鄭 蓬，鄒鳳樓

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，杭州 310023)

隨著裝備質(zhì)量、精度的提升，對(duì)避免零件毛刺給機(jī)械設(shè)備帶來各種問題的要求也越來越高，毛刺的存在不僅會(huì)影響機(jī)械設(shè)備的組裝和運(yùn)行，同時(shí)還會(huì)加快零部件表面的磨損速度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞機(jī)械設(shè)備[1-3]。為了能夠有效地解決毛刺帶來的問題，許多國(guó)家專門成立了毛刺技術(shù)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(duì)不同零件上毛刺的生成機(jī)理及去除方法，市場(chǎng)上出現(xiàn)了不同種類的去毛刺設(shè)備，如齒輪去毛刺機(jī)、刀具去毛刺機(jī)、汽車鋁合金車輪去毛刺機(jī)等[8-11]，然而汽車電機(jī)爪極去毛刺設(shè)備卻沒有出現(xiàn)，由此可見對(duì)汽車電機(jī)爪極去毛刺的研究相對(duì)較少。目前，大部分汽車電機(jī)爪極制造商仍采用傳統(tǒng)手工方式去除汽車電機(jī)爪極經(jīng)機(jī)械加工后產(chǎn)生的毛刺，由于汽車電機(jī)爪極為大批量生產(chǎn)，而采用手工去毛刺方式會(huì)出現(xiàn)以下問題：一是手工打磨下的微小鐵屑顆粒會(huì)在人工操作四周形成環(huán)境污染區(qū)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間處于該環(huán)境中的人員造成傷害[12]；二是不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且也很難滿足企業(yè)對(duì)去毛刺的一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性要求。對(duì)此，本文基于三維軟件Solidworks設(shè)計(jì)了一款汽車電機(jī)爪極去毛刺機(jī)，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力分析。

1 汽車電機(jī)爪極去毛刺機(jī)工作流程及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 汽車電機(jī)爪極Fig.1 car motor claw pole

汽車電機(jī)爪極如圖1所示，箭頭所指為爪極爪指頂端經(jīng)機(jī)械加工后由于刀具作用而產(chǎn)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(jī)爪極去毛刺機(jī)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作位置，并且利用爪極壓緊機(jī)構(gòu)把爪極壓緊[13]，以防止其在高速旋轉(zhuǎn)的情況下飛出；然后去毛刺的毛刷在上下升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)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(nèi)。

基于汽車電機(jī)爪極去毛刺機(jī)工作流程，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款獨(dú)立的去毛刺機(jī)，其去除爪極頂端毛刺機(jī)構(gòu)由定位旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、去毛刺機(jī)構(gòu)組成。將各子機(jī)構(gòu)的功能有機(jī)合成，并進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后得到如圖2所示的整機(jī)結(jié)構(gòu)。為了更清晰地展現(xiàn)出汽車電機(jī)爪極去毛刺機(jī)各部件的結(jié)構(gòu)及分布情況，我們對(duì)門框架進(jìn)行隱藏，隱去機(jī)罩后，去除爪極頂端毛刺的機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 汽車電機(jī)爪極去毛刺機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Whole structure of car motor claw pole deburring machine

1—爪極收集裝置；2—定位旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；3—壓緊機(jī)構(gòu)； 4—升降機(jī)構(gòu)；5—去毛刺機(jī)構(gòu)；6—底架。 圖3 汽車電機(jī)爪極去毛刺機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of car motor claw pole deburring machine

2 升降電機(jī)的確定

圖4 升降機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖Fig.4 Force diagram of lifting mechanism

升降電機(jī)為升降機(jī)構(gòu)中的動(dòng)力源，通過滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)十字形座板上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)去毛刺的毛刷進(jìn)行升降，可見其在升降機(jī)構(gòu)中及整個(gè)汽車電機(jī)爪極去毛刺機(jī)中都起著非常重要的作用，故對(duì)其單獨(dú)說明。由于實(shí)際工作需要電機(jī)傳送速度可調(diào)控，且被傳送的對(duì)象需要傳送到較精準(zhǔn)的位置，因此升降電機(jī)選用伺服電機(jī)[14]。根據(jù)實(shí)際傳動(dòng)情況做出升降機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖(圖4)。

根據(jù)圖4列出求解滾珠絲杠的預(yù)負(fù)載F0及總負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的方程組：

(1)

式(1)中：F為運(yùn)行方向負(fù)載，N；F0為滾珠絲杠的預(yù)負(fù)載，N；M為工作臺(tái)及工作物的總質(zhì)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(yù)壓螺母的內(nèi)部摩擦系數(shù)，0.3；PB為滾珠絲杠的導(dǎo)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(yù)負(fù)載：F0=83.33 N，總負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0.188 N·m。綜上計(jì)算，選取型號(hào)為SGMAV-C2A的伺服電機(jī)，其基本參數(shù)為額定功率150 W，額定轉(zhuǎn)矩0.477 N，額定電流1.3 A，額定轉(zhuǎn)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(xué)模型的建立

圖5 十字形座板網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.5 Gridding results of cross-shaped seat plate

在整個(gè)汽車電機(jī)爪極去毛刺機(jī)中發(fā)生較大形變和應(yīng)力集中的是去毛刺機(jī)構(gòu)的十字形座板，故對(duì)其進(jìn)行形變分析及強(qiáng)度校核[15]。在使用兩個(gè)軸承的情況下，初選十字形座板總厚度為30 mm；結(jié)合毛刺機(jī)整體結(jié)構(gòu)實(shí)際使用情況，并遵循節(jié)省材料的原則，初選其總長(zhǎng)度為325 mm，總寬度為270 mm。對(duì)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(qiáng)度55.15 MPa。

3.1 模型網(wǎng)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(dǎo)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(shí)采用三維實(shí)體單元。根據(jù)力學(xué)分析，在4個(gè)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(diǎn)的位置是應(yīng)力集中部位，是十字形座板危險(xiǎn)點(diǎn)，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(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示，該模型網(wǎng)格劃分的雅可比點(diǎn)為4點(diǎn)，單元大小為5.675 3 mm，公差為0.494 8 mm，網(wǎng)格為高品質(zhì)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為36 075個(gè)，單元數(shù)為22 723個(gè)。

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(gè)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(jìn)行加載約束、定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)等，然后開始有限元求解。ANSYS處理后可生成結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 位移分析

受外載荷作用時(shí)，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(nèi)，在十字形座板最左側(cè)端點(diǎn)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(yīng)力分析

由應(yīng)力云圖(圖9)及應(yīng)力數(shù)據(jù)(圖10)可以看出，應(yīng)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(yīng)力σ為55.15 MPa，可見十字形座板上所受的最大應(yīng)力小于該材料的許用應(yīng)力，因此本研究設(shè)計(jì)的尺寸及材料的選取能滿足使用強(qiáng)度的要求。

圖9 應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud map

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

3.4.3 安全系數(shù)分析

位移、應(yīng)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(shí)際需要，安全系數(shù)為2.5便可達(dá)到設(shè)備使用要求，因此所設(shè)計(jì)的十字形座板具有安全性。

表1 位移、應(yīng)力及安全系數(shù)的分析報(bào)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(jié) 論

本研究利用三維軟件Solidworks在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的優(yōu)越性，對(duì)汽車電機(jī)爪極去毛刺機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)及裝配，同時(shí)利用有限元軟件ANSYS對(duì)其關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力分析，確定了十字形座板設(shè)計(jì)的合理性，所設(shè)計(jì)的汽車電機(jī)爪極去毛刺機(jī)能夠快捷有效地去除生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的毛刺，該設(shè)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。