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      摘要：在大型螺旋錐齒輪銑削試驗過程中，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計的刀片存在破損、崩刃、斷裂等問題。對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，求解出應(yīng)力集中和應(yīng)變最大的部位。基于試驗數(shù)據(jù)及有限元理論對刀具的結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)設(shè)計。將新結(jié)構(gòu)刀片表面進(jìn)行涂層處理，并提出幾何形狀改進(jìn)方案。根據(jù)實(shí)驗確定的最合理的切削參數(shù)，將載荷加載到新結(jié)構(gòu)刀具進(jìn)行分析，驗證改進(jìn)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(shù)大、承載能力高、傳動平穩(wěn)、噪聲小等良好性能，被廣泛應(yīng)用于鐵路機(jī)車、船舶、汽車、拖拉機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品中，提高了這些產(chǎn)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(shù)控銑床為研究對象，針對其銑削時刀片出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。圖1 是現(xiàn)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(dǎo)入ANSYS 有限元分析軟件，按照現(xiàn)場實(shí)驗得到的切削力數(shù)據(jù)，加載求解，得到其應(yīng)力等值線和應(yīng)變等值線圖，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行刀片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，減少刀片的應(yīng)力集中和應(yīng)變，提高刀具壽命。

      1 、刀片存在的問題

      根據(jù)原設(shè)計制造的刀片幾何結(jié)構(gòu)如圖2 所示，實(shí)物照片如圖3 所示。因刀片的幾何結(jié)構(gòu)及材質(zhì)存在一定的問題，導(dǎo)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(yīng)力集中，刀片出現(xiàn)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(xiàn)失效情況圖5（破損）、偶爾故障時會出現(xiàn)刀具卡斷情況如圖6（斷裂）。

      
      圖 1 銑齒時的加工狀態(tài)（刀具結(jié)構(gòu)照片）

       
      圖 2 刀片的幾何模型

       
      圖 3 刀片的實(shí)際形狀

      2 、建立有限元模型

      2.1 刀片模型的建立以及網(wǎng)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(dǎo)入ANSYS 中進(jìn)行分析。選擇計算單元Solid Tet 8node 185（Solid 185）。刀片材料為硬質(zhì)合金，取其力學(xué)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(wǎng)格命令劃分網(wǎng)格，對螺栓連接應(yīng)力集中處網(wǎng)格細(xì)化處理，增加結(jié)果準(zhǔn)確性。所得有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)47104 ， 單元數(shù)為40950，結(jié)果如圖7 所示。

       
      圖 7 刀片的網(wǎng)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(shí)際配合如圖8 所示。

      2.3 施加載荷并計算

      實(shí)驗加工直徑1540 mm 的錐齒輪齒坯時，利用HEIDENHAIN 數(shù)控系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)處理軟件TNC scope 對刀具承受載荷的大小進(jìn)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(shù)進(jìn)行實(shí)驗，得到加工表面質(zhì)量最好時對應(yīng)的切削參數(shù)為進(jìn)給量f＝5 mm/min、主軸轉(zhuǎn)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(jìn)行有限元分析得到結(jié)果如圖9、圖10 所示。

      從結(jié)果可知，刀片圓角頂點(diǎn)處的應(yīng)力最為集中，應(yīng)變也最大，總應(yīng)力最大值達(dá)到0.198×1010 Pa，總應(yīng)變達(dá)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(xiàn)場實(shí)驗結(jié)果符合。

      3 、改進(jìn)方法

      為了減少應(yīng)力集中和應(yīng)變，可適當(dāng)增大圓角，減少其應(yīng)力集中和應(yīng)變，對于可能出現(xiàn)的因積屑過多導(dǎo)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(qiáng)度。刀片修改后的模型劃分網(wǎng)格的結(jié)果為圖11，其余有限元前處理條件與改進(jìn)前相同。對其加載試驗對應(yīng)的載荷，進(jìn)行有限元分析計算，得到的應(yīng)力、應(yīng)變等值線如圖12 和圖13。

        
       圖 8 刀片與刀柄部裝實(shí)物

       圖 9 刀片的應(yīng)變等值線圖

       圖10 刀片的應(yīng)力等值線圖

       圖 11 改進(jìn)的刀片劃分網(wǎng)格

        
      
       圖12 應(yīng)力的等值線圖

       圖13 應(yīng)變的等值線圖

      經(jīng)過以上分析，可得到改進(jìn)后的刀片應(yīng)力值為0.122×1010Pa，小于其抗壓強(qiáng)度0.42×1010Pa。應(yīng)變?yōu)?.08×10-5m，與前面結(jié)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(qiáng)度顯著增加。改進(jìn)前后的刀具相關(guān)狀態(tài)對比如表1 所示。

      表 1 優(yōu)化前后的對比

      4 、結(jié)論

      經(jīng)過對原結(jié)構(gòu)刀片的有限元分析與現(xiàn)場實(shí)驗結(jié)果的對比，得到此結(jié)構(gòu)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(jù)。對刀片改進(jìn)后的分析結(jié)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(xiàn)場實(shí)際實(shí)驗的驗證。