管壳体单工多力点挤压塑变模型研究*

李红军，严 龙，闫久江，陈 伟，李 燕

(武汉纺织大学，湖北武汉 430073)

0 引言

在现有工业自动化生产中，管壳状物产品占有一定的比例，诸如雷管体、管壳式换热器［1］、电子封装管壳系统等，管壳状产品由于其本身的构造特征而通常需要特殊生产工艺的处理，随着现代工业机械设计制造及其自动化技术的发展，管壳体产品制造设备的更新与改良进程也日益加快，而大多数管壳体产品内部都需加入爆药或其它相应配件，基本都需一道挤压工艺［2］，该工艺要求管壳体产品挤压处有均匀的卡痕［3］或封装印记，由于管壳体自身构造的特殊性，对管壳体状产品生产设备的机械结构及生产工艺提出了较高的要求，在现有大多数管壳体挤压机中，管壳体挤压器和推力气缸是镶嵌安装在挤压活动板和挤压固定板中的，采用推力气缸带动挤压活动板上下活动的方式，控制管壳体挤压器的收缩与扩张，从而完成内部管壳体的挤压工艺，笔者基于改良现有管壳体产品挤压设备和挤压工艺方式，以提高管壳体卡痕质量，进行了大量管壳体挤压实验。采用单工位多平均施力点的发散施力方式构建管壳体挤压模型，并运用专业分析软件Inventor对挤压活动板进行应力分析，对照挤压活动板的应力分析结果，得出发散施力方式下挤压活动板对整体管壳体挤压模型的影响。

1 管壳体挤压塑变成形原理

1.1 管壳体挤压机构模型

在现有管壳体挤压机中，挤压系统是核心部分，挤压系统包括管壳体挤压器、推力气缸、挤压固定板、挤压活动板等构件，其中管壳体挤压器是对管壳体的直接施力构件，管壳体挤压器为锥形回转体中空弹性器具，当管壳体置于管壳体挤压器中时，在外力作用下，管壳体挤压器整体均匀收缩，因此挤压管壳体壁适当位置向中心轴线收缩，从而完成管壳体的挤压，挤压活动板是管壳体挤压器的直接施力构件，管壳体挤压器直径小的一端与挤压固定板固连，直径大的一端垂直套装于挤压活动板中。推力气缸固定安装在挤压固定板上，推力气缸活塞杆顶端与挤压活动板固定连接，因此推力气缸活塞杆的伸缩可带动挤压活动板的上下运动，进而挤压活动板带动管壳体挤压器直径大的一端收缩与扩张。图1为管壳体挤压系统拓扑结构。

图1 管壳体挤压系统拓扑结构

1.2 管壳体挤压塑性变形原理

管壳状产品的材质有多种，一般多数场合用普通碳钢，有腐蚀性的场合可用不锈钢，在少数腐蚀性较大的场合也可用石墨或聚四氟乙烯或紫铜管等材料，当管壳体受到来自管壳体挤压器的挤压应力时会产生均匀的卡痕或封装印记，因此管壳体最终产生塑性变形，图2为管壳体所受挤压应力与应变关系图。

图2 管壳体挤压应力与应变关系图

管壳体受到管壳体挤压器的均匀挤压后，管壳体壁向中心轴线收缩，点b所对应的应力σe为管壳体的弹性极限，点b之前的全部应变区间内，管壳体为弹性变形［4］，点b之后的应变区间为管壳体塑性变形区域，点f管壳体塑性变形达到最大，管壳体发生断裂。因此，设计合理的管壳体挤压机构模型应使得管壳体所受应变在点b和点f之间的区域内。

2 管壳体挤压机模型

2.1 管壳体卡痕成型原理

基于上述管壳体挤压系统拓扑结构，运用管壳体挤压原理，并进行大量相关实验，最后建立具体的管壳体挤压模型，图3为管壳体挤压模型原理图。

2.2 发散施力方式的挤压活动板模型

在管壳体挤压原理中，通过改变挤压施力点的数量和作用位置，使得管壳体挤压系统中的重要力执行原件挤压活动板本身有不同的受力方式，从而影响到管壳体挤压器挤压管壳体的作用形式，进而影响到管壳体最终的挤压效率和质量，笔者致力于构建有利于提高现有管壳体挤压质量的管壳体挤压优化模型，使挤压活动板自身所受应力能够处于合理的范围，且挤压活动板的材料安全系数达到最大，于是相对于挤压活动板，发散施力方式的管壳体单工多力挤压模型应运而生，图4是发散施力方式的挤压活动板模型。

图3 管壳体挤压模型原理图

图4 发散施力管壳印痕模型

上述发散施力方式的管壳体挤压活动板模型中挤压施力点均匀分布在管壳体挤压器四周，保证了挤压活动板和管壳体挤压器的受力均匀，因此能极好地保证管壳体受力均匀，从而使得管壳体卡痕较均一，极大地提高了管壳体卡痕质量，但也可能存在单工位多平均施力点带来的管壳体挤压机构成本偏高和挤压效率偏低的问题。

3 管壳体挤压塑变模型挤压活动板应力分析

3.1 基于Inventor的挤压活动板的应力分析

第二章已提出了发散施力方式的管壳体挤压活动板模型，笔者将运用Inventor从应力分析的角度对管壳体单工多力点挤压塑变模型中重要构件挤压活动板进行有限元分析，以其分析研究不同管壳体卡印方案中管壳体受力状况，为管壳体挤压模型设计找到合适的理论指导方向，首先对发散施力方式下的挤压活动板进行应力分析建模。

图5为运用Inventor对发散施力方式下的挤压活动板进行的应力分析建模图，挤压活动板材料设定为锻钢，挤压活动板几何尺寸按照实际管壳体挤压模型中尺寸给定，在图5中，挤压活动板几何中心位置为管壳体挤压器活动套装于挤压活动板上的位置，笔者将对挤压活动板受力至变形的极限位置进行分析，当管壳体挤压器对管壳体完成挤压工艺时，挤压活动板将变形至所施加力的极限位置，因此对挤压活动板进行应力分析时将挤压活动板几何中心位置可模拟成固定，图5中，挤压施力点均匀分布在挤压活动板几何中心四周淡绿色的位置处，挤压活动板自身厚为30 mm、直径为300 mm的圆形锻钢板，气缸对挤压活动板所施加力总和大约为8 000 N，挤压活动板的材料计算参数如表1所列。

表1 挤压活动板材料性质表

在Inventor中设定好挤压活动板模型的相关参数，并模拟挤压活动板在管壳体单工多力点挤压塑变模型中的真实受力情形，最终得到挤压活动板的Mises等效应力分析图如图6所示。

图5 发散施力方式的挤压活动板应力分析建模

图6 发散施力方式下挤压活动板Mises等效应力分析图

由图6可看出，发散施力方式下的挤压活动板受到周围均匀的挤压力，有一定的变形，由于受到管壳体挤压器在几何中心位置的摩擦阻力，因此在挤压活动板中心位置有应力集中现象，运用Inventor导出发散施力方式下的挤压活动板应力分析的报告表如表2所列。

表2 发散施力方式下挤压活动板应力分析结果

以上为利用Inventor分析得出的发散施力方式下的挤压活动板所受应力相关参数，下面再对挤压活动板进行具体的定量分析，首先利用Inventor提供的分析参数来进行发散施力方式下的挤压活动板强度校核，由于挤压活动板为锻钢，属于塑性材料，通常以屈服的形式失效，故采用第三或第四强度理论来校核挤压活动板的强度。

由表2可知，在管壳体被挤压过程中，挤压活动板所受第一最大主应力σ1=10.204 7 MPa，第二最大主应力σ2=0 MPa，第三最大主应力σ3=2.349 95 MPa，根据畸变能密度屈服准则，屈服应力为:

代入Inventor分析所得数值，得到发散施力方案中挤压活动板所受对应的应力为:

而发散施力方案中挤压活动板的许用应力应为屈服极限与安全系数的比值，即

由表1可知，挤压活动板的材料屈服极限σs为250 MPa，安全系数取最大值15，代入数值得挤压活动板许用应力为:

则σs1≤［σ］

因此发散施力方式中的挤压活动板符合第四强度理论的强度条件，即发散施力方式下，挤压活动板所承受的应力强度在合适的范围内。

3.2 挤压活动板应力分析总结

通过对管壳体单工多力挤压塑变模型中的重要施力构件挤压活动板进行的应力分析，可知挤压活动板在单工位多平均施力点的发散施力方式下，能满足相应的材料强度条件，对照表2可看出，挤压活动板变形综合位移为0.0136 962，因此可知发散施力方式下，挤压活动板变形量相对较小，则有利于保证管壳体的卡痕均匀性，而挤压活动板所受到的最大Mises等效应力为11.591 9 MPa，但所受最大等效应力仍小于挤压活动板的许用应力［σ］，在等效应变方面，挤压活动板等效应变的最大值为0.000 097 973 7 mm，因此等效应变相对较小，接着分析管壳体挤压活动板自身设计对挤压活动板应力的影响，发散施力方式下，挤压力均匀分布在挤压活动板四周，对挤压活动板自身寿命保证有所提高，确保了管壳体卡口器各方位受力均匀，同时极大地保证了管壳体径向卡痕的均匀性。

4 结语

笔者构建了管壳体单工多力挤压塑变模型，并利用专业分析软件Inventor对该模型中的重要施力构件挤压活动板进行了应力综合分析，发现管壳体单工多力挤压塑变模型中的发散施力方式使挤压活动板受力均匀，进而使管壳体卡口器各方位受力均衡，因此能极大地保证管壳体径向卡痕的均匀性，但单工位多平均施力点可能不利于充分利用管壳体挤压活动板平台空间，从而导致管壳体挤压效率相对低下。综上所述，发散施力方式下的管壳体单工多力挤压塑变模型能极大地改善传统的管壳体卡痕质量偏低的现象，但也可能存在管壳体挤压效率整体偏低的问题。

［1］ 李红军.基于BP神经网络的并联机器人运动学研究［J］.机电产品开发与创新，2006，19(6):6－8.

［2］ 肖月华，张海金.新型起爆药的应用［J］.爆破器材，2003，32 (1):24－27.

［3］ 严 龙.气缸位置分布对管壳体卡痕的影响［J］.机械研究与应用，2013，5(26):83－85.

［4］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京:高等教育出版社，2004.