20 MN拉伸矯直機(jī)拉伸頭側(cè)板開(kāi)孔的分析

胡陽(yáng)虎,權(quán)曉惠,徐生華,李正利,段麗華,段錦濤

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401326)

0 前言

拉伸矯直機(jī)是鋁加工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于鋁及鋁合金擠壓型材、管材、棒材、板材的拉伸矯直[1]。拉伸頭是拉伸機(jī)夾緊工件進(jìn)行拉伸矯直的關(guān)鍵部件。根據(jù)拉伸機(jī)設(shè)備拉伸力的大小，拉伸頭有著不同的結(jié)構(gòu)。10 MN以下的拉伸機(jī)，通常采用C型結(jié)構(gòu)的拉伸頭[2]；35 MN以上的拉伸機(jī)，拉伸頭通常采用C型疊板配合預(yù)應(yīng)力拉桿的組合結(jié)構(gòu)[3-5]；20 MN左右的拉伸機(jī)，拉伸頭一般為框體式結(jié)構(gòu)。為了保證拉伸過(guò)程中工件夾持的可靠性，通常將鉗口設(shè)計(jì)為楔形自鎖鉗口[6,7]。而鉗口的自鎖性設(shè)計(jì)，使得拉伸頭工作時(shí)受到鉗口的支反力，根據(jù)楔形夾角的大小不同[8]，通常是實(shí)際拉伸力的1～3倍。同時(shí)，某些工件矯直時(shí)，還需進(jìn)行扭擰矯正。因此拉伸頭作為拉伸矯直機(jī)的關(guān)鍵部件，工作時(shí)受力狀況十分惡劣和復(fù)雜[9]。

框體式結(jié)構(gòu)的拉伸頭，除了工件入口和鉗口夾緊油缸位置處有開(kāi)孔外，整體可以看做一個(gè)單面開(kāi)孔的方型金屬殼。設(shè)備進(jìn)行拉伸矯直工作時(shí)，相對(duì)其他拉伸頭結(jié)構(gòu)，其整體受力性能好。然而，該種結(jié)構(gòu)在進(jìn)行鉗口更換及維護(hù)時(shí)，由于框體式結(jié)構(gòu)的封閉性，使得鉗口的拆卸更換極為困難。

為了改善框體式拉伸頭鉗口的拆卸更換問(wèn)題，需要在拉伸頭的側(cè)面進(jìn)行開(kāi)孔，以方便鉗口的快速更換及維護(hù)。但是，在拉伸頭的側(cè)面開(kāi)孔，會(huì)對(duì)框體式拉伸頭的整體強(qiáng)度產(chǎn)生重大影響。因此，本文對(duì)20 MN拉伸矯直機(jī)拉伸頭側(cè)面開(kāi)孔后的應(yīng)力和變形進(jìn)行了分析，為該結(jié)構(gòu)拉伸頭的研制及改進(jìn)提供參考和依據(jù)。

1 有限元模型建立

1.1 分析方案

拉伸頭前端內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中雙點(diǎn)劃線為開(kāi)孔位置示意輪廓。由圖1可知，鉗口可在整個(gè)夾緊行程范圍內(nèi)移動(dòng)，因此開(kāi)孔位置的選擇范圍較大。為了滿足鉗口的更換尺寸要求，開(kāi)孔尺寸應(yīng)需略大于鉗口實(shí)際位置尺寸。開(kāi)孔的寬度尺寸為固定值，開(kāi)孔高度隨著開(kāi)孔靠近拉伸頭前端逐漸減小。當(dāng)開(kāi)孔靠近拉伸頭前端時(shí)，將對(duì)拉伸頭端部的強(qiáng)度產(chǎn)生較大的削弱，進(jìn)而影響拉伸頭整體受力的協(xié)調(diào)性。因此，為了優(yōu)化出最佳的開(kāi)孔位置及開(kāi)孔尺寸，將模擬分析不同開(kāi)孔位置的應(yīng)力及變形分布，并確定出20 MN拉伸矯直機(jī)拉伸頭側(cè)面開(kāi)孔的合理位置及開(kāi)孔尺寸。

標(biāo)記開(kāi)孔的孔邊到拉伸頭端部的距離為A，并取三個(gè)特征位置進(jìn)行分析，分別為前極限位，中間位置和鉗口的后極限位，分別標(biāo)記為A1，A2和A3。開(kāi)孔高度尺寸實(shí)際為參數(shù)A的線性變量，即任意位置A，存在唯一與之對(duì)應(yīng)的開(kāi)孔高度尺寸，因此開(kāi)孔的高度尺寸將不作為單獨(dú)的分析變量。同時(shí)由于工件尺寸的多樣性，鉗口工作時(shí)位置也存在差異，該差異對(duì)拉伸頭受力狀態(tài)有較大影響，并體現(xiàn)在邊界條件的加載上。參考實(shí)際工況，標(biāo)記鉗口工作位置為B，并取三個(gè)特征位置進(jìn)行分析，分為前位，中位和后位，分別標(biāo)記為B1，B2和B3。因此，本分析中存在兩個(gè)變量，一個(gè)是開(kāi)孔位置變量A(A1，A2，A3)，一個(gè)是鉗口工作位置變量B(B1，B2，B3)，各變量取值見(jiàn)表1。兩個(gè)變量進(jìn)行相互匹配后，共分為9種工況進(jìn)行對(duì)比分析，具體工況見(jiàn)表2。

圖1 拉伸頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

表1 參數(shù)變量取值表

表2 工況表

1.2 幾何模型的建立

建立拉伸頭的三維模型，如圖2所示。

圖2 拉伸頭三維模型

采用Abaqus/Standard求解器進(jìn)行分析，拉伸頭為整體鑄鋼結(jié)構(gòu)，楊氏模量取為172 GPa，泊松比取為0.3。模型建立過(guò)程中忽略了鉗口復(fù)雜的安裝結(jié)構(gòu)(如鉗口導(dǎo)向，鉗口座等)，認(rèn)為鉗口底部直接作用于拉伸頭鉗口支撐面上。同時(shí)忽略了安裝螺孔和小的結(jié)構(gòu)倒角，以防止計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生奇點(diǎn)。

1.3 分析步設(shè)置

實(shí)際工況中，拉伸頭進(jìn)行拉伸矯直工作時(shí)，兩個(gè)鉗口夾緊工件提供20 MN的最大拉伸力。拉伸頭進(jìn)行扭擰矯直工作時(shí)，鉗口在保持拉緊工件的情況下，同時(shí)提供150 kN·m的扭矩。拉伸力及扭矩均通過(guò)鉗口作用于拉伸頭鉗口支撐面。

根據(jù)拉伸頭的受力情況，建立模型的分析步。模型的分析步分為3步，分別為Initial，Lali和Niuju。其中，Initial為位置約束分析步，該步中對(duì)拉伸頭的初始邊界條件進(jìn)行定義。在不影響分析結(jié)果的情況下為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)置拉伸頭后端面沿拉伸方向?yàn)楣潭s束，設(shè)置中間齒輪安裝面為旋轉(zhuǎn)約束。Lali為拉伸力加載分析步，拉伸力負(fù)載具體施加方式為在鉗口工作位置區(qū)域施加均布作用的壓強(qiáng)載荷。壓強(qiáng)載荷值為鉗口對(duì)拉伸頭的支反力與該力在拉伸頭上作用面積之比，大小為61 MPa。上下鉗口對(duì)拉伸頭壓強(qiáng)載荷的水平合力大小等于工作負(fù)載拉伸力20 MN。Niuju為扭矩加載分析步，扭矩大小為150 kN·m。

邊界加載情況見(jiàn)拉伸頭中間剖面圖圖3。圖中RP-1參考點(diǎn)用于施加扭矩，RP-2參考點(diǎn)用于施加旋轉(zhuǎn)約束，圖中拉伸頭右側(cè)端部為固定約束，拉伸頭左側(cè)內(nèi)部指向鉗口安裝面的箭頭為施加的壓強(qiáng)載荷。

圖3 拉伸頭開(kāi)孔后(A2)的模型邊界加載情況

1.4 網(wǎng)格劃分

模型分析過(guò)程中模型網(wǎng)格單元類型及大小取為一致，均為C3D10，尺寸規(guī)格為60。為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)開(kāi)孔周邊以及兩側(cè)板上下根部位置進(jìn)行了局部網(wǎng)格細(xì)化。側(cè)板上下根部位置網(wǎng)格尺寸規(guī)格為20，開(kāi)孔周邊選用C3D8R的網(wǎng)格類型[10]，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分情況(開(kāi)孔位置為A2時(shí))

2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖5為不同工況下沿XY平面剖切后的拉伸頭內(nèi)部Mises等效應(yīng)力分布情況，應(yīng)力云圖標(biāo)尺的最大應(yīng)力值均設(shè)為280 MPa。對(duì)比分析不同工況的結(jié)果，拉伸頭的應(yīng)力集中區(qū)域主要發(fā)生在鉗口支撐面附近的側(cè)板根部，且側(cè)板開(kāi)孔處周邊也有一定程度的應(yīng)力集中。此外，當(dāng)鉗口工作位置位于靠近拉伸頭端部時(shí)(即B1區(qū)域)，側(cè)板開(kāi)孔越靠近拉伸頭端部，拉伸頭側(cè)板靠近端部區(qū)域的應(yīng)力集中越大；而鉗口工作位置遠(yuǎn)離拉伸頭端部時(shí)(即B3區(qū)域)，側(cè)板任意開(kāi)孔位置都會(huì)在鉗口支撐面附近的側(cè)板根部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中；開(kāi)孔位置相同，鉗口工作位置不同時(shí)B3區(qū)域側(cè)板根部應(yīng)力集中最顯著，如同為A3開(kāi)孔的B1、B2、B3三種情況；而鉗口工作位置適中時(shí)(即B2區(qū)域)，側(cè)板開(kāi)孔孔邊到拉伸頭端部的距離越遠(yuǎn)，側(cè)板開(kāi)孔的周邊及鉗口支撐面附近側(cè)板根部的應(yīng)力分布越均勻，應(yīng)力集中情況越不明顯。

圖5 不工況下拉伸頭等效應(yīng)力云圖

圖6為不同工況下沿XY平面剖切后的拉伸頭內(nèi)部變形分布情況，變形云圖標(biāo)尺最大變形值均設(shè)為1.5 mm。對(duì)比分析不同工況的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉗口工作位置位于靠近拉伸頭端部時(shí)(即B1區(qū)域)，側(cè)板的任意開(kāi)孔位置，拉伸頭端部的上下連接板處都會(huì)有最大的變形；開(kāi)孔位置相同，鉗口工作位置不同時(shí)，B1區(qū)域拉伸頭端部的上下連接板的變形最大，如同為A3開(kāi)孔的B1、B2、B3三種情況；而鉗口工作位置離開(kāi)拉伸頭端部時(shí)(即B2、B3區(qū)域)，拉伸頭的最大變形區(qū)域都發(fā)生在對(duì)應(yīng)鉗口工作位置的拉伸頭上下連接板區(qū)域；當(dāng)鉗口處于相同的工作位置，側(cè)板開(kāi)孔孔邊到拉伸頭端部的距離越遠(yuǎn)，拉伸頭產(chǎn)生的變形也越大。

圖6 不同工況下拉伸頭變形云圖

由圖5的分析可知，拉伸頭工作時(shí)會(huì)在側(cè)板開(kāi)孔周邊產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力集中，且本文主要目的就是分析開(kāi)孔對(duì)拉伸頭的影響，故將不同工況下開(kāi)孔內(nèi)邊緣的應(yīng)力情況進(jìn)行對(duì)比分析。以圖7所示位置為起點(diǎn)，逆時(shí)針?lè)较?，沿開(kāi)孔內(nèi)邊緣依次選擇網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，并按照網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)選取的順序繪制Mises等效應(yīng)力曲線，如圖8所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)選擇示意圖

由圖8可知，不同變量條件下開(kāi)孔周邊的應(yīng)力值并非均勻分布，而是呈現(xiàn)多處應(yīng)力集中。圖中曲線的波峰處，即為應(yīng)力集中的體現(xiàn)。對(duì)比節(jié)點(diǎn)選取順序，可知出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方均為開(kāi)孔的圓角根部，且每條曲線中均存在四個(gè)波峰，即開(kāi)孔的四個(gè)圓角附近都存在一定程度的應(yīng)力集中。并且只有當(dāng)開(kāi)孔位置為A1，工作位置為B1的工況，有著較大應(yīng)力集中值216.7 MPa，其他工況分析結(jié)果均顯示開(kāi)孔周邊的應(yīng)力值不超過(guò)160 MPa。

圖8 不同工況下開(kāi)孔周邊的等效應(yīng)力曲線

為了更為直觀的進(jìn)行對(duì)比和分析，將拉伸頭在不同變量條件下的最大等效應(yīng)力值、最大變形值、開(kāi)孔周邊的最大等效應(yīng)力值匯總，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別得到不同開(kāi)孔位置(變量A)隨鉗口工作位置(變量B)變化的最大Mises等效應(yīng)力值變化曲線、最大變形值曲線、開(kāi)孔周邊最大Mises等效應(yīng)力值曲線。

圖9為拉伸頭不同開(kāi)孔位置(變量A)隨鉗口工作位置(變量B)變化的最大Mises等效應(yīng)力值變化曲線。由圖可知，當(dāng)鉗口工作位置為B1時(shí)，三個(gè)開(kāi)孔位置的Mises等效應(yīng)力最大值比較接近，均為220 MPa左右；當(dāng)鉗口工作位置為B2和B3時(shí)，A3開(kāi)孔位置對(duì)應(yīng)的Mises等效應(yīng)力均最小。A1和A2開(kāi)孔位置，隨著鉗口工作位置遠(yuǎn)離拉伸頭前端面，Mises等效應(yīng)力最大值逐漸增大；A3開(kāi)孔位置，隨著鉗口工作位置遠(yuǎn)離拉伸頭前端面，Mises等效應(yīng)力最大值先減小后增加。鉗口在常用工作位置時(shí)，即B2工況，開(kāi)孔位置為A3時(shí)具有較小的等效應(yīng)力最大值。

圖9 拉伸頭最大Mises等效應(yīng)力值變化曲線

圖10為拉伸頭不同開(kāi)孔位置(變量A)隨鉗口工作位置(變量B)變化的最大變形值曲線。由圖可知，當(dāng)鉗口在同樣工作位置時(shí)，A1開(kāi)孔位置具有相對(duì)較小的最大變形值，A3開(kāi)孔位置具有相對(duì)較大的最大變形值。隨著工作位置遠(yuǎn)離拉伸頭端面，不同開(kāi)孔位置的最大變形值逐漸減小。不同條件下最大變形值均在1.2～1.5 mm范圍內(nèi)，相對(duì)拉伸頭整體尺寸規(guī)格變化很小，對(duì)設(shè)備使用性能的影響可以忽略。

圖10 拉伸頭最大變形值變化曲線

圖11為拉伸頭不同開(kāi)孔位置(變量A)隨鉗口工作位置(變量B)變化的開(kāi)孔周邊最大Mises等效應(yīng)力值曲線。由圖可知，鉗口工作位置在B3，開(kāi)孔位置為A1時(shí)，開(kāi)孔處最大等效應(yīng)力值最小。鉗口工作位置為B1和B2，開(kāi)孔位置為A3時(shí)，開(kāi)孔處最大等效應(yīng)力值最小。綜合考慮鉗口的常用工作位置(即中間工作位置B2工況)，以及盡量減小開(kāi)孔處的應(yīng)力集中等因素，A3開(kāi)孔位置相對(duì)A1、A2更加合理。

圖11 拉伸頭開(kāi)孔周邊最大Mises等效應(yīng)力值變化曲線

3 結(jié)論

變形結(jié)果的絕對(duì)值對(duì)拉伸頭的影響很小，因此變形的對(duì)比分析結(jié)果將不作為影響拉伸頭側(cè)面開(kāi)孔位置的主要因素。綜合考慮最大Mises等效應(yīng)力值、開(kāi)孔處最大等效應(yīng)力值以及鉗口的常用工作位置(即中間工作位置B2工況)等因素，最終確定，拉伸頭的最佳開(kāi)孔位置為A3，即開(kāi)孔邊緣到拉伸頭端部距離為最遠(yuǎn)的位置。