials into solids ,water ice being an example. Where the secondary bond involves hydrogen as in the case of water, it is stronger than other dipole bonds and is called a hydrogen bond .
Vander Waals bonds arise from the fluctuating positions of electrons relative to an atom's nucleus .The uneven distribution of electric charge that thus occurs causes a weak attraction between atoms or molecules ,This type of bond can also be called a fluctuating dipole -distinguished from a permanent dipole bond because the dipole is not fixed in direction as it is in a water molecule. Bonds of this type allow the inert gases to form solids at low temperature.
In polymers, covalent bonds form the chain molecules and attach hydrogen and other atoms to the carbon backbone .Hydrogen bonds and other secondary bonds occur between the chain molecules and tend to prevent them from sliding past one another .This is illustrated in Fig.2.8for polyvinyl chlorine .The relative weakness of the secondary bonds accounts for the low melting
temperatures ,and the low strengths and stiffness of these materials .
第2章材料的结构和变形
2.1说明
2.2晶体的结合能
2.3晶体材料的结构
2.4弹性形变和理论强度
2.5非弹性形变
2.6总结
目标
回顾固体材料间晶体结构的结合能在同一基本能级，并与这些差异力作用在不同类型的材料。

理解弹性形变的物理基础，由于其化学成键所以使用这种方法估计固体的理论强度。

理解由塑性和蠕变引起的非弹性变形的基本机制。

学习为什么实际材料打破化学键强度的优势远低于理论。

2.1说明
各种各样的材料应用在抵抗机械负荷是必要的，可以大致分为金属化合物、聚合物、陶瓷和玻璃和复合材料这些统称为工程材料。

一些典型类别材料见表2.1。

不同材料的化学键和微观结构影响力学性能，引起材料间的相对优势和相对劣势。

情况总结为图2.1,为例。

在陶瓷和玻璃间强烈的化学键提高了机械强度和刚度（高E），温度和耐腐蚀性能，但导致材料变脆。

相反，许多聚合物相对链分子之间弱键合，在这种情况下，材料的蠕变变形导致低的强度、刚度和敏感度。

图2.1
图2.2
从对工程大小规模开始，大约一米，这是十个数量级的尺寸的跨度，下至大约10-10米的原子。

这种情况下，对此感兴趣各种的中等尺度见图2.1。

在任何给定的尺度，理解该行为可以为通过查看较小规模时会发生什么。

一台机器，车辆或结构的行为可由其组成部分的作用来解释。

并且这些行为可以依次通过使用小的（10-1到10-2米）试样，以及物料进行说明。

同样，材料的宏观性质是由晶粒的晶体缺陷，聚合物链和存在于10-3到10-9米的其他微观结构特性进行说明。

因此，在从1米的范围的大小降低到10-10米有助于预测和了解机器、车辆、结构的性能
本章将回顾一些理解材料力学所需基底。

我们将开始在图2.2。

增加一个向下的力。

有的主题包括化学键，晶体结构，晶体中的缺陷和物理原因的弹性，塑性，蠕变变形。

下一章将运用到这些概念于讨论每个工程材料课程的更多细节。

图2.3
2.2晶体间结合能
在固体的分子和原子中有几种类型化学键，离子键、共价键、金属键三类统称为主要缚束。

主键强大，稳定而且不容易随逐渐增加的温度而融化。

他们负责金属和陶瓷的结合，他们提供高弹性模量（E）材料。

范德华力和氢键是比较弱的，被称为次级共价键。

这些都是非常重要的在测定液体间作用力与聚合物中碳链分子之间的键。

2.2.1主要化学键
三种类型的主键示于图 2.3.离子键涉及转移的一个或多个不同类型的原子间的选择。

注意到，电子围绕原子的外壳是稳定的，如果它包含8个电子（除了稳定的数量是两个或两个氢或氦的单壳），因此，一个金属钠原子，只有一个电子在其外壳，氯原子可以得到这个电子，与其7个电子组成稳定的外壳。

反应后，钠原子有一个空壳，8个氯原子有一个稳定的外壳。

原子成为带电离子，如钠离子和氯离子，由于其相反的的静电荷，相互吸引而形成化学键。

这样带电的离子，在此情况下，相等数目的集合，形成一个电中性的固体布置成常规的结晶排列，如图2.4.转移的电子数目可能不是一个。

图2.5
例如，在氯化镁盐和氧化镁中，两个电子从一个镁离子转移。

电子在倒数第二外壳也可能被转移。

例如，铁有两个外层电子，可以变成Fe2+或Fe3+。

许多常见的盐，氧化物，和其他固体具有大多或部分离子键。

这些材料往往硬而脆，共价键涉及共享电子，发生在那里的外壳是半满或超过半满。

共享电子原子可以被认为是允许涉及到稳定的外层的八个电子（或两个）。

例如，两个氢原子各共用的电子与氧原子，或两个氯原子共享一个电子而形成双原子分子Cl2.紧密的共价键使这种简单分子彼此相对独立，所以，他们倾向于集合的形式在一定温度下形成液体或气体。

金属键通常负责固体形态的金属和合金。

对于金属，在大多数情况下，电子的外壳小于半满的每个原子捐赠其外层电子到电子云。

这些电子共享金属原子，由于失去电子成为正电离子。

金属离子由相连的电子云之间的相
互吸引。

图2.6
2.2.2主键的讨论
共价键具有这样的性质，不被具有强烈方向性的主键共享。

这源于共价键依
赖于共用电子和特定的相邻原子。

而离子和金属化合物通过所相邻离子的静电引
力结合在一起。

继续形成共价键成为三维晶体。

一个例子是金刚石中碳原子，每个碳原子与相邻的四个碳原子共享一个电子。

这些原子以相同的角度排列在三维空间中，如图 2.5 。

由于化学键具有强烈的方向性，所以晶体非常的坚硬。

另一个重要的连续排列的共价键是碳链。

例如，在乙烯气体中，每个C2H4通过共价键形成，如图 2.6 。

然而，如果碳原子之间的双键被替换成一个单键，使两个相邻的碳原子形成长链或分子，结果是聚乙烯聚合物。

许多固体，如二氧化硅等陶瓷具有有混合离子共价性质的化学键。

之前给出例子的氯化钠离子键和共价键的晶体纯粘结的情况，但混合粘结更常见。

不同类型的金属可以熔合在一起形成合金，在这种情况下主要是金属键。

不过，金属化合物可以形成合金，通常为硬质粒子。

这些化合物具有确定的化学式，如钛合金和镁合金，他们的结合一般是金属键，离子键或共价键的组合。

2.2.3副键
副键是由静电偶极引起的，可以通过主键诱导发生。

例如在水分子中，远离具有共价键的氧原子的氢原子带正电荷，由于唯一的电子靠近氧原子。

在整个分子中电荷守恒，所以需要负电荷的分子，如图2.7所示。

图2.7
这类键被称为永久偶极键，在各种分子间发生。

他们相对较弱，但有时仍可以结合分子成为晶体，如水结冰。

其中，在水中，氢的副键比其他偶极键更强，被称为氢键。