金属塑性加工原理 大作业分解

SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 金属塑性加工原理大作业

设计题目：搅拌吸食二用勺

学生姓名: 舒赟翌邹运武

学生学号: 1130209136 1130209114

1、搅拌咖啡等冲调品

从人类开始饮用咖啡至今已有700多年的历史了。经过700多年的发展，美国成为当今世界上最大的咖啡消费国。据美国咖啡协会的统计，美国每年有1.6亿人饮用咖啡，平均每人每年要喝掉4.5公斤，并呈现逐年上涨的趋势。在全世界，喝咖啡的人也逐年增多，并越来越受欢迎。到星巴克去喝杯咖啡似乎也成了一种时尚。全世界每年消费至少4000 亿杯咖啡，目前全球咖啡年消费量约1000 万吨左右。咖啡是世界两大饮品之首，目前国内咖啡市场发展速度非常迅猛。据全球最大的咖啡生厂商-雀巢在2012年的数据显示，其在中国大陆市场销量的25~30%来自在校大学生，也就是说在中国像我们这样的学生群体逐渐成为咖啡消费的主流群体，观察四周的同学，你也会发现，咖啡正不知不觉的占领着大家的抽屉与茶杯。

但是喝过咖啡的人都会发现，咖啡在冲泡时必须借助外力搅拌才能达到均匀状态，也就是说搅拌棒、勺子甚至筷子都是人们在冲调咖啡时必须使用的工具，而且最近几10年内他们的功能还不能完全被取代。

2、吸食奶茶等饮料

中国大陆的奶茶市场于2007年开始进入高发展阶段，随着人们生活质量和消费能力的不断提高，使得他们对饮料产品的口味、时尚要求更高，而奶茶这一在全世界都很流行的新口味的时尚产品，受到了消费者特别是十五至三十岁这一年轻消费群体的喜爱，已形成了稳定的消费习惯。

珍珠奶茶作为奶茶品种中最具有代表性的类别，自1996年开始登陆珠三角地区以及上海等沿海发达城市中西餐厅、咖啡厅起，渐渐被广大中国人所熟悉，甚至成为人们观念中奶茶的同义词。吸食珍珠奶茶等其他奶茶类饮品时，大部分人习惯使用吸管，而吸管也成为在吸食饮料时必须配备的工具。

设计理念

本设计希望从搅拌与吸食两个角度满足消费者对咖啡等冲调品和奶茶等吸食饮料的消费需求，将两者功能有机结合起来，以达到节省工具，方便携带，节约成本的要求。

设计过程中，首先根据设计理念初步，运用Solider works软件初步绘制模型效果图，如2-1所示。

图2-1 模型三维效果图

而后，由于时间及加工设备限制，只能通过淘宝购买相关加工原料，不得不在原有设计理念上进行修改。根据购置的材料，绘制CAD图纸，如图2-2所示，交予工程训练中心进行加工，得到实物，如图2-3所示。

图2-2 CAD图

图2-3 最终模型图

图2-4 最终实物图

三、焊接工艺分析

1、焊接

金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。

熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。

压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。

钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。

由于工程训练中心设备限制，故本次设计加工时选用钎焊的焊接方法。下面根据文献资料对钎焊的相关知识做一个简单的小结。

钎焊加热温度较低，母材不熔化，而且也不需施加压力。钎焊时由于加热温度比较低，故对工件材料的性能影响较小，焊件的应力变形也较小。但钎焊接头的强度一般比较低，耐热能力较差。钎焊可以用于焊接碳钢、不锈钢、高温合金、铝、铜等金属材料，还可以连接异种金属、金属与非金属。适于焊接受载不大或常温下工作的接头，对于精密的、微型的以及复杂的多钎缝的焊件尤其适用。

钎焊时，焊件是依靠熔化的钎料凝固后连接起来的。因此,焊缝的质量在很大程度上取决于钎料。铝钎料主要以Al-Si 合金为主。有时加入Cu、Zn、Ge 等元素以满足工艺性能的要求。大多数钎焊合金都是基于Al-Si系统，其中(Si)一般在7％～12％。这一系列的钎料无论在钎焊性、强度和母材色泽一致性、镀覆性和抗腐蚀性都极佳，是少有的优良钎料，特别是这类钎料可以进行变质处理，大大增加钎焊接头的韧性和抗弯强度。

润湿是由固-液相界面取代固-气相界面，从而使体系的自由能降低的过程。也就是液态钎料与母材接触时，钎料将母材表面的气体排开，沿母材表面铺展，形成新的固体与液体界面的过程。如图3-1

图3-1润湿与展开的示意图

影响钎料润湿与铺展的因素主要有钎料与母材的成分、钎料温度（表面张力）、保温时间、真空度、钎剂（如图3-2）、金属表面氧化物、母材表面状态（粗糙度）、母材间隙和钎料与母材的相互作用等。

图3-2使用钎剂时母材表面上的液态钎料所受的界面张力

影响钎料流动（如图3-4）的因素主要有毛细流动（如图3-3）、钎料流入深度包括润湿角、环境介质、间隙a和其他因素（加工性质、表面状态、缝隙值及其均匀性）。

图3-3 两平行板间液体的毛细作用a）钎料润湿母材b）钎料不润湿母材

图3-4 实际钎缝填料过程示意图

影响钎焊接头的形成的因素主要有母材对接头形成的影响、钎料及钎缝中的液相量对接头晶体结构的影响。如图3-5展示不同工艺参数下，钎焊接头剪切强度的变化。

图3-5 钎焊接头剪切强度变化

钎焊接头的剪切强度试验，由图定义当某一工艺参数条件下，即钎焊温度或保温时间发生波动时，接头剪切强度的最大变化幅度τ∆，图3-6为钎焊温度对钎焊接头剪贴强度的影响，图3-7、3-8分别为保温时间、钎焊温度对τ∆的影响。

图3-6钎焊温度对钎焊接头剪贴强度的影响

图3-7 保温时间波动时，τ∆随钎焊温度的变化

图3-8 钎焊温度波动时，τ∆随保温时间的变化

四、冲压工艺分析

勺面的冲压工艺是一种典型的薄壁件的冲压成形，而薄壁件的冲压成形在现代工业中占有重要地位,很多重要的工业薄壁部件均通过冲压成形实现。典型冲压件的生产工艺过程为:落料一拉延一修边一翻边一检验。使用传统的方法进行设计时,难以准确估计冲压成形过程中板料的成形性,也就难以评价模具设计的正确性,使得冲压生产中经常出现破裂、起皱和形状失真等质量问题,而这些问题只能在模具加工后或冲压生产中才能暴露出来。这就给模具调试带来极大困难,甚至造成整个模具的报废,导致冲压件模具生产周期长、成本高和质量低。究其原因主要集中在冲压工艺设计阶段的失误。长期以来,薄壁件冲压工艺设计一直是国内外广大学者的研究热点,也是实际要解决的重要难题。

目前有限元数值模拟技术广泛运用于薄壁件成形过程中,使得能对成形工艺参数优化和成形缺陷的预测,从而在制造模具和投入生产之前可以减少实验过程,缩短了产品的开发周期。

1、冲压模型

在有限元数值模拟过程中，正确建立仿真模型决定结果是否可靠，所以必须在适当的条件下简化模型才能正确处理冲压过程中涉及到的成形力，材料厚度，塑性应变等等。

图4-1 半球壳零件冲压成形模型图