全山虎，李金鵬，孟 春

(1.吉林省延邊州森林調(diào)查規(guī)劃院，吉林延吉133001;2.奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽蕪湖241002;3.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

起重機(jī)上采用合適的取物裝置，能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善人的勞動(dòng)條件［1］。鍛造單鉤是起重機(jī)取物裝置的重要組成部分，也是應(yīng)用最普遍的取物裝置，其性能好壞，直接影響起重機(jī)作業(yè)性能好壞，國內(nèi)外工程機(jī)械領(lǐng)域的廠家無不重視取物裝置的質(zhì)量控制。

參數(shù)化技術(shù)是目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)中最重要的建模技術(shù)之一［2］。當(dāng)前國外工程機(jī)械領(lǐng)域大型廠家都積極研究起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化設(shè)計(jì)，并成熟地掌握了這一技術(shù)。國內(nèi)采用這門技術(shù)廠家較少，該技術(shù)的應(yīng)用尚處于研究階段［3-4］，絕大部分廠家的設(shè)計(jì)人員在對(duì)鍛造單鉤進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，總是先根據(jù)起重量來一步一步地確定鉤身尺寸等參數(shù)，然后確定截面尺寸。然而對(duì)于同一系列的產(chǎn)品，經(jīng)常會(huì)遇到一些重復(fù)出現(xiàn)的特征，這些特征的建立雖然并不復(fù)雜，但設(shè)計(jì)人員要花費(fèi)許多時(shí)間來進(jìn)行這些重復(fù)性工作［5］。也就降低了產(chǎn)品開發(fā)的效率，不利于產(chǎn)品快速響應(yīng)市場。

鍛造單鉤因其基本形狀、主要結(jié)構(gòu)比較固定，往往是個(gè)別的參數(shù)引起其它參數(shù)的改變，故可以考慮用參數(shù)預(yù)定義的方法建立圖形的集合約束集，指定一組尺寸作為參數(shù)使其與幾何約束集相關(guān)聯(lián)，并將所有的關(guān)聯(lián)式融入到數(shù)字化建模系統(tǒng)的應(yīng)用程序中，然后通過對(duì)話框以人機(jī)交互的方式修改參數(shù);同時(shí)在滿足強(qiáng)度、制造工藝的情況下取最優(yōu)值，最終由程序根據(jù)優(yōu)化值執(zhí)行表達(dá)式來實(shí)現(xiàn)吊鉤三維數(shù)據(jù)模型的系列化更新。這種設(shè)計(jì)方法可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，有利于產(chǎn)品快速響應(yīng)市場和降低生產(chǎn)成本，也符合起重機(jī)械部件朝系列化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的要求。

本文以梯形截面的LY型、不帶凸耳的鍛造單鉤為例建立三維參數(shù)化模型進(jìn)行吊鉤的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度及工藝性檢驗(yàn)。吊鉤基本參數(shù):起重量Q=1.4 t，工作級(jí)別為M3，起升速度1.5 m/s。選用吊鉤專用鋼材DG20Mn。

1 吊鉤的參數(shù)化建模

啟動(dòng)UGNX系統(tǒng)，進(jìn)入建模模塊，單擊“草圖”進(jìn)入草圖繪制模式，分別繪制如圖1所示的圓和矩形，繪圖過程中不要讓其自動(dòng)捕捉約束關(guān)系，以便后續(xù)建立參數(shù)關(guān)聯(lián)時(shí)添加約束。

因起重量決定了鉤口尺寸，同時(shí)為使吊鉤的兩個(gè)主彎曲截面的中心線與繪圖平面的x、y坐標(biāo)軸重合，以圓O0的圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以圓O0為定位基準(zhǔn)，建立其它圖形與基準(zhǔn)圓O0的約束與定位關(guān)系。約束與定位關(guān)系:約束圓O1的圓心在x軸上;約束圓O2與圓O1相切且與矩形邊l1的延長線相切，圓O3與圓O0相切切與矩形邊l2的延長線相切;定義圓O1與圓O0相切并使圓O5的圓心與x軸共線;約束圓O5與圓O1相切、圓O4與O0相切，再約束圓O6與圓O4、圓O1相切，得圖2。

圖1 無約束草圖Fig.1 A draft without constraints

圖2 添加約束與定位關(guān)系的草圖Fig.2 A draft with constraints and position relationships

使用“快速裁減”命令分別裁掉多余的線條，即得未加尺寸約束的全幾何約束鉤身圖，結(jié)果見圖3。

圖3 幾何約束鉤身圖Fig.3 Geometry constraints of the hook body

基本輪廓完成了，然而草圖還是欠約束狀態(tài)的，上圖右側(cè)標(biāo)題欄明確顯示“草圖需要13個(gè)約束”。根據(jù)鉤身幾何關(guān)聯(lián)和鍛造工藝要求確定約束參數(shù)［6-8］，用文本文檔表示為:

參數(shù)化幾何約束后結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 鉤身主體全參數(shù)約束圖Fig.4 All parametric constraints of the hook body

圖5 主彎曲截面的參數(shù)化幾何約束圖Fig.5 Parametric geometry constraints of the main curvature section

在建模界面，應(yīng)用曲線建模里面的“通過曲線網(wǎng)格”命令自吊鉤頂端向下縫合鉤身曲面，控制曲面相交公差不超過0.2，選擇截面線為主線串，鉤身線為交叉線串，單擊“應(yīng)用”生成鉤身曲面，如圖6所示。依次應(yīng)用同樣的操作可完成鉤身其它的曲面，結(jié)果見圖7。

圖6 自頂端向下縫合鉤身曲面Fig.6 Sewing the hook body surface from top to down

圖7 縫合鉤身其它曲面Fig.7 Sewing other surface of the hook body

依次運(yùn)用“橋接曲線”、“等參數(shù)曲線”、“剖面曲線”的命令完成鉤尖曲線構(gòu)成曲面的建模，成型如圖8。再用“有界平面”的命令封閉鉤尾部曲線，用“縫合”的命令選擇一面后，全選其它鉤身曲面，使之轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，結(jié)果見圖9。

按加工工藝要求及強(qiáng)度計(jì)算，尾部螺紋根部直徑d1=24 mm，退刀槽直徑d4=22 mm，螺紋高度H=10.5 mm，直柄部分長度 H2=40mm。使用“圓臺(tái)”和“螺紋”的命令，可得圖10所示吊鉤。至此，完成單鉤的參數(shù)化建模。

2 有限元法分析吊鉤強(qiáng)度

將DG20Mn鋼材在直徑16～40 mm時(shí)經(jīng)熱處理后的材料屬性代入相應(yīng)的對(duì)話框中，加載后，選擇鉤身尾部連接橫梁處和連接螺母處為固定約束。選擇四面體網(wǎng)格劃分，全局單元尺寸大小為4.33，檢查有限元模型無誤后，即可進(jìn)入解算階段，劃分完網(wǎng)格和解算出的應(yīng)力云圖如圖11所示。

從解算出的應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力為311 MPa，它小于屈服極限σs=620.4 MPa，同樣小于許用應(yīng)力［σ］ =620.4/1.3=477.23 MPa。三個(gè)危險(xiǎn)截面中的所受應(yīng)力最大的正是主彎曲截面，這與彈性曲梁理論推導(dǎo)的結(jié)果相符，但其內(nèi)側(cè)的最大應(yīng)力與公式計(jì)算的結(jié)果相差較大。這是由于彈性曲梁理論公式計(jì)算時(shí)沒有考慮剪切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的影響［9-10］。

從解算出的位移云圖可知，最大位移在鉤尖處，這與實(shí)際工況是相符的，最大位移是0.344 mm，如圖12所示。

圖8 鉤尖曲線構(gòu)成曲面Fig.8 Curved surface from hook tip curves

圖9 鉤身曲面轉(zhuǎn)化為實(shí)體Fig.9 Transforming hook body curvature into entity

圖10 吊鉤全圖Fig.10 Full figure of the hook body

圖11 NASTRAN劃分完網(wǎng)格和解算出的應(yīng)力云圖Fig.11 Grid and resolved stress cloud map by NASTRAN

圖12 解算出的吊鉤位移云圖和安全系數(shù)云圖Fig.12 Solved displacement and safety coefficient stress map

在吊鉤中找到的最低安全系數(shù)為1.944，主彎曲截面處的安全系數(shù)為2，工程中要求的安全系數(shù)在1～2之間，一般要求不低于1.5。

從以上有限元分析可知，參數(shù)化設(shè)計(jì)的吊鉤其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足材料力學(xué)理論上的許用應(yīng)力的強(qiáng)度需求，安全系數(shù)也滿足實(shí)際作業(yè)需求，梯形主彎曲截面結(jié)構(gòu)合理。

3 吊鉤設(shè)計(jì)工藝合理性驗(yàn)證

(1)鍛造單鉤鍛模的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)生成。吊鉤制造經(jīng)拔長→彎曲→終鍛→切邊4個(gè)主要工序。經(jīng)手動(dòng)分模得到的鍛模如圖13所示。

(2)鍛造單鉤鍛模加工刀路的編制與優(yōu)化。因單鉤的上下模型腔結(jié)構(gòu)相似，因此以其中一塊鍛模的制造工藝為例進(jìn)行分析。經(jīng)工件分析，再根據(jù)廠家實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)和UGNX提供的加工方法，制定吊鉤鍛模數(shù)控加工工藝參數(shù)見表1。

精加工前經(jīng)幾何屬性動(dòng)態(tài)檢查凹腔后，設(shè)置好各種參數(shù)，部件的內(nèi)公差0mm，外公差0.01mm，邊界內(nèi)公差0.01mm，外公差0.02mm。最終生成刀路如圖14所示。

圖13 上下鍛模Fig.13 Up and down forging die

表1 吊鉤鍛模數(shù)控加工工藝參數(shù)Tab.1 Technical parameters of digital process control for die forged hook

由整個(gè)加工過程產(chǎn)生的刀路可知，除半精加工后一步刀路不甚順暢外，整體刀路較流暢，加工效率較高;同樣，另一塊鍛模加工過程也如此，證明參數(shù)化設(shè)計(jì)的鍛造單鉤在工藝上是合理的，同樣滿足實(shí)際加工要求。

(3)單鉤鍛模綜合數(shù)控模擬加工。以華中數(shù)控系統(tǒng)的上海宏聲HS-125型數(shù)控銑床為對(duì)象建立虛擬數(shù)控銑床。根據(jù)上文編制的刀路，對(duì)鍛造單鉤進(jìn)行加工，粗加工型腔銑仿真過程如圖15所示，將數(shù)控程序傳入機(jī)床用木材模型試驗(yàn)加工的過程如圖16所示。

由綜合數(shù)控模擬加工檢查可知，上文編制的刀路在數(shù)字化虛擬機(jī)床上運(yùn)行時(shí)沒有出現(xiàn)刀具與夾具及床身的碰撞和干涉等情況，進(jìn)、退刀情況與指定參數(shù)相符，加工過程流暢，在指定的加工精度內(nèi)能加工出鍛模。證明只要在實(shí)際給定的加工機(jī)床上人為操作合理，上文編制的刀路經(jīng)后處理和適當(dāng)修改就能用于實(shí)際生產(chǎn)中。

圖14 精加工刀路Fig.14 Finely processing tool path

圖15 吊鉤鍛摸數(shù)控加工仿真Fig.15 Digital control and processing simulation of die forged hook

圖16 吊鉤鍛模木材模型試驗(yàn)加工Fig.16 Machining experiment of die forged hook using wood

4 結(jié)束語

本文從分析當(dāng)前鍛造單鉤的常規(guī)設(shè)計(jì)流程存在的問題著手，提出其參數(shù)化設(shè)計(jì)的構(gòu)想。利用UGNX表達(dá)式功能中涵蓋豐富的各種函數(shù)和其智能捕捉功能，建立了鍛造單鉤的參數(shù)化數(shù)字模型，吊鉤設(shè)計(jì)流程過程既滿足行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，又有效利用了UGNX系統(tǒng)高效率高精度的CAD模型幾何屬性檢測功能，使吊鉤三維模型的精度和準(zhǔn)確性得到了保證，也為后續(xù)的工程分析和鍛模數(shù)控加工提供了保證。

設(shè)計(jì)過程中，利用UGNX的結(jié)構(gòu)分析解算程序NX.NASTRAN進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證了參數(shù)化設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)的合理性，由于模型是參數(shù)化的，分析結(jié)果不符要求即可修改參數(shù)同時(shí)進(jìn)行再分析優(yōu)化，滿足并行工程的設(shè)計(jì)理念。

為驗(yàn)證參數(shù)化設(shè)計(jì)的單鉤在加工工藝上是否合理，最后利用UGNX的加工模塊對(duì)其鍛模制定加工工藝流程，編制CNC加工刀路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化綜合模擬加工。刀路順暢，加工工藝布局合理，從而全面驗(yàn)證參數(shù)化設(shè)計(jì)的合理性及優(yōu)越性。

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