鎳陽極澆鑄吊耳成型裝置仿真分析與參數優化

夏曉謙，董為民，蘇蘭伍

(1.昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650093；2.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

鎳陽極澆鑄吊耳成型裝置仿真分析與參數優化

夏曉謙1，董為民1，蘇蘭伍2

(1.昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650093；2.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

摘要：吊耳彎曲裝置是應用于鎳陽極澆鑄生產線的新型自動化輔助設備，可以替代傳統人工的吊耳插置工藝。作為整個輔助設備的核心與關鍵，對其進行實用性研究是必不可少的。通過多體動力學仿真軟件ADAMS對裝置進行了contact模塊分析，同時基于彈塑性變形理論對裝置的關鍵參數進行了理論分析及優化，有效提高了裝置的實用性和經濟性。

關鍵詞：鎳陽極；吊耳成型；ADAMS；參數優化

在鎳陽極澆鑄生產中，傳統的插耳方式主要是通過人工夾持彎曲，并在特定的低溫水房環境保護下進行人工插耳，這種方式不但會嚴重降低工作效率，并且難以與標準化自動澆鑄系統相配合。同時，由于是手工夾持彎曲方式，所以會在較大程度上增加吊耳尺寸的誤差，導致在后續電解槽懸掛狀態中出現不均勻的極間距，這對電解生產的影響是致命的。

針對此工程實際問題，筆者設計了全自動化的鎳板插耳機，以替代傳統人工方式。其主要工作流程包括開卷、定長剪切、彎曲成型和抓取插耳4個步驟，其中，彎曲成型工序是將定長剪切后的銅線材進行特定形狀的彎壓動作。彎曲成型工位是整個插耳機的核心部位，也是決定鎳板插耳機質量的關鍵，因為在連續、快速的彎曲成型工作過程中，要求運動具有較高的平穩性，并且在彎曲成型時，既要求保證銅線材能夠彎曲成特定形態，又要使彎曲接觸力變化緩和，從而減少成型過程中的沖擊力，避免出現斷絲、裂痕和嚴重刮痕等情況。

本文利用多體系統動力學軟件ADAMS對設備三維模型進行運動仿真，并基于彈塑性理論對其關鍵參數進行了優化。2013年11月已完成整機設計，并已在關鍵技術上申請專利。

1吊耳成型裝置仿真建模

彎曲成型后的吊耳形態如圖1所示，吊耳材料為純銅，直徑為2.8～3.2 mm。本文利用SolidWorks軟件對機構進行三維建模，同時保存為parasolid格式并導入ADAMS軟件中，實際吊耳彎曲裝置如圖2所示。

圖1　吊耳結構圖

圖2　滑輪式彎曲裝置結構圖

在ADAMS軟件中設置如下約束：沖壓臺面固定于大地，固定L型板和滑動導軌固定約束于沖壓臺面上；滑輪模與滑塊添加轉動副，回轉中心在銷軸軸心，滑塊相對于滑動導軌加載滑動副，滑塊末端與滑動導軌底部用彈簧連接。

2動力學仿真設置與模擬

為滿足銅吊耳彎曲成型要求，取彈簧剛度為30 N/mm，預緊力為400 N；沖頭與滑輪模之間設定為碰撞接觸力contact，其中接觸參數設置為碰撞系數e=3，阻尼系數c=10，滲透深度為默認。

根據實際工藝流程的運動過程，創建step函數來實現運動軌跡。step函數如下：

step(time,5,10*time,5,0)+step(time,5,0,5,50-10*(time-5))

仿真設置如下：仿真終止時間為10 s；仿真步數為3 000。

最后進行仿真試驗, 仿真結果如圖3和圖4所示。從圖3可以看出, 滑輪模在工作方向(彈簧壓縮方向為正)的運動仿真曲線最大位移為43.55 mm，在允許范圍之內未產生干涉。成型過程中沖頭表面接觸力變化曲線如 圖4所示，可見起始接觸力與最大接觸力差值較小，并且曲線變化平滑，其中，起始接觸力為530～540 N，最大值為630～635 N，滿足受力緩和性以及平穩性要求。

圖3　滑輪模位移曲線

圖4　沖頭表面接觸力變化曲線

3成型裝置參數優化與分析

在吊耳成型過程中，材料所受的外力矩使得內部出現應力變化以及變形，從力平衡的角度來看，外力矩即彎矩應當與內力矩大小相同，方向相反[1]；因此，需計算出材料屈服極限下的受力情況并與圖4進行比較，達到極限彎矩下的接觸力需小于圖4中接觸力的最小值。

3.1成型過程中極限彎矩的計算

彎曲成型受力圖如圖5 所示。沖頭頭部半徑為H1，滑輪模半徑為H2，吊耳直徑為d。在成型過程中，彎箍中心A點到沖頭頭部中心O點距離為R。滑輪模對吊耳的壓力為pn，所受摩擦力為pf，其合力ps為吊耳所受彎曲力。滑輪模接觸吊耳的初始位置為A點，OA與A點到O點的力臂s夾角為θ。在彎曲一定角度后，滑輪模處于A′點，此時正壓力、摩擦力和彎曲合力分別為pn'、pf'和ps'，θ′為新夾角。不難看出，前后夾角相等，即θ′=θ。設吊耳受到的彎曲力為ps，s是彎箍對吊耳的壓力pn相對O點的力臂。彎輥模摩擦力為pf=2μpn/d，其中μ為滑輪模與吊耳之間的滾動摩擦因數，摩擦力pf相對O點的力臂長度為H1+d。

圖5　彎曲成型受力圖

綜上所述，可得出吊耳彎曲時受外力彎矩為：

M1=pns+pf(H1+d)

(1)

由圖5可得出：

s=Rsinθ

(2)

θ=arccos[(H1+d+H2)/R]

(3)

將式3代入式2可得：

(4)

吊耳在成型過程中RN 產生內力距M即為所受外力矩M1，材料達到極限彎矩時即產生屈服變形。吊耳在受滑輪模與沖頭的聯合擠壓過程中產生的彈塑性彎矩M與應力狀態有關，等于產生該彎曲的外加彎矩M1；另外，M可以表示為Mt與塑性彎曲比的乘積。σt為純銅材料理想屈服極限值，即：

(5)

由式1～式5可得：

pn=

(6)

根據力合成公式可得出：

(7)

上述表明，在滑動摩擦力較小的情況下，吊耳成型所需的極限彎曲力等同其極限正壓力值。需要說明的是，滑輪模、沖頭和工件(吊耳)的結構尺寸一般為定值；在參照中心軸式彎箍機的基礎上[2]，可得出本裝置成型過程中θ角始終不變，所以由式3即可得出初始θ角為R值的因變量值，并且對起始以及成型過程中的極限彎矩影響比較大，故應對R值進行優化分析。

3.2位置參數R值的優化分析

R值為沖頭中心點到滑輪模中心點的距離。在吊耳彎曲裝置中，更小的θ角能使吊耳最終形態與沖頭表面曲線更為貼合，以達到預期彎曲尺寸。另外，更大的θ角能有效減少初始接觸以及成型過程中所需的極限彎矩。通過調整R值的大小，同時滿足2種不同的工藝需求，就能找到最優化點。根據式3和式6列出方程組(H1、H2和d值已代入)，輸入MATLAB軟件中進行數據處理。下述是MATLAB軟件中的函數程序：

{x=32.7:0.001:35;y1=2162./(4*x*sind(acosd(32.7/x))+1.8);

y2=acosd(32.7./x);plotyy(x,y1,x,y2),xlabel('valueofR,mm'),ylabel('force,N')}

極限彎曲力與θ角隨R值的變化曲線如圖6所示。在R值處于32.5mm附近時可以看出，極限彎曲力較大(約為1 200N)，現有設備無法滿足。隨著θ角增大，極限彎曲力迅速降低(200N)，在Q點(32.75,200,4)與(R-θ)曲線相交。在優化點Q點上，θ角與極限彎曲力都為最優。

圖6　極限彎曲力與θ角隨R值的變化圖

4結語

全自動插耳機是典型的機電氣一體化設備, 其中彎曲成型裝置對性能的要求較高，因此，設計開發出能滿足連續、快速的彎曲成型機構成為關鍵。本文通過軟件ADAMS仿真得出滑輪模位移與沖頭表面接觸力曲線，較好地符合了過程中的受力緩和和沖擊小等要求；同時，采用優化分析后的R值可有效減少彎曲過程中的受力波動，從而提高裝置的整體穩定性。

參考文獻

[1] 崔甫.矯直原理與矯直機械[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[2] 金賀榮，盧秀春. 5/12鋼筋靠模式彎箍機構設計與參數計算[J].機械設計與制造，2012(12)：203-204.

責任編輯鄭練

Simulation and Parameters Optimization of Nickel Anode Casting Shackle Forming Device

XIA Xiaoqian1, DONG Weimin1, SU Lanwu2

(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093, China; 2.Jinchuan Group Co.,Ltd., Jinchang 737100, China)

Abstract：The shackle bending device was applied to the nickel anode casting production line of new automation equipment to replace the traditional artificial lifting lugs interpolation process. As the core and key of auxiliary equipment, the study of its usefulness is indispensable. The paper has been based on the multi-body dynamics simulation software ADAMS to analyze the contact module, at the same time, based on the theory of elastic-plastic deformation device key parameters for the theoretical analysis and optimization, effectively increased the practical and economical performance of device.

Key words：nickel anode, shackle forming, ADAMS, parameters optimization

收稿日期：2014-05-30

通信作者：董為民

作者簡介：夏曉謙(1990-)，男，碩士研究生，主要從事數字化設計與制造等方面的研究。

中圖分類號：TH 120

文獻標志碼：A