预成形模具设计

预成形模具设计（精选七篇）

预成形模具设计 篇1

关键词：锻造螺旋锥齿轮,预成形优化,分流腔,正交试验设计

0 引言

螺旋锥齿轮因其具有良好的啮合传动性能而被广泛应用于各种机械传动系统中。目前, 螺旋锥齿轮的加工主要为铣削加工的方式, 这种传统的铣齿加工方法材料利用率低、生产成本高以及因切断金属纤维流线而造成轮齿抗弯强度降低。齿轮精锻与切削加工相比, 齿轮强度和疲劳寿命提高20% , 热处理变形减小30% , 生产成本降低20% 以上[1]。

螺旋锥齿轮几何形状复杂, 其塑性成形属于非稳态大变形范畴, 需用多工步实施锻造加工。锻造成形过程中材料变形抗力大, 齿轮轮齿部位材料流动性差, 齿顶角隅充填困难, 致使终锻的成形载荷过大, 从而导致模具局部应力应变过大断裂和局部磨损严重丧失精度等现象发生。这些问题阻碍了锻造螺旋锥齿轮技术的推广应用。因此优化预锻件形状, 改变模具结构, 在保证齿形充满良好的条件下降低成形载荷, 是解决影响锻造螺旋锥齿轮批量生产问题的重要途径之一。

目前对螺旋锥齿轮塑性成形的研究主要集中在工件塑性变形规律、成形工艺以及模具磨损特征分析等[2-6]方面, 对于以减小成形载荷[7-8]和保证齿形充填良好为目的的工艺优化方面的研究鲜见报道。本文运用正交优化设计方法, 从预锻件高度、圆弧弦高、圆弧弦角以及圆弧高点离小端的距离这4 个影响预成形件[6]面锥形状的工艺因素入手, 展开对轮齿充填和成形载荷规律的研究, 通过优化预成形件和设计齿形模具的分流腔结构, 提出一种优化的锻造螺旋锥齿轮的工艺方案, 为批量化锻造生产螺旋锥齿轮提供技术参考。

1 工艺方案设计

螺旋锥齿轮的锻造成形属非稳态大变形, 将棒料通过两工步工艺锻打成带齿形的毛坯件, 半闭式锻造[9-11]的模具结构如图1 所示, 这种结构使齿轮的锻造飞边沿背锥方向分布。对于锻造成形的螺旋锥齿轮来说, 外观质量的缺陷之一为轮齿的小端充填不满, 如图2 所示。针对轮齿的小端充满困难的现象, 文献[12]提出的工艺方案中将预成形件的面锥设计成圆弧面, 如图3 所示, 通过数值模拟的手段, 与圆锥形面锥形状的轮齿充填规律和成形载荷进行了对比分析, 验证了该方案的可行性。在锻造成形过程中圆弧高点先于齿模接触, 进而使位于面锥上的金属材料在沿齿高方向流动的同时也沿齿宽方向流动, 有利于填充齿模轮齿小端的角隅位置。

2 有限元模型建立

由于螺旋锥齿轮齿形沿齿宽方向为螺旋线形状, 导致在轮齿成形过程中金属流动呈现多样性, 为获得较为准确的变形情况, 采用三维弹塑性有限元法对螺旋锥齿轮的成形过程进行模拟分析。考虑到数值模拟的效率和准确性, 取坯料的1 /9作为研究对象, 坯料高度为71 mm, 直径为110 mm, 采用四面体对坯料进行离散化网格划分, 共有88 426 个单元产生, 节点数为17 874。

3 数值模拟与结果分析

3. 1 数值模拟条件设定

研究对象为Ford轿车用螺旋锥齿轮从动轮, 如图4 所示, 齿轮几何参数如表1 所示。材料为20Cr Ni Mo, 这与美国ANSI-8620 材料相似, 从Deform材料库中提取其性能参数, 采用刚粘塑性材料模型, 模具设为刚性体, 工件为弹塑性体; 对锻造过程进行塑性变形和热传递耦合分析[12], 初始锻造温度为980 ℃, 模具预热温度为250 ℃, 室温设为20 ℃; 摩擦因子 μ = 0. 3; 齿模的运动速度为200 mm / s。

3. 2 多目标正交试验优化设计

在锻造螺旋锥齿轮的过程中, 终锻工序主要为轮齿的变形, 因此, 预锻件面锥的形状设计对轮齿成形和成形载荷的分配影响较大。设定优化设计考核的指标项目为齿形充满时的冲程占总冲程的百分比 (简称冲程比) 和成形载荷, 齿形充满情况通过观察数值模拟的每一工步模具与工件的接触情况来确定, 冲程比越小说明预锻件的设计越有利于齿形的充满。多目标优化设计的目标是冲程比和成形载荷均最小, 对影响预锻件面锥形状的工艺因素进行分析, 设计变量确定为4种影响因素, 分别为预锻件高度H、圆弧弦高h、圆弧弦角α, 以及圆弧高点离小端的距离d (图3) , 多目标优化设计的数学模型表达式为

式中, f1 ( X) 为量纲一化的成形载荷, 考虑到设计目标的量纲统一化问题, 规定将每次计算的成形载荷除以试验组数的成形载荷的平均数; f2 ( X) 为冲程比; λi ( i = 1, 2) 为权重系数, 因成形载荷影响着模具的寿命, 故将成形载荷作为主目标进行考察, 取λ1= 0. 6, λ2= 0. 4; xu、xd分别为设计变量的上下线。

设计变量上下线间的各变量取值如表2 所示。

本研究采用正交试验[13-16]优化设计方法, 选取4 个优化设计变量作为正交试验设计的影响因素。考虑到工艺要求和先前研究的基础工作, 影响因素的取值为间隔适当的3 个参数。正交试验按照L9 ( 34) 正交表进行有限元模拟试验, 因素水平设计如表2 所示, 正交试验设计如表3 所示。

3. 3 模拟结果分析

按照正交表设计, 数值模拟试验的指标值填入表3, 表4 为方差分析表, 这里选择偏差平方和最小的因素作为误差。由表3 各因素极差R的大小和水平的偏差量总和Ki ( i = 1, 2, 3) 可知, 预锻件高度H、圆弧弦高h、圆弧弦角 α, 以及圆弧高点离小端的距离d的四因素三水平对成形载荷影响的大小顺序为 α2、α1、α3, d2、d3、d1, h1、h3、h2, H3、H2、H1; 对于小端充满程度的冲程比来说, 四因素三水平对其影响的大小顺序为h3、h1、h2, α1、α2、α3, d2、d3、d1, H1、H2、H3, 其中h3和h1、d3和d1、H1和H2对其辨识度的影响较弱。根据表4 方差分析的结果可知, 圆弧弦高h对成形载荷和冲程比的影响均不显著; 圆弧弦角 α 和圆弧高点离小端的距离d对成形载荷的影响较为显著, 对冲程比的影响显著; 预锻件高度H对成形载荷的影响不显著, 但对冲程比的影响显著。

注: 水平的偏差量总和 Kij表示 i 水平的 j 次目标考核量之和; R表示极差; T 表示 9 个指标值之和。

注: * 号表示显著; [* ]表示较为显著; e指误差项; F指方差比。

根据式 ( 1) 试验所得的9 组目标函数的值如表5 所示。综合考虑四因素三水平对两种指标影响的显著程度及敏感性, 确定其最佳组合为h1α2d2H2。

4 分流腔结构设计

分流腔存在的目的是容纳少量多余的材料, 避免终锻时模具应力急剧增大现象的发生。分流腔结构的合理设计, 有利于锻造过程中金属材料向齿形的角隅部位流动, 从而获得充填良好的轮齿外形, 有效减小成形载荷和模具角隅处的应力。

在模拟过程中发现, 9 个试验齿形小端全部都是最后充满的部位, 唯一不同的是最先与齿模齿根部先接触的位置不同, 如图5 所示。通过对比成形载荷, 在小端角隅部位充满的阶段, 成形载荷急剧增大。为改善这种现象, 齿模小端采用图6 所示的结构设计, 结合正交优化所得到的最佳工艺组合进行数值模拟。图7 所示为未采用分流腔和采用分流腔齿模结构的终锻成形载荷对比, 采用分流腔结构的成形载荷为2563. 9348 k N, 比未采用这种结构的成形载荷减小22. 45% , 在齿形未完全充满的时候, 两者的载荷变化曲线几乎完全一致; 在填充材料充满齿形的过程中, 采用分流腔结构的成形载荷增长趋势相比未采用分流腔结构的成形载荷变得平缓, 这样有利于模具寿命的提高。

5 锻造试验

在25 MN电动螺旋压力机上进行锻造试验, 在其工作台上布置双工位, 齿模的热后精加工由高速铣削中心完成。锻坯材料选用20Cr Ni Mo, 棒料尺寸为 110 mm×71 mm, 采用中频炉加热至980 ℃ , 模具预热温度为200 ~ 300 ℃ , 润滑剂为石墨乳。

图8 为锻造后的螺旋锥齿轮产品, 电动螺旋压力机显示终锻的打击力为18. 65 MN, 数值模拟的成形载荷为23. 5463 MN。数值模拟的结果稍大于实际成形载荷, 原因在于数值模拟过程中因对称边界面位于轮齿上, 边界面上的网格变形复杂, 发生畸变, 导致模拟的打击力偏大。图8 中的齿模分流腔因有金属材料流入, 故齿形的大小端材料充满情况良好, 且飞边沿背锥方向, 可在车削加工背锥时将飞边车削干净, 无需再设计切边模。

6 结论

( 1) 本文提出的通过优化螺旋锥齿轮预锻件面锥的形状来减小成形载荷和改善轮齿材料充填程度的工艺, 以及基于弹塑性有限元数值模拟结合正交试验的多目标优化设计方法, 能获得最佳的工艺组合方案。试验证明该方法可行实用。

预成形模具设计 篇2

摘要：本文考虑两个源节点通过多个中继节点互相交换信息的无线通信系统，同时在系统中存在一个窃听者。本文研究中继协作系统波束成形技术，提出鲁棒优化模型。在合法用户和非法用户接收信号的信干噪比（SINR） -定的情况下，考虑目标为最小化的中继节点和源节点的总功耗。考虑窃听者的信道状态信息（CSI）不完全确定的情况，估计窃听者的CSI的范围，并且优化出该范围内模型的最优解。文中推导了优化模型的求解方法，并且将该问题转化为带有四个约束的半定规划（SDP）问题，通过寻找SDP问题的秩一解，求得原问题的最优解，得到中继协作波束成形向量。最后，提供了仿真结果验证了算法的有效性。

关键词：物理层安全；鲁棒性；半定规划（SDP）；估计误差

中图分类号：TN925+.3

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.09.001

0 引言

在无线通信中，由于无线媒介的开放性，物理层安全技术引起了重大关注，即利用无线信道的物理特性来保证消息传输安全。传统的加密方法，在网络协议栈的上层采用各种加密算法需要以很大的计算量为代价。最初的安全通信的概念可以追溯到1970年代Wyner等人给出了保密能力的概念，使不依赖于信号加密而创建安全传输成为可能。

随着保密能这一概念在各种信道下的推广，复合天线系统中的安全安全利用空间维度来提高保密功能最近吸引了大量的关注，研究了单输入多输出（SIMO），多输入单输出（MISO），和多输入多输出（MIMO）信道。协作中继系统通过中继节点之间的协作延长通信距离，提高通信质量传输速率，可以被看作MIMO网络安全传输的自然延伸。中继传输协议常见的三种，放大并转发（AF），解码和转发（DF），压缩和转发（CF），在考虑保密功能时通常使用放大并转发（AF）协议。

大部分物理层安全的研究工作都是在假设信道状态信息（CSI）已知，然而这种假设很多时候是不合理的。在窃听信号完全不知道时，利用人工噪声（AN）的方案发送干扰信号干扰窃听者。然而这种方法会带来很大的功耗。本文的关键点在于：考虑了在窃听者信道信息不完全已知的情况下，估计窃听者的信道信息的范围，并且化出该范围内模型的最优解。

1 系统模型

1.1 问题描述

考虑两个源节点S₁，S₂通过中继节点R_n，n=1，…，N互相交换信息的无线通信系统，同时在系统中存在一个窃听者。窃听者可以消极窃听来自中继节点的信号，窃听者的目的是窃听源节点发出的消息。并且在该双半工中继系统中所有的节点都是单天线。在该模型中，两个源节点通过中继交换机密消息，中继采用放大并转发（AF）策略。双向传输包含两个阶段多接入信道（MAC）阶段和广播信道（BC）阶段。假设该系统为时分双T（TDD）模式系统具有上下行信道的互惠性。

从图（2）中可以看出，随源节点安全阈值需求逐渐增大，窃听者窃听到信号的信干噪比（SINR）总能得到限制在OdB左右，而源节点接收到的信号的信干噪比（SINR）逐渐增多。并且从图中可以看出，加入鲁棒条件后的模型所求得的波束成形向量使源节点接收到的信号强度更大，同时抑制干扰，并且鲁棒条件所带的这种优势在γ取值较小时更明显。

从图（3）中可以看出，随初始功率P逐渐增大，窃听者窃听到信号的信干噪比（SINR）总能限制在OdB左右，而源节点接收到的信号的信干噪比（SINR）逐渐增多。并且从图中可以看出，加入鲁棒条件后的模型所求得的波束成形向量使源节点接收到的信号强度更大，同时抑制干扰，并且随初始功率P逐渐增大，鲁棒条件所带的这种优势更明显。

4 结论

预成形模具设计 篇3

管材液压胀形工艺具有简化制造工艺、减轻制件质量、提高制件强度刚度等优点, 已经广泛用于航空、航天和汽车等领域。针对形状复杂的管类件, 需要先对初始管坯进行预成形, 再进行液压胀形成形。文献[1]用商业有限元软件数值模拟了预成形管在不同的内压与轴向进给条件下的液压胀形, 研究了预成形对液压胀形成形性能的影响, 预测了极限变形, 并与无预成形管进行了比较。文献[2]用有限元法分析了椭圆弯管在旋转式拉弯机上的成形过程。苑世剑等[3]关于轿车副车架液压胀形进行了大量的研究, 将预胀形管坯横截面压制成凹曲线状, 有效减小了成形时的液体胀形压力。

汽车桥壳属异型截面复杂管类件, 要求有较高的强度刚度, 选择无缝钢管用液压胀形制造, 理论上科学合理。20世纪80年代, 日本学者用液压胀形方法试制出微型汽车桥壳样件[4,5], 取得一些宝贵经验。本世纪初, 有学者针对微型汽车桥壳的液压胀形过程进行了数值模拟[6]。燕山大学在汽车桥壳半滑动式液压胀形的工艺理论、成形技术等方面做了一定的研究[7,8]。目前, 液压胀形工艺尚无法用于汽车桥壳的工业化生产, 主要在于其形状复杂, 难成形, 胀形压力大, 壁厚减薄量大。

近期, 燕山大学提出了胀压成形汽车桥壳的工艺:选择一定规格的无缝钢管, 先将其两端缩径, 中间部分液压胀形, 得到轴对称的预成形管坯, 内部充液后再用模具压制成形, 得到异型截面的样件。本文结合某小型汽车桥壳模拟样件, 着重分析了预成形管坯压制成形的变形过程以及壁厚的分布。

1 小型汽车桥壳样件胀压成形工艺简介

选择某小型桥壳, 研究胀压成形工艺过程。该桥壳总长1050mm, 中间截面最大高度212mm, 两端部分外径67mm, 受到液压机开间的限制将原桥壳两端直臂部分长度分别缩减290mm, 桥壳样件总长度为470mm, 如图1所示。选用初始直径102mm、壁厚5.5mm的20无缝钢管, 两端缩径中间部分液压胀形后得到轴对称状的预成形管坯 (图1b) , 去应力退火后再对其内部充液, 外部用模具进行压制, 成形为异型截面的桥壳样件 (图1c) 。

2 压制成形变形分析

2.1 横截面变形分析

截取管坯中间横截面 (仅绘出外表面) , 分析桥包部分最大截面的变形过程, 如图2所示。图2a所示为压制开始状态, 管坯外圆上除b点、c点与上模接触, e点、f点与下模接触外, 其余部分均未与模具型腔贴模, 其中左段圆弧be的g点, 右段圆弧cf的h点靠近左侧模、右侧模, 而上段圆弧bc的a点、下段圆弧ef的d点距离上模型腔、下模型腔较远。

压制时, 左侧模、右侧模先运动到位后 (图2a) , 上模向下运动、下模向上运动。上段弧bc两端受到模具压缩向下运动, 中间部分在液体内压作用下向外扩张, 逐渐靠向上模型腔, 壁厚不断减薄;下段ef逐渐靠向下模型腔。

左段弧be受到压弯, 上下端相向运动不断靠近, 中间部分向外扩张, 遇到侧模阻碍后, 原来的一段圆弧变成一段竖边和上下两段弧 (图2b) ;随着上下模的进一步运动, 上下两段圆弧进一步被压弯, 其曲率半径不断变小, 并逐渐出现水平直边, 同时竖边变长, 其壁厚减薄;右段弧cf的变形与左段be的变形类似。

上下模运动到位时 (图2c) , 横截面左右两侧的直边、圆角均已成形;上段弧b2c2、下段弧e2f2仍未贴模, 需通过增加液压, 使其进一步胀形直至贴模, 同时壁厚进一步减薄, 其中a3点、d3点壁厚最小。

由桥包部分横截面压制过程中的变形可知, 上下段圆弧主要发生胀形, 壁厚不断减薄;左右段圆弧的变形属于在内压作用下的折弯, 以折弯为主以胀形为辅。管坯横截面的大小对成形性的影响至关重要。

预成形管坯横截面大小合适时, 左右侧的过渡圆角大小合适, 直边部分轮廓清晰, 过渡圆角部分的壁厚增厚, 竖边部分壁厚略减薄;上下段圆弧经过适当胀形扩径, 壁厚减薄。若预成形管坯横截面过小, 上下段圆弧的胀形量大, 壁厚减薄量大, 易胀裂;左右段圆弧成形中亦需一定的胀形, 壁厚仍有一定的减薄, 需要的液体压力应适当增大。若管坯的横截面过大, 上下段圆弧的胀形量小, 但左右段圆弧压弯时, 过渡圆角过小, 上下模压制力大, 甚至压不到位。

假定预成形管坯桥包部分的周长Ly与样件对应横截面周长Lw存在一定的比例关系, 即

其中, k为截面系数。有限元模拟及试验研究表明, 当截面系数k=0.96~0.98时, 压制时样件的成形性较好。

2.2 纵截面变形

截取过轴线及桥包部分上下盖最高点的纵向截面 (仅绘出外表面) , 分析其变形过程。图3a所示为压制开始状态, 管坯纵截面上只有j点、m点与上模型腔接触, q点、s点与下模型腔接触。压制时, 管坯上j点、m点附近区域被上模压下, 斜线ij段、mn段的斜度逐渐减小直至被压平, 弧jm在液体内压作用下向外扩张, 逐渐靠向上模型腔, 同时壁厚不断减薄。轴线下方, oqrst的变形亦类似。

上下模压制到位时 (图3b) , 上段弧j1m1、下段弧q1s1仍未贴模, 需通过增加液压, 使其进一步胀形, 直至贴模, 同时壁厚进一步减薄, 其中k1点、r1点壁厚最小。

综合管坯横截面、纵截面上的变形, 可知桥包部分的前盖、后盖部分, 在上下模运动到位后, 均需增加液体压力胀形扩径贴模, 致使壁厚减薄量较大, 若控制不当容易开裂, 如图4所示。

3 压制成形有限元模拟

针对图1所示的胀压成形工艺, 使用有限元分析软件ANSYS模拟初始管坯的缩径及液压胀形制坯过程, 得到预成形管坯 (图1b) 后, 再模拟压制成形过程。鉴于预成形管坯结构对称, 只建立1/4模型进行分析。使用Solid45单元对预胀形管坯进行网格划分, 建立刚-柔接触, 通过在管坯内部施加压力载荷在模具上施加位移来模拟管坯的预胀形压制成形过程。

图5所示为预成形管坯压制成形时的有限元模型。压制时下模及侧模不动, 上模自初始位置下压53mm至上下模最小间距为67mm时合模。压制时内压p0按下式确定:

式中, t1为预成形管坯最大外径处壁厚的平均值, 其值为4.0mm;d1为管坯的最大外径, 其值为207mm;σs为材料初始屈服极限, 其值为320MPa。

上模压下1/3行程时, 桥包部分已初见一定的轮廓;上模压下2/3行程时, 桥包部分轮廓已经部分成形, 前后盖尚未贴模, 过渡圆角较大;上模运动到位后, 即上下模合模时, 桥包部分轮廓已经成型, 过渡圆角尺寸基本到位, 但前后盖尚未贴模 (图6) , 其中前盖与上模型腔的最大间距为7.58mm, 后盖与下模型腔的最大间距为4.07mm。合模后, 将液压增至40MPa, 得到了外形轮廓清晰的样件 (图7) , 横截面过渡外圆角半径达到8mm。

改变压制成形过程中管坯内液体压力, 模拟成形过程, 结果表明:随着内压的减小, 上下模合模时桥包部分前后盖与上下模型腔的间距增大, 校形时需要的压力增大;无内压时, 前盖处的最大间距为10.04mm, 后盖处的最大间距为7.20mm, 内压大于80MPa时前盖方能贴模, 前盖胀形量大, 壁厚减薄量大, 极易发生图4所示的胀裂。

4 压制成形试验

4.1 压制成形模具

在YA32-315液压机上进行初始管坯的缩径、胀形试验, 得到预成形管坯, 再对其内部充液并用模具进行压制, 得到异型截面的样件。压制成形模具 (图8) 主要由前模块14、后模块9、上模块15、下模块16、左压头4、右压头12组成。上模块15、下模块16分别固定在液压机的活动横梁及工作台上, 下模块16两侧的前模块14、后模块9之间用4个横拉杆通过螺母连接。管坯10两端的左压头4、右压头12之间用纵拉杆1联接通过螺母紧固保证管端密封。纵拉杆1与左右压头之间有O形密封圈。左压头上安有充液管接头, 右压头上有泄压阀及压力传感器。

4.2 压制成形过程

先将左压头4、右压头12装在管坯10上, 紧固纵拉杆1两端的螺母2;将装好压头的管坯组件放到下模块上;装入横拉杆7, 紧固螺母8, 直至前模块14、后模块9靠在下模块的侧面上;向管坯10充液;上模块15压下, 直至合模。压制中泄压阀11的初始压力设定为12MPa, 合模后压力增加至40MPa, 得到桥壳样件, 如图9所示。与传统液压胀形工艺制造的桥壳样件[7,8]相比, 胀压成形桥壳样件轮廓清楚, 横截面过渡小圆角贴膜性好, 而且成形所需的最高液体压力仅为40MPa, 明显小于前者的100MPa。

1.纵拉杆2.螺母3.密封圈4.左压头5.垫片6.充液管接头7.横拉杆8.螺母9.后模块10.管坯11.泄压阀12.右压头13.压力传感器14.前模块15.上模块16.下模块

4.3 样件壁厚分布

针对压制成形样件, 用过其轴线且相互垂直的水平面 (x面) 、铅直面 (y面) 及轴向中间横截面 (z面) 将样件剖开 (图10) , 分别测量三个面上的壁厚。沿轴向由内到外每间隔10mm选点测量x面、y面上壁厚;在横截面上, 从x面起始向y面方向, 每间隔8mm (曲线长度) 选取测量点, 测量20个点处的壁厚。

(1) 纵向截面上壁厚。y面上壁厚变化曲线如图11a所示, 中间桥包部分壁厚减薄, 最小壁厚为3.82mm, 较初始壁厚5.5mm减小30.55%;端部缩径部分壁厚增厚, 最大值为7.80mm, 较初始壁厚5.5mm增大41.82%。x面上壁厚分布趋势与y面上大致相同, 桥包部分壁厚略小。

(2) 横截面上壁厚。z面上壁厚变化如图11b所示。对应图1cA-A截面, 过渡圆角处壁厚大于直线段及大圆弧段的壁厚。过渡圆角处的最大壁厚为4.60mm, 大圆弧段中间点处的壁厚最小, 其值为3.78mm, 较最大壁厚小17.83%。

由图11中的有限元模拟样件的壁厚分布可知:有限元模拟结果与试验结果趋势相同, 鉴于试验样件初始管坯壁厚存在一定的偏差, 与试验值相比模拟值存在一定差异, 横截面上的壁厚最大差值为5.3%, 纵截面上的最大壁厚偏差为5.4%。

5 结论

(1) 理论分析与有限元模拟表明, 预成形管坯压制成形汽车桥壳样件的过程中, 桥包部分的前盖、后盖部分进一步发生胀形, 轴向、周向上产生伸长变形, 壁厚减薄量大;其他部分的变形以折弯为主, 预成形管坯大小适当, 则其成形效果好, 轮廓清晰, 过渡小圆角合适。

(2) 对压制成形桥壳样件研究结果:在纵向剖面上, 端部缩径部分壁厚增厚, 最大增厚量为41.82%, 中间桥包部分壁厚减薄, 最大减薄量为30.55%;在中间横截面上, 过渡圆角处壁厚较大, 大圆弧段的壁厚较小, 最小壁厚值较最大壁厚小17.83%。

(3) 汽车桥壳的胀压成形工艺, 初步解决了该类件传统液压胀形时存在的成形性不好、壁厚分布不科学、胀形液体压力大的瓶颈问题。

摘要：介绍了小型汽车桥壳样件胀压成形的工艺, 针对两端经过缩径、中部经过液压胀形得到的轴对称状预成形管坯, 其内部充液后用模具压制成形桥壳样件的过程, 定性分析了横截面、纵截面的变形, 揭示了变形机理以及壁厚的变化规律, 探讨了桥包部分横截面大小对其成形性的影响。通过有限元模拟和工艺试验, 进一步考察了管坯压制成形工艺的成形性, 并定量分析了壁厚的分布情况。研究结果表明:轴对称状的预成形管坯压制成形异型截面的汽车桥壳样件时, 样件成形性好, 壁厚分布较好, 成形过程中所需液体压力低。

关键词：汽车桥壳,胀压成形工艺,预成形管坯,变形分析,壁厚分布

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预成形模具设计 篇4

多输入多输出 (MIMO) 系统下行链路中, 脏纸编码 (Dirtypapercoding, DPC) 可实现理论容量[1,2], 但因复杂度过高和对信道误差过于敏感而阻碍了其在实际系统中的应用。迫零波束成形 (Zero-forcingbeamforming, ZFBF) 、块对角化 (Blockdiagonalization, BD) 编码等可实现大比例的DPC容量, 同时具有较低的复杂度[3], 但这些方案中以发射端已知完美的信道状态信息为前提的假设是不切实际的, 因而, 一些基于有限反馈的用户调度及ZFBF的预编码[4]被提出。随机波束成形 (Random beamforming, RBF) 方案[5]进一步实现了低速率反馈。当用户数K很大时 (密集网络) , RBF可反馈实现完美发射端信道状态信息 (Channelstate information at transmitter, CSIT) 下的MIMO广播信道容量;然而, 其性能随用户数的减少而迅速下降, 并且随着发射天线数的增加, 性能下降得更加明显[6,7]。文献[7,8]针对低到中等用户量情况, 提出了一种增强型RBF发射方案, 该方案首先基于正交的RBF确定初步选定的用户, 然后利用选定用户反馈额外的信道质量信息, 最终确定波束选择。

把RBF与有限反馈的ZFBF结合, 提出了新的波束成形方案, 与文献[7]相比, 增加了信道方向性信息而减少了信道相对其它波束的质量信息。在基本不增加系统总反馈量的前提下, 可进一步提高系统和容量。

1 系统模型

考虑多用户多天线通信系统的下行链路, 一个配置M根天线的基站, K个单天线用户, K≥M。假定各用户信道服从独立同分布, 经历准静态块衰落信道。

若系统选定的用户个数为B, 满足1≤B≤M, 用户集合表示为。对于用户k∈U, 接收信号yk可表示为

式 (1) 中pk为第k个用户的发射功率, 满足P, P为总发射功率约束;hk为第k个用户的1×M信道向量;wj为第j个用户的M×1波束成形向量;sj为第j用户的发射符号;nk为第k个用户的加性高斯噪声, 其方差为1。

1.1 RBF预编码

RBF方案是利用与信道具有同分布的随机编码构成波束成形向量, 若每个用户只被允许利用lg2M位量化信道方向信息 (Channeldirectioninformation, CDI) 时, 最优选择的随机生成码本相互正交。令正交波束成形向量为矩阵W=Υ=[φ1, …, φB]的列向量, φj∈CM×1, j=1, …, B。CM×1表示元素为复数的M×1维向量。设采用等功率发射, 用户k对应波束向量φj的信干噪比 (SignaltoInterference plusNoiseRatio, SINR) 为

用户端计算出遍历全部正交波束的最大SINR, 然后把该值及相应的波束序号反馈给基站。基站根据全部用户反馈, 把波束分配给具有最大SINR的用户。系统实现的和速率为

1.2 有限反馈的ZFBF预编码

考虑随机向量量化方案[4], 每个用户对应不同的由单位范数列向量构成的码本, 且每个用户均与基站共享码本, 第k个用户的码本表示为其中。

令第k个用户的CDI为 , 采用弦距离准则[9]对h k进行量化

确定量化码字后, 把量化码字向量的序号反馈给基站, 每个用户需要α位。

令为选定用户的量化信道矩阵, 信道量化矩阵的右伪逆为。令…, B, 为Q+的第k列向量, 则规范化的波束成形向量为。

采用等功率加载时用户k的SINR可表示为

在高斯编码和最小距离解码情况下, 可实现的用户和速率为

2 联合RBF和ZFBF的多波束选择

2.1 多用户多波束选择策略

借鉴文献[7]所提出的增强型RBF预编码方案, 把ZFBF与RBF联合应用, 在RBF用户选择的基础上, 利用附加反馈实现ZFBF, 称之为RBF-ZF-BF算法, 实现策略如下:

首先, 基于RBF, 用户端根据其信道信息和正交随机波束, 利用式 (2) 计算SINR, 把得到的最大SINRk, j及其对应的波束序号j反馈给基站, 基站从全部用户的反馈中选择出与各正交波束相对应的具有最大SINR的用户, 也就是, 由式 (3) 选择出具有最大和速率的用户集合U={1, …, B};1≤B≤M。

然后, 基站通知初选用户集合U={1, …, B}中的用户进行附加信息反馈, 文献[7]要求被选择用户k附加反馈其相对所有B个波束增益信息hkφj2, j=1, …, B。与其不同的是, 这里要求用户反馈信道质量信息 (Channelqualityinformation, CQI) 和量化的CDI信息。用户根据与基站共同已知的单位范数码本, 由式 (4) 得到其量化的CDI。CQI的反馈方案在2.2节给出。

最后, 在基站利用贪婪波束选择算法, 根据CQI和CDI反馈确定最终选择的波束, 并利用ZFBF方案进行波束成形。贪婪波束选择算法见2.3节。

2.2 CQI反馈方案

有限反馈下, 基站只能通过估算得到用户的SINR, 除了需要量化的CDI完成波束成形, 还需适当的CQI反馈, 以便完成最终的波束选择。

定义为CDI向量hk与量化向量qk间的夹角, 有。把CDI向量进行正交分解可得

式 (7) 中ek为量化误差, 即从而有。

令则由式 (5) 和式 (7) 可得

在式 (8) 中, 由于故 (a) 的左端分母中

由文献[9]的推论2, 满足参数为 (1, M-2) 的β分布, 期望值为1/ (M-1) 。并且根据琴生不等式可知, 针对凹 (下凸) 函数f (x) 有:E[f (x) ]≥f (E[x]) 。令考虑式 (8) 的期望值可得

在式 (9) 中, (a) 的左式分子忽略了在 (b) 的左式分母中, 利用 (当1<B≤M) 。令

则。

2.3 波束选择的贪婪算法

在CQI反馈的基础上, 基于和速率逐增的思想实现贪婪波束选择, 算法基本步骤如下。

1) 初始化选定用户集为用户全集为

2) 从备选用户集确定一个欲增加用户, 该用户由式 (11) 判定

式 (11) 中的U Sn-1表示从用户集U中去除已选定用户集Sn-1得到的备选用户集。

3) 若RZF (Sn-1∪sn) ≤RZF (Sn-1) , 令S=Sn-1, 终止计算, 输出S;否则, 令Sn=Sn-1∪{sn}, S=Sn。

4) 若n<B, 令n=n+1, 并返回步骤2) ;否则终止计算, 输出S。

2.4 系统上行链路反馈特征分析

在RBF-ZFBF、文献[7]方案 (以下称之为增强型RBF方案) 中, 初次反馈量相同, 区别仅在于附加反馈量。设Q为CQI标量值的量化值个数, N为CDI的量化码本长度, 则增强型RBF的附加反馈量为B 2lg2Q;而RBF-ZFBF的附加反馈量为B (lg2N+lg2Q) 。RBF-ZFBF与增强型RBF的反馈位数差值为Δ=B[α- (B-1) lg2Q], 其中α=lg2N。Δ与信道向量的量化码本的长度、标量量化码本的长度以及初选波束个数有关。以基站配置4根发射天线、波束数B=4为例, 当CQI量化位数lg2Q=4, CDI量化位数α=12时, Δ=0, 即RBF-ZFBF与增强型RBF具有相同的系统上行链路反馈量。

3 仿真

在本节中采用MonteCarlo仿真评价RBF-ZFBF的性能。用户与基站间的信道为准静态的平坦瑞利衰落。用户配备单根天线, 设基站发射天线数为4。并在仿真中把RBF-ZFBF算法与增强型RBF算法以及RBF算法进行比较。在仿真中, ORBF的SINR、增强型RBF的波束增益信息和RBF-ZFBF的CQI等标量, 均采用未量化的理想值。

图1中, 给出了SNR=20dB, 不同CDI量化位数时系统和容量随用户数变化曲线。可以看出, 在CDI量化位数α=10或12时, RBF-ZFBF算法的系统和容量均明显优于增强型RBF算法。在系统用户数K=20时, RBF-ZFBF (α=12) 和RBF-ZFBF (α=10) 的和容量分别优于增强型RBF算法3.0bps/Hz和1.4bps/Hz。

图2中, 给出了用户数K=20, 系统和容量随信噪比的变化。RBF-ZFBF (α=12) 在仿真的信噪比范围内始终优于增强型RBF算法;RBF-ZFBF (α=10) 在SNR小于27.7dB的范围内, 和容量大于增强型RBF算法, 但当SNR大于27.7dB时却劣于增强型RBF算法。当系统和容量为10bps/Hz时, RBF-ZF-BF (α=12) 和RBF-ZFBF (α=10) 的和容量分别优于增强型RBF算法9.3dB和5.7dB。

综合图1和图2可知, 在CDI量化位数为12时, RBF-ZFBF的和容量性能在各系统用户数和SNR下均明显优于增强型RBF的算法。不过, 由于对标量反馈没进行量化处理, 增强型RBF算法在高SNR时, 和容量随SNR增加更快。

图3给出了RBF-ZFBF算法和增强型RBF算法的最优波束数与系统用户的关系图。随着用户数的增多, 最优波束数逐渐增大, 在相同用户数下, RBF-ZFBF算法的最优波束数更大, 可同时与更多的用户建立通信链路。

4 结论

针对MIMO广播信道的空分多址 (SDMA) 系统提出了联合随机波束成形 (RBF) 和迫零波束成形 (ZFBF) 的预编码策略, 在RBF方案的上行链路反馈基础上完成用户初选, 然后要求选中用户附加反馈信道方向信息 (CDI) 和信道质量信息 (CQI) , 利用CQI实现波束选择, 并结合ZFBF实现下行链路预编码。该波束成形策略在RBF低速反馈的基础上, 仅要求初选用户附加反馈更多信息, 系统总体上行反馈量较小, 与增强型RBF方案相比, 在基本不增加上行反馈量的基础上, 和容量得到提升。

摘要：随机波束成形 (RBF) 在系统用户足够多时, 具有与最优预编码方案相同的容量尺度。当系统用户少时, 性能却下降严重。针对该问题, 提出了联合RBF和迫零波束成形 (ZFBF) 的广播信道预编码方案。该方案利用RBF实现用户的初步调度, 然后要求初选用户附加反馈量化的信道方向信息 (CDI) 和信道质量信息 (CQI) , 在基站根据CDI和CQI反馈完成最终波束选择和ZFBF预编码。仿真结果表明, 所提出的预编码方案, 与现有的增强型RBF相比, 在基本不增加上行链路反馈量的前提下, 可明显提高系统和容量。

关键词：随机波束成形,迫零波束成形,多用户,广播信道,多输入多输出

参考文献

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[3]Yoo T, Goldsmith A.On the optimality of multiantenna broadcast scheduling using zero-forcing beamforming.IEEE J Select Areas Commun, 2006;24 (3) :528—541

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[8]韩锋, 刘应状, 朱光喜, 等.基于正交随机波束成型的多用户多波束选择策略.华中科技大学学报 (自然科学版) , 2008;36 (5) :9—12

油壳成形工艺及模具设计 篇5

关键词：机械制造,拉深,油壳,模具设计

1 零件分析

图1所示汽车油壳零件,出口美国,需求数量非常大(20万件/月)。传统工艺为落料—拉深—旋切修边—旋压筋—压筋—电镀。由于零件口部尺寸要求高,但在装夹过程中变形难以克服,废品率约为20%。由于3、4工序专机效率低,生产批量无法提升。经对零件结构分析,将其改为全冲压方法加工。经实践证明,工艺可行性好,效率高,成本低,经济效益显著。

2 工艺分析及工艺方案的确定

冲压工艺与切削、旋压加工相比,具有生产效率高,互换性强,产品合格率高等优点。把切削、旋压改为冲压,目的是提高生产率,降低成本,增加经济效益。但需具备如下条件:(1)改进后不降低产品使用性能;(2)具有相当的生产批量;(3)制品应具有良好的冲压工艺性。经分析,油壳原旋切及旋压工序,可采用挤切(模具完成)、压环(利用薄壁圆筒件侧壁受压失稳性能)等冲压工序完成。即旋压筋、压筋合为一道压环工序,落料、拉深复合为一道落料拉深复合模完成。5道工序变为了3道纯冲压工序,新工艺为:落料拉深—挤切修边—压环。零件需求量大,具备冲压生产条件。

3 模具结构

3.1 落料拉深模

落料拉深模如图2所示,采用左右对称滑动导向模架正装式结构。其工作过程:开模状态下,先将条料放入导料板12中、凹模13上,压力机滑块下行。凸凹模5进入凹模13中落外圆。上模继续下行,在压料圈7压料作用下,凸模6进入凹模5,使工件逐渐拉深成形,当压力机到达下死点,工件成形,压力机回程。工件留凸凹模内,压力机回道上死点时,在打料杆1及打板4作用下,工件退出凸凹模,完成第一道工序的加工。工艺难点:(1)压料力应足够大且分布均匀,保证工件成形不起皱、开裂。(2)为保证工序件外观质量,凸凹模及拉深凸模淬火硬度应达到HRC60~62,圆弧过渡光滑。为增加模具使用寿命,凸凹模及凸模需表面镀硬铬处理,处理后不但制件外观质量高,模具使用寿命也提高一倍以上。

3.2 挤切修边模

挤切修边模是将一工序件凸缘修除,修边后工件成杯形,为三工序件压环作准备。此模结构为一类标准正装冲孔模。工作过程:开模状态下,将一工序件放入凹模。压力机下行,首先压料板压住凸缘部分,压力机继续下行,在到达下死点时,在凸模与凹模共同作用下,凸缘被挤切掉,二工序件漏出凹模。压力机回到上死点,用工具取出废料,本工序完成。

工艺难点:(1)压料力须足够大,保证在挤切前完成拉深工序造成的R角校型,保证挤切后工件端面部呈锋利刃口形状。(2)凸模与凹模间隙取值合理,约为正常冲裁间隙的1.5~1.8倍。(3)凹模漏料锥度足够大,保证凹模内不存料,为下次操作作准备。

3.3 压环模

压环模如图3所示,采用左右非对称式滑动导柱模架,正装式结构,用于完成尴56.88mm圆环成形、尴50.54±0.1mm整形,以及口部R0.5mm尺寸成形。工作过程:开模状态下,将二工序件放入下模9内,滑块下行,工件进入上模8内,同时凸模4进入工件内腔,压力机到达下死点时工件成形。压力机回程,工件留在上模8内,滑块到达上死点时在打杆1及卸料块5的作用下,工件退出上模,完成三工序加工。工艺难点:(1)为使工件顺利进入上模8内,上模须做成锥形,锥度为2~3度。(2)为保证尴50.54±0.1mm尺寸整形时,采用变薄缩口工艺,使工件口部产生塑性变形,以免产生回弹超差。(3)为使尴55.88mm圆环顺利成形,本处利用了杆失稳原理,为保证圆环顺利向外成形,工件内腔须填实。

4 结束语

通过对油壳冲压工艺的探索、改进,在杯形冲压件上探索出一套较为成熟的新工艺,与老工艺比较更为适合大批量生产的要求。同时,新工艺不论在经济效益及社会效益上均取得良好效果。新工艺技术,不仅使制造同类冲压件时,降低了工装设备及操作人员素质的要求,而同时产品品质及其在市场上的竞争力大大提高。目前,本项革新工艺在同行业生产制造同类件中处于领先,值得大力推广应用。

参考文献

[1]陈锡栋.模具设计应用实例.北京:机械工业出版社,1996.

[2]姜奎华.冲压工艺与模具设计[M].北京:机械工业出版社,1995.

[3]丁聚松.冷冲压设计[M].北京:机械工业出版社,1998.

[4]陈建军,李明哲,等.板类件分段成形技术及其应用.锻压装备与制造技术,2004,39(1):31-33.

成形刀具的自动设计 篇6

初始化模块的主要功能是调用被加工工件的零件图, 从工件零件图上选择被加工表面的投影, 自动生成工件廓形数据文件。刀具设计模块由四个部分组成:棱体成形车刀设计模块、圆体成形车刀设计模块、前角P=0的成形铣刀设计模块、前角P>0的成形铣刀设计模块, 完成由工件廓形的数据文件生成刀具廓形数据文件, 并设计、计算刀具的结构。刀具零件图生成模块也由四个部分组成, 分别完成上述四种刀具零件图的自动生成。根据刀具设计模块设计出的刀具廓形数据和结构形状及尺寸, 能参数化地绘制刀具零件图。刀具廓形数控加工代码生成模块主要根据刀具设计模块提供的刀具廓形数据, 自动生成加工刀具廓形的数控加工代码。

使用者利用本系统设计成形刀具要做的工作仅仅是选择被加工工件的零件图, 交互地输入和选择少量数据, 点取有关菜单和命令按钮, 便可轻松自如地完成刀具设计的全部工作。使用本设计系统, 刀具设计精度高, 设计周期短, 设计人员劳动强度低。本系统设计采用集成化思想, 将被加工工件的设计及加工该工件的成形刀具的设计集成在一起, 对企业实现计算机集成制造系统 (CIMS) 也具有十分重要的意义。

本系统为微机CAD系统, 能为所有具有成形刀具设计、制造工作和任务的企业、单位使用。系统运行环境简单, 硬件环境:586以上微机, 内存16MB或以上, 硬盘应当有80MB空闲空间;软件环境:Windows95或以上。系统界面采用Windows 95风格, 提供各种使用工具, 操作简单方便。

单位:南通大学21号信箱

地址:江苏南通青年东路40号

邮编:226007

防尘盖成形工艺分析及模具设计 篇7

图1所示为运输机上主轴两端的防尘盖, 料厚1mm, 材料为08F, 主要起到防尘密封作用。零件是盒形件, 带凸缘。生产批量为大批量。

1. 加工工艺方案的确定

根据零件的结构特点, 有如下几种成形工艺:

1.1 采用多个工序模进行生产: (1) 落料——拉深——切边

此方案需要三副模具, 缺点有: (1) 模具的制造费用高; (2) 零件的生产效率低; (3) 工序件的定位误差大; (4) 由于存在切边工序, 材料利用率低, 而且切边的质量不易保证, 这对大批量生产的产品显得更为突出。故此方案不合适。

1.2 采用多工位级进模进行生产, 生产此零件共需2个工位, 第1工位落料拉深 (复合) , 第2工位切边。

此方案最大的缺点是材料利用率低, 两工位间的搭边至少要有10mm, 定位精度低, 而且切边的质量不易保证, 故此方案也不合适。

1.3 采用复合模生产一个工位同时完成落料、拉深和切边3个工序。

此方案模具结构简单, 模具制造费用低, 零件的生产效率高, 采用带料连续送进, 使得材料利用率高, 料与料之问的搭边只有2～3mm, 更重要的是生产出的零件精度较高, 切边质量好, 故此方案为较佳方案。

2. 冲压工艺参数的确定

2.1 毛坯尺寸的确定

根据零件的形状, 两端分别按带凸缘的筒形件展开, 中间部分按U形件弯曲展开计算, 毛坯的展开形状为长圆形。

2.2 工艺参数确定

由于该零件两端的大小与深度不同, 大端的成形比较困难, 所以计算时应以大端的尺寸作为计算依据, 确定拉深工艺参数, 通过计算得知此零件可以一次拉深成形。

3. 模具结构与工作过程

1.橡皮2.螺杆3.顶杆4.垫板5.浮动切边凸模6.拉深凸模7.浮动拉深凹模8.卸料螺钉9.推件板10.螺钉11.模柄12.推杆13.强力弹簧14.承压板15.上模座16.垫板17.固定板18.凸凹模19.卸料板20.压边圈21.落料凹模22.独立导柱导套23.下模座24.支撑板25.橡皮

3.1 模具结构

模具采用正装复合模结构, 装在复合模上模部分的凸凹模18通过凸凹模固定板17、垫板16与上模座15固定在一起。装在下模部分的落料落料凹模21与拉深凸模6通过垫板4用螺钉与定位销与下模座23固定在一起。

上、下模采用独立的导柱导套导向, 导柱布置在两侧中线位置。

采用浮动拉深凹模结构解决了型腔制造工件脱模的困难, 改善了模具的排气性能。

在冲裁后, 为了完成推件与卸料, 在上模部分还装有由卸料板19、卸料螺钉8与弹簧组成的弹性卸料装置, 由推杆12与推件板9所组成的刚性推件装置。而在下模部分则装有由顶杆3、支撑板24与橡皮25组成的弹性顶件装置。由于顶杆与卸料板均是弹性的, 条料与冲裁件都同时在压平状态下冲裁, 拉深, 能达到平整要求, 且冲裁精度较高。

模具在拉深过程中, 为防止凸缘起皱, 需要压边力, 但防护盖两端大小深度不同, 为了保证在拉深过程中材料各个部分流入凹模洞口的速度一致, 防止底部拉裂, 在安装在下模的弹性元件橡皮1与橡皮25性能上有差别。橡皮1提供的压边力大于橡皮25提供的压边力, 从而使得两端的材料流入凹模洞口达到一致。

3.2 工作过程

如图所示, 冲裁时, 从正面手动送进条料, 条料放置在落料凹模上, 依靠挡料销定位。上模下行时, 卸料板19先接触到板料, 装在卸料螺钉8上的弹簧被压缩产生压料力, 凸凹模18进入凹模21完成落料, 上模继续下行, 拉深凸模6进入浮动拉深凹模7, 完成大小端深浅不一致的凸缘件拉深, 在这一过程中, 强力弹簧13不压缩, 上模继续下行, 浮动切边凹模5碰到垫板4不能下行, 上模再继续下行, 强力弹簧13开始压缩, 凸凹模18下行, 完成切边工艺。回程中橡皮25弹性恢复, 迫使顶杆3将冲件和切边废料从下模顶出, 上模继续上行, 冲床的横梁推推杆12, 推杆12再推推件板9将冲件从上模顶出。

4. 结束语

模具试冲出的零件毛刺极小, 产品断面平整光滑, 生产效率高, 成本低, 较好的解决了工件两端大小深度不一, 底部易拉裂的问题, 达到了预期目标。

摘要：通过对运输机主轴防尘盖的结构与尺寸精度的分析, 提出了几种加工工艺方案, 对各方案进行了论证, 最终确定了采用复合模成形该零件, 同时还介绍了生产防尘盖模具的结构和设计要点, 实践证明该模具成形的零件毛刺小, 生产效率高, 成本低, 较好的解决了工件两端大小深度不一, 底部易拉裂的问题, 达到了预期目标。

关键词：防尘盖,加工工艺,复合模

参考文献

[1]丁松聚.冲压工艺学[M].北京:机械工业出版社, 2001.

[2]郑可煌.实用冲压模具设计手册[M].北京:宇航出版社, 1992.

[3]刘建超.冲压模具设计与制造[M].北京:高等教育出版社, 2004.