鄭 蓬，鄒鳳樓

(浙江科技學院 機械與能源工程學院，杭州 310023)

隨著裝備質量、精度的提升，對避免零件毛刺給機械設備帶來各種問題的要求也越來越高，毛刺的存在不僅會影響機械設備的組裝和運行，同時還會加快零部件表面的磨損速度，嚴重時甚至會損壞機械設備[1-3]。為了能夠有效地解決毛刺帶來的問題，許多國家專門成立了毛刺技術研究組織，以期從根本上解決毛刺給人們帶來的困擾[4-7]。針對不同零件上毛刺的生成機理及去除方法，市場上出現(xiàn)了不同種類的去毛刺設備，如齒輪去毛刺機、刀具去毛刺機、汽車鋁合金車輪去毛刺機等[8-11]，然而汽車電機爪極去毛刺設備卻沒有出現(xiàn)，由此可見對汽車電機爪極去毛刺的研究相對較少。目前，大部分汽車電機爪極制造商仍采用傳統(tǒng)手工方式去除汽車電機爪極經機械加工后產生的毛刺，由于汽車電機爪極為大批量生產，而采用手工去毛刺方式會出現(xiàn)以下問題：一是手工打磨下的微小鐵屑顆粒會在人工操作四周形成環(huán)境污染區(qū)，對長時間處于該環(huán)境中的人員造成傷害[12]；二是不僅費時費力，而且也很難滿足企業(yè)對去毛刺的一致性和質量穩(wěn)定性要求。對此，本文基于三維軟件Solidworks設計了一款汽車電機爪極去毛刺機，并利用計算機技術對其關鍵部位進行應力分析。

1 汽車電機爪極去毛刺機工作流程及結構設計

圖1 汽車電機爪極Fig.1 car motor claw pole

汽車電機爪極如圖1所示，箭頭所指為爪極爪指頂端經機械加工后由于刀具作用而產生的毛刺邊。該毛刺在爪極圓周方向上呈均勻分布，且毛刺多為凸起狀。

汽車電機爪極去毛刺機要完全去除爪極爪指頂端的毛刺，其工作流程如下：首先打開門將爪極放入定位旋轉機構的工作位置，并且利用爪極壓緊機構把爪極壓緊[13]，以防止其在高速旋轉的情況下飛出；然后去毛刺的毛刷在上下升降機構的驅動下，下移清除爪極上的毛刺；最后開門將去除完毛刺的爪極放入收集裝置內。

基于汽車電機爪極去毛刺機工作流程，我們設計了一款獨立的去毛刺機，其去除爪極頂端毛刺機構由定位旋轉機構、壓緊機構、升降機構、去毛刺機構組成。將各子機構的功能有機合成，并進行合理結構設計后得到如圖2所示的整機結構。為了更清晰地展現(xiàn)出汽車電機爪極去毛刺機各部件的結構及分布情況，我們對門框架進行隱藏，隱去機罩后，去除爪極頂端毛刺的機構內部結構如圖3所示。

圖2 汽車電機爪極去毛刺機整機結構Fig.2 Whole structure of car motor claw pole deburring machine

1—爪極收集裝置；2—定位旋轉機構；3—壓緊機構； 4—升降機構；5—去毛刺機構；6—底架。 圖3 汽車電機爪極去毛刺機內部結構Fig.3 Internal structure of car motor claw pole deburring machine

2 升降電機的確定

圖4 升降機構受力簡圖Fig.4 Force diagram of lifting mechanism

升降電機為升降機構中的動力源，通過滾珠絲杠副驅動十字形座板上下移動，從而實現(xiàn)對去毛刺的毛刷進行升降，可見其在升降機構中及整個汽車電機爪極去毛刺機中都起著非常重要的作用，故對其單獨說明。由于實際工作需要電機傳送速度可調控，且被傳送的對象需要傳送到較精準的位置，因此升降電機選用伺服電機[14]。根據(jù)實際傳動情況做出升降機構受力簡圖(圖4)。

根據(jù)圖4列出求解滾珠絲杠的預負載F0及總負載轉矩TL的方程組：

(1)

式(1)中：F為運行方向負載，N；F0為滾珠絲杠的預負載，N；M為工作臺及工作物的總質量，25 kg；FA為外力，0 N；g為重力加速度，9.8 m/s2；θ為滾珠絲杠的傾角，90°。

(2)

式(2)中：μ為預壓螺母的內部摩擦系數(shù)，0.3；PB為滾珠絲杠的導程，5 mm；η為滾珠絲杠的效率，0.9；ns為安全系數(shù)，2。

求解方程組(1)～(2)，得滾珠絲杠的預負載：F0=83.33 N，總負載轉矩TL=0.188 N·m。綜上計算，選取型號為SGMAV-C2A的伺服電機，其基本參數(shù)為額定功率150 W，額定轉矩0.477 N，額定電流1.3 A，額定轉速3 000 r/min，額定電壓200 V。

3 基于ANSYS的十字形座板有限元力學模型的建立

圖5 十字形座板網格劃分結果Fig.5 Gridding results of cross-shaped seat plate

在整個汽車電機爪極去毛刺機中發(fā)生較大形變和應力集中的是去毛刺機構的十字形座板，故對其進行形變分析及強度校核[15]。在使用兩個軸承的情況下，初選十字形座板總厚度為30 mm；結合毛刺機整體結構實際使用情況，并遵循節(jié)省材料的原則，初選其總長度為325 mm，總寬度為270 mm。對十字形座板配置A6061鋁合金材料，該材料彈性模量6.9×1010N/m2，泊松比0.33，摩擦因數(shù)0.3，抗剪模量2.6×1010N/m2，屈服強度55.15 MPa。

3.1 模型網格的劃分

圖6 施加載荷及邊界條件Fig.6 Applied loading and boundary conditions

將十字形座板模型導入ANSYS軟件后，考慮到十字形座板的幾何形狀,在有限元模型化時采用三維實體單元。根據(jù)力學分析，在4個M8的螺紋孔周圍是受力較大部位，故劃分得較密，且在靠近邊界約束點的位置是應力集中部位，是十字形座板危險點，故劃分密集，而在其他部位劃分得疏一些。定義材料屬性中彈性模量EX=6.9×1010N·m2，泊松比PR=0.33，摩擦因數(shù)MU=0.3。網格劃分結果如圖5所示，該模型網格劃分的雅可比點為4點，單元大小為5.675 3 mm，公差為0.494 8 mm，網格為高品質，節(jié)點數(shù)為36 075個，單元數(shù)為22 723個。

3.2 邊界條件與載荷

作用在十字形座板上的外載荷均為固定載荷，外載荷主要作用在4個M8的螺紋孔周圍及直徑φ為62 mm的底槽面上，外載荷的大小分別為N1=150 N，N2=60 N，如圖6所示。

3.3 求 解

完成建模以后，進行加載約束、定義分析類型、分析選項、載荷數(shù)據(jù)等，然后開始有限元求解。ANSYS處理后可生成結構應力、位移、安全系數(shù)等參數(shù)的等值線圖及彩色云圖。

3.4 計算結果分析

3.4.1 位移分析

受外載荷作用時，十字形座板各部分Z軸方向的位移量在0.000 1～0.076 08 mm范圍內，在十字形座板最左側端點有最大的Z軸方向位移，其值為0.076 08 mm，位移云圖與數(shù)據(jù)見圖7～8。由此可見，十字形座板的變形量很小，能滿足使用剛度的要求。

圖7 位移云圖Fig.7 Displacement cloud map

圖8 位移數(shù)據(jù)Fig.8 Displacement data

3.4.2 應力分析

由應力云圖(圖9)及應力數(shù)據(jù)(圖10)可以看出，應力較大值發(fā)生在十字形座板兩伸臂與板身相連的過渡圓角處，其數(shù)值為12.6 MPa。而A6061鋁合金材料的許用應力σ為55.15 MPa，可見十字形座板上所受的最大應力小于該材料的許用應力，因此本研究設計的尺寸及材料的選取能滿足使用強度的要求。

圖9 應力云圖Fig.9 Stress cloud map

圖10 應力數(shù)據(jù)Fig.10 Stress data diagram

3.4.3 安全系數(shù)分析

位移、應力及安全系數(shù)的分析(表1)來自安全系數(shù)云圖(圖11)及安全系數(shù)數(shù)據(jù)(圖12)，從圖11及圖12可以看出，十字形座板整體安全系數(shù)都大于4.0，且安全系數(shù)最小值為4.375，而根據(jù)實際需要，安全系數(shù)為2.5便可達到設備使用要求，因此所設計的十字形座板具有安全性。

表1 位移、應力及安全系數(shù)的分析報表Table 1 Analysis report of displacement, stress and safety coefficient

圖11 安全系數(shù)云圖Fig.11 Safety factor cloud map

圖12 安全系數(shù)數(shù)據(jù)Fig.12 Safety coefficient data

4 結 論

本研究利用三維軟件Solidworks在機械設計方面的優(yōu)越性，對汽車電機爪極去毛刺機的機械結構進行三維建模設計及裝配，同時利用有限元軟件ANSYS對其關鍵部位進行應力分析，確定了十字形座板設計的合理性，所設計的汽車電機爪極去毛刺機能夠快捷有效地去除生產過程中產生的毛刺，該設備使用方便、效率高，節(jié)省人力成本，能夠滿足企業(yè)使用要求。