基于SolidWorks的切割機(jī)轉(zhuǎn)軸有限元分析

周琦

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇江陰214400）

0 引 言

超薄鋁型材自動切割機(jī)是針對厚度為0.5～0.8 mm的薄型鋁型材而設(shè)計(jì)的新型自動切割設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、工作進(jìn)給單元和切割進(jìn)給單元等部分組成。轉(zhuǎn)軸是切割進(jìn)給單元中重要零件之一，其性能的好壞直接影響切割機(jī)的效率和壽命。而決定轉(zhuǎn)軸性能的重要因素是其強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)參數(shù)，所以有必要在轉(zhuǎn)軸及其傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過靜強(qiáng)度有限元分析對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

本文針對超薄鋁型材自動切割機(jī)中切割進(jìn)給單元的轉(zhuǎn)軸零件，對其傳動系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。應(yīng)用SolidWorks軟件自帶的Simulation功能，對切割進(jìn)給單元的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行有限元建模、施加載荷，得到其應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布圖，在保證轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度性能的情況下，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化轉(zhuǎn)軸的目的。

1 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為切割進(jìn)給單元的轉(zhuǎn)軸傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖1中，轉(zhuǎn)軸由一對角接觸球軸承支撐，軸承的定位方法是軸承外圈一側(cè)由調(diào)整環(huán)定位，另一側(cè)靠轉(zhuǎn)軸的軸肩定位，外圈只是單側(cè)靠軸承端蓋來定位。因?yàn)檩S承的外圈與轉(zhuǎn)軸套筒在切割過程中會產(chǎn)生一定振動，所以選擇采用基軸制的小過盈量配合，軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸的配合方式同套筒一致，選擇上述結(jié)構(gòu)可以提高切割的穩(wěn)定性并減小轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的振動，還可以減少設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的噪聲。此外，調(diào)整環(huán)還有效地阻擋了外部粉塵的進(jìn)入，防止軸承受到污染。

1.1 轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)

1）選擇轉(zhuǎn)軸材料。因轉(zhuǎn)軸無特殊要求，軸的材料選取45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。

2）轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為階梯形，左端安裝帶輪，右端安裝鋸片，中間軸段的直徑略大于軸承內(nèi)徑即可，不需要考慮精度和表面粗糙度等。轉(zhuǎn)軸套筒長為240 mm，留有合理的空間安裝軸承和軸承蓋，確定此軸段長為200 mm。用于安裝帶輪的軸段，帶輪孔徑為28 mm、寬為54 mm，同時(shí)配合電動機(jī)的安裝尺寸，確定軸長為70.5 mm。軸的左端安裝軸承的軸徑同樣為30 mm，長為43.5 mm。再向左安裝鋸片和夾板，鋸片孔徑為25.4 mm，厚為3.2 mm，夾板厚為6 mm，確定軸段長為8 mm。最左端是M24螺紋，長為34 mm。至此，轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢。

對于轉(zhuǎn)軸的三維造型設(shè)計(jì)，在SolidWorks軟件的特征繪圖界面選擇“旋轉(zhuǎn)”命令圖標(biāo)，按前述轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)尺寸畫出轉(zhuǎn)軸的二維草圖，然后選擇草圖對稱中心為旋轉(zhuǎn)軸，點(diǎn)擊“確定”，完成該切割機(jī)中切割進(jìn)給單元轉(zhuǎn)軸的三維模型，如圖2所示。

1.2 轉(zhuǎn)軸的校核

轉(zhuǎn)軸是鋁型材自動切割機(jī)中切割進(jìn)給單元的核心零件，為確保切割機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命，還需要對前述設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行驗(yàn)算，校核其是否滿足設(shè)計(jì)工作要求。

根據(jù)切割進(jìn)給單元的實(shí)際工作情況，可知該轉(zhuǎn)軸的危險(xiǎn)截面為帶鍵槽軸段和安裝鋸片的軸端，依據(jù)第三強(qiáng)度理論，其彎扭組合強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中：σca為軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa；M為軸所受的彎矩，N·m；T為軸所受的轉(zhuǎn)矩，N·m；W為軸的抗彎截面系數(shù)，mm3。

分別將帶鍵槽軸段和安裝鋸片軸端的有關(guān)參數(shù)代入式（1），計(jì)算結(jié)果顯示該轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

2 轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度分析

在SolidWorks軟件的主界面內(nèi)選擇辦公產(chǎn)品里面的SolidWorks Simulation，在算例顧問的下拉菜單中新建一個(gè)算例，類型選擇“靜應(yīng)力分析”。

1）定義材料屬性。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》知：45鋼的密度ρ=7800 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.28，抗拉強(qiáng)度σb=750 MPa，屈服強(qiáng)度σs=580 MPa。

2）設(shè)置邊界條件。為轉(zhuǎn)軸添加正確的夾具約束。右鍵點(diǎn)擊夾具，選擇軸承夾具，將軸承添加在轉(zhuǎn)軸中軸承安裝的位置，去掉允許自我對齊，勾選上穩(wěn)定軸旋轉(zhuǎn)。

3）添加載荷。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)，給轉(zhuǎn)軸施加電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩為145.78 N·m，鋸片對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩為57.86 N·m。

4）劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分類型選擇“實(shí)體網(wǎng)格”，采用高品質(zhì)網(wǎng)格單元，單元大小為5.516 36 mm，單元總數(shù)為14 842個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為22 942個(gè)，如圖3所示。

完成上述設(shè)置操作以后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”命令圖標(biāo)對轉(zhuǎn)軸有限元模型進(jìn)行分析求解，就能得到轉(zhuǎn)軸靜態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變和位移圖，結(jié)果如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知，轉(zhuǎn)軸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在帶鍵槽的軸段，其值為91.57 MPa，遠(yuǎn)小于580 MPa的許用值，因此，該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度滿足本次設(shè)計(jì)和使用要求。轉(zhuǎn)軸的位移最大值為7.899 ×10-3mm，滿足實(shí)際工作要求；最大應(yīng)變發(fā)生在鍵槽軸段，最大值為9.784 ×10-5，可以忽略不計(jì)。由此可知，本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，通過理論分析與有限元驗(yàn)證，在強(qiáng)度與精度上均滿足鋁型材自動切割機(jī)的使用要求，設(shè)計(jì)合理。

3 結(jié) 語

本文以鋁型材自動切割機(jī)中切割進(jìn)給單元的核心零件轉(zhuǎn)軸為研究對象，對其傳動系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依據(jù)第三強(qiáng)度理論對其彎扭組合強(qiáng)度進(jìn)行校核。運(yùn)用SolidWorks軟件平臺，對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行三維建模，并利用SolidWorks軟件自帶的Simulation模塊，對轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)了有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析，得到了其應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖，分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸滿足設(shè)備的生產(chǎn)性能要求和使用壽命。