端框翻轉吊具優化設計

劉慧芬，崔衛國，張曉強，孫宇超，李 青，鄭娜娜

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

0 引言

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

本文針對端框的自身特點，對傳統吊裝方案進行優化，提出了一種新型的端框翻轉吊具。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軟件對翻轉吊具的重要零部件進行仿真分析，最終得出優化后的翻轉吊具結構模型。

1 端框翻轉吊具結構優化設計

1.1 翻轉吊具實體模型的建立

該吊具主要由吊梁、質心調整裝置(包括導軌、滑塊、調節螺桿)、夾緊塊、回轉軸等組成。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，短方鋼管兩側通過軸承與回轉軸連接固定；回轉軸通過螺釘連接質心調整裝置，進而連接夾緊塊，起到夾緊工件的作用。該吊具結構示意圖如圖1所示。

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

該吊具為四點夾緊機構，四個夾緊塊的布置位置如圖2所示。兩側夾緊塊的角度分別為120°，通過左右兩側四個夾緊塊將工件夾緊，保證在翻轉到90°時通過左右兩側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 吊具結構示意圖 圖2 夾緊塊布置

1.2 重要零部件的結構設計

重要零部件的結構直接關系到該吊具的使用安全性和整體穩定性。現根據吊具的使用狀態，對吊具關鍵件回轉軸、質心調整裝置中的導軌和滑塊進行優化設計。

優化后的回轉軸為一階梯軸，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，用于連接導軌。回轉軸裝配示意圖如圖3所示。

該裝置中的導軌為矩形導軌，如圖4所示。該導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，用于連接調節螺桿。導軌側面正中心有一圓形凸臺，其上開有方形槽和圓孔，與回轉軸上的四方臺階和螺紋孔配合。裝配時，將回轉軸上四方臺階插入導軌方形槽內，并使用螺釘將回轉軸與導軌固定。

滑塊為“工”字形結構，如圖5所示。小端矩形端用于插入導軌矩形槽中，其上螺紋通孔與調節螺桿相連，用于調整質心，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夾緊工件的目的，滑塊與夾緊塊、導軌的裝配示意圖如圖6所示。

圖3 回轉軸裝配示意圖 圖4 導軌結構示意圖

圖5 滑塊結構示意圖 圖6 滑塊裝配示意圖

2 翻轉吊具重要零部件的仿真分析

為了保證該吊具整體結構的安全可靠性，現對該吊具的重要零部件進行仿真分析。在保證安全系數的前提下，進行了輕量化設計，縮短了制造周期，節約了生產成本。

2.1 翻轉吊具吊梁的仿真分析

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

圖7 吊具吊梁網格劃分

由于被吊物體質量為250 kg，因此，將吊梁上面銷軸固定，在兩側方鋼管下端鋼管內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果，如圖8、圖9所示。

圖8 吊具吊梁應力云圖 圖9 吊具吊梁總位移云圖

從圖8可以看出：吊梁的最大應力為41.262 MPa，最大應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，故吊梁的安全系數為8.4，吊梁起吊翻轉安全可靠。

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，吊梁起吊翻轉安全可靠。

2.2 回轉軸的仿真分析

作為連接吊梁和質心調整裝置的關鍵零件，回轉軸的強度直接關系到該吊具的使用安全性和整體穩定性。通過對回轉軸進行網格劃分、設置邊界條件和施加載荷，對該回轉軸進行仿真分析。回轉軸采用四面體網格劃分，網格劃分結果如圖10所示。

圖10 回轉軸網格劃分

進行邊界條件設置時，對回轉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。經過計算得到回轉軸的應力云圖，如圖11所示。

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

圖11 回轉軸應力云圖

3 結束語

通過對傳統吊裝方法進行分析研究，并結合產品自身特點和加工需求，設計出端框專用翻轉吊具。不僅滿足車間翻轉要求，而且保證了產品精度。

根據有限元離散化理論，對翻轉吊具吊梁和回轉軸等關鍵零部件的實體模型進行網格劃分、邊界條件設置、施加載荷等操作，最后通過計算得到有限元分析結果。

使用強度校核理論比對應力應變云圖計算結果，在滿足最低安全系數的前提下，適當減小重要零部件的外形尺寸，不僅實現了輕量化設計，且節約了生產制造成本，最終得到優化后的端框翻轉吊具模型。分析結果表明：該翻轉吊具安全可靠，強度能滿足端框翻轉的使用要求。