鍛造操作機鉗臂設計分析

解文科

（太原重工股份有限公司技術中心，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可極大提高鍛造生產效率和鍛件制造質量，降低制造成本。近年來，我國核電、火電、化工、造船、航空航天等產業對極端條件下的節能、節材制造技術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展提出了新的要求。在現代化的鍛造車間，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備中配備雙鍛造操作機已逐步成為一個新的發展趨勢。國內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計也表明，使用鍛造操作機可顯著提高鍛造生產效率[2-3]。

鍛造操作機是一種在極端載荷條件下作業的重載機械，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構可以分為夾鉗、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、夾鉗平行升降及傾斜、臺架回轉或夾鉗擺移、大車行走[10]。其中除臺架回轉和大車行走外，其他動作都與夾鉗裝置有關。

夾鉗裝置主要由以下幾部分組成：鉗口、鉗臂、鉗殼、推拉連桿、聯結銷軸等。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構。具體結構形式如圖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鍵零件，其強度能否滿足要求十分關鍵。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常旋轉，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[11]。

2.2 鉗口在垂直位置受力

根據夾緊力計算公式：

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，根據力的平衡關系，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，同上根據力的平衡關系，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，使蓄能器內液壓油壓力升高產生一個附加力偶矩，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，而鉗桿在旋轉馬達的驅動下帶動鉗臂旋轉時附加扭矩，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果

采用NX I-deas軟件對鉗臂進行分析，用四節點四面體網格對模型進行數據處理，共劃分139966網格。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力云圖。

圖6 各工況下鉗臂應力云圖

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

由圖可以清晰看到，在連桿和鉗臂連接的銷軸孔處應力值最高為407MPa，從材料的屈服極限計算，鉗臂的安全系數為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，該處以壓應力為主。鉗臂的次高應力值區域是一個由窄變寬的圓弧過渡區域，應力值最高達348MPa，該處以拉應力為主，因此該處的圓弧半徑在結果許可時盡量取大值。

5 結論

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鍵的部分。本文根據實際使用分四種工況分析鉗臂的受力，并經有限元計算得到鉗臂各部位應力分布，經多次計算對應力值較高部位進行優化，使得鉗臂設計最終滿足強度要求。

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