鍛造操作機鉗臂設(shè)計分析

解文科

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

0 引言

鍛造操作機是鍛件精確制造的基本裝備之一，與自由鍛造壓機配合進行鍛造作業(yè)可極大提高鍛造生產(chǎn)效率和鍛件制造質(zhì)量，降低制造成本。近年來，我國核電、火電、化工、造船、航空航天等產(chǎn)業(yè)對極端條件下的節(jié)能、節(jié)材制造技術(shù)以及巨型重載裝備提出了迫切需求[1]，也對鍛造操作機的發(fā)展提出了新的要求。在現(xiàn)代化的鍛造車間，尤其在大型自由鍛造液壓機上配備鍛造操作機已是必不可少，而且鍛造壓機機組設(shè)備中配備雙鍛造操作機已逐步成為一個新的發(fā)展趨勢。國內(nèi)外很多廠家通過配備鍛造操作機，大幅提升了鍛造效率，如日本神戶制鋼廠采用1600kN/4000kN·m鍛造操作機后，比采用兩臺鍛造天車效率提高了1.6～2倍；上海重型機器廠有限公司的統(tǒng)計也表明，使用鍛造操作機可顯著提高鍛造生產(chǎn)效率[2-3]。

鍛造操作機是一種在極端載荷條件下作業(yè)的重載機械，工作過程中其速度性能、承載能力以及剛度特性隨機構(gòu)位形的變化而變化[4-8]。實際使用中操作機的鉗臂有不少斷裂的例子[9]，因此鉗臂的強度計算顯得尤為重要。

1 鍛造操作機夾鉗裝置

目前使用較多的鍛造操作機的本體結(jié)構(gòu)可以分為夾鉗、臺架和大車三部分。為了滿足鍛造工藝要求，鍛造操作機一般具有以下五個動作：鉗口夾緊和松開、鉗桿旋轉(zhuǎn)、夾鉗平行升降及傾斜、臺架回轉(zhuǎn)或夾鉗擺移、大車行走[10]。其中除臺架回轉(zhuǎn)和大車行走外，其他動作都與夾鉗裝置有關(guān)。

夾鉗裝置主要由以下幾部分組成：鉗口、鉗臂、鉗殼、推拉連桿、聯(lián)結(jié)銷軸等。兩個鉗口分別通過銷軸裝在兩個鉗臂上，鉗口上的銷軸孔徑比銷軸大的多，夾緊鍛件時主要靠鉗臂與鉗口上面的圓弧臺階面受力，銷軸不受力；鉗臂又由銷軸固定在鉗殼里，鉗殼后端大法蘭與鉗桿由螺栓連接在一起。鉗臂由連桿連接到夾緊缸上。夾鉗裝置大都采用這種結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 夾鉗裝置三維模型

夾鉗裝置中的鉗臂是夾持鋼錠完成各種鍛造動作的關(guān)鍵零件，其強度能否滿足要求十分關(guān)鍵。下面詳細分析夾鉗裝置中鉗臂在不同工況下的受力狀況。

2 鉗臂受力分析

鉗臂主要受到來自鉗口的夾緊力。由于在鍛造過程中鉗頭經(jīng)常旋轉(zhuǎn)，鉗口的位置也隨著變化，因此要計算鉗口在水平位置和垂直位置兩種情況時的夾緊力，而取其中較大夾緊力作為實際夾緊力計算。因此首先分析鉗口受力。

2.1 鉗口在水平位置受力

根據(jù)夾緊力計算公式[10]：

P水夾=2L0Gtan（α-ρ）/y

式中：L0—鍛件重心至鉗口銷軸中心的距離；

G—操作機的公稱載重量；

α—鉗口夾角的一半；

ρ—摩擦角，ρ=tan-1f，f為鉗口與錠子之間的摩擦系數(shù)[11]。

2.2 鉗口在垂直位置受力

根據(jù)夾緊力計算公式：

式中：G—操作機的公稱載重量；

δ—上下兩鉗口銷軸中心間距離；

φ—允許鍛件下墜轉(zhuǎn)動的角度，取為0°。

由以上計算得到鉗口在垂直位置的夾緊力為4.9MN，鉗口在水平位置的夾緊力為6.15MN。所以取鉗口在水平位置受到的最大夾緊力來校核鉗臂的強度。

3 鉗臂力學模型

夾鉗裝置為典型的對稱件，為縮短計算時間取一半模型計算，同時為了準確、方便地加載力，將鉗臂、連桿、鉗口等件裝配到一起按接觸分析計算。以下針對夾鉗裝置實際工作中的各種動作，分四種工況分別建立模型。

（1）工況一。當夾持力矩最大，鉗口開口最小時，根據(jù)力的平衡關(guān)系，以鉗臂作為研究對象，它受到鉗口處工件的反作用力P夾/2和夾緊缸的夾緊力P推/2由此得出O處受力大小和方向。鉗臂計算力學模型如圖2所示。

（2）工況二。當夾持力矩最大，鉗口開口最大時，同上根據(jù)力的平衡關(guān)系，得到鉗臂計算力學模型如圖3所示。

（3）工況三。鍛造時，由于鍛件變形使得鉗桿強行向下運動，提升缸大腔的油排入蓄能器，使蓄能器內(nèi)液壓油壓力升高產(chǎn)生一個附加力偶矩，將該附加的力偶矩疊加到工況一上，由此建立力學模型。

圖2 工況一鉗臂模型圖

圖3 工況二鉗臂模型圖

圖4 工況三鉗臂模型圖

（4）工況四。鍛造時，壓機壓住工件，而鉗桿在旋轉(zhuǎn)馬達的驅(qū)動下帶動鉗臂旋轉(zhuǎn)時附加扭矩，將該附加的扭矩疊加到工況一上，由此建立力學模型如圖5所示。

圖5 工況四鉗臂模型圖

4 鉗臂有限元計算及結(jié)果

采用NX I-deas軟件對鉗臂進行分析，用四節(jié)點四面體網(wǎng)格對模型進行數(shù)據(jù)處理，共劃分139966網(wǎng)格。鉗臂所用材料為一種特殊合金鑄鋼，極限強度為900～1100MPa，屈服強度為830MPa。在連桿、銷軸、鉗口與鉗臂之間建立接觸對，設(shè)置好載荷、約束等邊界條件后進行計算。如圖6所示為計算后得到的應(yīng)力云圖。

圖6 各工況下鉗臂應(yīng)力云圖

上圖各工況中左邊云圖所顯示為該工況下鉗臂最高應(yīng)力值區(qū)域，右邊云圖為該工況下鉗臂次高應(yīng)力值區(qū)域。

由圖可以清晰看到，在連桿和鉗臂連接的銷軸孔處應(yīng)力值最高為407MPa，從材料的屈服極限計算，鉗臂的安全系數(shù)為2。從零件該處的受力分析，它主要是受到連桿傳過來的夾緊缸的力，該處以壓應(yīng)力為主。鉗臂的次高應(yīng)力值區(qū)域是一個由窄變寬的圓弧過渡區(qū)域，應(yīng)力值最高達348MPa，該處以拉應(yīng)力為主，因此該處的圓弧半徑在結(jié)果許可時盡量取大值。

5 結(jié)論

鍛造操作機夾鉗裝置中的鉗臂在實際工作中受力復雜，在整臺鍛造操作機中它是比較關(guān)鍵的部分。本文根據(jù)實際使用分四種工況分析鉗臂的受力，并經(jīng)有限元計算得到鉗臂各部位應(yīng)力分布，經(jīng)多次計算對應(yīng)力值較高部位進行優(yōu)化，使得鉗臂設(shè)計最終滿足強度要求。

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