韓小強(qiáng)

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

鍛造操作機(jī)鉗口的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計?

韓小強(qiáng)

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

建立鍛造操作機(jī)帶有凸齒結(jié)構(gòu)的鉗口有限元模型，在鉗口與工件的接觸區(qū)域添加位移約束，經(jīng)靜力分析得到鉗口的應(yīng)力結(jié)果。在不影響鉗口夾持性能的條件下，選取恰當(dāng)優(yōu)化變量，對鉗口進(jìn)行鉗口質(zhì)量最小、應(yīng)力不超過許用應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕重量18.3%。

鍛造操作機(jī)；鉗口；優(yōu)化設(shè)計

1 引 言

鉗口作為鍛造操作機(jī)夾持鍛件的執(zhí)行部件，對鍛造操作機(jī)夾持鍛件穩(wěn)定性具有直接影響，鉗口的強(qiáng)度及其設(shè)計的合理性對保證鍛造操作機(jī)的正常工作具有重要作用［2］。

鍛造操作機(jī)鉗口具有不同的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)鉗口與工件接觸面形狀的不同可分為直線狀V形鉗口和雙角度V形鉗口，根據(jù)接觸面表面情況可分為無齒鉗口、有齒鉗口如圖1所示。浮志強(qiáng)等［3］針對無齒直線狀V型鉗口進(jìn)行應(yīng)力分析，基于摩擦接觸靜力平衡關(guān)系計算鉗口載荷。張智峰通過仿真計算外載荷，得到無齒V形鉗口與工件接觸面的接觸應(yīng)力情況［4］。以上文獻(xiàn)都是針對無齒結(jié)構(gòu)鉗口分析，尚未對有齒結(jié)構(gòu)的鉗口進(jìn)行應(yīng)力分析；劉艷妍等對有齒結(jié)構(gòu)鉗口下的夾持力進(jìn)行了研究，確定了有齒結(jié)構(gòu)鉗口夾持力的計算確定方法，并證明夾緊液壓缸最大輸出力的主要作用是在工件上形成齒痕［5］。

筆者針對有齒結(jié)構(gòu)鉗口，在鉗口夾緊最大載荷工件形成齒痕的狀態(tài)下進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析鉗口的應(yīng)力分布規(guī)律，并利用ANSYSworkbench軟件進(jìn)行鉗口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

圖1 鉗口結(jié)構(gòu)

2 鉗口靜力分析

以40 t鍛造操作機(jī)的鉗口為例，工件的直徑為1.2 m，質(zhì)量為40 t，滿足操作機(jī)公稱載重和夾持力矩。鉗口材料為 ZG30CrNiMo1，屈服強(qiáng)度為 590 MPa，取安全系數(shù)2.5［6］，許用應(yīng)力為236 MPa。

2.1 鉗口有限元模型的建立

利用SolidWorks建立幾何模型，簡化不必要的倒角，略去鉗口頂部對影響鉗口應(yīng)力影響小的細(xì)小螺紋孔，消除小平面、小尖角、微小縫隙等幾何缺陷［7－10］。將幾何模型導(dǎo)入ANSYSworkbench中，采用單元數(shù)量少、求解收斂快的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分［11］?？刂沏Q口凸齒和鉗口兩側(cè)圓弧面的每條邊的尺寸為10 mm，采用映射面網(wǎng)格劃分，得到規(guī)則、合理的網(wǎng)格。共劃分112 955個單元，391 924個節(jié)點(diǎn)。鉗口有限元模型如圖2所示。

圖2 鉗口有限元模型

2.2 添加載荷

根據(jù)實際工況，操作機(jī)工作時首先夾緊位于送料小車上的工件，此時鉗口凸齒壓入工件形成齒痕，然后夾持工件脫離送料小車工作。鉗口夾緊工件形成齒痕過程中鉗口只受到鉗臂對鉗口的作用力和工件對鉗口的反作用力。根據(jù)夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)可知，鉗臂通過圓弧結(jié)構(gòu)將油缸夾緊力均勻傳遞到鉗口上，銷軸只起連接鉗臂鉗口作用，鉗口銷軸孔此時不受力。在鉗口與鉗臂接觸圓弧上分別施加垂直于鉗口頂面向下的軸承載荷F：

式中：Fg為夾緊缸輸出的力；K為鉗臂力臂比。

2.3 添加邊界條件

夾緊穩(wěn)定時工件對鉗口的反作用力沿鉗口齒面法向均勻分布，在鉗口凸齒上鉗口與工件接觸區(qū)域施加位移約束。鉗口夾持最大工件時工件與鉗口接觸區(qū)域如圖3所示，接觸面位置及大小由LAK、LAB確定，可由以下數(shù)學(xué)關(guān)系計算得出：

考慮到該車曾進(jìn)行過發(fā)動機(jī)拆裝，所以筆者特地檢查了發(fā)動機(jī)，查看是否有漏裝件，是否有傳感器插頭未連接的情況，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常。

式中：D為工件直徑；h為齒痕深度；α為1／2鉗口夾角。

圖3 鉗齒夾緊工件簡圖

2.4 求解結(jié)果及分析

圖4為鉗口的計算結(jié)果，可得到鉗口的應(yīng)力分布主要有三部分。

（1）由圖4（a）可以看出，鉗口與鉗臂接觸圓弧處中間部分應(yīng)力（20 MPa左右）大于兩側(cè)，應(yīng)力沿載荷方向線性減小。在接觸圓弧內(nèi)側(cè)圓角處應(yīng)力較大（60 MPa），可通過適當(dāng)增加圓角半徑減少應(yīng)力。

（2）鉗口夾緊面中間應(yīng)力高，兩側(cè)應(yīng)力低，如圖4（b）所示，凸齒齒根處應(yīng)力較大，為40 MPa左右。在鉗口與工件接觸面外側(cè)邊緣上產(chǎn)生應(yīng)力集中，如圖4（c）所示，實際工況中熱工件是塑性的，在鉗口與工件接觸邊緣小范圍內(nèi)工件會隨著鉗口形變而變形，鉗口不會沿著接觸邊緣產(chǎn)生大的應(yīng)力集中。

（3）鉗口內(nèi)側(cè)圓角圓弧處受拉應(yīng)力，為30 MPa左右。鉗口應(yīng)力主要分布在三個區(qū)域，且應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，有很大的應(yīng)力空間可進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4 鉗口的應(yīng)力云圖

3 鉗口的優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

鉗口是操作機(jī)夾持機(jī)構(gòu)的重要部件之一［6］，鉗口的高度直接影響夾持機(jī)構(gòu)的整體尺寸大小，減小鉗口的質(zhì)量可減少操作機(jī)運(yùn)動能耗，尤其是夾鉗旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且在實際生產(chǎn)中，由于與工件直接接觸，鉗口作為易磨損件需定期更換，減少鉗口質(zhì)量可節(jié)約成本。因此，對鉗口進(jìn)行應(yīng)力不超過許用應(yīng)力，質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化變量

鉗口凸齒結(jié)構(gòu)、鉗口開角等影響鉗口夾持能力，鉗臂與鉗口接觸圓弧半徑影響鉗臂的結(jié)構(gòu)尺寸，因此，在保持鉗口夾持性能不變的情況下，筆者共選擇4個優(yōu)化變量H1、H2、R1、R2，如圖5所示。

3.2.1 確定H2變量范圍

為保證鉗口夾緊工作的順利進(jìn)行，提高工作效率，夾持工件前鉗口必須保持在方便夾持的狀態(tài)，因此鉗口質(zhì)量相對于銷軸軸心所在平面不是對稱分布，鉗口前部重量較重（優(yōu)化前重31 kg），在重力作用和鉗臂結(jié)構(gòu)的阻擋下，夾持工件前鉗口始終保持穩(wěn)定位置如圖5（a）所示，因此：

式中：S0為由于鉗口長度不對稱產(chǎn)生的質(zhì)量差。

經(jīng)計算得H2＜115.4 mm，為保證鉗口能有效的保持穩(wěn)定狀態(tài)，選擇優(yōu)化參數(shù)H2為75 mm＜H2＜100 mm。

圖5 鉗口優(yōu)化參數(shù)

3.2.2 確定R2變化范圍

由靜力分析結(jié)果可知，鉗口與鉗臂接觸圓弧內(nèi)側(cè)存在應(yīng)力集中，通過增加圓角半徑可減小應(yīng)力集中［7－11］，但是圓角半徑不能超過鉗口銷軸凸臺高度，如圖5（b）所示，即：R2≤10。選取的優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)及其初始值如表1所列。

表1 鉗口優(yōu)化前后結(jié)果比較

3.3 優(yōu)化結(jié)果

從優(yōu)化結(jié)果可知優(yōu)化后鉗口最大應(yīng)力由91 MPa增加到186 MPa，但沒有超過許用應(yīng)力；鉗口質(zhì)量由852 kg減少到696 kg，減少了18.3%。

4 結(jié) 論

（1）針對帶有凸齒結(jié)構(gòu)的鍛造操作機(jī)鉗口進(jìn)行強(qiáng)度分析，根據(jù)凸齒鉗口夾持工件的特點(diǎn)選擇鉗口夾緊工件形成齒痕工況進(jìn)行分析，根據(jù)實際工況確定載荷和約束，通過幾何關(guān)系確定鉗口與工件的接觸面積，分析鉗口的應(yīng)力分布情況。

（2）對鉗口進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定優(yōu)化變量范圍，在滿足應(yīng)力要求的條件下，減輕鉗口重量18.3%，為鉗口的設(shè)計及進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 高 峰，郭為忠，宋清玉，等.重型制造裝備國內(nèi)外研究與發(fā)展［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2010，46（19）：92－107.

［2］ 萬勝狄，王運(yùn)贛，沈元彬.鍛造機(jī)械化與自動化［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［3］ 浮志強(qiáng)，何競飛，鄧 華.基于ABAQUS的夾鉗鉗口有限元應(yīng)力分析［J］.機(jī)械工程與自動化，2008（5）：1－3.

［4］ 張智峰.鍛壓過程中操作機(jī)鉗口的有限元接觸分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009.

［5］ 劉艷妍，楊 晉，陳 超，等.重載鍛造操作機(jī)夾持力研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2012，48（4）：66－71.

［6］ 徐 灝.安全系數(shù)和許用應(yīng)力［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［7］ 李水水，李向東，范元勛，等.基于ANSYS的起重機(jī)吊鉤優(yōu)化設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2012（4）：37－38.

［8］ 申 磊，董 平，吳鳳林.基于Pro／E和Ansysworkbench四柱液壓機(jī)上橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2009，24（2）：10－12.

［9］ Chenot，Tronel，Soyris.Finite element calculation of thermo－coupled large deformation in hot forging［J］.Conduction Radiation and Phase Change，1992（2）：493－511.

［10］ 呂 琳，鄧 明，李艷霞，等.基于有限元分析的精沖液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.鍛壓技術(shù)，2010，35（2）：102－105.

［11］ 聞邦椿，張義民，鄂中凱，等.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Optimal Design for Forging Manipulator′s Jaw with Tooth

HAN Xiao－qiang
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China）

The finite element model of forging manipulator′s jaw with tooth is built.The displacement constraint is made on the contact region between jaw and workpiece，which can be obtained through the geometrical relationship.The results about the stress on the jaw are

through the statically analysis in finite element analysis（FEA）software.Without influencing the properties of gripping，the structure optimization is achieved with the property optimization variable，and the jaw′s weight is 18.3%reduction with the satisfaction of strength requirement.

forging manipulator；jaw；optimal design

TG315

A

1007－4414（2013）04－0127－03

2013－06－10

韓小強(qiáng)（1988－），男，山西晉中人，碩士，研究方向：機(jī)械制造與自動化。