萨克斯管成形技术及成形模具研究

2016-09-04 萨克斯艺术之家

针对国内乐器生产工艺及装备落后导致乐器质量不佳,在市场上没有竞争力的现状,以萨克斯管为对象,对其成形工艺及成形模具进行研究,采用CAD/CAM技术,对萨克斯管成形模具进行全数字化设计,并总结出新的成形工艺,为提高萨克斯管成形模具装备技术水平,提高萨克斯管成形质量提供技术支持。
本文在对萨克斯管建立数学模型的基础上,对其主要部件进行毛坯展开分析。提出针对其数学模型的毛坯展开方法,可以求出较精确的毛坯形状。同时将这种方法推广到同类型的钣金件毛坯展开中,针对轴线为复杂曲线的圆截面件,利用其数学模型可以较方便地求出其毛坯形状,缩短毛坯展开过程中的试验次数,提高生产效率。
针对提出的毛坯展开方法,提出了相应的算法,由于展开计算中数据量较大,采用在VB中编制计算程序。并在VB中调用OpenGL,解决了其数据匹配及环境的设置问题,利用开放的图形函数库OpenGL对得到的数据进行可视化处理,使其能够直观的显示毛坯展开的形状,为后续的开发提供了平台。
本文在研究分析传统的萨克斯管成形工艺的基础上,从提高成形自动化程度,提高劳动生产率的角度,针对传统工艺的缺陷,提出了新的成形工艺。在Pro/E中完成了适合新工艺的模具的全数字化设计。

第1章前言

1.1 课题研究的目的及意义

乐器存在于我国民间虽有几千年的历史，但是作为乐器工业而言，还是一个新兴的行业。改革开放之后，乐器工业正式纳入国家行业管理，中国的乐器工业在人才、技术、装备、产业规模和产品品质等方面实现了新的跨越。进入新世纪以来，随着中国经济的持续快速发展，人们生活水平得到了迅速的提升，中国乐器工业呈现出前所未有的良好态势。据不完全统计，2005年，中国西洋管乐器产量达到105.31万支，已经具备较大的规模。然而由于工业基础薄弱，自主创新能力不强，标准化水平低、体系不完善等原因，我国的乐器工业与欧美、日本等发达国家相比仍然有较大的差距。
萨克斯管作为西洋管乐器的一种，自1846年被阿道夫·萨克斯发明之后，在一百多年里迅速传遍世界各地，并在改革开放后风靡中国乐坛。萨克斯管的普及也带动了萨克斯管制造业的迅猛发展。国外大多数大型的乐器制造企业每年都推出一些略有不同的新式萨克斯管。一些大型乐器制造企业都投巨资配用昂贵的机械设备，改进形成工艺，从材料选择到板件成形工艺再到管体的抗拉、抗压强度试验以及最后的整体装配，基本上都有现代化科技的支撑，这种生产线制造的萨克斯管不仅质量好，而且经久耐用。然而我国萨克斯管的制造设备和生产工艺却没有随着科技的进步而有所发展，依然沿袭着传统的手工制作工艺，导致产品质量不高，在国际市场上没有竞争力。本文针对我国萨克斯管生产工艺落后的现状，利用大型CAD/CAE/CAM软件Pro/E进行萨克斯管成形模具及成形工艺的数字化研究，在对萨克斯管及模具进行全数字化设计制造研究与开发的基础上，对萨克斯管成形模具及成形工艺进行研究，改进不合理的成形工艺。研究基于萨克斯管数学模型的成形方法和毛坯分析方法，通过成形工艺的改进，提高萨克斯管成形质量，提高劳动生产率。从而提高我国西洋管乐成形工艺及成形模具的技术水平，增强我国乐器制造企业的国际竞争力，提高我国萨克斯管的制作质量和水平。
面对我国萨克斯管的市场需求量的增长，以及目前我国萨克斯管行业落后的状况，国外名牌萨克斯管入侵中国市场，我们应该尽快采用现代化计算机辅助技术，尤其是采用对提高产品质量起关键作用的先进设计分析制造技术来改造我国现有的萨克斯管生产技术。对萨克斯管产品实现数字化、自动化生产，使我国乐器产品质量以较快的速度提高并赶上或超过国际化先进水平，保住国内市场走向世界，参与国际竞争并生存下去有着非常重要的意义。

1.2 模具技术发展现状

1.2.1 塑性成形工艺及毛坯展开技术

当前塑性成形的研究特点为汽车覆盖件的成形机理及其应用研究，萨克斯管成形机理和汽车覆盖件的成型机理都属于塑性成形的范畴，塑性成形是材料加工的主要方法之一，他是利用金属在外力的作用下产生塑性变形的一种成形加工方法。目前金属塑性成形的研究特点主要集中在严格的成形理论的建立与完善的成形工艺的制定，合理毛坯性状的确定，压边力的优化及适当的润滑。但是由于金属塑性变形过程极其复杂，目前尚不能确立精确的数学模型，新产品的开发仍主要依据模具设计者积累的经验，在模具制造出来之后，要反复的试模、修改，浪费了大量的人力物力，容易造成模具的报废，尤其在快节奏的今天，工期要求越来越短，传统的方法在效率上也很难适应要求。

萨克斯管板料成形过程中要经受很大的摩擦与塑性变形，材料的塑性变形规律、模具与工件之间的摩擦现象、材料中温度和微观组织的变化及其对制件质量的影响等更加难以得到保证；一些关键性的设计参数要在模具制造出来之后，通过反复的调试、修改才能确定。

而毛坯形状作为冲压成行的一个重要参数，直接影响到成行零件的质量。合理地选择板壳零件的毛坯外形，可以提高材料利用率，减少成形后的修边工作量，变形沿毛坯分布不均匀的现象能够得到明显改善，成形极限也会有所提高，并能降低突耳高度，减少切边切余量。此外，采用合理的毛坯形状，往往能够使某些需要二次拉深才能形成的制件，用一次拉深便可达到制件要求的高度。对于不规则冲压件，由于其形状的复杂性，不可能用解析方法来求得它的毛坯外形，至今未能得到满意的结果。因此求解毛坯展开形状成为冲压工艺设计中一个重要而亟待解决的问题。人们已经提出了很多确定毛坯合理形状的方法，有代表性的主要有以下几种：
(1) 经验法：

现在工厂中最常用的方法就是分别计算矩形直边部分的展开长度和圆角部分的展开半径，然后再过渡区域以圆弧和直线相连接，不过这种方法仅适用于比较浅的拉延件。有学者提出了分区域计算的方法，在原来的基础上有较大的改进，但准确度有待进一步提高。所有这些求矩形件毛坯的方法，都是一些凑合性质的经验方法。

（2）几何映射法：

J.C.Gerdeen和P.Chen最早提出几何映射法，他们认为，应变由变形前后板料的几何差别定义，而通常变形后的板料性状已知，因此从理论上讲有可能将变形后的板料点对点地映射回初始平板，并且不需要知道载荷就能够计算应力的分布。应变决定于厚度分布，但是变形后板料的厚度分布未知。这样几何映射法的成功依赖于特定问题厚度分布的正确假设，并且需要开发一种迭代方法使厚度与特定的边界条件相匹配。
几何映射的假设条件：板料厚度不便、四边形网格的面积不变、各向同性、满足Von Mises屈服准则。由于在变形过程中，板料的厚度要发生变化，而几何映射法假设板料厚度不变，所以得到的毛坯形状还具有一定的误差，但其具有计算时间短的优点，只要对几何映射法得到的毛坯进行优化，不失为一种较好的确定毛坯形状的方法。

（3）滑移线法

滑移线法是50年代在前苏联由楚达列夫提出来的，它的提出第一次给毛坯的求算找到了理论依据，滑移线法是根据滑移线理论确定合理毛坯形状。滑移线法的基本假设：板料法兰厚度不变，且处于平面应变状态，材料各向同性，无硬化，不考虑摩擦力分布对塑料流动的影响。在这样的假设条件下，可以导出在拉深成形过程中板料模具轮廓（内边界）与毛坯周界是主应力迹线，因此滑移线与这些轮廓呈45°。如果模具轮廓能由直线段和圆弧组成，那么在法兰处很容易生成滑移线场，在此情形下，滑移线从模具轮廓开始以直线或对数螺旋先的形式在法兰处发射，最终形成一个滑移线网格。
但是，滑移线法由于种种原因未能被广泛应用。滑移线理论的应用前提有两方面：忽略材料的应变刚效应，假定变形体为一理想刚塑性体，这会影响毛坯预测的精度：变形物体必须处于平面应变状态，在板料成形问题中，如果忽略厚度的变化，才可用于主应力方向的平面应力状态。

（4）理想成形法

理想成形是由Chung K和Richmond O提出。理想成形的基本假设：变形沿着最小塑性功方向进行：材料为刚塑性，且满足希尔准则（1979）。理想成形法没有考虑实际成形条件，如压边力、摩擦力、模具几何尺寸的影响，因而利用其得到的毛坯精度较差。

（5）模拟法

模拟法是在一定的假设条件下，根据许多物理问题数学描述的相似性，通过数学相似理论，采用其它物理介质构成的模型来模拟板料法兰的金属流动。Laplace和Poisson方程被广泛应用与物理和工程等领域中，当然也包括板料成形的应用。模拟法主要分为以下几种：

①电模拟法：

Z Zhaotao和L Bingwen利用点解液槽装置，测量等势线，可得到一定深度的拉深件的毛坯外形，进行测量的工作时间在10分钟之内。电模拟法基本符合求冲压件毛坯展开尺寸的一般假设条件：（a）毛坯面积在冲压前后不变；（b）由第一个条件得出的必然推论，即圆角部分的多余毛坯全部转移到直边部分。实际上圆角部分的多余毛坯是很难全部转移到直边部分的。由于冲压中变厚变薄量分配的不均匀，甚至凸缘部分也往往不全部处于塑性变形状态，冲压前后的面积并不完全相同。这些与假设条件不相符的实际情况，也使电模拟法的准确度受到同样的影响。此方法需要设计电解液装置及数据测量，因而其精度受到人为因素的影响。

②流体模拟法

流体模拟法是通过简单的流体模拟试验和计算机辅助模拟，来求解多种不规则形状拉深件的合理毛坯形状的一种方法。和根据虚点汇流动模型实现了一种计算机辅助模拟用理想流体的点汇场模拟寻求虚点汇场的解使用微机自动绘制了不同形状、不同高度的拉深件合理毛坯外形并以半圆头矩形件为例做了实验验证。流体模拟法对模拟介质的要求很严格连续均匀各向同性易于流动且粘度大于某一定值。

③热传导模拟法

梁炳文等用二维无内热源稳态热传导来进行模拟建立了相对于凸缘应力场的温度场模拟模型。势场模拟法假设冲压件板料为不可压缩的平面各向同性的刚塑性体在冲压中介于工件边缘和准确坯料边缘之间的凸缘部分处于塑性状态并在内边缘应力的作用下向凹模型腔内流动。从理论上可以证明冲压工件凸缘处金属的这种流动与相似区域、相似边界条件的纯粘性流体的流动、电流的流动或热传导是相似的因而可用这些有势场模拟求出不规则冲压件的展开坯料外形。一般对于外形相似的冲压件只需求出某一尺寸模型的等位线其它尺寸模型的等位线均可以通过放大或缩小得到。

（6）增量有限元法

板料成形过程中金属的塑性流动受模具形状、润滑条件和毛坯形状等因素的影响，而前述几种方法没有考虑模具形状和润滑条件的影响。增量有限元方法正是全面考虑了各种因素的影响，因此也是最精确的方法。但是增量有限元方法需要很长的计算时间由于接触边界条件处理的困难计算模型十分复杂计算的收敛性受到很大的影响。同时，增量有限元法必须先假定一个毛坯形状才能开始计算然后根据计算结中国石油大学华东硕士论文第章前言果对毛坯形状进行修正这更加长了设计周期。

（7）逐次逼近法

该方法最早由提出。此方法主要用于盒形件的毛坯外形确定步骤为首先取一印有坐标网格的一定形状的毛坯作初始毛坯将其压延成适当高度的零件观察凸缘外边缘处材料判断出该处多余材料在下一次毛坯上将该部分切除接着用经过第一次切除的毛坯外形作为本次毛坯的初始形状重新压延观察并切除余料如此循环往复直至获得满意的结果。从其步骤可知该方法人力和物力消耗大而且应该切除的余料部分难于定量把握使用该方法效率低。

（8）反向法

反向法是从给定的最终零件的形状尺寸和过程条件出发沿着与冲压成形过程相反的方向求解毛坯形状。已知变量是最终状态的几何形状和初始状态的厚度未知变量是初始状态的形状和最终状态的厚度目标函数为塑性势能函数求得目标函数的最小值即可求得未知变量值。

反向法中的难点是目标函数的建立国内外在这方面的研究处于初期研究阶段和都在这方面进行过研究两者都作如下假定采用三角形薄膜单元大的弹塑性对数应变厚向异性和塑性全量理论。方法是基于理想成形理论最优化总的塑性变形功结果较为粗略。而的方法中把摩擦力、压边力和拉延筋所做的功都考虑进了目标函数中。但在和提出的方法中都只采用了简单的三节点三边形薄膜单元而且假定变形前后板料厚度和面积都不变化基于全量理论这些与实际变形情况是不符合的所以计算结果都比较粗糙。

（9）一步模拟法

一步模拟法是世纪年代左右开始创立的一种坯料优化设计方法。该方法只考虑最终工件的形状已知参数为工件的轮廓、原始坯料的厚度未知参数有坯料的形状及工件的厚度。这些参数可由最小化塑性变形功来求得。为了忽略不同变形路径的影响作了一系列的假设其中主要的两个方面是按比例加载忽略模具和板料的接触边界条件而改用简化的摩擦边界条件。

1.2.2 模具设计制造技术

模具是工业生产的主要工艺装备模具工业是国民经济的基础工业。在现代工业生产中产品零件广泛采用冲压、锻压成形、压铸成形、挤压成形、塑料注射或其他成形加工方法与成形模具相配套使坯料成形加工成符合产品要求的零件。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗是其他加工制造方法所不能比拟的。

随着现代化工业和科学技术的发展人们对工业产品的品种、数量、质量及款式的要求愈来愈高模具的应用也就愈来愈广泛其适应性也愈来愈强已成为工业国家制造工艺水平的标志和独立的基础工业体系。

成形模具的设计关键是型腔的设计制造。由于工业产品的需要模具的型腔往往需要是不规则的曲面、面组传统的手工设计方法很难设计出带有不规则曲面的凹凸模即使设计出来也很难利用手工加工出来。三维造型软件的飞速发展极大地促进了模具的设计与制造业的发展，现在应用较广的 CAD/CAM 集成软件有以下几个法国达索（Dassault）公司开发的CATIA，美国国家航空及宇航局（NASA）开发的I-DEAS，美国麦道（MD）公司开发的UG，以及 CV 公司开发的Pro/E等。这些软件都是集二维绘图、三维曲面设计、实体造型、运动机构分析、有限元分析、数控加工以及装配模拟于一体的CAD/CAE/CAM集成软件系统，除了提供强大的设计与制造功能以外还提供方便于用户的应用程序开发平台。

在90年代，能进行复杂形体几何造型和NC加工的CAD/CAM系统主要是在工作站上采用UNIX操作系统开发和应用的，如美国的Pro/E、UG II软件，法国的CATIA软件和英国的DVCT 5软件等。随着微机技术的突飞猛进以上软件做了很大的改进应用也更加普及。这些微机软件不仅在采用诸如NURBS曲面、三维参数化特征造型等先进技术方面继承了工作站级CAD/CAM软件的优点而且在Windows风格、动态导航、特征树、面向对象等方面也具有工作站级软件所不能比拟的优点。

欧美模具企业，CAD/CAE/CAM已成为普遍应用的技术。在CAD的应用方面已经超越了甩掉图板、二维绘图的初级阶段，目前设计已达到了70%~89%，UG、Pro/E、CIMATRON等软件的应用很普遍。应用这些软件不仅可完成2D设计，同时可获得3D模型，为NC编程和CAD/CAM的集成提供了保证。应用3D设计，还可以在设计时进行装配干涉的检查，保证设计和工艺的合理性。数控机床的普遍应用，保证了模具零件的加工精度和质量。30～50人的模具企业，一般拥有数控机床十多台。经过数控机床加工的零件可直接进行装配，使装配钳工的人数大大减少。CAE技术在欧美已经逐渐成熟。在注射模设计中应用CAE分析软件，模拟塑料的冲模过程，分析冷却过程，预测成型过程中可能发生的缺陷。在冲模设计中应用CAE软件，模拟金属变形过程，分析应力应变的分布，预测破裂、起皱和回弹等缺陷。CAE技术在模具设计中的作用越来越大，意大利COMAU公司应用CAE技术后，试模时间减少了50%以上。