基于有限元法確定玻璃切割機(jī)金屬刀架的斷裂直徑

□ 施云高 □ 楊 爽 □ 陳 紅 □ 高思煜

1.常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所 江蘇常州 2131642.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 智能機(jī)械研究所 合肥 230031

1 研究背景

切割是玻璃深加工過程中使用最多的工藝[1-2],國(guó)際通用的玻璃切割機(jī)如圖1所示。

▲圖1 玻璃切割機(jī)

玻璃切割機(jī)通過X和Y兩軸直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的行走,通過C軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)刀的切割角度,氣壓與彈簧并用,控制下刀的壓力,最終經(jīng)合金刀輪在玻璃上切出劃痕。在工作時(shí),玻璃切割機(jī)的速度可以達(dá)到100～200 m/min,運(yùn)行過程中稍有不慎,主軸就會(huì)因遭到碰撞而報(bào)廢,因此保護(hù)玻璃切割機(jī)的主軸顯得尤為重要[3]。在設(shè)計(jì)玻璃切割機(jī)主軸時(shí),分為三部分,包括主軸本體、金屬刀架、切割刀頭。主軸本體通過金屬刀架與切割刀頭連接,當(dāng)切割刀頭在運(yùn)行過程中遇到的阻力大于金屬刀架承受的剪切力時(shí),金屬刀架發(fā)生斷裂,達(dá)到保護(hù)玻璃切割機(jī)主軸的目的?？梢?需要對(duì)玻璃切割機(jī)金屬刀架的斷裂直徑進(jìn)行精確設(shè)計(jì),以確保金屬刀架既可以滿足正常工作需要,又能夠?qū)崿F(xiàn)在非安全工況下保護(hù)玻璃切割機(jī)主軸。

2 金屬刀架結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計(jì)的玻璃切割機(jī)金屬刀架結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)計(jì)時(shí),利用應(yīng)力集中易發(fā)生斷裂的原理,將斷裂截面設(shè)計(jì)為中間細(xì)的尖角結(jié)構(gòu),D為斷裂直徑。

3 有限元建模

3.1 模型簡(jiǎn)化

為方便對(duì)玻璃切割機(jī)金屬刀架進(jìn)行有限元建模,將金屬刀架中的螺紋孔簡(jiǎn)化為光孔,忽略刀架本體尾端的安裝槽等結(jié)構(gòu)[4-6]。簡(jiǎn)化后的玻璃切割機(jī)金屬刀架幾何模型如圖3所示。

▲圖2 金屬刀架結(jié)構(gòu)▲圖3 金屬刀架幾何模型

3.2 網(wǎng)格劃分

采用自由網(wǎng)格劃分方法,單元尺寸為0.5 mm,選用Solid186結(jié)構(gòu)單元[7-9]。Solid186結(jié)構(gòu)單元為三維六面體20節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)單元,可以保證玻璃切割機(jī)金屬刀架斷裂截面處有足夠的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)用于分析應(yīng)力。網(wǎng)格劃分后玻璃切割機(jī)金屬刀架有限元模型如圖4所示。

▲圖4 金屬刀架有限元模型

對(duì)劃分的網(wǎng)格單元進(jìn)行質(zhì)量檢查,網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)縱橫比的最大值為11.259,滿足進(jìn)行靜力學(xué)分析的要求。

3.3 載荷設(shè)置

玻璃切割機(jī)金屬刀架的受力直接加載到刀架本體圓柱面上,沿Z軸方向加載,如圖5所示。玻璃切割機(jī)金屬刀架的固定約束按照實(shí)際工作時(shí)的約束工況進(jìn)行加載,對(duì)刀架頭的外圓柱面和底端面進(jìn)行固定約束,如圖6所示。

4 仿真分析

金屬刀架材料為40Cr,材料密度為7 870 kg/m3,楊氏模量為211 GPa,泊松比為0.277,屈服強(qiáng)度為355 MPa[10]。設(shè)定外力載荷分別為50 N、100 N、200 N、300 N、400 N、450 N、500 N,斷裂直徑分別為5.8 mm、6.0 mm、6.2 mm、6.5 mm,通過靜態(tài)加載進(jìn)行玻璃切割機(jī)金屬刀架應(yīng)力集中有限元分析。

經(jīng)過分析計(jì)算,得到玻璃切割機(jī)金屬刀架不同斷裂直徑、不同外力下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖,如圖7所示。由圖7可知,玻璃切割機(jī)金屬刀架的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生在斷裂截面處,其余部分的結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對(duì)較小。在玻璃切割機(jī)金屬刀架的斷裂截面處產(chǎn)生了應(yīng)力集中,可以在遇到大阻力時(shí)及時(shí)斷裂,保護(hù)玻璃切割機(jī)主軸免受損壞。

▲圖7 金屬刀架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

不同斷裂直徑、不同外力作用下玻璃切割機(jī)金屬刀架最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力曲線如圖8所示。

由圖8可以看出,單一斷裂直徑時(shí)玻璃切割機(jī)金屬刀架的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨外力的增大呈線性增大,同一外力作用下,斷裂直徑越大,玻璃切割機(jī)金屬刀架的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力越小。這是因?yàn)閿嗔阎睆皆酱?斷裂截面的厚度也越大,由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力越小。斷裂直徑為5.8 mm,達(dá)到材料屈服強(qiáng)度時(shí)的外力為324.8 N。斷裂直徑為6.0mm,達(dá)到材料屈服強(qiáng)度時(shí)的外力為359.3 N。斷裂直徑為6.2 mm,達(dá)到材料屈服強(qiáng)度時(shí)的外力為400 N。斷裂直徑為6.5 mm,達(dá)到材料屈服強(qiáng)度時(shí)的外力為474.5 N。隨著斷裂直徑的增大,玻璃切割機(jī)金屬刀架達(dá)到材料屈服強(qiáng)度所受的外力也逐漸增大。

斷裂直徑較小時(shí),需要較小的外力就能達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度,玻璃切割機(jī)金屬刀架容易斷裂。斷裂直徑越大,玻璃切割機(jī)金屬刀架越不容易斷裂。另一方面,斷裂直徑越大,玻璃切割機(jī)金屬刀架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力越小,越有利于維持金屬刀架的正常工作。綜合以上分析可知,為保證玻璃切割機(jī)金屬刀架正常工作,并在遇到障礙物時(shí)及時(shí)斷裂以保護(hù)玻璃切割機(jī)主軸,最終確定玻璃切割機(jī)金屬刀架的斷裂直徑為6.2 mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者采用有限元法分析不同斷裂直徑、不同外載荷作用下的玻璃切割機(jī)金屬刀架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力,表明最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)在玻璃切割機(jī)金屬刀架斷裂截面處。根據(jù)仿真分析數(shù)據(jù)確定了玻璃切割機(jī)金屬刀架斷裂直徑的優(yōu)選參數(shù),為玻璃切割機(jī)金屬刀架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考。