曾俊++龔一龍++冉龍姣++李曉曉++何中秋++陳廷兵

摘 要：皮帶輪加工目前仍以金屬切削加工為主，市場上多為槽刀，難以滿足其大批量的生產(chǎn)。因而設(shè)計(jì)多齒皮帶輪，提高加工效率已成為必要。為了有效提高多齒皮帶輪的工作效率，需要對多齒皮帶輪進(jìn)行更加詳細(xì)的分析，為設(shè)計(jì)提供有效支持。該文以雙齒皮帶輪專用刀具為例，對雙齒皮帶輪專用刀具進(jìn)行了切削力分析，并在此基礎(chǔ)上采用ANSYS進(jìn)行了應(yīng)力分析，對雙齒皮帶輪專用刀具受力情況進(jìn)行了明確，為多齒皮帶輪專用刀具的研發(fā)改進(jìn)和實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：皮帶輪 ANSYS 切削力分析

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0060-02

皮帶輪是一種非常重要的機(jī)械傳動零件，它廣泛應(yīng)用于汽車、農(nóng)機(jī)、輕紡工業(yè)等各種機(jī)械設(shè)備的傳動中。皮帶輪作為傳動件應(yīng)用較廣，市場需求大，需要大批量生產(chǎn)，所以，提高加工效率勢在必行。針對以上問題提出多齒成型刀具設(shè)計(jì)的思路，根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，多齒皮帶輪刀片相比以前的單齒仿形加工，能明顯提高加工效率，且齒形準(zhǔn)確，齒頂無毛刺，表面質(zhì)量較好。但多齒同時(shí)加工，切削抗力大，易產(chǎn)生振動。對機(jī)床的剛性和工件裝夾的穩(wěn)定性要求較高。

1 皮帶輪刀具切削力分析

加工皮帶輪專用刀具是由刀桿和刀片組成，通過刀桿與機(jī)床鏈接工作。加工方式為皮帶輪按一定速度勻速旋轉(zhuǎn)，刀片處于間歇沖擊式切削皮帶輪狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)得出切削鑄鐵類金屬的刀具通常采用YG類硬質(zhì)合金，根據(jù)仿形法確定刀齒形狀、刃角等。刀具參數(shù)為：刀具前角為10°，后角為0°，刀具刃角為40°雙齒均勻切削。

加工皮帶輪時(shí)，切削較深，刀刃處所承受的切削力較大，因此有必要對刀具進(jìn)行受力分析。確定刀具受力情況，給實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。受力分析在整個切削過程中，皮帶輪專用刀具主要受到切削阻力F的作用。為了便于測量和應(yīng)用，可將合力F分解為3個分力，由于刀具在加工皮帶輪過程中，刀刃部分兩個側(cè)面受皮帶輪切槽擠壓所產(chǎn)生的力剛好平衡。所以，F(xiàn)可簡化為兩個分力，即主切削力FC切削深度抗力FP。簡化刀具加工皮帶輪過程的受力分析如圖1所示。

2 刀具有限元分析

2.1 劃分網(wǎng)格

有限元法應(yīng)用于金屬切削過程模擬已經(jīng)有幾十年的歷史了。20世紀(jì)70年代蘇聯(lián)人B.A.奧斯塔費(fèi)耶夫與日本人臼井英治等對正交切削過程進(jìn)行了有限元分析[1]?，F(xiàn)在，有限元數(shù)值分析軟件（ANSYS）將現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)的基礎(chǔ)理論與有限元分析技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，具有豐富、完善的單元庫、材料模型庫和求解器，可利用數(shù)值模擬技術(shù)高效求解各類結(jié)構(gòu)動力、靜力和線性、非線性問題。該次分析的模型為雙齒皮帶輪專用刀具，主要分析刀具等效應(yīng)力分布情況，刀具采用硬質(zhì)合金YG8。

由于ANSYS與許多CAD軟件都有直接的接口，所以這里選擇先在solidworks中建立模型，然后導(dǎo)入ANSYS中，最后再對圖形進(jìn)行拓?fù)湫蘩砗蛶缀涡蘩?，完成?chuàng)建實(shí)體模型工作[2]。而刀具整體的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，因此難以使用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，為了獲得比較均勻的網(wǎng)格，采用尺寸控制和劃分方法共同控制的方式進(jìn)行劃分。網(wǎng)格大小為0.5 mm，網(wǎng)格個數(shù)為38 359個。

2.2 模擬加載

首先確定刀具的約束條件[3]，刀具置于刀桿槽中，刀底部大面約束刀具z軸負(fù)向位移，刀具定位孔上的壓板約束刀具z軸正向位移，刀桿槽的兩個側(cè)面約束刀片x和y向位移，刀槽底面、兩側(cè)、中心孔、及壓板還約束刀片x、y和z軸旋轉(zhuǎn)。這樣，刀片的6個自由度被約束。

根據(jù)雙齒刀具切削皮帶輪的過程可知，靠近切削刃處，前刀面的壓力最高，在遠(yuǎn)離切削刃處，皮帶輪對前刀面的壓力急劇減小。因此，切削刃處刀具的切削阻力最大。切削力的影響因素很多，其計(jì)算復(fù)雜，一般通過切削力理論公式計(jì)算所得。然而理論計(jì)算通常會忽略溫度，還有一些細(xì)微影響因子。因此，在此基礎(chǔ)上所測的載荷只能用于切削力的定性分析，不能用于實(shí)際計(jì)算，且計(jì)算過程通常采用集中力代替分布力。所以，由切削時(shí)切削力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式可得：

（1）

式中：p為單位切削力；ac為切削厚度；aw為切削寬度；ap為切削深度；f為進(jìn)給量；VC為切削速度。通過查表可得：=0。

最后代入得到FC=1 650 N，F(xiàn)p=1 220 N。

3 結(jié)果分析

加載荷進(jìn)行求解，其求解結(jié)果圖2所示。刀具在靜載荷作用下刀刃處變形量最大，最大變形值為0.00 506 mm。圖2為刀具在靜載荷作用下的等效應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出：（1）刀具兩齒之間的側(cè)面應(yīng)力大于齒的另一個側(cè)面。分析其原因，是因?yàn)樵诩庸てл啎r(shí)，切屑對內(nèi)側(cè)產(chǎn)生擠壓和摩擦要大于外側(cè)受力情況，因?yàn)殡p齒為偶數(shù)齒，所以，在垂直于切削方向且平行于工作平面方向上的力可綜合抵消，奇數(shù)齒刀具需要重新計(jì)算。（2）刀具在倒圓角處應(yīng)力偏大，若需要可適當(dāng)調(diào)整圓角半徑，可減小應(yīng)力。（3）在刀刃處應(yīng)力最大為590.92 MPa。而硬質(zhì)合金刀具材料的許用應(yīng)力為強(qiáng)度除以安全系數(shù)，即（n=1.5～2.5，=1 500 MPa），通過計(jì)算可得，需用應(yīng)力為600～1 000 MPa。通過分析可得，刀具所受到的最大應(yīng)力小于需用應(yīng)力。說明材料強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過對皮帶輪專用刀具的有限元應(yīng)力分析，可以得到以下結(jié)論。

（1）對刀具的切削力進(jìn)行分析，可以知道刀具在加工時(shí)切削力大是哪幾個切削阻力所造成的，對有效改善因切削力過大導(dǎo)致刀具破壞起著重要作用。

（2）對刀具進(jìn)行有限元分析，可確定刀具應(yīng)力最大位置。以便在設(shè)計(jì)多齒皮帶輪刀具時(shí)，能合理考慮此處的強(qiáng)度和硬度，以及通過刀具結(jié)構(gòu)來提高刀具使用性能。為刀具的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝峰，趙吉文，劉正士.二維金屬切削過程的數(shù)值模擬[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004（7）：1412-1416.

[2] 寧仲良，張廣軍.刀具強(qiáng)度的有限元數(shù)值模擬分析[J].工具技術(shù)，2003（3）：13-16.

[3] 李軍輝，譚建平，熊勇剛，等.基于ANSYS的可轉(zhuǎn)位刀片有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2003（2）：8，38-40.