基于ABAQUS有限元仿真的碟形刀裝置優(yōu)化分析

李會榮，張浩辰

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引言

鋁箔具有覆蓋性好、質(zhì)量輕、防紫外線能力強、保質(zhì)期長等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于食品包裝等工業(yè)生產(chǎn)。鋁箔剪切機將軋制、涂層或復(fù)合后的寬幅、大卷徑鋁箔卷，按客戶要求分切成一定的寬度和長度，是目前鋁箔生產(chǎn)主要設(shè)備之一。隨著國內(nèi)外鋁箔消費量的不斷增長，我國的鋁箔生產(chǎn)量超越美國，成為全球最大的鋁箔生產(chǎn)國家[1-3]。碟形刀是鋁箔剪切機的核心部件，直接影響鋁箔分切質(zhì)量，是整個設(shè)備的精度保障。但是在高速切削過程中，刀具安裝座由于其結(jié)構(gòu)會隨著刀具旋轉(zhuǎn)切削而產(chǎn)生震動，嚴重影響切削精度，此外對于0.01mm厚度以下的薄鋁箔，細微的震動都可能使得鋁箔邊緣產(chǎn)生毛刺和彎曲。因此，以圖1所示的BLFQ850高速薄鋁箔剪切機的碟形刀裝置為例，對其刀座進行仿真分析，并進行了優(yōu)化設(shè)計，對提高設(shè)備精度和效率，保證薄鋁箔產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義。

圖1 BLFQ850高速薄鋁箔剪切機實物

1 蝶形刀固定裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

碟刀作為切削刀具，其固定安裝裝置是設(shè)備的核心部件[4]。其刀片、刀座、支軸以及其他的附件在工作過程中產(chǎn)生的細微變形，在高速、周期性的切削力作用下會被不斷地累積放大，最終影響設(shè)備的使用精度[5]。本文以BLFQ850高速薄鋁箔剪切機配備的碟形刀裝置(圖2)為典型設(shè)備進行研究，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2中：刀座4通過緊固螺釘與套筒連接，通過螺釘?shù)乃删o可以調(diào)節(jié)刀座在套筒上面的位置用以控制鋁箔的寬度；套筒5通過軸承與支軸6相連接，套筒5可繞支軸6旋轉(zhuǎn)。刀片10卡在刀座上，一共擁有兩個定位面。如圖3(b)所示，A基準面為刀片軸向定位面、B基準面為徑向定位面。

1—軸承；2—彈簧；3—定位銷；4—刀座；5—套筒；6—支軸；7—軸用彈性擋圈；8—孔用彈性擋圈；9—夾緊螺釘；10—碟刀片；11—弧形板；12—鎖緊螺釘。

圖3 刀座結(jié)構(gòu)圖

2 蝶形刀固定裝置有限元模型建立

2.1 CREO三維模型的建立

為分析碟形刀產(chǎn)生震動的主要原因，本文對碟形刀裝置模型進行了簡化處理，去除了倒角、倒圓角以及工藝孔等不影響主要結(jié)構(gòu)的特征，在CREO三維設(shè)計軟件中，保留了安裝部分以及拆卸裝置。同樣原理將支軸、套筒、軸承進行了簡化處理，以方便有限元分析中的計算，最終建模結(jié)果如圖4所示。

圖4 碟形刀固定裝置三維模型

2.2 有限元模型建立

a)模型導(dǎo)入

通過step格式模型，將CREO中的三維模型導(dǎo)入ABAQUS有限元仿真分析軟件中，并對其進行重新裝配(圖5)，刀座與支軸屬于間隙配合[6]。

圖5 ABAQUS裝配模型

b)網(wǎng)格劃分

根據(jù)模型形狀，對ABAQUS中導(dǎo)入的模型進行網(wǎng)格劃分(圖6)，其中支軸和刀座采用全六面體網(wǎng)格劃分，碟刀片采用六面體為主、四面體為輔的網(wǎng)格劃分方式。此外，在兩個部件相互接觸的表面以及刀座定位基準面的網(wǎng)格細化處理，使結(jié)果更加精確。

圖6 碟刀裝置網(wǎng)格劃分

c)材料屬性設(shè)置

根據(jù)ABAQUS材料屬性表，本文碟形刀裝置材料屬性設(shè)置如表1所示。

表1 材料屬性設(shè)置表

d)載荷設(shè)定

1)對刀座螺栓緊固連接處設(shè)置定向點載荷，模擬緊固螺栓作用，使得刀座內(nèi)側(cè)可以與支軸外側(cè)緊密接觸。

2)刀片外側(cè)加載一圈均勻載荷，模擬碟形刀片在切削過程中持續(xù)受到的周圈力作用。

3)碟刀片與刀座、刀座與支軸之間設(shè)置面面接觸，即在外力作用下，不同的零件不會因為變形而進入到其他零件模型中。

e)邊界條件設(shè)定

支軸在整個分切工作過程中與支架連接，基本保持不動，因此將兩個端面六個自由度完全固定，作為整個有限元模型的支座(圖7)。

圖7 邊界條件設(shè)置

3 蝶形刀固定裝置仿真結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果顯示，由于刀座與支軸之間存在間隙，在螺栓緊固力的作用下，應(yīng)力最為集中的位置位于刀座開口的對稱方向，如圖8中紅色部分所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問請咨詢作者)，最大應(yīng)力為29.67MPa，遠遠小于許用應(yīng)力120MPa，刀座結(jié)構(gòu)不至于變形而破壞。

圖8 應(yīng)力云圖

3.2 變形分析

根據(jù)變形云圖(圖9)分析，由于螺栓緊固力的作用，導(dǎo)致缺口處從兩側(cè)向中間發(fā)生了位移變形，變形區(qū)域包括刀座上側(cè)以及與碟刀片卡環(huán)處。其中整體變形量最大的位置為紅色區(qū)域，最大變形量為0.041 8mm，碟刀片定位基準面最大變形處為橙色區(qū)域，最大變形量為0.034 7mm。

圖9 變形云圖

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)結(jié)果顯示，在螺栓緊固力作用下，刀座的受力最大處為徑向開槽處對側(cè)，應(yīng)力遠遠低于許用應(yīng)力，不影響使用。但是開槽處的變形會導(dǎo)致碟刀片定位基準面發(fā)生位移，導(dǎo)致刀片在切削過程中發(fā)生明顯的周期性受力不均勻現(xiàn)象，從而產(chǎn)生刀架整體的震動[7-8]。

4 蝶形刀固定裝置形變實驗分析

4.1 實驗設(shè)備

本文實驗設(shè)備采用常規(guī)圓度測試和表面跳動測試，如圖10所示。

圖10 刀座實驗設(shè)備安裝圖

4.2 實驗結(jié)果

刀座精度檢測結(jié)果如表2所示。

表2 刀座精度檢測結(jié)果 單位：mm

4.3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)顯示刀座上端面A的跳動量和外圓B的圓度超差嚴重，刀座的端面(A面)和圓柱面(B面)是碟形刀片的安裝定位基準，測試端面A的跳動量為0.035mm，外圓B的圓度為0.028mm，基本符合仿真分析結(jié)果。同時也說明，目前的裝置在分切過程中，端面跳動量超過了0.015～0.025mm的區(qū)間，需要進行優(yōu)化。

5 優(yōu)化方案設(shè)計

為提高刀座在套筒上工作時的剛度，減小碟刀片震動，僅通過加工工藝的優(yōu)化很難彌補結(jié)構(gòu)上的不足。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上取消徑向槽，將刀座與套筒相結(jié)合，直接采用軸承支撐刀座[9-10]，同時又能滿足使用要求。本文提出優(yōu)化后的刀座組件裝配圖如圖11所示。

1—鎖緊螺釘；2—支軸；3—孔用彈性擋圈；4—彈簧；5—定位銷；6—刀座；7—軸用彈性擋圈；8—軸承；9—碟刀片；10—弧形板。

改進后實驗測試結(jié)果如表3所示。

表3 改進后刀座精度檢測結(jié)果 單位：mm

將優(yōu)化后的刀座應(yīng)用在BLFQ850型高速薄鋁箔剪切機上之后，如圖12所示，分切后鋁箔邊部無毛刺、翹邊，成品質(zhì)量顯著提高。

圖12 優(yōu)化刀座實際工作圖

6 結(jié)語

本文通過對BLFQ850高速薄鋁箔剪切機的碟形刀裝置進行ABAQUS有限元仿真分析，完成以下工作：1)完成了適合于ABAQUS有限元仿真分析BLFQ850高速薄鋁箔剪切機的碟形刀裝置三維模型建立，簡化出碟片刀、刀座、支軸的有限元模型，降低了分析難度。2)完成了碟形刀裝置的有限元仿真分析。由分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，刀座在螺栓緊固夾緊之后，徑向槽另一側(cè)所受應(yīng)力最大，為29.67MPa；徑向槽開口處變形最大，最大變形量為0.041 8mm，碟刀片定位基準面最大變形處為橙色區(qū)域，最大變形量為0.034 7mm。其中基準面變形是導(dǎo)致刀片在切削時發(fā)生震動的主要原因。3)完成了實驗測量，測量的變形量與仿真分析結(jié)果基本一致，仿真結(jié)果符合實驗數(shù)據(jù)。4)提出一種優(yōu)化方案，利用不開槽的刀座裝置取代原有的結(jié)構(gòu)，提高碟片刀裝置的整體剛性，將基準面跳動量降低到0.020mm，降低了切削過程中的震動，大幅度提高了加工質(zhì)量。