切割機(jī)升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)有限元分析

王 文 浩

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000)

隨著現(xiàn)代船舶工業(yè)的發(fā)展，船用熱交換器作為船舶制造環(huán)節(jié)中必不可少的專用產(chǎn)品[1]，其質(zhì)量備受關(guān)注。當(dāng)前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)或國(guó)外引進(jìn)的切割設(shè)備，主要都靠人工操作，較難滿足企業(yè)大批量排列銅管的自動(dòng)化、高品質(zhì)切割要求，且國(guó)內(nèi)也未見船用熱交換器的銅管專用切割機(jī)。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，銅管切割工藝采用人工手動(dòng)單根鋸切的方法，工作方式原始且切割效率低下，誤差較大。根據(jù)企業(yè)要求，本次研究設(shè)計(jì)了船用熱交換器銅管切割機(jī)，采用PLC控制，自動(dòng)化程度與生產(chǎn)效率得到很大提高。

1 切削升降機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)機(jī)床升降機(jī)構(gòu)常采用絲桿進(jìn)行，船用熱交換器自重一般達(dá)3～4 t，吊裝到切割臺(tái)上的位置不定，如果采用傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，通過輸入移動(dòng)距離來控制x、y軸進(jìn)給并不方便，需要每次移動(dòng)前進(jìn)行精確測(cè)量。本次設(shè)計(jì)的設(shè)備用于切削的鋸片屬于懸臂，外伸端較長(zhǎng)，若采用絲杠傳動(dòng)則精度較差。該設(shè)備屬于專用機(jī)，加工對(duì)象確定，上下調(diào)整范圍明確。

1.1 切削升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈組成：

本次研究采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，由轉(zhuǎn)輪、推桿、鉸鏈和固定鋸片、電機(jī)等部件的轉(zhuǎn)板組成偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過手輪驅(qū)動(dòng)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使得溜板1在固定的4個(gè)檔位上升或下降，完成切削頭升降，其切削頭升降系統(tǒng)示意圖見圖1。將數(shù)控機(jī)床上的手搖盤嫁接到該設(shè)備上，手搖盤分4檔倍率開關(guān)， 在進(jìn)給前無需測(cè)量，方便實(shí)現(xiàn)x,y軸方向的運(yùn)動(dòng)。

圖1 切削頭升降系統(tǒng)

該機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)剛性好，有效地克服了懸臂加工由于剛性不夠所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量的影響，因此在生產(chǎn)一線中應(yīng)用效果良好。

1.2 切削頭升降機(jī)構(gòu)分析

(1)升降機(jī)構(gòu)自由度分析。舉升系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化后如圖2所示， 運(yùn)動(dòng)副A，D，E中有2個(gè)虛約束，絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)副A與滑塊存在1個(gè)局部自由度。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)自由度計(jì)算公式[2]算得機(jī)構(gòu)自由度F=3×4-2×5-1=1，機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)等于機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)，所以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可以確定。

(2)絲杠螺母副設(shè)計(jì)計(jì)算。在進(jìn)行銅管切割時(shí)對(duì)切削刀具的位置運(yùn)動(dòng)精度要求不高，對(duì)生產(chǎn)效率也無過高要求，因此在該機(jī)構(gòu)中采用由梯形螺桿和滑塊螺母組成的滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)。

1 — 絲杠；2 — 滑塊；3 — 推桿；4 — 刀頭舉升平臺(tái)；

A、B、C、D、E、F、G— 運(yùn)動(dòng)副

圖2舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

(3)載荷分析。按照總體技術(shù)要求，刀頭舉升機(jī)構(gòu)需手動(dòng)4個(gè)檔位完成垂直方向升高220 mm的距離，各檔位位置如圖3、圖4所示?？梢钥闯觯诟鳈n位狀態(tài)下切割銅管時(shí)，舉升機(jī)構(gòu)均承受舉升平臺(tái)的重量W和切削力Ft，絲杠軸向載荷不受運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響。最大軸向載荷公式為：

圖3 0檔(刀頭最低點(diǎn))

圖4 4檔(刀頭最高點(diǎn))

其中:Fa2— 最大軸向載荷，計(jì)算所得值為1 192.66 N；

Ft— 切削力，取值454.72 N；

W′ — 切削系統(tǒng)和切削頭升降系統(tǒng)的總重量，取值2 459.8 N；

μ— 鋼制導(dǎo)軌滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取值0.3。

(4)絲杠螺母副設(shè)計(jì)計(jì)算與校核。螺旋副主要失效形式是磨損，需要計(jì)算其耐磨性，使實(shí)際工作壓力Pp小于材料許用壓力[Pp]。根據(jù)要求，到達(dá)切削位置時(shí)應(yīng)能夠在工作狀態(tài)下完成可靠自鎖，此時(shí)還須驗(yàn)算該升降機(jī)構(gòu)的自鎖條件。該機(jī)構(gòu)中推桿長(zhǎng)徑比較大，應(yīng)驗(yàn)算其穩(wěn)定性，其直徑也常由穩(wěn)定性要求而定。螺母為整體式并且磨損后間隙不能調(diào)整，因此ψ取1.65；該升降機(jī)構(gòu)為手輪驅(qū)動(dòng)，因此[Pp]提高20%，查手冊(cè)得[Pp]為3MPa。

計(jì)算螺桿中徑d2：

由于絲杠導(dǎo)程較長(zhǎng)，結(jié)合滑塊螺母結(jié)構(gòu)尺寸，取中徑d2為36.5mm，螺距為7mm，公稱直徑d=40mm的單線程梯形絲杠，選用40mm×7mm×420mm的螺桿。表1為螺桿結(jié)構(gòu)尺寸。

表1螺桿結(jié)構(gòu)尺寸

mm

公稱直徑d螺距P中徑d2=D2大徑D4小徑d3D140736.5413233

螺桿的穩(wěn)定性條件為：

(5)

臨界載荷Fcr為：

=167 484(N)

(6)

式中：l— 螺桿長(zhǎng)度，l=420 mm;

E— 螺桿材料的彈性模量，E取206 kNmm2;

μl— 系數(shù)，查手冊(cè)得μl=2

2 升降機(jī)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)理論

由零件和運(yùn)動(dòng)副組成的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件是機(jī)床的重要組成部分。對(duì)于船用銅管切割機(jī)而言，切割精度和動(dòng)態(tài)特性主要體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的精度和特性。切削升降機(jī)構(gòu)在刀頭工作過程中，承受切削力帶來的交變沖擊載荷的作用。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析(亦稱時(shí)間歷程分析)，屬柔性動(dòng)力學(xué)范疇，是用于確定結(jié)構(gòu)承受隨時(shí)間變化載荷的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法[5]。在此可以通過切削頭升降機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，深入了解切削頭升降機(jī)構(gòu)在沖擊載荷下的載荷響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論參考。

2.2 升降機(jī)構(gòu)建模

銅管切割機(jī)升降機(jī)構(gòu)的凸臺(tái)和倒角等復(fù)雜特征結(jié)構(gòu)只為簡(jiǎn)化制造工藝而設(shè)置，對(duì)機(jī)床剛度影響不大，在建模時(shí)可以忽略掉，使模型特征的尺寸能夠統(tǒng)一。利用ANSYS Workbench可以自動(dòng)識(shí)別零件之間的連接關(guān)系[3]，而且零件之間的連接關(guān)系完全可以由Bonded、Frictionless、Frictional、No Separation和Rough等 5種接觸類型進(jìn)行等效的功能簡(jiǎn)化，因此模型中省去所有的螺栓連接孔、螺栓和螺母，從而減少分析工作量。 升降機(jī)構(gòu)各零部件的材料常數(shù)如表2所示。設(shè)置接觸屬性，如表3所示。

表2 零件材料屬性

表3 零件接觸類型

在ANSYS Workbench中，采用六面體對(duì)切削頭升降機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化整體模型劃分網(wǎng)格[6-7]，以提高計(jì)算精度，共劃分單元250 644個(gè)，節(jié)點(diǎn)427 408個(gè)，網(wǎng)格模型見圖5、圖6。

圖5 升降機(jī)構(gòu)整體劃分網(wǎng)格

2.3 升降機(jī)構(gòu)瞬態(tài)結(jié)果的求解與后處理

(1)設(shè)置分析屬性。由于切削主軸在連續(xù)切割過程中受到隨時(shí)間變化的載荷影響，因此分析類型選擇Transient；根據(jù)實(shí)際工況對(duì)絲杠支撐、螺母滑塊和升降平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)軸分別固定約束；選擇模型的慣性條件為 Standard Earth Gravity為9.8s2，方向?yàn)閥軸負(fù)向。載荷步設(shè)定為時(shí)間模式，具體為初始時(shí)間0.002 5 s，最小時(shí)間步0.002 0，最大時(shí)間步0.005 0，總時(shí)間1 s。

圖6 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

(2)求解載荷。銅管切割機(jī)時(shí)是以一定速度切割有間距的陣列銅管，因此本文只分析切割一根銅管的循環(huán)過程中及切割完成后升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。根據(jù)實(shí)際工況，繪制出載荷曲線如圖7所示。

圖7 載荷曲線圖

假設(shè)力作用在主軸端面中心，由于F為函數(shù)分段式載荷，因此在加載的過程中需要加載3個(gè)分段力，并利用“ActivateDeacivae at this step!”控制載荷在載荷步內(nèi)有效與否，從而實(shí)現(xiàn)在ANSYS Wbrkbench中加載分段函數(shù)載荷的功能。

通過有限元仿真分析計(jì)算得出，升降機(jī)構(gòu)在沖擊載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)鐖D8、圖9所示。

圖8 升降機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖9 升降機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

從圖8中可以看出切割機(jī)切割一個(gè)銅管循環(huán)時(shí)，最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在吊耳上，且是吊耳與舉升連桿銷軸連接處，在一次循環(huán)內(nèi)最大值在1.9e-5 MPa～45.423 MPa內(nèi)變化，而材料Q235的σb為200～220 MPa，因此動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的響應(yīng)應(yīng)力在材料所允許的范圍內(nèi)的，是安全的。

圖9中最大位移發(fā)生在主軸頭和舉升平臺(tái)懸臂上，同時(shí)吊耳的變化也較大，總位移變化范圍為0～0.368 14 mm，沒有超出設(shè)備允許的變形范圍。

3 結(jié) 語

經(jīng)過以上綜合分析，可以看出在主軸頭和舉升平臺(tái)懸臂、吊耳和舉升連桿銷軸的最大應(yīng)變較大，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該對(duì)主軸的剛度、吊耳和舉升連桿銷軸的剛度設(shè)計(jì)加以重視。分析還發(fā)現(xiàn)對(duì)整個(gè)升降機(jī)構(gòu)的剛性影響最大的結(jié)構(gòu)就是吊耳和舉升連桿銷軸，若要舉升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛性達(dá)到最佳，必須使吊耳和舉升連桿銷軸的剛性達(dá)到最佳，也即變形位移最小。零件的剛性可以通過改變零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或特征的尺寸實(shí)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣需要加以考慮。

[2] 孫恒等.機(jī)械原理：第7版[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006．

[3] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第五版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2010．

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