第１期（总第１８８期） ２０１５年Ｏ２月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． 文章编号：１６７２—６４１３（２０１５）Ｏ１一Ｏ１１０—０３ 多层金属薄板反复弯曲试验装置设计及运动仿真 曾 敏 （山西职业技术学院机械工程系，山西 太原０３０００６） 摘要：设计了反复弯曲实验装置，并利用Ｐｒｏ／Ｅ三维软件对其进行运动仿真。仿真结果表明该装置设计合 理，对多层金属薄板能起到很好的测试效果。 关键词：多层金属薄板；反复弯曲；运动仿真 中图分类号：ＴＰ３９１．７：ＴＧ３５６．２５ 文献标识码：Ａ １ 多层金属薄板的性能优势及用途 １．１ 多层金属薄板的性能优势 多层金属复合材料兼具各组元金属的优良特性， 而且还能发挥出单一组元无法比拟的性能优势：①成 本低廉，适用于批量生产，如钛／钢、镍／钢复合板的价 格仅相当于纯钛和纯镍板的１／５～１／ｌＯ；②良好的综 合性能，耐高温性能良好，比强度和比模量高，导热性 和耐磨性好，热膨胀小，尺寸趋于稳定；③可焊性好。 １．２ 多层金属薄板的用途 由于多层金属薄板的物理化学性能和综合力学性 能得到了提高，故其应用前景十分广泛。如不锈钢复 合板可广泛应用于机械、石油化工、环境保护、医药卫 生等行业；钛复合板在航空工业、冶金等行业有很大的 发展空间；体育器械、餐具、卫生洁具、家庭内装饰材料 等领域广泛应用不锈钢（ＳＳ）／铝合金（Ａ１）层状复合材 料。随着工艺的不断发展，更多具有特殊性能的多层 金属复合薄板将不断涌现。 ２金属反复弯曲国家标准试验方法 反复弯曲试验的国家标准规定是将试样一端夹 紧，然后绕规定半径的圆柱形表面使试样弯曲９Ｏ。，再 按相反方向弯曲。其试验原理如图１所示。 ３反复弯曲装置设计 根据金属反复弯曲试验国家标准的原理，本文设 计了能够测试多层金属薄板强度的反复弯曲装置。 ３．１ 总体设计 小齿轮的切向方向上，小齿轮通过与转动角度为６０。 的大齿轮啮合，并控制齿数比为１：３来实现小齿轮旋 转１８０。。摆杆通过焊接方式固定在大齿轮上，实现大 齿轮的６０。转动。 心 图１ 金属反复弯曲试验国家标准原理图 图２为试验装置整体结构设计。该装置的总体设 计思路为：摆动机构主要由四连杆来控制摆杆的角度 （６０。），曲柄上安装带有平键的轴，并通过轴承座中的 图２试验装置整体结构设计 轴承实现对轴的固定，在轴的另一端通过平键连接一 个摇杆，摇杆上焊有摇柄，通过摇柄的周期性转动来实 现四连杆的往复运动。夹紧装置按金属反复弯曲试验 的国家标准来进行设计，夹持试样薄板的拨杆固定在 收稿日期：２Ｏｌ４一Ｏ４—２８；修订日期：２０１４—１１—２０ ３．２各部件结构尺寸的确定 ３．２．１ 四连杆工作尺寸的确定 为了实现金属薄板的反复弯曲，需要实现四连杆 摆杆摆动６Ｏ。，为此先设定曲柄与摆杆中心线之间的 作者简介：曾敏（１９８２一），女，山西平遥人，助讲，本科，主要从事机械设计教学工作。 ２０１５年第１期 曾敏：多层金属薄板反复弯曲试验装置设计及运动仿真 ・ｌ１１・ 距离为４００ ｍｍ，曲柄的长度为１００ ｍｍ，然后通过作 图法实现摆杆的摆动角度为６０。，从而最终确定连杆 的长度为４８０ ｍｍ，摆杆的长度为２４０ ｍｍ。 ３．２．２ 曲柄轴结构尺寸的确定 轴的作用是将传动传递到四连杆机构，从而实现 金属薄板的反复弯曲。因此，在轴的设计中考虑到曲 柄的尺寸、轴承的型号、轴承座的安装等问题，最终确 定的曲柄轴的结构尺寸如图３所示。 ●一 Ｊ Ｊ ０ ０ ０ ＿＿—— —∞ ——＿● 嘻 嘻 奄 －＿—— １ ＿—— ●—— １ １０ １０ ２０ １８ ３０ １８ ２０ １０ １０ 图３ 曲柄轴结构尺寸 ３．２．３ 圆柱销结构尺寸的确定 圆柱销的功能是实现曲柄与连杆的连接与固定， 因此，确定圆柱销的尺寸时需考虑到曲柄的尺寸与连 杆的尺寸，最终确定的圆柱销的结构尺寸如图４所示。 Ｊ Ｌ ０ ∞ ０ 专 ・鲁 嘻 １ ｒ １ １０ １０ ５ １０ 图４销钉结构尺寸 ３．２．４ 曲柄结构尺寸的确定 曲柄的长度根据四连杆的尺寸确定为１００ ｍｍ， 其余尺寸的确定应考虑到曲柄轴及曲柄轴安装所需要 的平键的尺寸及连接连杆的圆柱销的尺寸，最终确定 的曲柄结构尺寸如图５所示。 ０ ∞ 嘻 ０ ∞ 图５ 曲柄结构尺寸 ３．２．５连杆结构尺寸的确定 连杆用来连接曲柄与摆杆，由四连杆的尺寸可确 定连杆的长度为４８０ ｍｍ，其余尺寸的确定考虑到圆 柱销与摆杆的尺寸，最终确定的连杆结构尺寸如图６ 所示。 ２×由 图６连杆结构尺寸 ３．２．６摆杆结构尺寸的确定 摆杆是实现四连杆与夹紧装置连接的部件，摆杆 通过焊接固定在大齿轮上，其长度尺寸由四连杆的尺 寸确定为２４０ ｍｍ，其余尺寸的确定由连杆与大齿轮 的尺寸共同决定。与其焊接在一起的大齿轮的模数为 ２，齿数为７６，其他各部分尺寸如下：分度圆压力角为 ２０。、分度圆直径ｄ一１５２ ｍｍ、中心距ｎ一１０１ ｍｍ、齿 顶圆直径为０１５６ ｍｍ、齿根圆直径为ｑｂ１４７ ｍｍ。最终 确定的摆杆的结构尺寸如图７所示。 Ｊ ｌ ０ ０ Ｎ ／ 一 ’． １ ，、 ，ｔ ｍ ｛ 图７摆杆的结构尺寸 ３．２．７小齿轮结构尺寸的确定 小齿轮实现与大齿轮的啮合，并通过与大齿轮的 啮合可实现角度为１８０。的往复转动。因此，小齿轮的 模数ｍ一２，齿数为２５，其他各部分尺寸如下：分度圆 压力角为２０。、分度圆直径ｄ一５０ ｍｍ、齿顶圆直径为 ０５４ ｍｍ、齿根圆直径为０４５ ｍｍ。最终确定的小齿轮 的结构尺寸如图８所示。 ‘ 咖 ， 墨ｆ。』 ４ 刮 Ｊ．１ 图８小齿轮的结构尺寸 ３．２．８ 曲柄轴轴承座结构尺寸的确定 轴承座用来实现对轴的固定及安装，因此轴承座 的尺寸由轴及顶住轴的端盖尺寸来共同决定。根据曲 柄轴的结构尺寸及轴承的型号，最终确定轴承座的结 构尺寸如图９所示。 ！ ０ ｛ ， １ ． １３０ １５Ｏ 一 图９轴承座的结构尺寸 ４反复弯曲装置的运动仿真 对该装置进行运动仿真时，首先利用Ｐｒｏ／Ｅ ５．０ 软件对装置中的各零件进行三维造型，然后选择合适 的装配模式将该装置装配好，其三维模型如图ｌ０所