劉德時(shí)　李春會(huì)　黃英

摘 要 針對(duì)夾持棒狀鍛件的鍛壓操作機(jī)的沖擊動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行分析。采用LS-DYNA建立“鍛壓操作機(jī)-棒狀鍛件-鍛造液壓機(jī)”整體系統(tǒng)的三維有限元模型，對(duì)落錘碰撞沖擊鍛件的工況進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)模擬。重點(diǎn)分析了沖擊位置對(duì)操作機(jī)夾鉗所受的最大沖擊力的影響，為操作機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 鍛壓操作機(jī)；沖擊動(dòng)力學(xué)；鍛造壓力機(jī)

中圖分類號(hào) TG315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）17-0206-02

鍛壓操作機(jī)是鍛造壓力機(jī)重要的作業(yè)輔助裝備，二者相互配合共同完成金屬材料的塑性成型作業(yè)。操作機(jī)通過其夾鉗夾持鍛件，對(duì)其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、提升、平移等操作，相對(duì)于以往天車與鍛造操作機(jī)相互配合的作業(yè)組合方式，可以顯著提高成型精度與速度，降低鍛造生產(chǎn)過程中的能耗。

在正常的工況下，鍛造壓力機(jī)可以準(zhǔn)確地控制其鍛錘的運(yùn)動(dòng)速度與軌跡。但是實(shí)際工況中，會(huì)出現(xiàn)液壓系統(tǒng)損壞、故障以及人為操作失誤或等情況，此時(shí)壓力機(jī)的鍛錘很可能失去有效控制，在自重的作用下，鍛錘會(huì)出現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)，并與鍛件發(fā)生碰撞沖擊，所產(chǎn)生的巨大的沖擊力通過鍛件傳導(dǎo)到夾鉗，可能導(dǎo)致夾鉗瞬間斷裂破壞。特別是在后期的鍛壓道次，鍛件接近黑色的時(shí)候，此時(shí)鍛件的硬度大，強(qiáng)度高，發(fā)生碰撞沖擊后操作機(jī)夾鉗被破壞的危險(xiǎn)性大為提高。

操作機(jī)的沖擊動(dòng)力學(xué)行為在20世紀(jì)60年代初就引起了蘇聯(lián)學(xué)者米諾諾夫的注意，根據(jù)多年的現(xiàn)場(chǎng)觀察以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，米諾諾夫認(rèn)為操作機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程嚴(yán)重滯后于鍛錘與鍛件的沖擊過程，夾鉗的最大受力不是發(fā)生在鍛錘與鍛件的接觸變形期。發(fā)生沖擊后，鍛錘在變形抗力的作用下離開鍛件表面，操作機(jī)在自身慣性作用下繼續(xù)下行，因?yàn)殄懠囊欢耸欠旁阱懺靿毫C(jī)的下砧上，因此，鍛件對(duì)操作機(jī)夾鉗的最大反作用力是豎直向上的。米諾諾夫?qū)⒉僮鳈C(jī)自身建立為一個(gè)單自由度振動(dòng)模型，振動(dòng)模型的剛度和質(zhì)量分別是操作機(jī)的緩沖剛度和質(zhì)量，在某個(gè)初速度下該單自由度系統(tǒng)進(jìn)入自由振動(dòng)過程，因?yàn)樵撜駝?dòng)系統(tǒng)中并沒有考慮鍛件，所以?shī)A鉗受力的方向與大小與均與沖擊位置無關(guān)。權(quán)修華[1]采用米諾諾夫的理論分析了國(guó)產(chǎn)兩種操作機(jī)的沖擊受力過程，并采用應(yīng)變片對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的操作機(jī)夾鉗的動(dòng)態(tài)應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明在操作機(jī)夾鉗所受動(dòng)態(tài)沖擊里的時(shí)程曲線在趨勢(shì)上與米諾諾夫的動(dòng)力學(xué)模型有相似之處，但是最大沖擊力的數(shù)值與其差別很大。顧震隆[2]等對(duì)上述觀點(diǎn)持有不同看法，認(rèn)為夾鉗所受最大沖擊力的方向、大小均與鍛錘沖擊鍛件的位置有直接聯(lián)系。并建立了操作機(jī)夾鉗與鍛件接觸碰撞動(dòng)力學(xué)方程，但并未給出方程的數(shù)值解。

本文基于LS-DYNA顯式有限元軟件，建立了包含“鍛壓操作機(jī)-棒形鍛件-鍛造液壓機(jī)”的整體系統(tǒng)的有限元模型，分析研究了鍛錘沖擊位置對(duì)夾鉗所受最大沖擊力的影響。

1 鍛壓沖擊系統(tǒng)有限元模型

近年來，有限元技術(shù)在金屬塑性加工領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，通過這種方法可以準(zhǔn)確模擬加工過程中的塑性位移以及其他物理過程，目前國(guó)外很多廠家均使用有限元模擬結(jié)果為參考，結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制定合理的鍛壓工藝?！安僮鳈C(jī)-棒狀鍛件-鍛造壓力機(jī)”整體系統(tǒng)三維有限元模型如圖1所示，相關(guān)參數(shù)可見表1。使用COMBI165單元模擬操作機(jī)的緩沖彈簧，該單元為兩節(jié)點(diǎn)一維單元，單元受力沿方向沿兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所成的軸線。系統(tǒng)的其他部件均采用SOLID164八節(jié)點(diǎn)塊單元模擬，該單元采用單點(diǎn)高斯積分方法，對(duì)于塑性加工的大變形的非線性問題，可以在保證基本精度的前提下大幅提高計(jì)算速度。其中鍛件的材料本構(gòu)為理想彈塑性。在整個(gè)沖擊仿真過程中，下砧的下表面固定，鍛件與鍛錘、鍛件與下砧之間均定義接觸面。鍛錘以一定的初速度沖擊鍛件，以模擬鍛錘從一定高度自由下落沖擊鍛件的工況，操作機(jī)夾鉗的受力為鍛件與操作機(jī)之間所有節(jié)點(diǎn)的合力。圖1中，夾持在操作機(jī)與鍛錘下砧之間鍛件的長(zhǎng)度定義為“沖擊位置”。

2 沖擊位置的影響

鍛錘具有一定的初速度，在慣性作用下向下運(yùn)動(dòng)，造成鍛件發(fā)生變形，在鍛件變形抗力作用下，鍛錘下落速度迅速減小直至為零，之后鍛錘開始在變形抗力作用下向上運(yùn)動(dòng)，直至鍛錘與鍛件分離。二者分離后，操作機(jī)夾持鍛件開始自由振動(dòng)。針對(duì)本系統(tǒng)的參數(shù)的仿真結(jié)果，鍛錘與鍛件的接觸時(shí)長(zhǎng)為0.63ms。

定義豎直向下方向?yàn)閵A鉗受力的正方向，與重力方向相同。沖擊位置對(duì)操作機(jī)夾鉗的最大受力的影響見圖2（a）。最大正向受力在到619kN至1 276kN之間波動(dòng)，最大的負(fù)向受力在600kN到1 265kN之間波動(dòng)?？傮w趨勢(shì)上，兩個(gè)方向的最大受力均隨著鍛壓位置的增大而減小，也就是說，鍛錘沖擊鍛件的位置距離操作機(jī)越遠(yuǎn)，夾鉗的最大受力越小。另外可以注意到，這種沖擊荷載造成的夾鉗的最大受力比鍛件自重大得多。在整個(gè)鍛件長(zhǎng)度范圍內(nèi)，夾鉗時(shí)程最大受力的最小值發(fā)生在l=9.9m處，數(shù)值為600kN，也達(dá)到了鍛件自重的4倍。

沖擊位置對(duì)夾鉗正負(fù)雙向最大受力發(fā)生的時(shí)間的影響可見圖2（b）。圖中顯示，當(dāng)沖擊位置l≤2m，操作機(jī)夾鉗與鍛件的力流傳遞十分直接，夾鉗兩個(gè)方向的最大受力在鍛錘與鍛件的接觸期間發(fā)生。2m7m，沖擊波在鍛件中的傳遞速度遠(yuǎn)低于鍛錘回彈的速度，因此，夾鉗兩個(gè)方向的最大受力均發(fā)生在分離期。或者說，當(dāng)鍛錘已經(jīng)與鍛件已經(jīng)發(fā)生分離，沖擊波還尚未到達(dá)

夾鉗。

3 結(jié)論

本文針對(duì)鍛錘沖擊鍛件的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行研究，終點(diǎn)關(guān)注操作機(jī)夾鉗所受的最大沖擊力。在LS-DYNA中建立了整體系統(tǒng)的有限元模型，對(duì)該工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬。數(shù)值結(jié)果表明，沖擊位置對(duì)操作機(jī)夾鉗的最大受力有十分重要的影響，無論是最大受力的方向、幅值還是發(fā)生的時(shí)間，與顧震隆[2]的觀點(diǎn)相同。主要原因在于，在不同的沖擊位置，系統(tǒng)的剛度與質(zhì)量特性均發(fā)生

變化。

1）當(dāng)沖擊位置靠近夾鉗，夾鉗最大受力發(fā)生在接觸期；當(dāng)沖擊位置遠(yuǎn)離夾鉗，夾鉗的最大受力發(fā)生在分離期。

2）總體趨勢(shì)上，沖擊位置距離操作機(jī)夾鉗越遠(yuǎn)，夾鉗的最大受力越小。

參考文獻(xiàn)

[1]權(quán)修華.操作機(jī)承載狀態(tài)分析與計(jì)算[J].CMET鍛壓裝備與制造技術(shù)，1988（5）：41-44.

[2]顧震隆.錘上操作機(jī)的動(dòng)力分析探討[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1979（3）：1-10.