毕业设计（论文）-新型风力发电机制动片模具设计.doc

全套图纸加扣 3012250582 第 1 页 1 绪 论 1.1 模具技术的发展 1.1.1 模具 在现代工业生产中，模具是重要的工艺装备之一，它在铸造、锻造、冲压、塑料、 橡胶、玻璃、粉末冶金、陶瓷制品等生产行业中得到了广泛应用。由于采用模具进行 生产能提高生产效率、节约原材料、降低成本，并保证一定的加工质量要求，所以， 汽车、飞机、拖拉机、电器、仪表、玩具和日常品等产品的零部件很多都采用模具进 行加工。据国际技术协会统计，2000 年产品零件粗加工的 75 %，精加工的 50 % 都由 模具加工完成。 在世界上一些工业发达国家，模具工业的发展是很迅速的，据有关资料介绍，某 些国家的模具总产值已超过了机床工业的总产值，其发展速度超过了机床、汽车、电 子等工业。模具工业在这些国家已摆脱了从属地位而发展成为独立的行业，是国民经 济的基础工业之一。模具技术，特别是制造精密、复杂、大型、长寿命模具的技术， 已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一1。 1.1.2 模具工业在国民经济中的地位 模具在现代生产中，是生产各种工业产品的重要工艺装备，它以其特定的形状通 过一定的方式使原材料成形。例如，冲压件和锻件是通过冲压或锻造方式使金属材料 在模具内发生塑性变形而获得的：金属压铸件、粉末冶金零件以及塑料、陶瓷、橡胶、 玻璃等非金属制品，绝大多数也是用模具成形的。 全套图纸加扣 3012250582 第 2 页 由于模具成形具有优质、高产、省料和低成本等特点，现已在国民经济各个部门， 特别是汽车、拖拉机、航空航天、仪器仪表、机械制造、家用电器、石油化工、轻工 日用品等工业部门得到极其广泛的应用。据统计，利用模具制造的零件，在飞机、汽 车、拖拉机、电机电器、仪器仪表等机电产品中占 6070；在电视机、录音机、 计算机等电子产品中占 80以上，在自行车、手表、洗衣机、电冰箱、电风扇等轻工 产品中占 85以上。据国际生产技术协会预测，到 2000 年，机械零件粗加工的 75 和精加工的 50都将由模具成形来完成。模具技术，特别是制造精密、复杂、大型、 长寿命模具的技术，已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。 1.2 模具工业在国民经济中的地位 尽管我国的模具工业这些年来发展较快，模具制造的水平也在逐步提高，但和工 业发达国家相比，仍存在较大差距，主要表现在模具品种少、精度差、寿命短、生产 周期长等方面。 为了促进我国冲压模具技术的发展,从计算机技术、先进加工技术及装备、其它新 技术与冲压模具等方面分析了我国冲压模具的技术现状。结果表明:经过几十年的发展,我 国的冲压模具总量位居世界第三位,加工技术装备基本已与世界先进水平同步。以汽车 覆盖件为代表的大型、复杂、精密冲压模,用 CAD/CAM/CAE 软件进行三维设计和模 拟,靠高速、精密的加工设备生产,用新型研磨或抛光代替传统的手工研磨抛光,提高模 具质量。这些都代表了冲压模具发展的趋势1。 1.3 粉末冶金模具现状 80 年代后，我国的一些主要粉末冶金机械零件生产企业，先后从日本、欧洲及美 国引进了高压缩性雾化铁粉成套雾化装备，铁粉精还原炉，卧式雾化铜粉装置，机械 式与液压式粉末冶金压机，网带式、推进式及步移梁式烧结炉，氮基气氛装置，水蒸 汽处理炉，连续式双金属带材和 CM(DU)带材生产线，喷撒法生产铜基摩擦片生产线， 以及铁基结构零件、微型精密铜基含油轴承，电机车受电弓滑板，铜基过滤元件，铜 基摩擦材料，双金属带材和 CM(DU)带材等的制造技术。通过消化、吸收这些引进技 术与设备，有力地推动了我国粉末冶金机械零件工业的技术进步，使其生产技术水平 有了明显提高。例如含油轴承洗衣机、电机用含油轴承 1983 年以前全部从日本进口， 1987 年北京粉末冶金工业公司实验厂试制成这种轴承后，挡住了进口。现在该厂年产 全套图纸加扣 3012250582 第 3 页 量数以百万计，微型精密含油轴承是音像机器和微小型电机不可替代的关键零件。我 国生产这种含油轴承的能力已超过 2 亿件/年，材料有铜基、铁基及铁铜合金等。 飞速发展的粉末冶金制品，也给模具制造带来了飞速的发展。有单一的整体式的 模具到复杂的组合式的模具一应俱全，产品数量直线上升。这就为现在的模具设计提 出了新的要求：高的寿命，高的强度，高的耐磨性，高的韧性，高的耐热性等。这就 给设计工作者提出了更高的要求。这不仅要求对模具制造工艺了如指掌，而且要对材 料的性能及特点非常熟悉。国外在偏心轮模具制造方面已经实现自动化，我国也已向 这方面迈进。不久的将来我们可完全掌握全自动化加工工序1。 2 粉末冶金模具设计及方法 2.1 新风力发电机制动片概述 制动衬垫是制动器的一个重要零部件，制动性能好、坏对其有直接的关系。风力 发电机上使用的制动衬垫与普通的工业制动器有很大区别：风力发电制动衬垫要求产 品能在风沙、雨雪、盐雾等恶劣的气候条件下保持稳定的性能；要求产品寿命能达到 10 年以上的工作周期；要求产品保证良好的耐磨性同时对被动盘的损伤小；要求保证 适中稳定的摩擦系数等。 零件材质为 AZ91，压坯密度为 1.81g/cm2,原料粉末的松装密度为 0.84g/cm2。 零件图基本尺寸如下： 全套图纸加扣 3012250582 第 4 页 5 3340 92 31 3333 18 图 2-1 零件图 由上述条件知压缩比 k=1.81/0.84=2.15 装分高度 h粉=2.1518=38.7mm 2.2 粉末冶金模具设计概述 粉末冶金是制取金属粉末并通过成型和烧结等工艺将金属粉末或与非金属粉末混 合成制品的加工方法，既可制取普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可制造各种精 密的机械零件，省工省料。但其模具和金属粉末成本较高，批量小或制品尺寸过大时 不宜采用。粉末冶金材料和工艺与传统材料相比，具有以下优点： （1）材料利用率高。用一般切削加工方法制造机械零件时，材料利用率约为 40% 到 50%，甚至更低，而粉末冶金方法的材料利用率可达 95%以上。 （2）生产效率高。随着粉末冶金压制设备和烧结设备的自动化程度提高，一台粉末 冶金专用压机，产量通常为 1000 至 10000 件。 全套图纸加扣 3012250582 第 5 页 （3）节约有色金属。由于粉末冶金的几何形状非常接近实际产品的要求，因此后续 加工少，甚至不需要加工；同时在减摩材料领域多孔铁可替代青铜等。 （4）节省机床。节约切削加工机床及其占地面积。 粉末冶金机械零件是目前粉末冶金工业的主导产品，其主要包括烧结金属含油轴承、 烧结金属结构零件及烧结金属摩擦材料制品等。粉末冶金机械零件先后经过了形状简 单且力学性能较低的含油轴承等制品，随着温压、等静压等新技术的开发，制造的粉 末冶金结构零件形状越来越复杂，力学性能也越来越高2。 2.2.1 粉末冶金模具设计基本原则 为了发挥粉末冶金工艺具有的材料消耗低、少、无、切削，生产效率高等特点， 形成了众多的粉末成型方法，其模具种类也多种多样，应用最广泛的是压模、精整模、 锻模。 粉末冶金模具设计关系到制品生产的质量、成本、安全、生产率和自动化等问题， 从而提出了对模具设计的基本原则： （1）保证坯件达到几何形状、精度、和表面粗糙度、坯件密度及其分布等三项基 本要求。 （2）合理设计模具结构和选择模具材料。保证模具零件具有足够高的强度、刚度、 硬度、高耐磨性和使用寿命，便于操作调节，安全可靠，尽可能实现模具自动化。 （3）注意模具结构和零件制造的可加工性和成本问题。逐步实现模具的通用化、 系统化、采用通用模架和通用零件，提高设计效率，实现部分模架零件的批量生产， 提高模架质量，降低模具总成本3。 2.2.2 粉末冶金模具设计基本方法 粉末冶金模具设计的基本方法： （1）掌握有关设计资料，作为模具设计依据。包括制品图纸及技术要求，制品生 产批量及工艺流程、工艺参数、压机类型及技术参数；模具加工设备及能力；了解模 具在使用中曾出现的问题等。 （2）根据制品图纸进行压坯设计，选择压机和压制方式，设计模具结构图纸，分 析是否用于粉末冶金方法生产。 （3）模具材料选择及要求，由于压模、精整模、锻模都是在较高压力下工作，模 全套图纸加扣 3012250582 第 6 页 具工作表面要承受严重的粉末摩擦，特别是锻模在较高温度下工作，承受冲击载荷。 因此，主要模具零件材料应具有高强度、高硬度和高耐磨性；高的刚度和小的膨胀系 数；优良的热处理性能和一定韧性；较好的机加工性能。 粉末冶金模具的主要零件为：阴模、芯模、模冲。 阴模材料一般选用工具钢、高速钢和硬质合金。 芯杆材料可选择与阴模材料大致相同。只是热处理硬度低与阴模，特别对细长芯 杆更具有较高韧性。 模冲的工作条件主要要求材料具有良好的韧性，一般选择低合金工具钢、炭素工 具钢、青铜等。辅助零件模套、压垫、模座、顶杆、控制杆、模板等选用 45 号、50 号 或 40Cr、GCr15。 锻模材料要求高温强度高，热处理后硬度比压模低。一般采用 3Cr2W8V、4Cr5W2VSi、5Cr4W5MoV 等模具钢。 （4）模具主要零件尺寸的计算方法，关键在于正确选择设计参数（如弹性后效、 烧结收缩率、精证余量、机加工余量）。由于粉末成分和性能、工艺条件和设备不同， 实际生产中会引起设计参数的一定变化，要求在选择时留有可调节的余地才能保证模 具零件尺寸计算准确。 （5）绘制模具装配图和零件图，合理提出模具加工技术要求3。 2.2.3 压坯设计 压坯设计定着一种零件能否采用粉末冶金方法压制成型。它是粉末冶金模具结构 设计的主要依据之一，而且是推广粉末冶金制品的重要环节。压坯设计主要包括压坯 形状设计、压坯精度设计和密度设计。 2.2.3.1 压坯形状设计 采用粉末冶金零件代替普通机加工零件时，除了技术上满足原零件的设计和使用 要求外，还要考虑零件外形能否由粉末压制成形，这就需要把零件设计成适于压制的 粉末压坯。粉末压坯形状设计，一般是从以下五个方面考虑进行设计的：粉末均匀 充填程度； 粉末压制难易程度；脱模难易程度；压模结构和强度耐用性； 全套图纸加扣 3012250582 第 7 页 能否简化压模结构和制造。 2.2.3.2 压坯精度设计 压坯精度设计主要是尺寸精度和位置精度的确定. 由于粉末压制成形特点，在尺寸精度确定时，我们把粉末冶金零件不同位置尺寸 分为 a、b 两个尺寸级别如图 2-1 所示；这两个不同尺寸级别的零件在通过不同最终工 序处理后所获得的精度极限值分别如表 2-2-1 所示。 图 2-2 关于粉末冶金零件两种不同级别尺寸的示意 a 表示依赖与模具的尺寸 b 表示依赖于压力和模具的尺寸 表 2-2 按图 2-2 所确定的尺寸级别 a 和 b 的精度（尺寸为 1830mm） 通常获得精度等级极限值（um） 最终工序按图 21 的尺寸 精度高精度中等精度较低精度 A1352- 精整、整 形和某些 沉淀硬化 处理 B-33130 A-52210 烧 结 B-84520 A-52520 淬 火 B-130520 全套图纸加扣 3012250582 第 8 页 表 2-2 各种工序的精度等级 应该指出，粉末冶金零件的径向尺寸精度是比较容易达到高精度要求的，而轴向 尺寸精度比较难控制，这与材料成分、粉末性能、压制烧结条件、精整方式以及模具 结构设计参数、模具材料等因素有关。复压复烧态零件，径向尺寸精度 9-10 级；经自 动全精整或复压的小零件，轴向尺寸偏差约为 0.03-0.05 买卖；在自动压制压坯的轴向 高度偏差约为0.10-0.15mm.压坯上依赖模具尺寸的 a 级尺寸精度，一般必须在模具设 计尺寸精度高一级条件下才能达到。总之，采用粉末冶金的压制-烧结-精整工艺制取 的高精度零件比采用普通机加工方法来支取是很经济的。 常见的粉末冶金零件的位置精度，有同轴度、平行度、垂直度和圆跳动等。采用 全精整时，在平行于压制方向的压坯侧面，其平行度可达 78 级，在垂直于压制方向 的压坯上下端面，其平行度精度只能达 910 级。一般条件下，压坯垂直精度为 910 级。压坯的表面粗糙度主要取决于模具工作表面的粗糙度，也与粉末性能和工艺条件 有关。平行于压制方向压坯侧面的粗糙度较低，不精整时可达 Ra 0.41.6，精整后可 达 Ra 0.10.4；压坯的端面和锥形、球形侧面，由于精整时它们与模壁之间玩明显的 相对移动，所以粗糙度仍为 Ra 0.41.64。 2.2.3.3 压坯密度设计 压坯密度设计关系到零件的物理和机械性能及使用性能，而且对压坯形状、精度 设计产生很大影响，压坯密度主要根据零件使用条件和物理、机械性能来确定。 粉末冶金铁基零件密度可分为下列四类4： 分类密度(g/cm3)孔隙度(%)单位压力(Mpa) 低密度零件20825 高密度零件7.62液相烧结和浸透工艺制作 表 2-3 粉末冶金铁基零件密度分类 由此可知，粉末冶金方法可以满足多种使用性能零件的要求。它可以制作多孔材 料，也可以制作接近理论密度的高致密度零件，满足高负荷下使用零件对强度、韧性 的要求。 应该指出，制作高密度零件，往往还需采用合金化热处理和热锻等工艺措施，这 样不仅增加制造成本，而且使零件形状和精度受到限制。一般来说，三者之间关系为： 低密度零件，形状可以复杂些，精度也可以高些；高密度零件，形状和精度都要相对 降低。同时，在设计各种坯件时，应注意压力中心问题。 应当使压坯的压力中心与阴模外形的中心、模冲承压垫板的中心以及压机的压力 中心重合。否则，会产生额外的弯距，使压机活动横梁台面歪斜，加剧导柱的磨损； 并使上、下模冲承受额外弯距，轻则使配合间隙分配不对称，划伤模壁，重则使模冲 弯断。对于几何形状对称的截面，其压力中心即为几何中心；对几何形状非对称截面， 其压力中心应是截面的重心。 2.2.4 压坯形状的分类 从模具结构特点出发，将压坯形状分成五种类型。其他类型是基本类型的组合。 如图 名 称示 图 全套图纸加扣 3012250582 第 10 页 实 体 无 台 阶 柱 体 类 有 孔 带 外 台 阶 带 台 阶 圆 柱 体 类 带 内 台 阶 全套图纸加扣 3012250582 第 11 页 带 内 外 台 阶 图 2-3 压坯形状分类 制动片属于实体类的压坯形式。 2.2.5 压坯密度分布与压制方式选择 压坯密度的均匀性，是大压模设计要解决的主要压制质量指标。 在压制过程中，影响压坯密度分布均匀性的因素较多，除了粉末成份、性能及模 具表面质量外，主要有两个方面：一是由于与模壁之间的摩擦所引起的压坯密度不均 匀分布，它与压制方式有关。另一是当模腔中的粉末同时受到压缩时，粉末体产生柱 式流动，几乎不产生明显的横向流动，所以压坯密度分布的均匀性还与模腔内各部分 粉末装填高度、压缩比、压缩速率或最后压缩速度有关，这些都可以通过压制工艺参 数来控制。 由于粉末与模壁之间的摩擦，所引起压坯密度无论是在高度还是横截面的分布都 是不均匀的，特别是随着压坯高径比的增大引起的压坯密度沿高度方向的不均匀越来 越大。但是压制方式不同，压坯密度分布有很大差别。 单向压制时，压坯密度分布很不均匀，如果采用双向压制中的非同时双向压制或 摩擦芯杆压制，可以显著改善压坯密度分布的不均匀性。 明确了压坯密度分布与压制方式之间的关系后，要解决压模设计中压坯密度分布 的均匀性，必须根据压坯的形状、高径比、生产批量和压机选择压制方式和压模结构 类型。 （1）当圆柱体压坯的高径比 H/D1 时，圆筒形压坯的高壁厚比 H/T3 时，可采 用单向压制和单向压模。 （2）当 H/D1 或 H/T3 时，则通常采用双向压制和双向压模； 全套图纸加扣 3012250582 第 12 页 （3）当 H/T4 时，最好采用压制时芯杆和阴模能相对移动的压模； （4）当 H/T610 时，可采用摩擦芯杆压模或压制时阴模、芯杆和上模能相对 下模冲移动的压模结构。一般浮动芯杆的移动速度约等于阴模移动速度二分之一。但 上模冲的移动速度要比阴模和芯杆大，才能保证压坯密度分布均匀。 又由图 2-1 得出制动片的高径比 H/D18/311 可采用单向压制和单向压模5。 3 模具结构设计 3.1 成型模结构基本方案 成型模结构设计的原始依据可按如下几点确定： （1）压坯形状、精度和粗糙度由压坯工艺确定。 全套图纸加扣 3012250582 第 13 页 （2）生产方式是机动还是手动，由生产批量和产条件确定。 （3）压制方式采用哪一种，由压坯形状和密度均匀性要求，以及模具结构的复杂 程度确定。 （4）采用何种压机由压制压力，脱模力和压制行程，工作台面积，以及模具特殊 的动作需要等因素来确定。 成型模设计结构时，按如下顺序进行： （1）压制上面的选择压坯在压制时那个面向上，这需综合各方面的因素比较来确 定。这些因素诸如侧正面积弊、密度的均匀性、压制压力、压坯精度、装粉模具以及 磨具加工等。 （2）补偿装粉的考虑 对于压制方向变横截面的压坯，为了使压坯的不同部分压 制密度均匀，应该采用何种组合结构（选择合理的分形面）达到补偿装粉的目的，以 便待到基本相同的压缩比。 （3）脱模方式 对无台阶的压坯，是考虑采用顶出式（下模冲将压坯订出阴模） 还是拉下式（下冲模不动，将阴模拉下，脱出压坯）。对于带台阶件，球面件、螺旋 面件，以及多平行孔件，需要从模具结构上来解决问题。 （4）构方案的确定 根据压坯的形状、压制方式、脱模方式、补偿装粉的要求和 轧机具有的动作来确定模具结构方案。最好画出结构简图。 （5）计算装粉结构和阴模壁厚 根据压坯高度和选择的压缩比，算出装粉高度、 阴模壁厚，对于中心根据结构或习惯用途来确定，一般阴模外径与内经之比为 2-4，对 于较大的阴模，则应根据强度和刚度条件来计算。 （6）绘制结构总装图 先汇出压坯图，以它为中心，现纵向后横向，逐步向外展 开。先画出阴模、芯棒和上下模冲。根据已选定的结构方案及具体结构上的需要（如 脱模连接 上下定位、导向、强度和刚度等）逐步画出其它零件。 结构设计主要考虑以下几个方面的问题： （1）主要零件的连接方式 阴模、芯棒和上下模冲的连接，要考虑使用中安全可 靠，安装拆卸方便，结构尽可能简单，材料节约和整体美观等。 （2）浮动结构 根据不动的压制方式和补偿装粉的要求，往往需要阴模、芯棒和 上下冲的浮动。浮动的力可用弹簧，摩擦，气动和液压等产生。更具具体要求和条件 计浮动结构。 全套图纸加扣 3012250582 第 14 页 （3）脱模复位结构 根据压坯的形状和压机具有的动作来设计脱模和复位，一般 有统一结构方案来确定，隐没要保证压坯的良好，动作的准确可靠，在机械压机上复 位动作要求准确。 （4）调节装粉结构 由于粉末的松装密度在生产过程中会有一定范围的变动，在 模冲结构设计中，要考虑如何实现调节装粉，型腔的深浅，尽可能实现连续微调，并 操作上方便。 此外在结构设计上，还应注意一些其它问题： （1）工艺性 模具设计必须考虑加工工艺。例如：有电风设备时，可采用整体阴 模，否则改用并模结构。 （2）经济性 这是多方面因素指标。例如：结构复杂程度与批量和生产效率结合 在一起考虑；减少零件加工量，同时要考虑为节省优质材料而增加零件的加工量；为 了延长模具寿命，采用优质材料，或增加优质材料的零件6。 3.2 成型模零件尺寸计算及材料选择 3.2.1 阴模及模套尺寸确定及结构 阴模高度 h 一般由三个高度组成（见图 512a）即 h = h 0 + h 1 + h 2 式中 h 阴模高度 h0装粉高度，mm h1上冲模定位高度，mm h2下冲模定位高度，mm。 选取上冲模定位高度 0mm，下冲模定位高度 0mm，则 h=h粉=38.7mm，取 h=40mm。则 h模套=h=40mm。 l阴长=120mm， l阴宽= 90mm， l模套长=150mm l模套宽=120mm 全套图纸加扣 3012250582 第 15 页 如图所示 4090 120 31 图 3-1 阴模 120 120 150 40 全套图纸加扣 3012250582 第 16 页 图 3-2 模套 3.2.2 上冲模尺寸确定及结构 120 30 15 3333 90 31 图 3-3 上冲模结构 3.2.3 送料机构 装料机构是接受成堆产品，并一件件的把它们按一定空间方位送出的机构。料斗 式上料在大量、大批生产中用的很多，但要求产品重量小、尺寸小和形状简单。 料斗式上料装置的主要任务在于正确的解决产品的定向和生产率问题保障按需要 供给机床以满足数量的零件。 制动片的送料机构（管式料斗）因其结构简单，易于重新调节，以适应另一种零 件，即使零件充满料斗，也无碍料斗工作因而不需要剔除器。按其运动方式可分为旋 转地往复的和复杂运动的。运动件可能是筛子，可能是料斗。制动片选用管式作往复 运动的料斗 全套图纸加扣 3012250582 第 17 页 图 3-4 送料机构 1-料斗，2-料管，3-托脚 3.2.4 料仓结构 料仓是贮存已在空间定向零件的地方。有预料都生产率非常严格不变，因此当料 斗生产率提高时，可有料仓贮存零件；当料斗生产率降低时，料仓再把零件送机床的 工作位置。 料仓上料的方法，可靠零件的自重和外力，制动片的料仓选用管式。管式料仓有 立式、弯管式和卧式几种。如图 3-5 所示，前两种靠零件自重送料，后一种借外力。 图 3-3a 所示为调解式。由软管和接头组成。其优点是装卸较方便，且可调节长短； 但不适用于带尖刺的零件。此种料仓用于端部带倒角和园头的零件。 当 d25mm,l100mm,d/l 约为 0.121.0 为宜7。 全套图纸加扣 3012250582 第 18 页 图 3-5 管式料斗 a-可调节式，b-不可调节式，c-装有滚轮的管式料斗 图 3-5（b）为不可调节式。适用范围基本与图 3-5（a）相同，此外，还可以用于 d50mm，厚度 b6.16.56.57.21.27.6 密度 （g/cm3） 粉末种类 范围常用 值 范围常用 值 范围常用 值 范围常用 值 铁基 0.10.20.150.150.25 0.100.200.300.25 铁基 0.050.150.200.100.200.150.150.250.20 6-6-3 青铜 0.080.120.100.100.200.15 表 5-1 铁、铜压坯的回弹率 （二）回弹率的影响因素 全套图纸加扣 3012250582 第 26 页 （1）粉末的塑性，不仅与其成分有关，而且相同成分但加工工艺不同时，塑性差 异易较大。如粉末破碎时的应力大小，退火充分与否，粉末含氧量及其他因素等。塑 性好，则回弹率小。 （2）压坯密度高，则压制压力大，侧压力亦大。模具型腔随之增大，回弹率也就 增大。 （3）阴模的刚性对回弹率影响较大，刚性差则变形大，回弹率也大。 （4）压坯高度大于一定值时，高度对回弹率影响不大。但当高度小于一定值时， 则高度对回弹率的影响逐渐明显。当压坯高度小于 3-5mm 以下时，回弹率大大降低14。 全套图纸加扣 3012250582 第 27 页 6 模具有限元分析 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多 称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然 后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件） ，从而得到问题的解。这个解不 是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题 难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行 之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元法最初被称为 矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而 引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的 快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技 术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法15。 6.1 有限元分析理论概述 有限元的基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在没一个单元中设定 有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场 函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值以表示单元中场函 数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的 无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题，求解得到节点值后就可以通过设 定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。有限元离散过程中，相邻单元 在同一节点上的场变量相同达到连续，但未必在单元边界上任何一点连续；在把载荷 转化为节点载荷的过程中，只是考虑单元总体平衡，在单元内部和边界上不用保证每 点都满足控制方程。 有限元分析基本步骤： 1.简历求解域并将其离散转化为有限单元，即将连续问题分解成节点和单元等个体 问题； 2.假设代表单元物理行为的函数，即假设代表单位解的近似连续函数； 3.建立单元方程； 4.构造单元整体刚度矩阵； 全套图纸加扣 3012250582 第 28 页 5.施加边界条件、初始条件和载荷； 6.求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果16。 6.2 制动片模腔模型 制动片模腔材料选硬质合金，弹性模量 E 为 206GPa，屈服极限为 600MPa，泊 松比为 0.27。 图 6-1 制动片模腔模型 底座长 L底座宽 D底座厚 w孔直径 d孔高 h 120mm90mm20mm31mm40mm 表 6-1 制动片模腔几何尺寸 6.3 ANSYS 有限元分析进程 6.3.1 ANSYS 环境简介 ANSYS 有两种模式：一种是交互模式，另一个是非交互模式。交互模式是初学者 和大多数使用者所采用，包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等，一般无特别 原因皆用交互模式。但若分析问题要很长时间，可把分析问题的命令做成文件，利用 全套图纸加扣 3012250582 第 29 页 它的非交互模式进行分析。 ANSYS 可分为两个基本过程，即起始状态和处理状态。起始状态可用来控制某些 全局性问题，如改变工作文件名、清楚数据库内的数据、复制二进制文件等。 6.3.2 ANSYS 建模过程 在进入 ANSYS 后，先确定工作文件名和定义工作标题，并确保单位一致；PREP7 是 ANSYS 的前处理模块，用来建立三维模型和网格的划分以及设定边界条件。制动片 模腔在 ANSYS 创建的网格如图 6-2 所示。 图 6-2 制动片模腔在真空环境中进行有限元分析，设定工作压力为 400MPa。经过单位、 材料、边界条件的设置和求解器的选择后，经计算，得出模拟结果17。 ANSYS 可以很好的反应出制动片模腔的压力分布特性，得到制动片模腔在整个压 制过程的压力分布云图。如图 6-3,6-4,6-5,6-6,6-7。 全套图纸加扣 3012250582 第 30 页 图 6-3 制动片模腔内部受力示意图 图 6-4 制动片模腔内部受力示意图 全套图纸加扣 3012250582 第 31 页 图 6-5 制动片模腔内部受力示意图 图 6-6 制动片模腔内部受力示意图 全套图纸加扣 3012250582 第 32 页 图 6-7 制动片模腔内部受力示意图 6.3.3 计算结果分析总结 如上图的比较中发现，制动片模腔从内到外，高压区域和低压区域有着明显的差 距，而且其达到的最高压强也有所下降，这说明制动片模腔中心受力最大，随着中心 位置向外压力依次递减，由上图分析知模腔在 400MPa 条件下没有失效，因此我们在 设计时应该考虑到内部受力的情况，取其最优的组合，达到最高效、最经济的结果。 全套图纸加扣 3012250582 第 33 页 总 结 通过本次毕业设计，在理论知识的指导下，结合认识实习和生产实习中所获得的 实践经验，在老师和同学的帮助下，认真独立地完成了本次毕业设计。在本次设计的 过程中，通过自己实际的操作计算，我对以前所学过的专业知识有了更进一步、更深 刻的认识，同时也认识到了自己的不足之处。到此时才深刻体会到，以前所学的专业 知识还是有用的，而且都是模具设计与制造最基础、最根本的知识。 本次毕业设计历时四个月左右，从最初的领会设计的要求，到对拿到自己手上的 压坯性能的分析计算，诸如对压坯结构的分析，对形状的分析等，对制动片压坯有了 一个比较全面深刻的认识，并在此基础上综合考虑生产中的各种实际因素，最后确定 本次毕业设计的工艺方案。然后对排样方式的选择，直到模具总装配图的绘制，历时 近两个月左右。在这段时间里，我进行了大量的计算：从材料的选择，到零件的计算， 再到工作部分模具尺寸及公差的计算。其间在图书馆翻阅了许多相关书籍和各种设计 资料。因此从某种意义上讲，通过本次毕业设计的训练，也培养和锻炼了一种自己查 阅资料，获取有价值信息的能力。 总之，通过本次毕业设计的锻炼，使我对模具设计与模具制造的整个过程都有了 比较深刻的认识和全面的掌握。先后几次不同的设计，从成型模的设计，到整形模设 计，再到本次毕业设计的制动片主要模具的设计，使我接受了一个机械设计专业的毕 业生应该有的锻炼和考查。我很感谢学校和各位老师给我这次锻炼机会。我是认认真 真的做完这次毕业设计的，也应该认认真真的完成我大学最后也是最重要的一次设计。 但是由于水平有限，错误和不足之处再所难免，恳请各位导师、各位教授批评指正， 不胜感激。 全套图纸加扣 3012250582 第 34 页 致 谢 首先感谢学校及学院各位领导的悉心关怀和耐心指导，特别要感谢周老师给我的 指导，在设计和说明书的写作过程中，我始终得到老师的悉心教导和认真指点，使得 我的理论知识和实践能力都有了很大的提高与进步，对模具设计与制造的整个工艺流 程也有了一个基本的掌握。在她身上，时刻体现着作为科研工作者所特有的严谨求实 的教学风范，勇于探索的工作态度和求同思变、不断创新的治学理念。她不知疲倦的 敬业精神和精益求精的治学要求，端正了我的学习态度，使我受益匪浅。 另外，还要感谢和我同组的其他同学，他们在寻找资料，解答疑惑，实验操作、 论文修改等方面，都给了我很大的帮助和借鉴。 最后，感谢所有给予我关心和支持的老师和同学使我能如期完成这次毕业设计。 谢谢各位老师和同学！ 感谢学校对我的培养和教导，感谢机电工程学院各位领导各位老师这两年如一日 的谆谆教导！ 全套图纸加扣 3012250582 第 35 页 参 考 文 献 1 王树勋. 模具实用技术设计综合手册M.华南理工大学出版社,1995:850-986. 2 濮良贵，纪明刚.机械设计M.高等教育出版社,2001:167-186. 3 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