摘要：在大型螺旋錐齒輪銑削試驗過程中，發現原設計的刀片存在破損、崩刃、斷裂等問題。對原結構進行有限元分析，求解出應力集中和應變最大的部位。基于試驗數據及有限元理論對刀具的結構提出改進設計。將新結構刀片表面進行涂層處理，并提出幾何形狀改進方案。根據實驗確定的最合理的切削參數，將載荷加載到新結構刀具進行分析，驗證改進方法。
螺旋錐齒輪與直齒錐齒輪和斜齒錐齒輪相比，具有重疊系數大、承載能力高、傳動平穩、噪聲小等良好性能，被廣泛應用于鐵路機車、船舶、汽車、拖拉機等機械產品中，提高了這些產品的可靠性和使用壽命。
本文以正在研制中的某大型螺旋錐齒輪數控銑床為研究對象，針對其銑削時刀片出現的問題進行分析并進行優化改進。圖1 是現場加工時的具體工況，在三維制圖軟件SolidWorks中建立刀片的幾何模型，導入ANSYS 有限元分析軟件，按照現場實驗得到的切削力數據，加載求解，得到其應力等值線和應變等值線圖，并根據結果進行刀片結構的優化改進，減少刀片的應力集中和應變，提高刀具壽命。
1 、刀片存在的問題
根據原設計制造的刀片幾何結構如圖2 所示，實物照片如圖3 所示。因刀片的幾何結構及材質存在一定的問題，導致刀片的使用壽命極短，使用過程中，刀片圓角過小容易造成應力集中，刀片出現的失效情況如圖4（崩刃）、由于目前刀片沒有添加鍍層，刀片會出現失效情況圖5（破損）、偶爾故障時會出現刀具卡斷情況如圖6（斷裂）。
圖 1 銑齒時的加工狀態（刀具結構照片）
圖 2 刀片的幾何模型
圖 3 刀片的實際形狀
2 、建立有限元模型
2.1 刀片模型的建立以及網格的劃分在SolidWorks 中建立刀片的幾何模型，將圖 4 刀片崩刃其導入ANSYS 中進行分析。選擇計算單元Solid Tet 8node 185（Solid 185）。刀片材料為硬質合金，取其力學性能為：密度ρ＝7700kg/m³，彈性模量E＝2.1E11 Pa，泊松比η＝0.25。
圖 5 刀片破損
圖 6 刀片斷裂
使用自由網格命令劃分網格，對螺栓連接應力集中處網格細化處理，增加結果準確性。所得有限元模型節點數47104 ， 單元數為40950，結果如圖7 所示。
圖 7 刀片的網格劃分
2.2 約束條件
由于刀片在加工過程中，不允許有相對于刀柄的移動，要求刀片裝夾牢靠，因此對刀具裝夾與刀柄接觸的面添加位移約束。刀片與刀柄的實際配合如圖8 所示。
2.3 施加載荷并計算
實驗加工直徑1540 mm 的錐齒輪齒坯時，利用HEIDENHAIN 數控系統自帶的數據處理軟件TNC scope 對刀具承受載荷的大小進行記錄，得到刀具不同切削過程中所受到的載荷的大小及其變化。通過使用不同加工參數進行實驗，得到加工表面質量最好時對應的切削參數為進給量f＝5 mm/min、主軸轉速n＝75.36m/min、吃刀量ap＝32 mm。并通過TNC scope得到其切削力的大小為2844N，將其作為載荷施加到切削刃上進行有限元分析得到結果如圖9、圖10 所示。
從結果可知，刀片圓角頂點處的應力最為集中，應變也最大，總應力最大值達到0.198×1010 Pa，總應變達到最大值為1.2×10-5 m，因此可知加工螺旋錐齒輪時，切削刃的圓角部分是最容易失效的部位，與現場實驗結果符合。
3 、改進方法
為了減少應力集中和應變，可適當增大圓角，減少其應力集中和應變，對于可能出現的因積屑過多導致的刀具被卡住的問題，可在刀片上增加排屑槽，改變切屑的尺寸和形式，對于刀片斷裂可在刀片上增加TiAlN 涂層以增加其強度。刀片修改后的模型劃分網格的結果為圖11，其余有限元前處理條件與改進前相同。對其加載試驗對應的載荷，進行有限元分析計算，得到的應力、應變等值線如圖12 和圖13。
圖 8 刀片與刀柄部裝實物
圖 9 刀片的應變等值線圖
圖10 刀片的應力等值線圖
圖 11 改進的刀片劃分網格
圖12 應力的等值線圖
圖13 應變的等值線圖
經過以上分析，可得到改進后的刀片應力值為0.122×1010Pa，小于其抗壓強度0.42×1010Pa。應變為1.08×10-5m，與前面結果相比，變形有了顯著的減小，刀片破損的概率有所下降。刀片增加涂層后的抗磨性和強度顯著增加。改進前后的刀具相關狀態對比如表1 所示。
表 1 優化前后的對比
4 、結論
經過對原結構刀片的有限元分析與現場實驗結果的對比，得到此結構刀片在加工過程的主要問題及誘因，為這類問題的解決提供了可參考的依據。對刀片改進后的分析結果證明了這種方法的可行性，刀片的圓角以及排屑槽的添加只是理論上能解決這些問題，還需要現場實際實驗的驗證。
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