20 MN拉伸矯直機拉伸頭側板開孔的分析

胡陽虎,權曉惠,徐生華,李正利,段麗華,段錦濤

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.西南鋁業(集團)有限責任公司，重慶 401326)

0 前言

拉伸矯直機是鋁加工行業的關鍵設備之一，主要用于鋁及鋁合金擠壓型材、管材、棒材、板材的拉伸矯直[1]。拉伸頭是拉伸機夾緊工件進行拉伸矯直的關鍵部件。根據拉伸機設備拉伸力的大小，拉伸頭有著不同的結構。10 MN以下的拉伸機，通常采用C型結構的拉伸頭[2]；35 MN以上的拉伸機，拉伸頭通常采用C型疊板配合預應力拉桿的組合結構[3-5]；20 MN左右的拉伸機，拉伸頭一般為框體式結構。為了保證拉伸過程中工件夾持的可靠性，通常將鉗口設計為楔形自鎖鉗口[6,7]。而鉗口的自鎖性設計，使得拉伸頭工作時受到鉗口的支反力，根據楔形夾角的大小不同[8]，通常是實際拉伸力的1～3倍。同時，某些工件矯直時，還需進行扭擰矯正。因此拉伸頭作為拉伸矯直機的關鍵部件，工作時受力狀況十分惡劣和復雜[9]。

框體式結構的拉伸頭，除了工件入口和鉗口夾緊油缸位置處有開孔外，整體可以看做一個單面開孔的方型金屬殼。設備進行拉伸矯直工作時，相對其他拉伸頭結構，其整體受力性能好。然而，該種結構在進行鉗口更換及維護時，由于框體式結構的封閉性，使得鉗口的拆卸更換極為困難。

為了改善框體式拉伸頭鉗口的拆卸更換問題，需要在拉伸頭的側面進行開孔，以方便鉗口的快速更換及維護。但是，在拉伸頭的側面開孔，會對框體式拉伸頭的整體強度產生重大影響。因此，本文對20 MN拉伸矯直機拉伸頭側面開孔后的應力和變形進行了分析，為該結構拉伸頭的研制及改進提供參考和依據。

1 有限元模型建立

1.1 分析方案

拉伸頭前端內部結構如圖1所示，圖中雙點劃線為開孔位置示意輪廓。由圖1可知，鉗口可在整個夾緊行程范圍內移動，因此開孔位置的選擇范圍較大。為了滿足鉗口的更換尺寸要求，開孔尺寸應需略大于鉗口實際位置尺寸。開孔的寬度尺寸為固定值，開孔高度隨著開孔靠近拉伸頭前端逐漸減小。當開孔靠近拉伸頭前端時，將對拉伸頭端部的強度產生較大的削弱，進而影響拉伸頭整體受力的協調性。因此，為了優化出最佳的開孔位置及開孔尺寸，將模擬分析不同開孔位置的應力及變形分布，并確定出20 MN拉伸矯直機拉伸頭側面開孔的合理位置及開孔尺寸。

標記開孔的孔邊到拉伸頭端部的距離為A，并取三個特征位置進行分析，分別為前極限位，中間位置和鉗口的后極限位，分別標記為A1，A2和A3。開孔高度尺寸實際為參數A的線性變量，即任意位置A，存在唯一與之對應的開孔高度尺寸，因此開孔的高度尺寸將不作為單獨的分析變量。同時由于工件尺寸的多樣性，鉗口工作時位置也存在差異，該差異對拉伸頭受力狀態有較大影響，并體現在邊界條件的加載上。參考實際工況，標記鉗口工作位置為B，并取三個特征位置進行分析，分為前位，中位和后位，分別標記為B1，B2和B3。因此，本分析中存在兩個變量，一個是開孔位置變量A(A1，A2，A3)，一個是鉗口工作位置變量B(B1，B2，B3)，各變量取值見表1。兩個變量進行相互匹配后，共分為9種工況進行對比分析，具體工況見表2。

圖1 拉伸頭內部結構示意圖

表1 參數變量取值表

表2 工況表

1.2 幾何模型的建立

建立拉伸頭的三維模型，如圖2所示。

圖2 拉伸頭三維模型

采用Abaqus/Standard求解器進行分析，拉伸頭為整體鑄鋼結構，楊氏模量取為172 GPa，泊松比取為0.3。模型建立過程中忽略了鉗口復雜的安裝結構(如鉗口導向，鉗口座等)，認為鉗口底部直接作用于拉伸頭鉗口支撐面上。同時忽略了安裝螺孔和小的結構倒角，以防止計算過程中產生奇點。

1.3 分析步設置

實際工況中，拉伸頭進行拉伸矯直工作時，兩個鉗口夾緊工件提供20 MN的最大拉伸力。拉伸頭進行扭擰矯直工作時，鉗口在保持拉緊工件的情況下，同時提供150 kN·m的扭矩。拉伸力及扭矩均通過鉗口作用于拉伸頭鉗口支撐面。

根據拉伸頭的受力情況，建立模型的分析步。模型的分析步分為3步，分別為Initial，Lali和Niuju。其中，Initial為位置約束分析步，該步中對拉伸頭的初始邊界條件進行定義。在不影響分析結果的情況下為了簡化計算，設置拉伸頭后端面沿拉伸方向為固定約束，設置中間齒輪安裝面為旋轉約束。Lali為拉伸力加載分析步，拉伸力負載具體施加方式為在鉗口工作位置區域施加均布作用的壓強載荷。壓強載荷值為鉗口對拉伸頭的支反力與該力在拉伸頭上作用面積之比，大小為61 MPa。上下鉗口對拉伸頭壓強載荷的水平合力大小等于工作負載拉伸力20 MN。Niuju為扭矩加載分析步，扭矩大小為150 kN·m。

邊界加載情況見拉伸頭中間剖面圖圖3。圖中RP-1參考點用于施加扭矩，RP-2參考點用于施加旋轉約束，圖中拉伸頭右側端部為固定約束，拉伸頭左側內部指向鉗口安裝面的箭頭為施加的壓強載荷。

圖3 拉伸頭開孔后(A2)的模型邊界加載情況

1.4 網格劃分

模型分析過程中模型網格單元類型及大小取為一致，均為C3D10，尺寸規格為60。為了保證計算結果的準確性，對開孔周邊以及兩側板上下根部位置進行了局部網格細化。側板上下根部位置網格尺寸規格為20，開孔周邊選用C3D8R的網格類型[10]，如圖4所示。

圖4 網格劃分情況(開孔位置為A2時)

2 計算結果及分析

圖5為不同工況下沿XY平面剖切后的拉伸頭內部Mises等效應力分布情況，應力云圖標尺的最大應力值均設為280 MPa。對比分析不同工況的結果，拉伸頭的應力集中區域主要發生在鉗口支撐面附近的側板根部，且側板開孔處周邊也有一定程度的應力集中。此外，當鉗口工作位置位于靠近拉伸頭端部時(即B1區域)，側板開孔越靠近拉伸頭端部，拉伸頭側板靠近端部區域的應力集中越大；而鉗口工作位置遠離拉伸頭端部時(即B3區域)，側板任意開孔位置都會在鉗口支撐面附近的側板根部產生較大的應力集中；開孔位置相同，鉗口工作位置不同時B3區域側板根部應力集中最顯著，如同為A3開孔的B1、B2、B3三種情況；而鉗口工作位置適中時(即B2區域)，側板開孔孔邊到拉伸頭端部的距離越遠，側板開孔的周邊及鉗口支撐面附近側板根部的應力分布越均勻，應力集中情況越不明顯。

圖5 不工況下拉伸頭等效應力云圖

圖6為不同工況下沿XY平面剖切后的拉伸頭內部變形分布情況，變形云圖標尺最大變形值均設為1.5 mm。對比分析不同工況的結果發現，當鉗口工作位置位于靠近拉伸頭端部時(即B1區域)，側板的任意開孔位置，拉伸頭端部的上下連接板處都會有最大的變形；開孔位置相同，鉗口工作位置不同時，B1區域拉伸頭端部的上下連接板的變形最大，如同為A3開孔的B1、B2、B3三種情況；而鉗口工作位置離開拉伸頭端部時(即B2、B3區域)，拉伸頭的最大變形區域都發生在對應鉗口工作位置的拉伸頭上下連接板區域；當鉗口處于相同的工作位置，側板開孔孔邊到拉伸頭端部的距離越遠，拉伸頭產生的變形也越大。

圖6 不同工況下拉伸頭變形云圖

由圖5的分析可知，拉伸頭工作時會在側板開孔周邊產生一定程度的應力集中，且本文主要目的就是分析開孔對拉伸頭的影響，故將不同工況下開孔內邊緣的應力情況進行對比分析。以圖7所示位置為起點，逆時針方向，沿開孔內邊緣依次選擇網格節點，并按照網格節點選取的順序繪制Mises等效應力曲線，如圖8所示。

圖7 節點選擇示意圖

由圖8可知，不同變量條件下開孔周邊的應力值并非均勻分布，而是呈現多處應力集中。圖中曲線的波峰處，即為應力集中的體現。對比節點選取順序，可知出現應力集中的地方均為開孔的圓角根部，且每條曲線中均存在四個波峰，即開孔的四個圓角附近都存在一定程度的應力集中。并且只有當開孔位置為A1，工作位置為B1的工況，有著較大應力集中值216.7 MPa，其他工況分析結果均顯示開孔周邊的應力值不超過160 MPa。

圖8 不同工況下開孔周邊的等效應力曲線

為了更為直觀的進行對比和分析，將拉伸頭在不同變量條件下的最大等效應力值、最大變形值、開孔周邊的最大等效應力值匯總，并進行數據處理，分別得到不同開孔位置(變量A)隨鉗口工作位置(變量B)變化的最大Mises等效應力值變化曲線、最大變形值曲線、開孔周邊最大Mises等效應力值曲線。

圖9為拉伸頭不同開孔位置(變量A)隨鉗口工作位置(變量B)變化的最大Mises等效應力值變化曲線。由圖可知，當鉗口工作位置為B1時，三個開孔位置的Mises等效應力最大值比較接近，均為220 MPa左右；當鉗口工作位置為B2和B3時，A3開孔位置對應的Mises等效應力均最小。A1和A2開孔位置，隨著鉗口工作位置遠離拉伸頭前端面，Mises等效應力最大值逐漸增大；A3開孔位置，隨著鉗口工作位置遠離拉伸頭前端面，Mises等效應力最大值先減小后增加。鉗口在常用工作位置時，即B2工況，開孔位置為A3時具有較小的等效應力最大值。

圖9 拉伸頭最大Mises等效應力值變化曲線

圖10為拉伸頭不同開孔位置(變量A)隨鉗口工作位置(變量B)變化的最大變形值曲線。由圖可知，當鉗口在同樣工作位置時，A1開孔位置具有相對較小的最大變形值，A3開孔位置具有相對較大的最大變形值。隨著工作位置遠離拉伸頭端面，不同開孔位置的最大變形值逐漸減小。不同條件下最大變形值均在1.2～1.5 mm范圍內，相對拉伸頭整體尺寸規格變化很小，對設備使用性能的影響可以忽略。

圖10 拉伸頭最大變形值變化曲線

圖11為拉伸頭不同開孔位置(變量A)隨鉗口工作位置(變量B)變化的開孔周邊最大Mises等效應力值曲線。由圖可知，鉗口工作位置在B3，開孔位置為A1時，開孔處最大等效應力值最小。鉗口工作位置為B1和B2，開孔位置為A3時，開孔處最大等效應力值最小。綜合考慮鉗口的常用工作位置(即中間工作位置B2工況)，以及盡量減小開孔處的應力集中等因素，A3開孔位置相對A1、A2更加合理。

圖11 拉伸頭開孔周邊最大Mises等效應力值變化曲線

3 結論

變形結果的絕對值對拉伸頭的影響很小，因此變形的對比分析結果將不作為影響拉伸頭側面開孔位置的主要因素。綜合考慮最大Mises等效應力值、開孔處最大等效應力值以及鉗口的常用工作位置(即中間工作位置B2工況)等因素，最終確定，拉伸頭的最佳開孔位置為A3，即開孔邊緣到拉伸頭端部距離為最遠的位置。