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）

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）

建立锻造操作机带有凸齿结构的钳口有限元模型，在钳口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18.3%。

锻造操作机；钳口；优化设计

1 引 言

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［2］。

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［4］。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［5］。

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40 t锻造操作机的钳口为例，工件的直径为1.2 m，质量为40 t，满足操作机公称载重和夹持力矩。钳口材料为 ZG30CrNiMo1，屈服强度为 590 MPa，取安全系数2.5［6］，许用应力为236 MPa。

2.1 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［7－10］。将几何模型导入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［11］。控制钳口凸齿和钳口两侧圆弧面的每条边的尺寸为10 mm，采用映射面网格划分，得到规则、合理的网格。共划分112 955个单元，391 924个节点。钳口有限元模型如图2所示。

图2 钳口有限元模型

2.2 添加载荷

根据实际工况，操作机工作时首先夹紧位于送料小车上的工件，此时钳口凸齿压入工件形成齿痕，然后夹持工件脱离送料小车工作。钳口夹紧工件形成齿痕过程中钳口只受到钳臂对钳口的作用力和工件对钳口的反作用力。根据夹持机构结构可知，钳臂通过圆弧结构将油缸夹紧力均匀传递到钳口上，销轴只起连接钳臂钳口作用，钳口销轴孔此时不受力。在钳口与钳臂接触圆弧上分别施加垂直于钳口顶面向下的轴承载荷F：

式中：Fg为夹紧缸输出的力；K为钳臂力臂比。

2.3 添加边界条件

夹紧稳定时工件对钳口的反作用力沿钳口齿面法向均匀分布，在钳口凸齿上钳口与工件接触区域施加位移约束。钳口夹持最大工件时工件与钳口接触区域如图3所示，接触面位置及大小由LAK、LAB确定，可由以下数学关系计算得出：

考虑到该车曾进行过发动机拆装，所以笔者特地检查了发动机，查看是否有漏装件，是否有传感器插头未连接的情况，结果未发现异常。

式中：D为工件直径；h为齿痕深度；α为1／2钳口夹角。

图3 钳齿夹紧工件简图

2.4 求解结果及分析

图4为钳口的计算结果，可得到钳口的应力分布主要有三部分。

（1）由图4（a）可以看出，钳口与钳臂接触圆弧处中间部分应力（20 MPa左右）大于两侧，应力沿载荷方向线性减小。在接触圆弧内侧圆角处应力较大（60 MPa），可通过适当增加圆角半径减少应力。

（2）钳口夹紧面中间应力高，两侧应力低，如图4（b）所示，凸齿齿根处应力较大，为40 MPa左右。在钳口与工件接触面外侧边缘上产生应力集中，如图4（c）所示，实际工况中热工件是塑性的，在钳口与工件接触边缘小范围内工件会随着钳口形变而变形，钳口不会沿着接触边缘产生大的应力集中。

（3）钳口内侧圆角圆弧处受拉应力，为30 MPa左右。钳口应力主要分布在三个区域，且应力值远小于许用应力值，有很大的应力空间可进一步优化。

图4 钳口的应力云图

3 钳口的优化

3.1 优化目标

钳口是操作机夹持机构的重要部件之一［6］，钳口的高度直接影响夹持机构的整体尺寸大小，减小钳口的质量可减少操作机运动能耗，尤其是夹钳旋转运动，且在实际生产中，由于与工件直接接触，钳口作为易磨损件需定期更换，减少钳口质量可节约成本。因此，对钳口进行应力不超过许用应力，质量最小为优化目标的优化。

3.2 优化变量

钳口凸齿结构、钳口开角等影响钳口夹持能力，钳臂与钳口接触圆弧半径影响钳臂的结构尺寸，因此，在保持钳口夹持性能不变的情况下，笔者共选择4个优化变量H1、H2、R1、R2，如图5所示。

3.2.1 确定H2变量范围

为保证钳口夹紧工作的顺利进行，提高工作效率，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31 kg），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5（a）所示，因此：

式中：S0为由于钳口长度不对称产生的质量差。

经计算得H2＜115.4 mm，为保证钳口能有效的保持稳定状态，选择优化参数H2为75 mm＜H2＜100 mm。

图5 钳口优化参数

3.2.2 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［7－11］，但是圆角半径不能超过钳口销轴凸台高度，如图5（b）所示，即：R2≤10。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

3.3 优化结果

从优化结果可知优化后钳口最大应力由91 MPa增加到186 MPa，但没有超过许用应力；钳口质量由852 kg减少到696 kg，减少了18.3%。

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18.3%，为钳口的设计及进一步优化奠定了基础。

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［5］ 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，2012，48（4）：66－71.

［6］ 徐 灏.安全系数和许用应力［M］.北京：机械工业出版社，1981.

［7］ 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，2012（4）：37－38.

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［9］ Chenot，Tronel，Soyris.Finite element calculation of thermo－coupled large deformation in hot forging［J］.Conduction Radiation and Phase Change，1992（2）：493－511.

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［11］ 闻邦椿，张义民，鄂中凯，等.机械设计手册［M］.第5版.北京：机械工业出版社，2010.

Optimal Design for Forging Manipulator′s Jaw with Tooth

HAN Xiao－qiang
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China）

The finite element model of forging manipulator′s jaw with tooth is built.The displacement constraint is made on the contact region between jaw and workpiece，which can be obtained through the geometrical relationship.The results about the stress on the jaw are

through the statically analysis in finite element analysis（FEA）software.Without influencing the properties of gripping，the structure optimization is achieved with the property optimization variable，and the jaw′s weight is 18.3%reduction with the satisfaction of strength requirement.

forging manipulator；jaw；optimal design

TG315

A

1007－4414（2013）04－0127－03

2013－06－10

韩小强（1988－），男，山西晋中人，硕士，研究方向：机械制造与自动化。