摘 要

很长时间以来，压力矫直已经被广泛的应用于工业生产中，并且它具有简单、灵活和经济的特点，也是目前矫直方法中使用的最多的一种。在加工直线导轨的工艺过程中，压力反弯矫直往往作为最后的环节来保证零件的直线精度。由此可以知道研究压力矫直的重要性，现今国内的矫直理论还有很多的缺陷不够充分，而且矫直过程中的一些参数的计算方法还不确定。在实际的压力矫直加工工艺过程中往往是通过师傅的经验来判断的，所以研究矫直理论变得十分重要。

首先本文基于弹塑性理论的学习对材料的反弯特性进行了比较系统的研究，以此为基础，建立了弯曲矫直过程中的载荷挠度关系模型以及导轨加载变形阶段的载荷挠度关系解析方程式。该模型可以反应导轨弯曲过程的弹性变形、弹塑性变形和卸载弹性回弹三个阶段，同时也为矫直行程预测提供了一种方法，可以直接用于压力矫直控制系统。同时本文以弹塑性大变形有限元理论为基础，利用有限元软件 ANSYS的静态接触分析，模拟了导轨的压力矫直过程。并对实验数据进行了分析。本文的整个研究工作丰富了矫直工艺理论的研究成果，具有较强的工程实际意义。

关键词：压力矫直，直线导轨，有限元，载荷-挠度模型

Abstract

For a long time, the pressure straightening technology is widely used in industrial production. Press straightening is a technology which erases or reduces bend of long steel parts. It is simple, flexible and economical. The pressure straightening method is one of the most studied straightening method. During the process on the cutting machining, bending straightening is the last to improve rail straightness and achieve the accuracy. It can be seen that research on the pressure straightening is important. Due to lack of technological theories and computational method of calculating, the straightening Steel important parameters that mainly rely on the experience of workers. It is necessary to research the technological parameters of straightening.

First of all, the basis of paper is based on the elastic-plastic theory and build load-deflection relations model and analytical expressions. The model of load-deflection relationship reflects the whole elastic-plastic deformation of the rail bending process.( plastic deformation, elastic-plastic deformation and elastic rebound after unloading) It also provide a new method for straightening calculation which can be applied directly in the control system for press bending straightening. The basis of paper is elastoplastic finite element method of large deformation, simulate the press straightening process of the heavy rail by static contact analysis of the finite element software ANSYS. Studies of whole thesis will enrich straightening technology theory and have well engineering value.

Key Words：pressure straightening, Liner guide rail, Finite element, load-deflection model

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究的目的与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1矫直理论的发展状况 2

1.2.2国内外矫直设备的发展状况 3

1.3论文的主要内容 5

第二章 压力矫直加工过程中的反弯特性及建模 5

2.1引言 5

2.2 二次弹塑性反弯 6

2.3 高次复杂弹塑性弯曲 8

2.4压力矫直的理论基础 8

2.4.1压力矫直原理 8

2.4.2载荷-位移模型 9

2.5载荷-位移模型的数学建模 10

2.5.1弹性加载与弹性回弹阶段 11

2.5.2弹塑性弯曲阶段 11

2.6载荷位移模型的数学模型 12

2.7载荷位移模型的求解 12

第三章 反弯过程矫直有限元分析 13

3.1有限元方法简介 13

3.2有限元软件简介 13

3.3直线导轨反弯过程的有限元分析 13

3.3.1导轨材料的基本设定 13

3.4导轨的边界条件及加载求解 15

第四章 有限元实验数据分析 16

4.1 后处理及结果分析 16

4.2 后处理及数据分析…………………………………………………………………………………………………………17

第五章 总结与展望 21

5.1总结 21

5.2展望 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1研究的目的与意义

随着制造业的飞速发展,中国现已成为了世界上最大的机床消费以及进口国，制造良好的机床依赖于高精度的基础组件，高精度的基础组件同时可以缩短机床的研发周期。例如直线导轨作为机床非常重要的基础组件，为保证其有较高精度，导轨零件将经过粗加工、精加工以及热处理制成零件半成品。在零件半成品的加工过程中如热处理之后无法防止出现导轨的弯曲变形,如若不采取矫直处理将会干扰工件的后序加工和使用,也可能造成大量的次品甚至废品。在实际需求中,根据行业和加工对象的需求,且由于材料各异,各自要求的矫直方法也不同,通常矫直方法有压力矫直法、平行辊矫直法、斜辊矫直法、转毅矫直法、平动矫直法、拉伸矫直法、拉弯矫直法以及一些其他特殊的矫直法。其中压力矫直是目前矫直方法中应用最广泛的矫直方法。其在矫直方面具有一系列的优点，有着适应性广、易于操作、矫直压力高、工作范围广等特点。压力矫直的工作原理是将弯曲工件的两端简支在工作台上,再用压头在最弯部位进行反向施力使其发生反向弯曲。当压弯量与工件回弹量刚好相等时,卸压即可使工件的弯曲部位变直,从而达到矫直的目的。然而，当前国内的矫直技术难满足企业对于矫直设备的高精度、智能化和自动化的需求，在柔性精密压力矫直技术上的研发仍然是空白的。在对矫直工艺的研究上目前仍主要从矫直原理和矫直参数的推导来确定。虽然少数发达国家研制有本国的精密矫直机，但其相关的科学理论方法对外界保密。国内在矫直理论方面的研究还极为欠缺。因此对压力矫直理论的研究有着重要的意义。

本文将在现有压力矫直理论的研究基础上，研究压力矫直过程中的反弯特性，通过材料力学知识并与实验相结合来研究反弯过程以及相关规律特性。根据力学分析和有限元的方法建立相应的压力矫直数学模型。另外，本文通过ANSYS有限元分析方法，建立导轨的矫直仿真模型，研究其矫直反弯特性。

1.2国内外研究现状

1.2.1矫直理论的发展状况

在实际的矫直加工过程中通常的压力矫直由经验丰富的师傅直接通过多年的矫直经验对矫直的估计来实现的，显然这种方式会使矫直加工的整个过程变得极为浪费人力物力还不一定能确保矫直后的直线精度的要求。所以为了提高矫直工艺的质量以及效率，工业上对矫直机的需求越来越大，进而在使用矫直机的过程中需要对目前的矫直理论有更深刻的学习和研究，才能制造高精度的矫直设备提高制造精度。国内外学者也越来越对矫直理论的完善更加重视，只有完善矫直理论才能指导矫直设备在矫直过程中进行更加精确的参数计算。然而现有的矫直理论还没有那么完善，发达国家的理论没有传入国内当中处于封闭状态。所以国家需要大量的人才对该方面进行研究学习。其实在实际的压力矫直工艺当中最终需要的是对矫直量的一些更接近实验值的计算。在控制矫直时一般是对压力或者行程加以控制，通过控制压力或者行程就能控制工件在矫直时的弹塑性挠度值。比较两种控制方法知道由于压力在矫直过程中是不断变化的未能实现在压力矫直工艺上的广泛应用，因此目前普遍被接受的是对行程的控制。在保证了压力矫直过程中的行程的精确性就可以使工件的弹性变量和塑性变形量满足需求。经过查阅诸多相关文献知道目前控制行程对矫直行程进行预测的方法是：基于弹塑性弯曲理论、基于有限元的计算方法和基于实验法这三种形式。基于弹塑性弯曲理论对矫直行程进行预测的优点是，这种理论方法的适应性很广泛在使用时计算机只需要运用公式进行计算即可，它的缺点是由于有一些假设和优化处理使得误差会相对大一些。基于有限元的计算方法在随着ANSYS等有限元分析软件的完善和发展，能够对矫直行程进行十分精确的预测，这种方法的缺点是对比弹塑性弯曲理论而言其计算的时间会很长。在国内最早运用这种方法的是钦明浩，他用此方法进行形成预测的过程是：将材料的一些力学参数在实验条件下得到或者查阅相关文献得到，例如材料的弹性模量屈服应力等等。并通过计算程序进行复杂的计算，从而可以获得矫直过程中不同的载荷对零件所产生的不同弯曲挠度，以及卸载后的回弹量，这样便可以模拟实际的矫直实验得到工件完成矫直的行程量。最后的基于实验法得到的经验公式对矫直行程预测的优点是计算十分简单而且结果十分精确，计算效率极高但在得到这些实验结果将会耗费大量的时间，十分的繁琐。