李志信，張 瑞

(1.山西太重北特機(jī)械設(shè)備制造有限公司，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024 )

0 引言

63噸米對擊錘是航天航空行業(yè)主要的鍛造設(shè)備之一，上錘頭由于受力環(huán)境惡劣，尤其沖擊載荷大，經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂，是生產(chǎn)廠為了維持正常生產(chǎn)必需的主要備件。上錘頭重量大，制造成本高、周期長，安裝在機(jī)架內(nèi)，更換備件繁瑣，需要的停機(jī)時間長。本文針對上錘頭出現(xiàn)的斷裂問題,采用有限元分析法對上錘頭在沖擊過程中的應(yīng)力情況進(jìn)行了計算，在此基礎(chǔ)上對錘頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。按照優(yōu)化后的錘頭設(shè)計圖紙生產(chǎn)出備件，通過實(shí)際使用證明使用壽命確實(shí)得到了提高。

1 上錘頭使用過程中出現(xiàn)的問題

新錘頭使用一段時間后，在錘桿根部兩處圓弧部位(即錘桿與錘頭焊縫附近的圓弧位置)出現(xiàn)微裂紋，如圖1所示。

圖1 上錘頭小裂紋

造成裂紋的原因較多，主要有：鑄鋼件存在夾雜物超標(biāo)、晶粒度等級低、組織不穩(wěn)定等缺陷；焊縫可能存在根部未融合、夾雜、氣孔、焊接應(yīng)力等缺陷；機(jī)械加工可能造成錘頭表面質(zhì)量缺陷；錘鍛工作時沒有按照設(shè)備操作規(guī)范的要求對上錘頭進(jìn)行預(yù)熱或預(yù)熱溫度不夠；應(yīng)力過大或應(yīng)力集中等?？赡芤鹆鸭y的原因眾多，但根據(jù)現(xiàn)場出現(xiàn)裂紋的部位分析，圓弧部位應(yīng)力集中是最主要的原因之一。本文著重分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)兩處圓弧的應(yīng)力分布情況，并對改變圓弧尺寸后的模型進(jìn)行應(yīng)力分析，從而對上錘頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2 上錘頭有限元分析

2.1 建立上下錘頭實(shí)體模型

UG軟件全稱Unigaphics，是集CAD/CAM/CAE于一體的大型CAD軟件，利用UG可以準(zhǔn)確地反映零部件的形狀及配合關(guān)系，可以模擬實(shí)體模型，效果更加直觀，因此UG被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、工裝設(shè)計、工裝制造等工作中[1]。

為分析上、下錘頭打擊過程的應(yīng)力情況，需建立上、下錘頭的實(shí)體模型。上錘頭在結(jié)構(gòu)上比下錘頭復(fù)雜，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及斷裂的截面位置將上錘頭模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，主要簡化了上錘頭兩處安裝緩沖裝置的耳孔外形以及錘桿頂端的活塞環(huán)部位，因?yàn)檫@兩處位置很少發(fā)現(xiàn)缺陷，而且距離斷裂截面也比較遠(yuǎn)，對最終計算結(jié)果的影響很小。

為簡化分析過程，將兩件錘頭中間的模具省略掉，從而可更加直觀地分析上、下錘頭受力狀況，所以將模型直接建立成上、下錘頭工作時的對擊狀態(tài)，如圖2所示。

2.2 建立有限元模型

實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元計算的一個重要前提，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量決定了有限元計算量的大小及計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，劃分網(wǎng)格時既要保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性又要考慮到計算規(guī)模不能過大，以免出現(xiàn)計算錯誤。

2.2.1 網(wǎng)格劃分

上錘頭屬于動應(yīng)力分布，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在主要研究的斷裂位置、截面變化較大的圓角部位以及錘桿根部應(yīng)力集中部位，網(wǎng)格劃分得小一些、密一些，以保證主要分析部位計算精準(zhǔn)；而在距離斷面遠(yuǎn)的位置，將網(wǎng)格劃分得大些，采用比較均勻的網(wǎng)格形式以節(jié)省計算時間，也不影響整體計算精度[2]。所以在上錘頭模型的網(wǎng)格劃分上表現(xiàn)出了疏密不同的形式。

2.2.2 網(wǎng)格類型

本文研究的上、下錘頭在結(jié)構(gòu)上存在較大的差異，根據(jù)網(wǎng)格選用的一般原則，上錘頭的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，選用四面體單元，四面體單元大小的設(shè)定根據(jù)網(wǎng)格單元邊長必須小于模型最小結(jié)構(gòu)尺寸的原則，保證沒有節(jié)點(diǎn)突出連續(xù)實(shí)體模型，同時根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對實(shí)體網(wǎng)格大小的分布進(jìn)行了調(diào)整。下錘頭的網(wǎng)格劃分采用了比較疏松的大網(wǎng)格劃分，根據(jù)下錘頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇六面體單元。網(wǎng)格劃分后的上、下錘頭模型見圖3。

圖2 UG中建立的上、下錘頭三維實(shí)體模型圖3 上、下錘頭實(shí)體模型網(wǎng)格劃分

2.2.3 材料屬性

上、下錘頭的材料均為ZG35，其材料屬性為：彈性模量202 GPa；泊松比0.3；材料密度7.81 g/cm3。

2.3 上下錘頭打擊過程邊界條件

上、下錘頭打擊過程的邊界條件設(shè)置為：X方向速度，上下錘頭的運(yùn)動速度均為3.13 m/s。上下錘頭模型的邊界條件如圖4所示。

圖4 上下錘頭模型的邊界條件

上、下錘頭在工作過程中，只進(jìn)行上、下打擊動作，四周有導(dǎo)軌面，用來約束上、下錘頭其他幾個方向的運(yùn)動，因此在自由度約束方面，只給定X方向的移動自由度，其余五個方向的自由度全部約束。

計算時間：主要研究上、下錘頭沖擊接觸時的受力情況，計算時間較短，為0.2 s。

2.4 應(yīng)力分析

圖5為上、下錘頭打擊過程的應(yīng)力分布云圖。圖5能夠清晰地反映錘桿危險截面位置和應(yīng)力分布，應(yīng)力由下向上傳播，呈現(xiàn)出層狀，說明應(yīng)力在錘桿中以波的形式傳播。由圖5可以看出：對應(yīng)兩處耳孔方向的錘桿根部R100處應(yīng)力集中，最容易發(fā)生破壞，與實(shí)際斷裂位置相同；在沖擊的一瞬間危險截面處最大應(yīng)力值可達(dá)到221 MPa，沿著錘桿向上，應(yīng)力值逐漸減小。

圖5 上、下錘頭打擊過程應(yīng)力分布云圖

對擊過程有限元仿真結(jié)果表明，上下錘頭在對擊時，在上錘頭的不同部位應(yīng)力分布差別很大，錘桿根部圓角R100處為危險部位，與實(shí)際錘桿斷裂部位相一致。實(shí)體模型仿真應(yīng)力分析與實(shí)際生產(chǎn)過程中的表現(xiàn)互相得到了驗(yàn)證，也表明了分析結(jié)果的正確性，為下一步對上錘頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

3 上錘頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從以上分析可以看出，錘桿根部位置截面變化最大、應(yīng)力值最大，也是上錘頭最先出現(xiàn)裂紋的位置。因此，優(yōu)化的著手點(diǎn)就在于改善應(yīng)力集中的狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，截面變化緩慢可以明顯改善應(yīng)力集中，有效預(yù)防由于應(yīng)力集中原因?qū)е碌臄嗔眩Ｓ梅椒榈箞A角或者倒角。

3.1 確定結(jié)構(gòu)改進(jìn)方向

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和使用狀況，對應(yīng)力集中部位根部圓弧尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，由R100調(diào)整到R280。對改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并對結(jié)果進(jìn)行比較，從而確定上錘頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。 選取R280截面作為分析實(shí)例，二維圖形中R280截面如圖6所示。

圖6 R280截面

3.2 二種不同截面的對比

相較于R100截面，R280的截面面積增加約123 mm2，重量比原來增加約3.89 kg，對整體上錘頭的影響不大；從結(jié)構(gòu)上看，取圓角R280時并沒有影響到錘桿活塞桿的行程，完全可以實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計改進(jìn)，二種不同的圓角對比如圖7所示。

圖7 R100與R280對比

4 對改進(jìn)后的實(shí)體模型進(jìn)行應(yīng)力分析

4.1 改進(jìn)后的實(shí)體模型

在二維圖形中將上錘頭的R100改為R280，在三維軟件UG中自動生成相應(yīng)的實(shí)體模型，重新劃分網(wǎng)格，包括網(wǎng)格單元、網(wǎng)格密度等參數(shù)均與R100時相同，以便直接對比。修改后的模型從外形直接觀察變化不大，整體結(jié)構(gòu)沒有明顯差異。修改后的模型邊界條件參數(shù)也與R100模型相同，在同樣的條件下進(jìn)行模型應(yīng)力分析。

4.2 計算R280模型的應(yīng)力分布情況

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后上、下錘頭打擊過程的應(yīng)力分布云圖如圖8所示，上錘頭在沖擊的一瞬間危險截面處最大應(yīng)力值減到了143 MPa，與改進(jìn)前應(yīng)力值221 MPa相比減小了許多，整體應(yīng)力的分布情況與原結(jié)構(gòu)基本相同，沿著錘桿向上應(yīng)力值逐漸減小。

圖8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后上、下錘頭打擊過程應(yīng)力分布云圖

4.3 對比結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的應(yīng)力情況

從兩種不同的實(shí)體模型應(yīng)力分析結(jié)果可以看到：上錘頭錘桿根部過度圓角為R100狀態(tài)時，上、下錘頭打擊瞬間該部位承受的最大應(yīng)力為221 MPa，最小應(yīng)力為20 MPa；將過渡圓角調(diào)整到R280時，打擊瞬間最大應(yīng)力值為143 MPa，最小為16 MPa，應(yīng)力集中得到較為明顯的改善。調(diào)整過渡圓角尺寸，上錘頭截面變化變緩，打擊瞬間應(yīng)力峰值明顯得到改善，上錘頭設(shè)計結(jié)構(gòu)改進(jìn)的重點(diǎn)也在于此。

5 結(jié)論

63噸米對擊錘上下錘頭沖擊過程有限元仿真結(jié)果與上錘頭使用過程中的實(shí)際情況相符。錘桿根部圓角R100處為危險截面。為延長錘桿壽命，對該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)循環(huán)應(yīng)力幅值與零件壽命的關(guān)系，結(jié)合有限元分析的對比結(jié)果，將上錘頭錘桿根部的過渡圓弧調(diào)整到R280，改進(jìn)效果比較明顯，在合理的制作工藝條件下，使用壽命比之前有所延長，且不會增加制造成本。