锻压操作机冲击动力学分析

刘德时　李春会　黄英

摘 要 针对夹持棒状锻件的锻压操作机的冲击动力学行为进行分析。采用LS-DYNA建立“锻压操作机-棒状锻件-锻造液压机”整体系统的三维有限元模型，对落锤碰撞冲击锻件的工况进行显式动力学模拟。重点分析了冲击位置对操作机夹钳所受的最大冲击力的影响，为操作机结构设计提供理论依据。

關键词 锻压操作机；冲击动力学；锻造压力机

中图分类号 TG315 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0206-02

锻压操作机是锻造压力机重要的作业辅助装备，二者相互配合共同完成金属材料的塑性成型作业。操作机通过其夹钳夹持锻件，对其进行翻转、提升、平移等操作，相对于以往天车与锻造操作机相互配合的作业组合方式，可以显著提高成型精度与速度，降低锻造生产过程中的能耗。

在正常的工况下，锻造压力机可以准确地控制其锻锤的运动速度与轨迹。但是实际工况中，会出现液压系统损坏、故障以及人为操作失误或等情况，此时压力机的锻锤很可能失去有效控制，在自重的作用下，锻锤会出现自由落体运动，并与锻件发生碰撞冲击，所产生的巨大的冲击力通过锻件传导到夹钳，可能导致夹钳瞬间断裂破坏。特别是在后期的锻压道次，锻件接近黑色的时候，此时锻件的硬度大，强度高，发生碰撞冲击后操作机夹钳被破坏的危险性大为提高。

操作机的冲击动力学行为在20世纪60年代初就引起了苏联学者米诺诺夫的注意，根据多年的现场观察以及经验总结，米诺诺夫认为操作机的动态响应过程严重滞后于锻锤与锻件的冲击过程，夹钳的最大受力不是发生在锻锤与锻件的接触变形期。发生冲击后，锻锤在变形抗力的作用下离开锻件表面，操作机在自身惯性作用下继续下行，因为锻件的一端是放在锻造压力机的下砧上，因此，锻件对操作机夹钳的最大反作用力是竖直向上的。米诺诺夫将操作机自身建立为一个单自由度振动模型，振动模型的刚度和质量分别是操作机的缓冲刚度和质量，在某个初速度下该单自由度系统进入自由振动过程，因为该振动系统中并没有考虑锻件，所以夹钳受力的方向与大小与均与冲击位置无关。权修华[1]采用米诺诺夫的理论分析了国产两种操作机的冲击受力过程，并采用应变片对现场使用的操作机夹钳的动态应变进行监测，试验结果表明在操作机夹钳所受动态冲击里的时程曲线在趋势上与米诺诺夫的动力学模型有相似之处，但是最大冲击力的数值与其差别很大。顾震隆[2]等对上述观点持有不同看法，认为夹钳所受最大冲击力的方向、大小均与锻锤冲击锻件的位置有直接联系。并建立了操作机夹钳与锻件接触碰撞动力学方程，但并未给出方程的数值解。

本文基于LS-DYNA显式有限元软件，建立了包含“锻压操作机-棒形锻件-锻造液压机”的整体系统的有限元模型，分析研究了锻锤冲击位置对夹钳所受最大冲击力的影响。

1 锻压冲击系统有限元模型

近年来，有限元技术在金属塑性加工领域得以广泛应用，通过这种方法可以准确模拟加工过程中的塑性位移以及其他物理过程，目前国外很多厂家均使用有限元模拟结果为参考，结合以往生产经验，制定合理的锻压工艺。“操作机-棒状锻件-锻造压力机”整体系统三维有限元模型如图1所示，相关参数可见表1。使用COMBI165单元模拟操作机的缓冲弹簧，该单元为两节点一维单元，单元受力沿方向沿两个节点所成的轴线。系统的其他部件均采用SOLID164八节点块单元模拟，该单元采用单点高斯积分方法，对于塑性加工的大变形的非线性问题，可以在保证基本精度的前提下大幅提高计算速度。其中锻件的材料本构为理想弹塑性。在整个冲击仿真过程中，下砧的下表面固定，锻件与锻锤、锻件与下砧之间均定义接触面。锻锤以一定的初速度冲击锻件，以模拟锻锤从一定高度自由下落冲击锻件的工况，操作机夹钳的受力为锻件与操作机之间所有节点的合力。图1中，夹持在操作机与锻锤下砧之间锻件的长度定义为“冲击位置”。

2 冲击位置的影响

锻锤具有一定的初速度，在惯性作用下向下运动，造成锻件发生变形，在锻件变形抗力作用下，锻锤下落速度迅速减小直至为零，之后锻锤开始在变形抗力作用下向上运动，直至锻锤与锻件分离。二者分离后，操作机夹持锻件开始自由振动。针对本系统的参数的仿真结果，锻锤与锻件的接触时长为0.63ms。

定义竖直向下方向为夹钳受力的正方向，与重力方向相同。冲击位置对操作机夹钳的最大受力的影响见图2（a）。最大正向受力在到619kN至1 276kN之间波动，最大的负向受力在600kN到1 265kN之间波动。总体趋势上，两个方向的最大受力均随着锻压位置的增大而减小，也就是说，锻锤冲击锻件的位置距离操作机越远，夹钳的最大受力越小。另外可以注意到，这种冲击荷载造成的夹钳的最大受力比锻件自重大得多。在整个锻件长度范围内，夹钳时程最大受力的最小值发生在l=9.9m处，数值为600kN，也达到了锻件自重的4倍。

冲击位置对夹钳正负双向最大受力发生的时间的影响可见图2（b）。图中显示，当冲击位置l≤2m，操作机夹钳与锻件的力流传递十分直接，夹钳两个方向的最大受力在锻锤与锻件的接触期间发生。2m7m，冲击波在锻件中的传递速度远低于锻锤回弹的速度，因此，夹钳两个方向的最大受力均发生在分离期。或者说，当锻锤已经与锻件已经发生分离，冲击波还尚未到达

夹钳。

3 结论

本文针对锻锤冲击锻件的动力学过程进行研究，终点关注操作机夹钳所受的最大冲击力。在LS-DYNA中建立了整体系统的有限元模型，对该工况进行动力学模拟。数值结果表明，冲击位置对操作机夹钳的最大受力有十分重要的影响，无论是最大受力的方向、幅值还是发生的时间，与顾震隆[2]的观点相同。主要原因在于，在不同的冲击位置，系统的刚度与质量特性均发生

变化。

1）当冲击位置靠近夹钳，夹钳最大受力发生在接触期；当冲击位置远离夹钳，夹钳的最大受力发生在分离期。

2）总体趋势上，冲击位置距离操作机夹钳越远，夹钳的最大受力越小。

参考文献

[1]权修华.操作机承载状态分析与计算[J].CMET锻压装备与制造技术，1988（5）：41-44.

[2]顾震隆.锤上操作机的动力分析探讨[J].哈尔滨工业大学学报，1979（3）：1-10.