多层金属薄板反复弯曲试验装置设计及运动仿真

曾 敏

（山西职业技术学院 机械工程系，山西 太原 030006）

1 多层金属薄板的性能优势及用途

1.1 多层金属薄板的性能优势

多层金属复合材料兼具各组元金属的优良特性，而且还能发挥出单一组元无法比拟的性能优势：① 成本低廉，适用于批量生产，如钛/钢、镍/钢复合板的价格仅相当于纯钛和纯镍板的1/5～1/10；② 良好的综合性能，耐高温性能良好，比强度和比模量高，导热性和耐磨性好，热膨胀小，尺寸趋于稳定；③ 可焊性好。

1.2 多层金属薄板的用途

由于多层金属薄板的物理化学性能和综合力学性能得到了提高，故其应用前景十分广泛。如不锈钢复合板可广泛应用于机械、石油化工、环境保护、医药卫生等行业；钛复合板在航空工业、冶金等行业有很大的发展空间；体育器械、餐具、卫生洁具、家庭内装饰材料等领域广泛应用不锈钢（SS）/铝合金（Al）层状复合材料。随着工艺的不断发展，更多具有特殊性能的多层金属复合薄板将不断涌现。

2 金属反复弯曲国家标准试验方法

反复弯曲试验的国家标准规定是将试样一端夹紧，然后绕规定半径的圆柱形表面使试样弯曲90°，再按相反方向弯曲。其试验原理如图1所示。

3 反复弯曲装置设计

根据金属反复弯曲试验国家标准的原理，本文设计了能够测试多层金属薄板强度的反复弯曲装置。

3.1 总体设计

图2为试验装置整体结构设计。该装置的总体设计思路为：摆动机构主要由四连杆来控制摆杆的角度（60°），曲柄上安装带有平键的轴，并通过轴承座中的轴承实现对轴的固定，在轴的另一端通过平键连接一个摇杆，摇杆上焊有摇柄，通过摇柄的周期性转动来实现四连杆的往复运动。夹紧装置按金属反复弯曲试验的国家标准来进行设计，夹持试样薄板的拨杆固定在小齿轮的切向方向上，小齿轮通过与转动角度为60°的大齿轮啮合，并控制齿数比为1∶3来实现小齿轮旋转180°。摆杆通过焊接方式固定在大齿轮上，实现大齿轮的60°转动。

图1 金属反复弯曲试验国家标准原理图

图2 试验装置整体结构设计

3.2 各部件结构尺寸的确定

3.2.1 四连杆工作尺寸的确定

为了实现金属薄板的反复弯曲，需要实现四连杆摆杆摆动60°，为此先设定曲柄与摆杆中心线之间的距离为400mm，曲柄的长度为100mm，然后通过作图法实现摆杆的摆动角度为60°，从而最终确定连杆的长度为480mm，摆杆的长度为240mm。

3.2.2 曲柄轴结构尺寸的确定

轴的作用是将传动传递到四连杆机构，从而实现金属薄板的反复弯曲。因此，在轴的设计中考虑到曲柄的尺寸、轴承的型号、轴承座的安装等问题，最终确定的曲柄轴的结构尺寸如图3所示。

图3 曲柄轴结构尺寸

3.2.3 圆柱销结构尺寸的确定

圆柱销的功能是实现曲柄与连杆的连接与固定，因此，确定圆柱销的尺寸时需考虑到曲柄的尺寸与连杆的尺寸，最终确定的圆柱销的结构尺寸如图4所示。

图4 销钉结构尺寸

3.2.4 曲柄结构尺寸的确定

曲柄的长度根据四连杆的尺寸确定为100mm，其余尺寸的确定应考虑到曲柄轴及曲柄轴安装所需要的平键的尺寸及连接连杆的圆柱销的尺寸，最终确定的曲柄结构尺寸如图5所示。

图5 曲柄结构尺寸

3.2.5 连杆结构尺寸的确定

连杆用来连接曲柄与摆杆，由四连杆的尺寸可确定连杆的长度为480mm，其余尺寸的确定考虑到圆柱销与摆杆的尺寸，最终确定的连杆结构尺寸如图6所示。

图6 连杆结构尺寸

3.2.6 摆杆结构尺寸的确定

摆杆是实现四连杆与夹紧装置连接的部件，摆杆通过焊接固定在大齿轮上，其长度尺寸由四连杆的尺寸确定为240mm，其余尺寸的确定由连杆与大齿轮的尺寸共同决定。与其焊接在一起的大齿轮的模数为2，齿数为76，其他各部分尺寸如下：分度圆压力角为20°、分度圆直径d＝152mm、中心距a＝101mm、齿顶圆直径为Φ156mm、齿根圆直径为Φ147mm。最终确定的摆杆的结构尺寸如图7所示。

图7 摆杆的结构尺寸

3.2.7 小齿轮结构尺寸的确定

小齿轮实现与大齿轮的啮合，并通过与大齿轮的啮合可实现角度为180°的往复转动。因此，小齿轮的模数m＝2，齿数为25，其他各部分尺寸如下：分度圆压力角为20°、分度圆直径d＝50mm、齿顶圆直径为Φ54mm、齿根圆直径为Φ45mm。最终确定的小齿轮的结构尺寸如图8所示。

图8 小齿轮的结构尺寸

3.2.8 曲柄轴轴承座结构尺寸的确定

轴承座用来实现对轴的固定及安装，因此轴承座的尺寸由轴及顶住轴的端盖尺寸来共同决定。根据曲柄轴的结构尺寸及轴承的型号，最终确定轴承座的结构尺寸如图9所示。

图9 轴承座的结构尺寸

4 反复弯曲装置的运动仿真

对该装置进行运动仿真时，首先利用Pro/E 5.0软件对装置中的各零件进行三维造型，然后选择合适的装配模式将该装置装配好，其三维模型如图10所示。接着确定曲柄轴为主运动部件，并给予一定的运动速度和加速度，最后利用Pro/E中的机构运动分析功能进行该装置的运动分析，从而使该装置的运动过程一目了然，并可以解决零件间干涉以及位移、速度、加速度等问题，使该装置的结构更加优化。反复弯曲装置的运动仿真如图11所示。

图10 反复弯曲装置三维模型

5 结论

通过对反复弯曲装置的运动仿真及分析，能很清晰地看到装置的运动过程，对装置的设计起到了很好的检测效果。从该装置的运动仿真中深刻体会到了利用三维软件进行计算机辅助设计的好处，使设计者从复杂的理论计算中解放了出来，有更多的时间去进行机构的优化设计。

图11 反复弯曲装置运动仿真

［1］Wu H Y，Lee S Y，Wang J Y.Solid－state bonding of iron－based alloys，steel－brass，and aluminum alloys［J］.Journal of Materials Processing Technology，1998，75（1）：173－179.

［2］赫尔.复合材料导论［M］.张双寅，郑维平，蔡良武，译.北京：中国建筑工业出版社，1989.

［3］郭红星.机械设计基础［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

［4］李雷.Pro/E产品装配与机构仿真［M］.北京：化学工业出版社，2009.