鍛壓操作機沖擊動力學(xué)分析

劉德時　李春會　黃英

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

關(guān)鍵詞 鍛壓操作機；沖擊動力學(xué)；鍛造壓力機

中圖分類號 TG315 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0206-02

鍛壓操作機是鍛造壓力機重要的作業(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)。操作機通過其夾鉗夾持鍛件，對其進行翻轉(zhuǎn)、提升、平移等操作，相對于以往天車與鍛造操作機相互配合的作業(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，鍛造壓力機可以準確地控制其鍛錘的運動速度與軌跡。但是實際工況中，會出現(xiàn)液壓系統(tǒng)損壞、故障以及人為操作失誤或等情況，此時壓力機的鍛錘很可能失去有效控制，在自重的作用下，鍛錘會出現(xiàn)自由落體運動，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，鍛件接近黑色的時候，此時鍛件的硬度大，強度高，發(fā)生碰撞沖擊后操作機夾鉗被破壞的危險性大為提高。

操作機的沖擊動力學(xué)行為在20世紀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)場觀察以及經(jīng)驗總結(jié)，米諾諾夫認為操作機的動態(tài)響應(yīng)過程嚴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，操作機在自身慣性作用下繼續(xù)下行，因為鍛件的一端是放在鍛造壓力機的下砧上，因此，鍛件對操作機夾鉗的最大反作用力是豎直向上的。米諾諾夫?qū)⒉僮鳈C自身建立為一個單自由度振動模型，振動模型的剛度和質(zhì)量分別是操作機的緩沖剛度和質(zhì)量，在某個初速度下該單自由度系統(tǒng)進入自由振動過程，因為該振動系統(tǒng)中并沒有考慮鍛件，所以夾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產(chǎn)兩種操作機的沖擊受力過程，并采用應(yīng)變片對現(xiàn)場使用的操作機夾鉗的動態(tài)應(yīng)變進行監(jiān)測，試驗結(jié)果表明在操作機夾鉗所受動態(tài)沖擊里的時程曲線在趨勢上與米諾諾夫的動力學(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]等對上述觀點持有不同看法，認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。并建立了操作機夾鉗與鍛件接觸碰撞動力學(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-棒形鍛件-鍛造液壓機”的整體系統(tǒng)的有限元模型，分析研究了鍛錘沖擊位置對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確模擬加工過程中的塑性位移以及其他物理過程，目前國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，制定合理的鍛壓工藝?！安僮鳈C-棒狀鍛件-鍛造壓力機”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單元模擬操作機的緩沖彈簧，該單元為兩節(jié)點一維單元，單元受力沿方向沿兩個節(jié)點所成的軸線。系統(tǒng)的其他部件均采用SOLID164八節(jié)點塊單元模擬，該單元采用單點高斯積分方法，對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算速度。其中鍛件的材料本構(gòu)為理想彈塑性。在整個沖擊仿真過程中，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，操作機夾鉗的受力為鍛件與操作機之間所有節(jié)點的合力。圖1中，夾持在操作機與鍛錘下砧之間鍛件的長度定義為“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動，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動，直至鍛錘與鍛件分離。二者分離后，操作機夾持鍛件開始自由振動。針對本系統(tǒng)的參數(shù)的仿真結(jié)果，鍛錘與鍛件的接觸時長為0.63ms。

定義豎直向下方向為夾鉗受力的正方向，與重力方向相同。沖擊位置對操作機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，最大的負向受力在600kN到1 265kN之間波動?？傮w趨勢上，兩個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越遠，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。在整個鍛件長度范圍內(nèi)，夾鉗時程最大受力的最小值發(fā)生在l=9.9m處，數(shù)值為600kN，也達到了鍛件自重的4倍。

沖擊位置對夾鉗正負雙向最大受力發(fā)生的時間的影響可見圖2（b）。圖中顯示，當(dāng)沖擊位置l≤2m，操作機夾鉗與鍛件的力流傳遞十分直接，夾鉗兩個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低于鍛錘回彈的速度，因此，夾鉗兩個方向的最大受力均發(fā)生在分離期?；蛘哒f，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

夾鉗。

3 結(jié)論

本文針對鍛錘沖擊鍛件的動力學(xué)過程進行研究，終點關(guān)注操作機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，對該工況進行動力學(xué)模擬。數(shù)值結(jié)果表明，沖擊位置對操作機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)生的時間，與顧震隆[2]的觀點相同。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)沖擊位置遠離夾鉗，夾鉗的最大受力發(fā)生在分離期。

2）總體趨勢上，沖擊位置距離操作機夾鉗越遠，夾鉗的最大受力越小。

參考文獻

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

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