基于NXNastran的锻造操作机夹持力研究

2015-07-01 09:31李玮

锻压装备与制造技术 2015年3期

李玮

（太原重工股份有限公司技术中心，山西太原030024）

锻造操作机是一种夹持锻坯配合压机完成送进、转动、精整等动作的辅助锻压机械，是重型锻造压机的重要配套设备[1]。其夹持作业过程中频繁地提升、旋转、制动以及锻压等非连续动作，致使夹持机构传递的作用力非常大。若夹持机构能够提供的夹持力小于作业所需的夹持力，就会导致夹持操作失败，这在生产作业中是绝不允许的，所以通常情况下夹持力为偏大的保守设计，但夹持力过大又会引起夹持机构设计笨重不够灵巧，操作动作反应迟钝，甚至导致钳臂、连杆等关键零部件强度降低而疲劳断裂[2]。所以，研究锻造操作机夹持机构的夹持力对于优化夹持机构设计与液压系统设计具有重要参考意义。

1 锻造操作机夹持机构简介

图1 某锻造操作机

图2 夹钳机构模型图

某锻造操作机如图1 所示。本文主要研究其夹持机构，如图2 所示，包括推杆、连杆、钳臂、钳壳、钳口以及连接销轴等组成。夹紧缸活塞杆与推杆连接，各零部件通过销轴销孔连接方式实现力的传递。当夹持力向右时，夹钳进行夹持动作，反之，夹钳进行松夹动作。

2 基于摩擦的夹持力理论计算

锻造操作机在锻造过程中夹钳会经常旋转，钳口的位置也会随之变化，当钳口处于不同位置时，整个夹持机构也处于不同的的受力情况，即处于不同的力与力矩平衡关系中。大量的分析研究表明，当钳口处于上下垂直状态时，下钳口所受的载荷是各种状态下的最大载荷，夹持机构夹紧锻件所需的工作夹持力最大[3～4]。

图3 为钳口在工件上下位置垂直状态时，工件基于摩擦的受力分析简图。在图中可以看到、为钳口对工件的支撑反作用力，在夹持状态下工件有向下掉落的静态趋势，但是工件被卡在上下V 型钳口作用力之中，这种作用力抵消了向下滑落的趋势，所以在钳口和工件之间并没有产生静摩擦力。、就是钳口对工件的总支撑力，其水平分力用来表示，垂直分力用来表示。

但是，实际中上下V 型钳口在M=Gl0的力矩作用下会使2与2作用方向上产生一段距离。钳口会绕着销轴旋转直到平衡位置。这时工件会下垂一个角度φ，从而钳口和工件会产生相对的摩擦力2和2。这一转动直到2和2的合力的作用线通过上钳口的销轴中心，以及2和2的合力的作用线通过下钳口的销轴中心，从而使钳口转动的力矩消失，工件和钳口处于平衡状态。列出力与力矩平衡方程：

可得上下钳口的咬合力为：

δ——上下两钳口销轴中心距离；

φ——工件的允许下坠角，可取φ=0～4°；

μ——钳口与工件之间的摩擦系数；

α——钳口夹角的一半。

根据机构原理计算出夹持力：

式中：k——夹持力储备系数；

图3 在垂直位置时工件基于摩擦的受力简图

η——夹持机构效率；

i——夹持机构力臂比；

FJC——上下钳口咬合力。

以上为传统摩擦夹持的计算方法。这种计算方法钳口与锻件实际复杂的接触面被简单的以等效摩擦代替，造成计算结果偏差较大，因此要得出较为准确的夹持力，需进行有限元模拟仿真计算。

3 夹持机构有限元仿真分析

采用商用有限元分析软件NXNastran 进行仿真分析，NXNastran 是国际上应用最广泛的CAE 工具，大量的制造厂商依靠其分析结果来设计和生产更加安全可靠产品，得到更优化的设计，缩短产品研发周期。三十多年来，Nastran 已经成为了几乎所有国际大企业的工程分析工具，应用领域包括航空航天、汽车、军工、船舶、重型机械设备、医药和消费品等，这也使得其分析结果成为了工业化的标准。

对夹持机构最大承载能力的工况进行有限元分析，锻件重量为180t，重力矩4000kN·m。

有限元网格模型如图4。采用自由网格划分，整个夹持机构模型共划分为85496 个节点，41258 个单元。在发生接触的区域设置面面接触对，包括钳口与锻件、钳臂与钳口、钳臂与钳壳、连杆与钳臂、推杆与连杆等接触面，接触算法选用罚函数法[5～7]。钳口与锻件接触面摩擦系数按热工件与辊道摩擦系数取值为0.3，其余为销轴销孔摩擦，摩擦系数取0.15。