壳体优化（精选10篇）
壳体优化 篇1
摘要：以变速箱为研究对象,通过对变速箱后壳体、后盖试验时开裂位置、后壳体及后盖结构的分析,给出了后壳体的优化设计方案。针对优化后的后壳体及后盖,应用Pro/E软件建立三维数模,并应用ANSYS Workbench软件进行强度分析,得出的后壳体满足设计要求。
关键词：变速箱,后壳体,开裂,优化
0 引言
变速箱是汽车传动系统的主要组成之一。变速箱主要由齿轮、轴、箱体、轴承等零部件组成,通过不同齿轮之间的组合来实现变速和变矩。
HW1200变速箱是重汽大齿公司运用双中间轴技术开发出的产品。该变速箱档位多、传动比大、齿轮承载储备系数大,是发动机功率范围在165 kW～210 kW载货汽车、自卸车、集装箱车的最佳匹配。该变速箱在台架试验中一次性通过了疲劳及同步器试验,但在进行静扭试验时,出现了后壳体与后盖扭裂的现象,为解决这一问题,运用有限元分析软件ANSYS Workbench对变速箱后壳进行强度分析,根据试验情况及分析结果对壳体进行优化设计,从而得到了变速箱后壳体的最终设计方案,并对分析结果进行试验验证。
1 变速箱后壳体和后盖开裂现象
在静扭试验时,当扭矩达到2 782 N·m时(试验预设扭矩为3 528 N·m),HW1200后壳体和后盖发生了开裂现象,如图1所示。试验过程中后壳体和后盖在连接孔处发生了开裂现象,可能是由于连接孔处产生了应力集中,受力后开裂。
2 变速箱后壳体和后盖有限元分析
2.1 建立三维数学模型
根据变速箱后壳及后盖的实际尺寸及时间工况,应用Pro/E软件对操纵机构建立三维数学模型,如图2所示。
在实际工作中,后壳前面与中间壳体通过螺栓孔连接,后壳与后盖也通过螺栓孔连接,副箱中齿轮将受到的力作用到轴承上,又通过轴承将力传到后壳体上。
2.2 变速箱后壳及后盖强度分析
变速箱后副箱中的齿轮将受到的力最终传到后壳体,在后壳体前端面施加弹性支承,连接螺栓孔为圆柱支承约束;对螺栓施加螺栓预紧力,轴承孔处加轴承载荷,输入扭矩为3 528 N·m;合理划分网格并设定边界条件。图3为分析过程的边界条件,图4为改进前后壳体总成的变形矢量图,图5为改进前后壳体总成等效应力云图。通过分析可知,壳体轴承孔处最大变形量为0.16 mm,后壳体上的平均应力为210 MPa,超过了HT250材料的屈服强度(160 MPa)。
3 优化改进
3.1 改进后零件的三维模型
改进后的后壳体三维模型如图6所示,后盖的三维模型如图7所示。
3.2 对改进后的壳体进行分析
图8为改进后后壳体总成的变形矢量图,图9为改进后后壳体总成的等效应力云图。改进后后壳体轴承孔处最大变形量为0.14 mm,壳体上的平均应力为155 MPa,小于HT250材料的屈服强度160 MPa,强度和刚度较改进前都有极大提高。
4 试验验证
将改进后的壳体装在整变速箱上进行静扭试验,扭矩到达3 550 N·m时,壳体没有发生开裂现象,说明改进后的壳体符合设计要求。
5 结论
通过对HW1200后壳体的有限元分析,从中找出后壳体和后盖的应力和应变薄弱之处,并根据分析结果对薄弱之处进行优化处理,经过多次改进后的变速箱后壳体总成能够满足变速箱的设计要求,并达到设计的预期效果。
参考文献
[1]张栋.失效分析[M].北京:国防工业出版社,2004.
[2]詹友刚.PRO/ENGINEER中文野火版3.0高级应用教程[M].北京:机械工业出版社,2007.
[3]陈家瑞.汽车构造(下册)[M].北京:人民交通出版社,2002.
[4]小飒工作室.最新经典ANSYS及ANSYS Workbench教程[M].北京:电子工业出版社,2004.
[5]张小坤.变速箱变速叉轴断裂分析及优化设计[J].机械工程与自动化,2011(2):114-116.
壳体优化 篇2
低压开关柜的壳体材料主要有覆铝锌板、镀锌钢板和冷轧钢板这三种，东莞市欧申电气设备有限公司为您介绍这三种壳体材料各有什么样的特点。覆铝锌板
镀铝锌钢板是广泛应用于建材、家电、汽车、环境、机械、船舶等诸多领域的一种合金镀层钢板。
镀铝锌钢板是铝锌合金结构组成，由55%铝、43.4%锌与1.6%硅在600℃高温下凝固而组成，其整个结构由铝－铁－硅－锌，形成致密的四元结晶体的一种合金镀层钢板。镀锌钢板
1937年美国建立了第一条连续热镀锌带钢生产线，1942年在美国建成了第一条连续电镀锌带钢生产线，从进入工业性生产至今已有160多年的生产历史。
热镀锌产品广泛用于建筑、家电、车船、容器制造业、机电业等，几乎涉及到衣食住行各个领域。近年来，世界镀锌钢板需求量不断增加，产量增长也很快，在美、日等钢材生产大国，热镀锌钢板在钢材中所占比例已高达13%-15%。涂镀层钢板的最大优点是优良的耐蚀性、涂漆性、装饰性以及良好的成形性。世界各国均在研究如何扩大涂镀层板的品种、规格，改进镀层工艺进而提高镀层质量，即耐蚀性、抗粉化剥落、涂敷性、焊接性。镀层板的成形性始终是其应用的重要方面，这主要取决于基板性能、镀层工艺及性能和成形工艺条件，通过综合的先进技术相配合才能达到良好的应用效果。冷轧钢板
冷轧是以热轧板卷为原料，在常温下进行各种型材轧制，冷轧钢板就是经过冷轧生产的钢板，俗称冷板。冷轧板的厚度一般是0.1--8.0mm之间，大部份工厂生产的冷轧钢板厚度是4.5mm以下，冷轧板的厚度、宽度是根据各工厂的设备能力和市场需求而决定。
壳体优化 篇3
【关键词】高压开关；工艺；设计
新东北电气集团高压开关有限公司主要生产110kV～1000kV高压、超高压、特高压封闭组合电器和敞开式断路器、隔离开关及发电机断路器。生产过程中涉及的主要工艺包括：铸造、电镀、壳体（罐体）焊接、表面涂装、机械加工（金工）、绝缘、装配等。为了保证产品质量，行业内大型国有企业在生产组织过程中基本都会掌控这些工艺，特别是绝缘、关键零部件的机械加工、罐体加工、表面涂装、装配等。如果配套或协作质量、效率难以满足要求的情况下，电镀也往往要企业自行完成。
一、壳体（罐体）制造厂房总体规划原则及条件
企业生产基地的壳体（罐体）制造建设规划首先要满足的是“生产”需要，包括各种必要的生产厂房及配套动力设施；其次是按生产流程、地块特征、自然气象条件布置建筑物，尽量做到功能分区合理，物流简捷通畅，同时满足建筑消防的设计要求。
新东北电气集团高压开关有限公司沈阳生产基地壳体（罐体）制造规划条件：1）地块地理位置及气象条件：沈阳地区，冬季主导风向是北风，夏季是南风。建筑物布置时，尽量考虑洁净生产布置在主导风向上风侧，有废气、废水的生产布置在下风侧。2）地块北侧西边部分与500kV变电站相邻，其周边杆塔、架空线密集，这一段院墙不便开门作为外界对内主要出入口。3）地块南侧与开发区5号路相邻，方便进出。4）壳体（罐体）制造厂房定位，基本符合“有废水、废气的生产布置在主导风向下风侧”的原则。5）根据公司“十一五”发展规划的产品纲领、生产规模，必需由公司承担完成的生产任务所需壳体（罐体）制造厂房占地面积估算如下：罐体（壳体）加工25000m2。其它生产厂房根据厂区整体规划情况考虑。
二、壳体（罐体）制造厂房总工艺设计
方案总体规划思路：物流从东向西，人流从南向北、向东、向西。生产关系密切、单独建设不利生产组织的厂房考虑为大型联合厂房，如涂装和罐体加工布置为一体。
人流：生产人員从厂区主入口进入后，流向各厂房辅助办公楼（包括壳体（罐体）制造厂房辅助办公楼）。辅助办公楼的设置考虑人员进出方便，且便于与厂区办公生活区联系。
物流：在壳体（罐体）制造厂房周围设置四条通道（15米宽），并有5米宽绿化带，通过各厂房大门的布置形成物流通道网。需要加工的原材料从厂区北侧、南侧物流大门进入，通过纵向通道及各种库房流向各加工工位；经过加工的零部件经过厂房内横向通道送达涂装，经过喷砂处理及清洗转入涂装工序，成品壳体（罐体）后输入中转库、配套库进入总装配厂房。
三、壳体（罐体）制造厂房及涂装厂房内工艺设计
3.1壳体（罐体）制造厂房所承担的任务及生产纲领
1）任务。壳体（罐体）制造厂房承担1000KV、750KV、ZF15-550、ZF6-330、ZF6-220、ZF6-110、LW56-550、LW54-252、LN6-18等产品的罐体备料、成型、焊接、检验、机械加工等工作和导体下料、机加、焊接、清理、打磨及涂装等工作。
2）生产纲领。壳体（罐体）制造厂房生产纲领为生产全公司年产各种规格GIS组合电器和罐式断路器2396间隔所需的焊接铝罐、焊接钢罐和导体。
3）产品特点。壳体（罐体）产品采用日立公司和ABB公司技术。壳体（罐体）产品材质为钢材、铝材、不锈钢材料。其中1000KV或750KV壳体（罐体）包括主母线罐、隔接组合罐、断路器罐、支撑罐、分母线罐、断路器罐等最大直径×壁厚（mm）为φ2100×22，最大长度（mm）为8000，单件重13.5t。
4）生产性质。壳体（罐体）制造厂房产品生产性质：焊接钢罐生产为大批量生产；焊接铝罐、导体为批量生产。
3.2设备选择
本项目购置镗铣加工中心、变极性等离子/TIG焊机等先进设备132台套，新增设备详见新增工艺设备明细表。其中为了满足百万伏壳体（罐体）生产线的需要，选用美国AMET变极性等离子/TIG焊机。公司引进HYOSUNG和AEPOWER公司的800kv及1000kv的GIS产品，其壳体（罐体）不仅体积大，而且铝制壳体（罐体）占有2/3以上的比例，其材料厚度达16mm-25mm，材质为5083-H112。根据公司整体的规划和目前的订货情况，预计该种罐体的生产量在每天3个左右，而原罐体分厂仅具备16mm厚的铝母线罐的生产能力，尚不具备生产合格的25mm铝制隔接组合罐体的能力。
3.3车间组成、人员及工艺布置
1）车间组成、人员。车间由导体工段、下料工段、钢罐工段、铝罐工段、铆焊工段、金工工段、检验工段、技术室、调度室、办公室组成，其中：下料工段、钢罐工段、铝罐工段、铆焊工段罐体分厂及金工工段共计528人、检验工段28人、技术室21人、调度室10人、办公室7人。
2）工艺布置。壳体（罐体）制造车间与涂装工段共用一幢联合厂房，壳体（罐体）制造车间厂房在联合厂房西侧的由北至南七联跨厂房，最西侧为三层东西朝向的生活间，生产厂房由北至南将导体生产区、下料生产区、铝罐生产区、钢罐生产区、焊接生产区、金工生产区、罐体存放区分别布置在各跨内。
四、厂房工艺设计意义
工艺设计对于全新的生产基地是非常重要的。合理、可行、优化的规划方案是生产基地高效率运转的基础。方案要达到这种效果需要前期做大量的、充分的分析、研究、考察、决策工作。为了很好的实现企业发展规划目标，作到行业一流水平，不仅需在厂房建设、总体工艺规划方面做很多工作，在工艺设备配套及选择上也需要进行多方考察，选择使用先进、实用、成熟的工艺设备和技术，才有可能实现预期的目标。
参考文献
[1]刘志才.厂房工艺刚架边柱的稳定性分析[J].江苏建筑，2000（01）
壳体优化 篇4
所谓隔爆壳体,是指将可能点燃爆炸性气体混合物的设备全部封闭在一个外壳内,该外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙,渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏,并能保证内部的火焰气体通过间隙传播时降低能量,不足以引爆壳外的气体［１］。隔爆壳体是处于爆炸性气体环境中机电设备的主要防护装置,尤其在化工厂及煤矿井下应用广泛。目前,GB 3836.2—2010《爆炸性环境第2部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》已经对隔爆壳体的具体结构形式进行了规定,但如何寻找最优的壳体壁厚,使得其既能满足强度要求,又能使壳体质量最轻,仍依靠设计人员的经验,因此往往所设计的隔爆壳体虽然满足安全性要求,但质量过重、浪费材料且不利于搬运移动［２－４］。
现阶段,各种机械优化设计理论广泛发展,但对于一般企业尤其小企业来说,使用复杂的优化理论去解决问题不太现实;而使用CAD与CAE软件对机械结构进行设计往往过程繁琐［５－６］。因此,本文应用Pro/E三维设计软件与ANSYS Workbench有限元分析软件进行联合仿真,设置优化目标,自动寻找最优参数,对隔爆壳体进行目标驱动优化设计,使得该隔爆壳体既能满足强度要求,又能最大限度地节约材料,同时提高设计效率。
1 隔爆壳体参数化建模
某煤矿设备隔爆壳体尺寸(长 × 宽 × 高)为600mm× 460 mm × 240 mm, 在ANSYSWorkbench平台进行强度仿真时,先创建隔爆壳体的三维模型,并使用Pro/E软件进行参数化建模。由于隔爆壳体内的电气设备大小固定,隔爆壳体内腔尺寸也随之固定,所以只将壳体壁厚作为优化变量,并设为DS_T。
2 隔爆壳体目标驱动优化分析
本文优化的目的是寻找最优的壳体壁厚,使由其构成的隔爆壳体具有最小质量的同时满足规定的抗压强度。
2.1 优化过程
在进行目标驱动优化时,为了节约计算时间和成本,需要对优化变量赋初值。根据煤矿设备隔爆壳体需承受1 MPa瓦斯爆炸压力的要求,在进行优化设计前,使用ANSYS Workbench对隔爆壳体的三维模型进行有限元分析。采用Q690钢板作为壳体材料,其屈服应力为690 MPa。依据经验分别设置DS_T=8mm和DS_T=12mm作为壳体壁厚初值,得到应力云图分别如图1、图2所示。
从图1可看出,隔爆壳体在壳体壁厚为8 mm时的最大应力为750.52 MPa,大于材料的屈服应力,不满足使用条件;从图2可看出,隔爆壳体在壳体壁厚为12mm时的最大应力为591.85 MPa,小于材料的屈服应力,满足使用条件。因此在进行自动优化时,设置壳体壁厚取值范围为8~12 mm。进行优化设计所需的相关输入/输出参数见表1。
然后利用ANSYS Workbench软件中的GoalDriven Optimization优化程序进行优化。优化程序将输入参数(壳体壁厚)平均分为10组进行试验,并记录每组试验的输出参数,得到壳体壁厚与最大应力的关系曲线如图3所示。
2.2 结果处理与分析
从壳体壁厚与最大应力的关系曲线中理论上可得到最优的壳体壁厚,但由于只计算了10组数据,仍不是最优结果,需要对所得结果进一步处理。首先设置变量的权重,以便程序进行分析。变量优化目标及权重设置见表2。
设置权重后,优化程序继续对结果进行更加细致地计算,本文设置进行100次细分运算,并根据所设置的目标选择最优的计算结果,如图4所示,其中曲线1—3即为程序推荐的最优曲线,具体优化结果见表3。
从表3可看出,曲线1中壳体质量最重,而曲线3中最大应力最接近壳体材料的屈服应力690 MPa,故综合考虑安全系数及壳体质量最轻的要求,选择曲线2即壳体壁厚为9.62mm作为最优壁厚。
3 结语
抽油机减速器壳体铸铁冷焊工艺 篇5
对不同大小铸件的水冷和空冷焊接进行了比较，结果表明：对于小铸件，水冷效果明显，但产生的白口及淬硬组织多，对于较大铸件，水冷效果不明显，铸件越大，水冷效果越不明显。
【关键词】铸铁冷焊;焊接工艺;传热
抽油机减速器壳体单重达1.6吨，结构较复杂，单体价值量较高，在实际工作中，一旦出现铸造缺陷，即行破坏回炉处理，对生产成本控制是极为不利的，因此，我们对抽油机减速器壳体局部缺陷的焊补技术进行了探讨，以解决该难题。
考虑到抽油机减速器壳体体积太大的实际，整体预热后进行焊补是不具备实际操作条件的，因此，只能采用冷焊方式。铸铁冷焊工艺中最突出的缺陷，是易产生白口及淬硬组织，易产生裂纹和气孔。
1、理论分析
铸铁冷焊的成功与否，关键在于对白口层及裂纹的控制，因此焊接材料的选择，焊接工艺的制定主要是围绕这两个问题进行的。
白口组织的多少与化学成分和冷却速度有直接关系。石墨化元素不足，冷却速度过快，都是促进白口产生的.因素。实践证明，冷却速度的影响比化学元素的影响更大。
裂纹(冷裂纹)的产生与焊接应力的大小及淬硬组织的多少、分布状况有关。应力是根本原因，淬硬组织是必要条件，经测试焊缝金属中心区的温度与应力关系如图1，从中可看出在850℃ 以下开始产生平均应力。
在600～700℃之间因发生相变出现某些应力缓和，此后随着温度的降低拉应力直线增加[1]。当化学元素一定时，冷却速度快有利于白口组织的产生。焊缝中热的传播主要靠表面放热和壳体内导热，表面放热包括对流换热和辐射换热。对于此类较大铸件，使用特定焊接工艺方法，可以通过几种热交换的数值分析[2]来比较水冷焊效果。
1.1壳体内部导热
将铸件放在水里焊补(焊缝露出水面8～12mm)时，导热首先是沿着有焊缝的上平面向四周扩散，然后传到侧面，经8～12mm后，才与水接触。根据大壳体瞬时冷却速度计算公式：
则有：
λ：壳体导热系数，T：某一瞬时温度，T0：室温，q/v：焊接线能量(J/cm))
根据条件T空=T水(同样高温下，比较空气和水冷条件下时的冷却速度)有：
T0空=T0水(同一室温); (q/v)水=(q/v)空(同样线能量)
λ水：在水冷焊时铸铁的导热系数，λ空：在空气中焊壳体时铸铁的导热系数。
同种材质当温度不同时其导热系数不一样，但按水冷焊补方法，传到侧壁8～12mm后的温差很小(用表面温度计测得)，故λ水≈λ空。说明从壳体内部导热这方面，在水中和空气中的冷却速度变化不大，没有明显作用。
1.2辐射换热
辐射换热比热流量：qr(卡/厘米·秒)
式中εC0为比例系数，其中C0为常量，且C0=1.373x10-4卡/厘米2·秒·K4，ε为黑度系数，T0为室温，在水冷、空冷焊时εC0、T0都是一致的。T为焊件被加热的温度。由于采用上述焊接方法，对于较大铸件，在接近水面部位温度基本一致(表面温度计所测)，接近室温，此时水的对流交换作用很小，故T水≈T空，即在水冷和空冷焊中其比热流量近似相等。说明在辐射热方面水冷起不到使大铸件快速冷却的效果。
1.3对流换热
对流换热比热流量qk(卡/厘米2·秒)
式中：T为固体表面温度，T0为初始温度，αk为对流放热系数(卡/厘米2·秒)。
铸件在空冷焊时，全部与空气对流换热;在水冷时，低于焊缝8～12mm的部位是与水进行对流换热(即泡在水中部分)，而以上部分是空冷。按上述焊接方法T水≈T空，所以两种焊法空冷部分的qk值可以看成是一样的。
对于较大的铸件，在8～12mm以下部分，温度不会有明显升高(由表面温度计测得)，即T≈T0≈室温，此时即使αk水≥αk空，但仍αk水≈αk空≈0，即在这种焊接方法情况下，在焊缝以下8～12mm的部位因温度上升很少，无论是空冷、水冷对流换热都不明显。
通过以上的理论分析，不难看出，对于大型铸件，水冷实际上没有效应，企图通过这种方法提高冷却速度“控制母材的熔化量”是很难做到的。对于一些小型铸件，水冷还是有效的，确实提高了冷却速度，但这是有害的，是应防止的。它不但增加了白口层厚度，增加了淬硬组织，而且还极易产生裂纹和气孔。
2、金相组织
查有关资料[1]中金相组织(如表1)
3、铸铁冷焊工艺中的缺陷及防止措施
3.1裂纹
裂纹是铸铁焊接中最有代表性的缺陷，也是决定成败的关键。裂纹可分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹是产生在焊缝上的一种细碎裂纹，冷裂纹可能产生在焊缝及焊缝以外的区域，半熔化区最易出现且形成剥离裂纹。
防止热裂主要措施有：尽量选用细焊条、碱性焊条、适当提高焊缝冷却速度。防止冷裂的主要措施有：采用“加热减应法”、选择合理的焊接顺序、采用塑性好、屈服强度低的焊条、对于厚、大件，坡口要开的窄而深，以减少产生过大的收缩力。
3.2白口及淬硬组织
白口的产生主要是由于石墨元素不足和冷却速度过快而造成。冷却速度快，容易产生白口、淬硬组织，它的产生不但给加工带来困难，而且还易导致裂纹的产生。
主要防止措施有：在打底焊时，采用小线能量法、多层焊法、对于能自由收缩的焊缝或大铸件表面的局部焊补，采用较大电流，连续焊，尽量降低冷却速度、对于有加工性能要求的部位，可采用镍基焊条打底。
白口组织一旦产生，要想消除比较困难，在条件允许的情况下，可用退火进行处理，小件可用氧-乙炔焰反复加热，然后缓冷保温，大些的铸件可通过加热炉退火。实在不好解决的要磨掉，换用铸308焊条，小电流施焊。
针对以上分析，我们采用焊前局部预热至约300℃，采用E4303(φ2.5～φ3.2)焊条，小电流(60～110A)、短焊、分散焊、多层焊焊法，每层焊道焊后及时锤击等工艺措施，焊后空冷，成功修复了部分减速器壳体，有效降低了损失。
4、结论
通过以上理论分析及对金相组织的研究，可以得出如下结论：
(1)对于减速器壳体等此类较大铸件，采用水冷效果很不明显，几乎没有作用。
(2)对于小铸件，水冷效果明显，但它较空冷焊接产生的白口及淬硬组织多，更易产生裂纹和气孔。
(3)为防止变形，防止其他部位过热，在不得已的情况下，可以采用水冷焊接，但要注意，此时产生白口、裂纹、气孔的倾向会增加。
壳体优化 篇6
1 Flow—3D数字模拟技术
在汽车铝合金变速箱壳体的模拟实验中所采用的3D模拟软件能够对设计零件的表面进行曲面光滑处理, 而且对复杂的结构也可以用几何的形式表现出来, 可以有效的避免零件的表面出现台阶, 对零件的热传导精度也有一定程度的改善。现在主流的模拟软件能够准确的模拟出零件在运动和流体当中的状态, 可以计算出零件在高速流动时表现出的反应。在对零件进行充型模拟的过程中, 将所使用的液态金属视为一种无法压缩的流动体, 使用液态金属流体进行防震模拟其实际目的是为了求出非稳态的流体在流动状态下的控制方程[2]。
2 变速箱壳体工艺分析
实际生产中压铸的壳体的内部会出现较大程度的缺陷———气孔 (如图1示) 。利用模拟软件建模分析, 模拟壳体整体充型方向、充型速度及冷却等, 然后根据仿真模拟分析缺陷原因。
此类缺陷因为充型过程中在铝合金液体中卷入大量空气所致, 铝合金液体的充型速度比较迅速, 型腔中存在的气体还没有完全被挤出, 就被铝合金液体包裹其中并迅速冷却, 这样就造成模型重出现的气孔缺陷。
3 变速箱壳体的结构优化设计分析
汽车的变速箱是汽车动力系统重要的组成部分, 而且不同型号的汽车其箱体的结构也不一样, 不仅因为它的空间设计存在不确定因素, 其在轴承座上的载荷分布更是异常复杂, 而且从汽车的稳定性能来看, 变速箱壳体的刚度与固有频率对车辆的操作性能有着较大的影响, 从国内目前的实际情况来看, 大多数汽车生产企业在变速箱壳体的设计层面依然没有一套较为完善、科学、合理、成熟的研发流程和技术[3]。
对铝合金变速箱壳体的优化设计存在一定的复杂性, 其优化设计工作中要考虑很多的约束条件, 如:壳体结构设计加工制造条件、变速箱壳体的特殊的结构特点以及壳体的装配等因素, 因此在实施优化设计的时候要根据材料的分布情况以及结合上述三种主要的制约因素进行结构改进, 为了增强壳体的结构稳定, 需要在实体结构中考虑加强筋的设计方案。从模拟的仿真结果来看, 在壳体的差速器输出端要考虑设计加强筋, 而且在壳体的前端部位即发动机端的输入轴也需要考虑加强筋结构。
从仿真模拟的动态结果来看, 铝合金的材料集中在发动机和变速箱壳体的连接点, 因此在设计这一部分结构的时候要考虑增加适当的加强筋来提高连接处的稳定频率。在优化壳体设计的时候要全面考虑制造的工艺要求, 可以在末端设计一定的拔模角, 壳体的壁厚可以控制在3~5m m, 为了是壳体能够保持较好的密封性能, 要保证壳体上的螺栓呈现均匀分布的状态。
4 铝合金变速器壳体铸件的工艺优化
从文中模拟仿真的压铸结果来看, 铸件在制造的过程中最为常见的缺陷就是内部残留气体造成的气孔, 因此为了有效的避免此类缺陷产生, 要采取以下措施进行改进。
1) 在浇筑过程中适当的扩大内部浇筑道的面积, 缓解铝合金液体进入型腔后造成的冲击, 可以适当的优化液体在型腔内的流动过程, 能够有效避免型腔内铝合金液体包裹空气进行流动。
2) 因为汽车的铝合金变速器壳体在结构上无法进行大规模的改进, 因此针对铸件壁厚当中出现的缺陷只能选择对局部施加较大的压力, 这样优化方式可以加强零件的补缩程度, 也能够提高零件该部分的密度。
3) 为了改善零件末端的压铸情况, 可以在架构上进行优化设计, 即在模具的型腔中增加一道工艺性过桥结构, 该过桥结构的尺寸初步设定要根据铸件的实际情况来定, 这种工艺性过桥结构可以改变铝合金液体的流向, 使金属液体迅速流到型腔的末端, 避免末端缺陷的出现。
5 结束语
文中首先通过使用软件对铝合金变速箱壳体的制造进行3D数字模型计算, 准确的找出了铸件在实际操作中容易出现缺陷的位置, 并结合试压铸零件对模拟的结果进行深入的研究和分析, 得出变速箱壳体在制造的过程中出现的缺陷类型主要是内部有残留气孔和零件较厚局部容易出现微小的缩孔, 通过对模具结构的改进, 在型腔的内部增加一道引导金属液体流动的工艺性过桥结构, 有效的提高了零件的铸造品质, 并在一定程度上缩短了变速器箱壳体的工艺定性周期。
参考文献
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壳体优化 篇7
手持冲击类工具壳体在进行结构设计时,不仅要符合人机工程学,尽量轻型化,使操作者抓握舒适并降低零件制造成本。在目前的轻量化设计中,主要从减薄壳体壁厚和运用塑料类轻型材料两大方面进行研究和探索。而壁厚减薄和塑料材料的应用势必会降低壳体结构强度,进而影响耐冲击的工作性能要求。
以典型手持冲击工具壳体———国内某型号气动钉枪枪体为例,针对其在试验中出现的枪体破裂失效现象,以Abaqus为计算平台,模拟气钉枪的真实工作状态,对试验失效的几何模型进行动力学特性分析,根据分析结果推测失效原因,并进行结构改进设计。对改进后的结构再次进行相同边界条件的分析,对比两种结构的应力状态,初步评估设计方案,减少反复试制中的成本浪费,为手持冲击类工具壳体设计提供指导[1]。
1枪体的冲击传递
气动钉枪直接冲击件主要包括枪体、活塞、缓冲垫、枪针、气缸和枪嘴等。其中枪体上端与上铝盖一起构成钉枪的外部支撑,并和活塞缸、镶套、缓冲垫、密封环、活塞和枪针等内部零部件一起形成内部气室,下端连接枪嘴。枪体的延伸部分为手柄,供操作人员把持所用,内部中空,引导工作气体进入[2],完成射钉动作。
打钉时,活塞在上下压差作用下,带动枪针组件一起向下运动。活塞与缓冲垫及枪嘴底部冲击时,应力波会通过缓冲垫传至枪嘴,由于枪体通过螺钉与枪嘴相连,因此,应力又通过枪嘴向枪体传递,使得枪体上产生一定的应力和变形[3]。应力如超过枪体材料的强度极限,就会导致枪体失效。因此,不仅要关注缓冲垫的缓冲效果,还要关注缓冲后应力波向枪体的传递情况,对冲击作用下的枪体进行动力学特性分析[4]。
2枪体动力学特性分析
探索枪体失效原因,要解决的是在活塞的冲击力作用下,枪体结构能否满足强度要求的问题。因此,在数值模拟分析中,枪体作为重点关注件,对其结构不做任何简化,以达到提高计算精度,获得更接近实际的计算结果的目的[5]。对枪针组件及枪嘴局部等其他对分析结果不产生影响的结构进行简化,以提高分析效率。
分析中,枪体、枪嘴、活塞/气缸采用弹塑性材料模型[6],缓冲垫材料模型选用Mooney-Rivlin方程表征的超弹性材料模型,各材料参数通过试验获得。
工作状态下,活塞上下承压面施加压力载荷,载荷曲线由试验获得。枪体手柄位置施加位移限制约束,模拟测试时手的抓握作用;活塞与气缸配合面施加径向位移约束;气缸断面施加位移约束。枪体和枪嘴间通过耦合关系进行连接,其他位置建立全局自动接触边界条件[10,11]。
3分析结果
T=6.9 ms时刻,活塞运动到最低点后,与缓冲垫及枪嘴底部冲击时,在枪体手柄、扳机位置及枪体底部位置出现大面积的高应力区(如图3所示)。随着应力波进一步传递,在T=8.525 ms时刻,枪体手柄抓握位置下侧及扳机位置附近也出现了较高的应力(如图4所示)。如图5所示,冲击力作用下的高应变区相对高应力区的分布更为分散,在枪体多个位置都存在高应变区。
手柄位置恰好为位移限制约束的边缘位置,该位置应力存在数值误差,实际应力会小于计算得到的应力,此处高应力可以忽略。除此之外,扳机附近位置应力分布反映了实际应力大小,此处应力超过材料强度极限,为理论失效位置。而此位置与实际测试时的裂纹位置高度吻合。
4结构优化与数值分析
冲击件的应力分布状态与零件结构紧密相关,根据分析结果,对失效枪体的薄弱结构进行了优化,优化后前后结构对比如图6所示。建立了优化后结构的有限元模型,施加与原始结构相同的边界条件,进行了数值模拟分析。分析结果如图7~图8所示。枪体出现最大应力的时刻为T=5.75 ms,仍然是手柄位置,此处应力虽然较大,同原始结构一样,处于位移限制约束的边缘位置,应力存在数值误差,予以忽略。螺钉孔位置处应力较大,这是除扳机位置的高应力区外,枪体上的主要高应力区,但该位置应力未超过材料强度极限,不会导致枪体破裂。试验证明,优化后的枪体结构通过试验测试,能满足工作性能要求。
5结论
通过对枪体结构强度进行动力学特性的数值模拟分析,并经过试验验证,得出结论如下:
1)原始结构枪体分析结果显示,在扳机位置附近产生高应力区,应力超过材料的强度极限。从有限元角度验证了测试时失效的主要原因是因为受到由活塞与缓冲垫碰撞传递来的冲击所致,而扳机位置附近区域也是实际测试失效位置。2)修改后的枪体结构,在同样的边界条件下,原高应力区域应力明显降低,且整个枪体应力分布较低,修改后的枪体抗冲击性更强,说明枪体动力学特性与枪体结构形式直接相关。3)运用数值分析方法对枪体进行结构强度分析,分析结果与试验吻合度较高,可缩短试制周期,节约成本,此方法可为其他冲击工具的壳体设计开发提供指导和经验借鉴。
摘要：通过对手持式冲击类工具进行工作状态下的动力学特性分析,得到冲击环境下壳体的应力分布状态,确定冲击强度薄弱位置,进行结构优化设计。优化后结构的数值模拟结果表明优化结构提高了壳体强度,且与试验结果基本一致,解决了手持冲击类工具壳体冲击强度不足,需反复试制问题。
关键词：冲击强度,动力学特性,结构,应力
参考文献
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[6]YEOH O H.On Hardness and Young's Rubber[J].Plastics and Rubber Prossing and Applications,1984,4(2):141-144.
前桥壳体生产基准定位 篇8
桥壳加工基准
为保证毛坯面的加工余量均匀, 方便后序加工, 避免基准转化带来的累计误差, 提高各空间位置的加工精度, 需要对桥壳尺寸进行简要的分析。如图1所示, 设计基准在琵琶面中心, 因为该设计基准为空间点, 在实际加工中很难找准这一点, 所以工艺基准只能选择相关点, 且精度要求能保证后序加工的实点上。桥壳琵琶面上的两锥传动支座定位销孔, 其精度要求可以满足作为后序加工基准的条件。但在实际加工中, 由于桥壳两端半轴孔距离较大, 加工桥壳琵琶面上两定位销孔的位置误差会按照桥壳两半轴孔距的增大而成比例增加。
通过理论计算得知, 不能直接以桥壳琵琶面上两定位销孔为基准加工半轴孔, 为保证两端半轴孔位置度要求, 需要寻找并加工其他的工艺基准。从图1中可以看到, 在桥壳两端半轴孔附近、琵琶面同侧, 加工了四个工艺销孔, 这四个孔在卧式加工中心上是与琵琶面上的两个定位销孔在同一次装夹加工出来的, 所以其位置精度准确。可以选择任意两个孔来代替琵琶面上的销孔作为基准进行后序加工。
精加工基准选择完成后, 选择一个适合的粗加工基准, 尽可能使桥壳毛坯的各处加工余量均匀。首先考虑整桥的几何中心附近是否有合适的点。从此桥壳的结构看, 加工基准应为桥壳两端半轴孔的公共轴线及过桥壳摇摆轴中心的桥壳中分线。此基准可转化为两端半轴孔的公共轴线在桥壳上的投影和过桥壳摇摆轴中心的桥壳中分线。这样就衍生出两种在卧式加工中心上加工的方法。
加工方法
卧式加工中心的加工定位方法分为间接定位和直接定位, 都适于小批量加工。间接定位方法如图2所示, 通过找正两端半轴孔, 划桥壳中分线, 以划线为基准铣平A、B两处作为加工基准面;再以A、B面为基准铣桥壳琵琶面及后序的精加工基准销孔。
直接定位方法如图3所示, 通过制造简单夹具, 直接以两端半轴孔为精加工基准, 铣桥壳琵琶面及定位销孔。
1.间接定位方法
间接定位方法对桥壳毛坯半轴孔轴线与琵琶面中分线的划线及找正加工时精度要求高, 而在实际加工中, 转向节主销孔往往因加工余量不足而报废。造成此结果的主要原因是:半轴毛坯孔轴线Y-Y与图2中作为基准的A、B面无法做到真正的重合。这个误差是由A、B面的加工精度不够和后序加工的二次定位引起的, 因而有两种解决方法:一是加大转向节主销孔加工余量;二是提高A、B面的加工精度。
加大转向节主销孔加工余量, 毛坯方面, 需要对现有的铸模进行修改, 且增加了毛坯重量, 提高了毛坯成本;加工方面, 余量增加, 增加切削加工时间, 加工成本也会随之提高。对于提高A、B面加工精度的方法, 由于靠划线和找正加工, 其精度很难能达到要求, 且操作工的人为因素对加工结果的影响很大。
间接定位方法具体操作:划线→找正铣基准面→找正加工琵琶面及定位销孔→后序加工。在前三个工序过程中, 由于划线和找正的误差, 会造成Y-Y轴线与实际加工时找正的轴线以桥中点为圆周心, 在垂直方向和水平方向分别有一个夹角α和β (见图4) 。图4中黄色线表示桥壳理论位置, 红色线表示桥壳实际位置。由于定位和装夹误差引起的相对于理论中心的位移分量如图5所示。
2.直接定位方法
与间接定位方法相比, 直接定位方法取消桥壳两侧A、B工艺基准的加工, 直接以半轴孔轴线Y-Y定位, 可以避免人为及二次装夹引起的余量不均, 减少加工时间的同时, 提高了桥壳强度。直接定位具体操作:取消以桥壳两侧等高块的定位、夹紧方式, 采用顶尖以桥壳半轴孔轴线定位, 用尺确定垂直琵琶面, 用千斤顶在图示桥壳下方顶紧, 压板压紧的方式加工。
由于其装夹定位采用双顶尖, 其定位中心与桥壳半轴孔中心连线Y-Y重合, 所以, α=0, β=0。相对于间接定位方法, 直接定位方法的优点是更能够更有效保证各边加工余量均匀;缺点是对夹具两顶尖轴线的同轴度要求高, 并且两顶尖要有一定的刚性, 能承担夹紧前桥壳的重量。
结语
大型壳体零件的维修要领 篇9
1. 装配前的检验
(1) 装配前检验的必要性
①大型壳体件容易产生变形。大型壳体件一般由铸造而成, 内部残留着铸造应力。这些残余应力虽然会随着时间的推移而趋于均匀分布, 但是不平衡的残余应力在释放和扩散的过程中往往引起零件变形。因此, 如果大型壳体件毛坯不经过良好的时效处理, 在此后进行的机械加工中产生变形难以避免。
②大型壳体件在进行机械加工时, 局部切削可能破坏壳壁局部的应力平衡, 从而在加工部位引起再变形。另外, 如果加工工艺不够完善、基准选择不当等也会引起壳体变形。
③在反复的转运过程中, 大型壳体件容易遭受损坏。
④市场上假冒伪劣产品防不胜防, 因此有必要加以防范。
大型壳体件的变形一般不明显, 所以在修理中常常被忽视。
(2) 大型壳体件变形的危害
大型壳体件的变形对修理质量和使用性能有着重大影响。有的机动车在更换了大型壳体件以后, 屡次发生相关零件损坏, 往往就是由于壳体产生了变形。
①影响使用性能。
由于轴承座的中心线变位, 使转轴、轴承和齿轮之间难以达到正常的配合关系, 造成齿轮的旋转平面偏摆, 容易出现自动跳挡的故障。
②缩短零件寿命。
壳体变形破坏了轮齿的正常啮合, 使轮齿的实际啮合接触面积减小, 工作负荷集中分布在齿面较小的区域内, 致使接触应力增大, 从而加速齿面上的点蚀和剥落损坏。
③妨碍装配进程。
当轴承承孔的同轴度或者端面对中心线垂直度的公差超过规定值时, 将使零件的装配工作难以进行。如果强行安装, 将导致轴承的负荷增大而出现早期损坏。
(3) 装配前的检验项目
①检查大型壳体件有无裂纹和损伤, 壳体上各部位螺纹的损伤不得多于2牙;
②检查前后、左右轴承承孔的同轴度公差;
③检查轴承承孔中心线对壳体端面的垂直度公差;
④检查壳体纵轴线对横轴线的垂直度;
⑤检查各轴孔中心线的平行度;
⑥检查壳体平面是否发生了变形;
⑦检查轴承座与壳体的配合关系。
2. 尽量预防装配应力的产生
所谓“装配应力”, 是指由于零部件装配不当而形成的额外的、有害的内应力。当装配应力达到一定程度, 一遇到较大的载荷便释放出来, 使零部件遭受破坏。装配应力是零部件屡次出现相同形式损坏的重要原因之一。
(1) 装配应力产生的原因
①零件变形。
这种变形是由于以下因素造成的:毛坯上存在的铸造残余应力;零件焊接时, 由于局部高温, 使焊件的体积和金相组织发生改变, 从而形成焊接应力;外力引起零件变形。例如在安装柴油机高压油管时, 如果油管变形, 角度不对, 喷油器 (或者出油阀) 接头的中心线与高压油管喇叭口的中心线偏位, 操作者强行扭动高压油管进行装配, 因而产生装配应力。加上高压油管又细又长, 工作时的振动频率很高, 容易造成高压油管在接头处折断。有的柴油机在2个月内损坏六根高压油管, 就是由这种装配应力引起的。
②中心线偏移。
例如安装履带式拖拉机的前梁时, 由于没有检查左右纵梁的平行度, 在左右纵梁一高一低的情况下强行装配, 甚至使用撬棒硬撬, 形成强大的装配应力, 极易造成前梁断裂。
③零件错位后盲目拧紧。
例如东方红75履带式拖拉机的托架固定座螺栓已经松动, 导致托架、车架和后轴三个零件之间错位, 但是没有及时发现。发现螺栓松动后, 就盲目地拧紧托架的固定座螺栓, 于是在这三个零件之间形成装配应力, 一旦遇到冲击载荷, 容易造成牵引装置托架断裂的故障。
(2) 预防装配应力产生的主要措施
①对大型壳体件进行时效处理, 释放其残余内应力。时效是金属热处理学中的一个专用名词, 它是指工件不加热, 仅仅依靠长时间存放, 或者加热到较低的温度, 并且进行长时间保温, 再缓慢冷却到室温, 以便使工件的性质、形状和尺寸趋于稳定的处理过程。不加热称为自然时效, 加热称为人工时效。
②在正式装配之前, 对零件做仔细的检查, 特别要检查大型壳体件的同心度、平行度和垂直度, 查明零件变形的真正原因, 并且及时予以修复或者矫正。
③当连接件松动后, 首先要纠正零件之间的位移, 然后再拧紧紧固螺栓。
浅析机械钣金壳体类加工 篇10
随着机械制造业的发展, 由于钣金行业加工产品所需要的成本较低, 生产出的产品体积较小、质量较轻且具有很好地性能, 新型的材料的钣金结构件在产品上的应用越来越广泛, 很多机械产品的外壳都是使用钣金产品制造的。与此同时钣金的零件也渐渐地变得整体化, 出现了很多新型的结构, 得到了更多的使用。且由于传统的工艺产品的生产已经逐渐的不能满足人们的需求, 所以人们对于钣金行业自动化的研究愈加的重视。
2 钣金加工概述
所谓钣金加工就是指对金属板材的一种加工, 制造的工序主要有:剪切、弯曲成型、折弯扣边、焊接等, 操作的人必须有着较好的数学几何知识。对于钣金进行加工的工程中, 最重要的一个特点就是对于钣金件的外表进行处理, 这个处理过程能够使得钣金不生锈, 从而使其更加的美观。对于钣金件的处理, 前期主要是是将其表面的油污、铁锈、氧化皮等物质清除掉, 从而为了后期的工作做好准备。而对于钣金制造外壳类物质的后期工作, 主要就是喷漆、喷塑以及对其外表进行一些相应的防锈处理[1]。
钣金工艺的主要特点就是它的重量很轻, 但是强度却很大, 是制造壳体类的十分适合的一种物质, 且其成本也并不高, 能够进行大规模的生产制造, 因此在机械制造类得到了广泛的使用, 例如对汽车的外壳、电脑的机箱的制造等。除此之外, 电梯的部件、不锈钢厨具等也经常会使用钣金来制造, 并且一些电子公司的外壳、空调等也经常会用到钣金。随着钣金的广泛性使用, 钣金的工艺设计对于钣金产品的开发有着至关主要的作用, 只有设计人员能够熟悉的掌握钣金设计的理念, 以及在制造的过程中有着高超的工艺技巧, 才能够保证使用钣金设计出的产品有着更好的性能、以及更加美观的外表[2]。与此同时, 还应该确保钣金的模板以及模具的造型简单、独特、利于实现, 且实现的过程消耗较低的成本。
3 钣金加工过程
对于钣金的加工, 一般会由于实际的情况的不同而用到不同的材料, 且加工的步骤也会随之而产生变化。但是即便如此, 从整体上来看, 对于钣金的加工过程通常来说会从这样几个方面进行:
首先是下料方面。具体的下料方式可能会随着实际的情况的不同而有所改变, 但是主要的下料方式为:镭射下料、剪床下料、锯床下料和冲床下料, 一般都是从中进行选择的。
然后就是钳工方面。在这个环节中, 需要根据沉孔的不同角度而使用不同的连接方式。通常情况下, 在沉孔的角度是90度的时候, 会使用沉头螺钉来进行连接;而当沉孔的角度是120度的时候, 一般会使用铆钉来对其进行连接。
翻边方面。通常情况下, 如果加工的钣金材料过薄, 其抗压性会大大的降低, 这时就会通过使用翻边这种方式, 通过抽孔、以及翻孔来使得钣金能够更加的抗压。
冲床方面。在进行冲床操作的时候, 一般都需要相应的模具作为辅助, 并且在操作的时候应该油漆的注意冲床的实际位置以及其方向, 否则会使得难以达到理想的效果[3]。
压铆方面。这个操作与冲床方面相似, 需要特殊的注意压铆的方向性、以及涨铆的方式。
折弯方面。在这个过程中, 主要就是将钣金折弯, 而这也需要相应的模具作为辅助, 应该在操作的过程中保证每一刀之间是互不影响的, 确保其操作的独立性。
最后就是焊接方面。由于钣金的材质存在着很大的差异, 因此这会影响到钣金的实际焊接方式。通常情况下, 在焊接完成之后钣金产品的加工也就基本完成了, 这是钣金加工的最后一道工序。
4 钣金加工的自动化
随着时代的发展与社会的进步, 科技得到了不断地发展, 电子技术逐渐的应用到了工业生产之中, 也正是因为这个原因使得机械制造业的产品能够得到大规模的生产, 而其中对于钣金加工的自动化起到了至关重要的作用, 不仅提升了工业生产的效率, 而且为工业更快的发展提供了一条更加科学、进步的路线。
将自动化技术应用到钣金的加工中, 其中数控冲床是一个最典型的应用, 这也是钣金加工过程中的核心部分。采用数控冲床的技术, 这种冲床使用的是三箱状的一种框架, 这种框架比传统的框架更加的稳定, 且牢固性也更好, 这保证了在加工的过程中加工原件不会偏离其位置, 减小了加工的误差。对于数控自动化的冲床安装很简单, 首先需要在地面上垫上专用的垫板, 然后将垫板上的螺丝固定从而固定好数控冲床, 就能够使冲床安全、稳定的工作。之后, 再讲冲床的二次保护装置安装好, 就可以保证自动化的冲床能够完成精准的工作[4]。
除了自动化的冲床, 在钣金加工的过程中专用的模具也是很重要的。由于工位冲床的不同, 这些模具的尺寸以及类型也会存在着一定的差异, 而模具的安装对于后续的工作十分关键。随着科技的发展, 对于这一部分的自动化发挥有着更大的发挥空间, 相信以后会对于钣金的加工工艺起到更大的作用。
5 结论
科学技术迅速发展的今天, 机械制造行业有着更大的发展空间。由于钣金在机械制造的行业中的壳体制造中得到了越来越广泛的应用, 且钣金有着更大的发展空间, 因此对于钣金的壳体加工工艺应该有着更加深入的了解。因此, 本文首先对于钣金的加工进行了简单的概述, 然后对于其加工的过程进行了详细的介绍, 最后将自动化技术在钣金加工中的应用进行了介绍, 希望促进钣金壳体类制造行业的发展。
参考文献
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