基于SolidWorks Simulation分析手動(dòng)鉆鋸扭一體機(jī)主軸

蔡凱武 王映麗 黃潤(rùn)光

本研究旨在用SolidWorks Simulation分析手動(dòng)轉(zhuǎn)鋸扭一體機(jī)（以下簡(jiǎn)稱一體機(jī)）的主要零件主軸的受力與設(shè)計(jì)可行性，確定整個(gè)產(chǎn)品的載荷承受能力。首先選擇最容易導(dǎo)致主軸損壞的情況和主要的壓力，然后設(shè)定其方向、大小和作用面，用于主軸的三維模型中，定為載荷，設(shè)定好后進(jìn)行網(wǎng)格化并運(yùn)行，研究主軸在切削力載荷工況作用下的最大應(yīng)力及變形，對(duì)主軸進(jìn)行模態(tài)分析，將得出的結(jié)果進(jìn)行分析，以驗(yàn)證其可行性。

一、引言

手動(dòng)工具以其方便、便宜且靈活的優(yōu)點(diǎn)，在日常生活中得到廣泛的應(yīng)用。但是目前手動(dòng)工具多為單件單用途，為了滿足使用要求，通常需要配備多種工具，如手工鉆、鋸子、鉗子，很多情況下需要在各種工具下來(lái)回切換，有礙作業(yè)，而且攜帶與保管不便，容易散落遺失。

目前，手工鉆為利用錐齒輪傳動(dòng)，將手施加的力矩傳遞到鉆頭，再進(jìn)行下壓，鉆頭的尖端對(duì)物體進(jìn)行鉆削，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔。手工鋸?fù)ㄟ^(guò)給鋸子施加壓力，以一定角度來(lái)回運(yùn)動(dòng)，靠鋸片上的鋸齒切開(kāi)物體。手工鉗為利用杠桿原理來(lái)獲取較大的扭矩與夾持力，實(shí)現(xiàn)將物體扭斷或者扭彎。如能設(shè)計(jì)一種將鉆孔、鋸切和扭轉(zhuǎn)融合到一起的手動(dòng)式鉆鋸扭一體機(jī)，將有效解決以上問(wèn)題，且極大地提高工作效率。用SolidWorks Simulation分析手動(dòng)轉(zhuǎn)鋸扭一體機(jī)的主要零件，主軸的受力與設(shè)計(jì)的可行性，以得出關(guān)鍵性結(jié)果來(lái)確定整個(gè)產(chǎn)品的載荷承受能力。

二、確認(rèn)載荷來(lái)源

分析對(duì)主軸施加的載荷，需要從整個(gè)產(chǎn)品被施加的外力人手。在使用一體機(jī)鋸切功能時(shí)，有來(lái)自于鍵的切向力，還有一定程度的豎直向下的壓力。鉆孔時(shí)與扭轉(zhuǎn)時(shí)主要受到切向力。先分析鋸切。做受力分析，排除無(wú)關(guān)零件，結(jié)果如圖1所示。P是右手推動(dòng)手柄對(duì)行星輪產(chǎn)生的拉力。F1為工件切削位置對(duì)鋸片的壓力，其大小取決于切削力。這些部分固連于中心軸承并可繞其旋轉(zhuǎn)。P與F1為一對(duì)在整體上的一對(duì)平衡力，最終會(huì)傳導(dǎo)到主軸鍵槽。Fx為左手下壓所導(dǎo)致的壓力。因?yàn)閮?nèi)齒輪浮動(dòng)，且齒輪存在側(cè)隙，所以若行星齒輪都浮動(dòng)，則都可以做過(guò)中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，而每個(gè)軸與配合零件運(yùn)動(dòng)空間較小或沒(méi)有。所以可以得出工件對(duì)一體機(jī)的壓力傳導(dǎo)路徑是：鋸片一行星輪一基座法蘭一軸（左端）。因?yàn)橹饕闹亓σ驯还ぜ?duì)一體機(jī)的壓力所抵消，實(shí)際傳人軸的壓力大小與FN相等即為F2。所以FN與F2為主軸在整體上的豎直方向平衡力。

三、基本設(shè)置

如圖2為主軸的三維模型外觀，并在軸上建立直角坐標(biāo)系，上下左右以坐標(biāo)系為基準(zhǔn)。已將每個(gè)接觸面通過(guò)分割線劃分開(kāi)。

接觸面包括鍵槽與鍵的側(cè)面和底面，與把手的接觸（手柄段），與軸承的接觸（軸承段）。分割線可通過(guò)在裝配體上測(cè)量尺寸進(jìn)行繪制，用于載荷和夾具的施加面。

四、建立Simulation算例

為了得出施加的力對(duì)主軸造成的影響，在選新算例時(shí)選用“靜應(yīng)力分析”，因手柄處為施力位置，齒輪處有可移動(dòng)的間隙，所有不予固定，選用與軸承內(nèi)圈配合處固定，為了模擬軸承帶來(lái)的固定效果，可選用“固定幾何體”如圖3所示。

五、切向載荷

固定完畢，施加載荷。先沒(méi)定切向力，從F1入手，經(jīng)過(guò)類比實(shí)驗(yàn)，切削壓合紙板所需切削力估算值F1為15N，力會(huì)從鋸齒切削部位傳遞至內(nèi)齒輪與行星輪嚙合處，經(jīng)過(guò)杠桿原理放大，即為X=F1×74/46=24.13N。后再傳至太陽(yáng)輪嚙合處，經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比，即為Y=1/2×X=12.07N，后再傳至中心的主軸的鍵槽上，再次因杠桿原理放大：2=23/5×Y=55.5N。

Z為施加于鍵槽上的力，位于與齒輪孔上那段部位上的鍵槽側(cè)面，因鋸片為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并對(duì)工件施力，所以可設(shè)對(duì)與齒輪孔處接觸那段的鍵槽左邊的側(cè)面有一法向壓力，大小為55.5N。該力的另一平衡力也是55.5N，位于與手柄孔相接觸處的那段的鍵槽右側(cè)側(cè)面。如圖4所示。

六、豎直方向載荷

在下壓手柄時(shí)，鍵槽的方位是不定的，可建立極坐標(biāo)系用于定義鍵槽方向，以下壓方向?yàn)闃O軸，圓心為O，如圖5所示，此時(shí)鍵的方向是180°。根據(jù)其配合方式，可設(shè)為力均布在手柄段的上半圓柱面上和整個(gè)鍵槽與鍵接觸的底面。大小設(shè)為20N，在合理的下壓力內(nèi)。

在分析完此方向的算例后，可同理建立0°、90°、270°共四個(gè)下壓時(shí)鍵槽方向的算例。其中0°時(shí)只有半圓柱面受力，90°和270°時(shí)為半圓柱面和一整個(gè)鍵槽側(cè)面受力。

完成以上步驟后，設(shè)定材料均為“1060-H8棒材（SS）”進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格密度設(shè)為最良好（指針拖向最右），以獲得最佳結(jié)果，結(jié)果如圖6所示。

七、結(jié)果分析（鋸切情況下）

運(yùn)行這四個(gè)算例后，顯示應(yīng)力，以了解其受力情況，變形比例統(tǒng)一設(shè)為1000以方便查看變形和對(duì)比。為了簡(jiǎn)易地表示應(yīng)力數(shù)據(jù)，在“應(yīng)力圖解”中修改“數(shù)字格式”為“浮點(diǎn)”，“小數(shù)位數(shù)”為0。并顯示最大注解以了解應(yīng)力最大的位置，此處不超出屈服力，主軸即可在該受力情況下不損壞。例如鍵槽在180°的結(jié)果如圖7所示。

為得出包括內(nèi)部的應(yīng)力，可以使用“ISO剪裁”其等值都定為5000000，此時(shí)可以清楚直觀地從一個(gè)視圖中了解較大的應(yīng)力分布區(qū)域。以下壓的力為參照物，讓主軸繞y軸旋轉(zhuǎn)，做各自的等軸測(cè)圖?？傻贸鲆韵滤膫€(gè)結(jié)果如圖8所示。

從中可知，鍵槽在0°、180°、270°時(shí)的最大的應(yīng)力處位于齒輪孔段的左側(cè)鍵槽側(cè)面與底面交線處。超過(guò)承受范圍會(huì)在此處裂開(kāi)，影響鍵的配合。

鍵槽在90°時(shí)為右側(cè)軸承段與齒輪孔段圓柱面交界處，其次是左側(cè)。超過(guò)承受范圍會(huì)在此處裂開(kāi)，導(dǎo)致軸開(kāi)始沿此處斷裂。

力的分布在表面，5000000N/㎡壓力的厚度為Imm左右，且壓力越大，越往表面移動(dòng)，最大應(yīng)力位于表面，所以表面硬度需求較高。

施加力在屈服力以內(nèi)，不會(huì)造成損壞，鍵槽為180°時(shí)應(yīng)力最小，270°時(shí)應(yīng)力最大。以應(yīng)力最大時(shí)為基礎(chǔ)，當(dāng)施加的力放大到一定倍數(shù)后會(huì)達(dá)到屈服力，經(jīng)計(jì)算，放大倍數(shù)為3.8524倍，所以，當(dāng)下壓力為77.0484N，切削力為57.7862N時(shí)，主軸開(kāi)始損壞。需要施加極大的力才可以損壞。在要求質(zhì)量輕并滿足基本要求可用此材料。成本較低。

若材料設(shè)為“AISI 1045鋼冷拔”，此材料屈服力為530000000N/㎡，為“1060-H8棒材（SS）”的4.9074倍，此時(shí)開(kāi)始損壞的下壓力為378.1073N，切削力為283.58N，在人力的極限上，且其他部件會(huì)在主軸損壞前損壞，若需要更長(zhǎng)的使用壽命與有施加更大的力的要求時(shí)可以用此材料，成本較高。

八、結(jié)果分析

類比鋸切情況下的算例，在此基礎(chǔ)上去掉下壓力，保留切向力，得出以下結(jié)果如圖9所示。

齒輪孔段的左側(cè)鍵槽側(cè)面與底面交線處存在最大應(yīng)力。同理，鉆孔時(shí)，開(kāi)始損壞時(shí)鉆頭對(duì)工件的切向力為452.8257N（鉆頭規(guī)格為Φ4.75）。扭轉(zhuǎn)時(shí)，開(kāi)始損壞時(shí)夾頭邊緣對(duì)工件的壓力為258.091N，而手柄施加的力為30.7251N（換成1045鋼則是150.7804N）。

綜上所述，主軸在滿足使用需求上是可行的。主軸的材料應(yīng)為45鋼，可對(duì)鍵槽和圓柱面上述應(yīng)力較大拐角處進(jìn)行激光加熱表面淬火。

九、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)SolidWorks建立手動(dòng)轉(zhuǎn)鋸扭一體機(jī)三維設(shè)計(jì)模型，并直接應(yīng)用SolidWorks軟件中的SolidWorksSimulation分析計(jì)算模塊手動(dòng)轉(zhuǎn)鋸扭一體機(jī)主軸進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析計(jì)算，對(duì)于主軸的靜力分析以及模態(tài)分析，文中所采用的方法操作性較強(qiáng)，靜力分析得到的云圖清晰地顯示了主軸在切削力作用下的受力及其薄弱區(qū)域，用于校核主軸剛度，分析計(jì)算結(jié)果表明主軸強(qiáng)度能夠滿足使用要求，分析的可靠性，以及實(shí)用性，對(duì)整機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。