熱模鍛壓力機(jī)偏心軸形狀和尺寸對(duì)應(yīng)力集中的影響

文／李海濤·北京機(jī)電研究所

熱模鍛壓力機(jī)偏心軸形狀和尺寸對(duì)應(yīng)力集中的影響

文／李海濤·北京機(jī)電研究所

對(duì)于熱模鍛壓力機(jī)，偏心軸的變形量對(duì)壓力機(jī)總變形量影響很大。因此，在設(shè)計(jì)偏心軸時(shí)，對(duì)于其強(qiáng)度和剛度應(yīng)給予足夠的重視。本文以2500t熱模鍛壓力機(jī)偏心軸為例，通過(guò)形狀和尺寸的變化分析各個(gè)模型的最大集中應(yīng)力，提出降低偏心軸應(yīng)力集中的合理解決方案。

偏心軸是熱模鍛壓力機(jī)傳動(dòng)部分非常重要的零件，見(jiàn)圖1。鍛造過(guò)程中，偏心軸上所呈現(xiàn)的周期性變化的應(yīng)力具有脈沖循環(huán)特征。疲勞斷裂是偏心軸失效的主要形式，破壞的斷口表面有時(shí)可以看到以疲勞源為起始點(diǎn)并逐漸向周?chē)鷶U(kuò)展的一條條同心弧線。應(yīng)力集中部位常常是產(chǎn)生疲勞裂紋的起源。為降低應(yīng)力集中系數(shù)，在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，必須對(duì)其結(jié)構(gòu)、粗糙度和硬度等給予充分重視。例如表面強(qiáng)化可以使零件表面產(chǎn)生塑性變形和殘余壓應(yīng)力，并使表面光亮，從而提高疲勞強(qiáng)度。本文主要通過(guò)有限元分析，對(duì)比不同形狀和尺寸對(duì)偏心軸應(yīng)力集中的影響。

圖1 偏心軸

應(yīng)力集中系數(shù)

在零件的截面幾何形狀突然變化處，局部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力集中。在材料的彈性范圍內(nèi)，最大局部應(yīng)力σmax與名義應(yīng)力σn的比值ασ，稱(chēng)為理論應(yīng)力集中系數(shù)，即:

當(dāng)載荷條件和絕對(duì)尺寸相同時(shí)，在循環(huán)應(yīng)力下，光滑試樣與有應(yīng)力集中試樣的疲勞極限之比為有效應(yīng)力集中系數(shù)，即:

為了在數(shù)量上估計(jì)K與α之間的差別，引入材料對(duì)應(yīng)力集中的敏性系數(shù)q，即:

試驗(yàn)表明，當(dāng)尺寸增大時(shí)，疲勞強(qiáng)度降低，由此引入尺寸系數(shù)ε。當(dāng)應(yīng)力集中情況相同時(shí)，尺寸為d的零件的疲勞極限與標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞極限之比值，即:

有限元模型

分析模型為2500t熱模鍛壓力機(jī)偏心軸。為了簡(jiǎn)化分析，現(xiàn)取偏心頸和支撐頸這兩部分進(jìn)行模擬，如圖2所示。圖2中，a、b和c是標(biāo)準(zhǔn)偏心軸形狀，只是各部分尺寸改變，d、e和f則是為了保證某些尺寸不變，在結(jié)構(gòu)形式上做了改變。其中，a為2500t熱模鍛壓力機(jī)常規(guī)用偏心軸。與a相比，b支撐頸直徑增大，同時(shí)保證偏心頸直徑不變，因而偏心距減??；c和a相比，為了保證偏心距不變，偏心頸直徑和支撐頸直徑均增大；c和b支撐頸相同，隨著偏心頸直徑增大，偏心距增大；相對(duì)于a，d支撐頸直徑增大，為了使偏心頸直徑和偏心距均不變，偏心頸和支撐頸端面結(jié)合處發(fā)生了錯(cuò)位；d和c相比，保證c的偏心距不變，減小偏心頸直徑，即為d；e和d的偏心頸直徑、支撐頸直徑和偏心距均相等，不同之處是e在偏心頸和支撐頸端面結(jié)合處增加了圓盤(pán)過(guò)渡，相較于d，消除了偏心頸和支撐頸端面結(jié)合處的錯(cuò)位，另外，為了保證e和d裝配條件一致性，增大了e的偏心頸長(zhǎng)度；f相比與c，偏心距不變，偏心頸增大，形成了偏心頸和支撐頸端面結(jié)合處完整的圓周臺(tái)階，綜合c、d和f，則在c的基礎(chǔ)上減小偏心頸直徑為d，增大偏心頸直徑為f。各個(gè)模型的尺寸參數(shù)詳見(jiàn)表1。

模擬結(jié)果與分析

本文使用Ansys Workbench仿真進(jìn)行有限元分析。有限元網(wǎng)格劃分的方式主要分為自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分與掃掠網(wǎng)格劃分。Ansys Workbench提供的單元包括四面體、六面體。由于六面體單元計(jì)算精度高及計(jì)算速度快，故采用六面體單元映射網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后如圖3所示。

圖2 偏心軸模型

表1 模型尺寸參數(shù)（單位：mm）

圖3 偏心軸的網(wǎng)格模型

將上述模型分別導(dǎo)入到有限元軟件中，材料的模擬參數(shù)見(jiàn)表2。在支撐頸面設(shè)置固定約束，在偏心頸面施加方向向上，大小為25000kN的力。

表2 模擬參數(shù)

通過(guò)分析可知，上述模型應(yīng)力集中最大位置均為偏心頸和支撐頸結(jié)合處，如圖4所示。

圖4 偏心軸模型分析

各模型最大應(yīng)力值如圖5所示。其中圖2(b)應(yīng)力值最小，由于此模型偏心距較小，實(shí)際中不能夠滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，因而無(wú)實(shí)際意義；應(yīng)力值最大模型為圖2(d)，圖中偏心頸和支撐頸端面結(jié)合處由于錯(cuò)開(kāi)，過(guò)渡角被分為斷開(kāi)的兩段，導(dǎo)致集中應(yīng)力大幅增加，實(shí)際中需要盡可能加大過(guò)渡圓角，消除尖角、尖棱等；模型圖2(c)和圖2(b)相比，增大中心距以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，相應(yīng)的偏心頸直徑增大，最大應(yīng)力明顯增加，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大；模型圖2(e)相較于圖2(d)，由于在偏心頸和支撐頸結(jié)合處增加過(guò)渡圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，過(guò)渡角為完整的圓周結(jié)構(gòu)，因而圓周方向上完全平滑過(guò)渡，應(yīng)力集中改善明顯，相較于d降低40%左右；圖2(f)相較于圖2(e)，應(yīng)力集中略有下降，優(yōu)點(diǎn)是偏心頸長(zhǎng)度減小，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)有利，不足是偏心頸直徑增加較多，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大，對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性帶來(lái)影響。綜合圖5可以看出，排除b，對(duì)比其余5項(xiàng)，過(guò)渡角完整圓周為最佳，如果不能保證完整圓周，一定要保證只有一個(gè)圓周并且要平滑過(guò)渡，最后要盡量避免圓周被完全斷開(kāi)。

圖5 模型最大應(yīng)力值

結(jié)論

從偏心軸角度，降低應(yīng)力集中的措施：⑴盡可能小的偏心距；⑵大的支撐頸直徑；⑶偏心頸和支撐頸結(jié)合部圓角要形成完整圓周，如圖2中e和f； a，b和c；⑷沒(méi)有形成整周，但有平滑過(guò)渡；圖2(d)完全錯(cuò)開(kāi)成兩段，結(jié)合處無(wú)平滑過(guò)渡，應(yīng)力集中最大。