锻造操作机钳口的结构优化设计

机械研究与应用2013年第4期第26卷，总第126期设计与制造锻造操作机钳口的结构优化设计韩小强兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州730070摘要建立锻造操作机带有凸齿结构的钳口有限元模型，在钳12“与工件的接触区域添加位移约束，经静力分析得到钳口的应力结果。在不影响钳口夹持性能的条件下，选取恰当优化变量，对钳口进行钳口质量最小、应力不超过许用应力为优化目标的结构优化，减轻重量183。关键词锻造操作机；钳口优化设计中图分类号TG315文献标志码A文章编号10074414201304012703OPTIMALDESIGNFORFORGINGMANIPULATORSJAWWITHTOOTHHANXIAOQIANGCOLLEGEOFMECHANICALANDELECTRICALENGINEERING，LANZHOUJIAOTONGUNIVERSITY，LANZHOUGANSU730070，CHINAABSTRACTTHEFINITEDEMENTMODELOFFORGINGMANIPULATORSJAWWITHTOOTHISBUILTTHEDISPLACEMENTCONSTRAINTISMADEONTHECONTACTREGIONBETWEENJAWANDWORKPIECE，WHICHCANBEOBTAINEDTHROUGHTHEGEOMETRICALRELATIONSHIPTHERESULTSABOUTTHESTRESSONTHEJAWARERECEIVEDTHROUGHTHESTATICALLYANALYSISINFINITEELEMENTANALYSISFEASOFTWAREWITHOUTINFLUENCINGTHEPROPERTIESOFGRIPPING，THESTRUCTUREOPTIMIZATIONISACHIEVEDWITHTHEPROPERTYOPTIMIZATIONVARIABLE，ANDTHEJAWSWEIGHTIS183REDUCTIONWITHTHESATISFACTIONOFSTRENGTHREQUIREMENTKEYWORDSFORGINGMANIPULATOR；JAW；OPTIMALDESIGN1引言锻造操作机是现代自由锻造的基本设备，主要用于夹持锻件配合主机完成锻造工艺，是实现锻造机械化和自动化的重要设备。近年来，我国核电、火电、化工、造船、航空航天等产业对极端条件下的节能、节材制造技术以及巨型重载装备提出了迫切需求J，也对锻造操作机的发展提出了新的要求。钳口作为锻造操作机夹持锻件的执行部件，对锻造操作机夹持锻件稳定性具有直接影响，钳口的强度及其设计的合理性对保证锻造操作机的正常工作具有重要作用。锻造操作机钳口具有不同的结构形式，根据钳口与工件接触面形状的不同可分为直线状V形钳口和双角度V形钳口，根据接触面表面情况可分为无齿钳口、有齿钳口如图1所示。浮志强等_3针对无齿直线状V型钳口进行应力分析，基于摩擦接触静力平衡关系计算钳口载荷。张智峰通过仿真计算外载荷，得到无齿V形钳口与工件接触面的接触应力情况J。以上文献都是针对无齿结构钳口分析，尚未对有齿结构的钳口进行应力分析；刘艳妍等对有齿结构钳口下的夹持力进行了研究，确定了有齿结构钳口夹持力的计算确定方法，并证明夹紧液压缸最大输出力的主要作用是在工件上形成齿痕J。笔者针对有齿结构钳口，在钳口夹紧最大载荷工件形成齿痕的状态下进行强度分析，分析钳口的应力分布规律，并利用ANSYSWORKBENCH软件进行钳口结构优化设计。图1钳口结构2钳口静力分析以40T锻造操作机的钳口为例，工件的直径为12111，质量为40T，满足操作机公称载重和夹持力矩。钳口材料为ZG30CRNIMOL，屈服强度为590MPA，取安全系数25_6，许用应力为236MPA。21钳口有限元模型的建立利用SOLIDWORKS建立几何模型，简化不必要的倒角，略去钳口顶部对影响钳口应力影响小的细小螺纹孔，消除小平面、小尖角、微小缝隙等几何缺陷引。将几何模型导人ANSYSWORKBENCH中，采用单元数量少、求解收敛快的六面体单元进行网格划分。控收稿日期20130610作者简介韩小强1988一，男，山西晋中人，硕士，研究方向机械制造与自动化。L27机械研究与应用2013年第4期第26卷，总第126期设计与制造率，夹持工件前钳口必须保持在方便夹持的状态，因此钳口质量相对于销轴轴心所在平面不是对称分布，钳口前部重量较重优化前重31KG，在重力作用和钳臂结构的阻挡下，夹持工件前钳口始终保持稳定位置如图5A所示，因此SAOB5MNPQSOSAOBHI2式中S为由于钳口长度不对称产生的质量差。可得2SMNPOSO经计算得H21154LTLM，为保证钳口能有效的保持稳定状态，选择优化参数为75MM100图5钳口优化参数322确定R2变化范围由静力分析结果可知，钳口与钳臂接触圆弧内侧存在应力集中，通过增加圆角半径可减小应力集中E71，但是圆角半径不能超过钳口销轴凸台高度，如图5B所示，即R10。选取的优化变量、优化目标及其初始值如表1所列。表1钳口优化前后结果比较上接第126页该设备安全性高，通用性强，大大的提高了生产效率，在压药领域必然有着广阔的应用前景。参考文献1杜云峰，陈敏慧，华齐庆，等新型气动压药机的研究J新技33优化结果从优化结果可知优化后钳口最大应力由91MPA增加到186MPA，但没有超过许用应力；钳口质量由852KG减少到696KG，减少了183。4结论1针对带有凸齿结构的锻造操作机钳口进行强度分析，根据凸齿钳口夹持工件的特点选择钳口夹紧工件形成齿痕工况进行分析，根据实际工况确定载荷和约束，通过几何关系确定钳口与工件的接触面积，分析钳口的应力分布情况。2对钳口进行结构优化，确定优化变量范围，在满足应力要求的条件下，减轻钳口重量183，为钳口的设计及进一步优化奠定了基础。参考文献1高峰，郭为忠，宋清玉，等重型制造装备国内外研究与发展J机械工程学报，2010，4619921072万胜狄，王运赣，沈元彬锻造机械化与自动化M北京机械工业出版社，19833浮志强，何竞飞，邓华基于ABAQUS的夹钳钳口有限元应力分析J机械工程与自动化，20085134张智峰锻压过程中操作机钳口的有限元接触分析D武汉华中科技大学，20095刘艳妍，杨晋，陈超，等重载锻造操作机夹持力研究J机械工程学报，2012，48466716徐灏安全系数和许用应力M北京机械工业出版社，19817李水水，李向东，范元勋，等基于ANSYS的起重机吊钩优化设计J机械设计与制造，2012437388申磊，董平，吴风林基于PROE和ANSYSWORKBENCH四柱液压机上横梁的结构优化设计J机械管理开发，2009，2421O一129CHENOT，TRONEL，SOYFISFINITEELEMENTCALCULATIONOFTHERMOCOUPLEDLARGEDEFORMATIONINHOTFORGINGJCONDUCTIONRADIATIONANDPHASECHANGE，199224935111O吕琳，邓明，李艳霞，等基于有限元分析的精冲液压机机身结构优化J锻压技术，2010，35210