端框翻轉(zhuǎn)吊具優(yōu)化設(shè)計

劉慧芬，崔衛(wèi)國，張曉強，孫宇超，李 青，鄭娜娜

(1.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長治 046000；2.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐長治地區(qū)軍事代表室，山西 長治 046000)

0 引言

鋁合金端框作為某產(chǎn)品的關(guān)鍵零件，其自身精度高低對發(fā)射筒體的裝配精度影響很大,而鋁合金端框作為薄壁環(huán)狀零件，加工過程繁瑣，需要在車床與銑床間轉(zhuǎn)運，且在銑床上加工時需進行兩次翻轉(zhuǎn),如果用傳統(tǒng)吊裝方法進行翻轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)運，會嚴(yán)重影響其精度。

本文針對端框的自身特點，對傳統(tǒng)吊裝方案進行優(yōu)化，提出了一種新型的端框翻轉(zhuǎn)吊具。首先通過UG軟件建模得到了該吊具的三維模型，然后借助ANSYS Workbench軟件對翻轉(zhuǎn)吊具的重要零部件進行仿真分析，最終得出優(yōu)化后的翻轉(zhuǎn)吊具結(jié)構(gòu)模型。

1 端框翻轉(zhuǎn)吊具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.1 翻轉(zhuǎn)吊具實體模型的建立

該吊具主要由吊梁、質(zhì)心調(diào)整裝置(包括導(dǎo)軌、滑塊、調(diào)節(jié)螺桿)、夾緊塊、回轉(zhuǎn)軸等組成。吊梁由長方鋼管和短方鋼管焊接而成，其中長方鋼管與短方鋼管的截面尺寸相同，均為100 mm×100 mm×5 mm,長方鋼管上方焊接有支耳，在支耳上打孔用于連接銷軸，起吊時，將吊帶分別穿過兩根銷軸進行起吊，短方鋼管兩側(cè)通過軸承與回轉(zhuǎn)軸連接固定；回轉(zhuǎn)軸通過螺釘連接質(zhì)心調(diào)整裝置，進而連接夾緊塊，起到夾緊工件的作用。該吊具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

本吊具通過在吊梁上安裝軸承，實現(xiàn)了靠人力翻轉(zhuǎn)工件，方便快捷。由于工件加工過程中的狀態(tài)不同，翻轉(zhuǎn)時的質(zhì)心也不同，為保證順利翻轉(zhuǎn)，設(shè)置了質(zhì)心調(diào)整裝置，在進行翻轉(zhuǎn)操作前，將工件與夾緊塊、滑塊的合質(zhì)心調(diào)整到與回轉(zhuǎn)軸中心在同一水平線上，即可實現(xiàn)輕松翻轉(zhuǎn)。

該吊具為四點夾緊機構(gòu)，四個夾緊塊的布置位置如圖2所示。兩側(cè)夾緊塊的角度分別為120°，通過左右兩側(cè)四個夾緊塊將工件夾緊，保證在翻轉(zhuǎn)到90°時通過左右兩側(cè)夾緊塊的夾持力將工件夾緊，很大程度上消除了只靠摩擦力夾緊時的不可靠因素。

圖1 吊具結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 夾緊塊布置

1.2 重要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

重要零部件的結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到該吊具的使用安全性和整體穩(wěn)定性?，F(xiàn)根據(jù)吊具的使用狀態(tài)，對吊具關(guān)鍵件回轉(zhuǎn)軸、質(zhì)心調(diào)整裝置中的導(dǎo)軌和滑塊進行優(yōu)化設(shè)計。

優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)軸為一階梯軸，小圓柱端與軸承、套筒相連，大圓柱端起固定軸承內(nèi)圈的作用，其上銑出四方臺階，并在端部開有螺紋孔，用于連接導(dǎo)軌。回轉(zhuǎn)軸裝配示意圖如圖3所示。

該裝置中的導(dǎo)軌為矩形導(dǎo)軌，如圖4所示。該導(dǎo)軌上下面上的螺紋孔用于連接上下蓋板，蓋板上開有Φ22通孔，用于連接調(diào)節(jié)螺桿。導(dǎo)軌側(cè)面正中心有一圓形凸臺，其上開有方形槽和圓孔，與回轉(zhuǎn)軸上的四方臺階和螺紋孔配合。裝配時，將回轉(zhuǎn)軸上四方臺階插入導(dǎo)軌方形槽內(nèi)，并使用螺釘將回轉(zhuǎn)軸與導(dǎo)軌固定。

滑塊為“工”字形結(jié)構(gòu)，如圖5所示。小端矩形端用于插入導(dǎo)軌矩形槽中，其上螺紋通孔與調(diào)節(jié)螺桿相連，用于調(diào)整質(zhì)心，另一端開有兩個對稱的方形槽和6個Φ20通孔，其中孔1用于放置轉(zhuǎn)動銷，孔2、孔3用于放置止動銷。孔1、孔3用于夾緊工件時使用，孔1、孔2用于工裝存放時使用，此時將孔3內(nèi)的止動銷拔下，插入孔2即可。如此采用兩個銷與夾緊塊支耳連接實現(xiàn)夾緊工件的目的，滑塊與夾緊塊、導(dǎo)軌的裝配示意圖如圖6所示。

圖3 回轉(zhuǎn)軸裝配示意圖 圖4 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 滑塊結(jié)構(gòu)示意圖 圖6 滑塊裝配示意圖

2 翻轉(zhuǎn)吊具重要零部件的仿真分析

為了保證該吊具整體結(jié)構(gòu)的安全可靠性，現(xiàn)對該吊具的重要零部件進行仿真分析。在保證安全系數(shù)的前提下，進行了輕量化設(shè)計，縮短了制造周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

2.1 翻轉(zhuǎn)吊具吊梁的仿真分析

翻轉(zhuǎn)吊具吊梁由不同長度的方鋼管拼焊而成，為使計算結(jié)果更加真實，該吊梁整體運用四面體網(wǎng)格進行劃分，對其局部進行了網(wǎng)格加密，吊具吊梁的網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 吊具吊梁網(wǎng)格劃分

由于被吊物體質(zhì)量為250 kg，因此，將吊梁上面銷軸固定，在兩側(cè)方鋼管下端鋼管內(nèi)圓柱面上分別施加豎直向下的1 250 N遠端載荷，最終得到該吊梁的仿真分析結(jié)果，如圖8、圖9所示。

圖8 吊具吊梁應(yīng)力云圖 圖9 吊具吊梁總位移云圖

從圖8可以看出：吊梁的最大應(yīng)力為41.262 MPa，最大應(yīng)力分布在短方鋼管下方的邊界。方鋼管采用Q345A，材料的屈服極限為345 MPa，故吊梁的安全系數(shù)為8.4，吊梁起吊翻轉(zhuǎn)安全可靠。

從圖9可以看出：吊具吊梁的最大變形位置在短方鋼管的邊界，最大位移為2.26 mm。變形量小，吊梁起吊翻轉(zhuǎn)安全可靠。

2.2 回轉(zhuǎn)軸的仿真分析

作為連接吊梁和質(zhì)心調(diào)整裝置的關(guān)鍵零件，回轉(zhuǎn)軸的強度直接關(guān)系到該吊具的使用安全性和整體穩(wěn)定性。通過對回轉(zhuǎn)軸進行網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件和施加載荷，對該回轉(zhuǎn)軸進行仿真分析?；剞D(zhuǎn)軸采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖10所示。

圖10 回轉(zhuǎn)軸網(wǎng)格劃分

進行邊界條件設(shè)置時，對回轉(zhuǎn)軸圓柱端的棱線施加固定約束，在四方臺階某一面上施加垂直于該面的指向軸心的載荷，載荷大小為1 250 N。經(jīng)過計算得到回轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力云圖，如圖11所示。

從圖11可以看出：回轉(zhuǎn)軸最大應(yīng)力分布在回轉(zhuǎn)軸四方臺階尖點位置，最大應(yīng)力為109.03 MPa。轉(zhuǎn)接耳材料為Q345A，材料的屈服極限為345 MPa，安全系數(shù)為3.17，故回轉(zhuǎn)軸強度滿足吊具使用要求。

圖11 回轉(zhuǎn)軸應(yīng)力云圖

3 結(jié)束語

通過對傳統(tǒng)吊裝方法進行分析研究，并結(jié)合產(chǎn)品自身特點和加工需求，設(shè)計出端框?qū)Ｓ梅D(zhuǎn)吊具。不僅滿足車間翻轉(zhuǎn)要求，而且保證了產(chǎn)品精度。

根據(jù)有限元離散化理論，對翻轉(zhuǎn)吊具吊梁和回轉(zhuǎn)軸等關(guān)鍵零部件的實體模型進行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、施加載荷等操作，最后通過計算得到有限元分析結(jié)果。

使用強度校核理論比對應(yīng)力應(yīng)變云圖計算結(jié)果，在滿足最低安全系數(shù)的前提下，適當(dāng)減小重要零部件的外形尺寸，不僅實現(xiàn)了輕量化設(shè)計，且節(jié)約了生產(chǎn)制造成本，最終得到優(yōu)化后的端框翻轉(zhuǎn)吊具模型。分析結(jié)果表明：該翻轉(zhuǎn)吊具安全可靠，強度能滿足端框翻轉(zhuǎn)的使用要求。