基于Simulation的刨邊機銅螺母的受力分析

任靜

摘 要：延長刨邊機銅螺母的使用壽命對提高生產效率和降低生產成本具有十分重要的意義。利用Simulation軟件對刨邊機銅螺母的受力情況進行了分析。根據受力分析結果，提出了延長銅螺母使用壽命的措施，分別為改變螺紋要素，改善熱處理或改變材料，改善潤滑條件。

關鍵詞：刨邊機；銅螺母；Simulation軟件；絲杠螺母副

中圖分類號：TG439.9 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.092

刨邊機是焊管線上重要的輔助設備，其作用是提升后續內焊、外焊的質量和穩定性，在鋼板兩邊加工出一定角度和大小的坡口。與銑邊機相比，刨邊機具有切削量大、切削效率高和坡口角度好等優點，能夠保證鋼板符合所需焊管的生產技術要求。目前，刨邊機被廣泛應用于國內多家焊管廠的直縫焊管和螺旋焊管機組上。

刨邊機屬于機床金屬加工的刨削領域，由固定座、活動座、輸送機構、對中機構、氣動壓板機構、絲桿傳動機構和刀座機構組成。其主運動機構為絲桿螺母機構，可使刀座機構橫向移動，刀具切削鋼板兩邊，形成鈍邊。絲桿螺母機構在機械成型驅動中有其獨特的優勢——大大簡化了傳動結構，而且傳動平穩，可以傳遞較大的軸向力，傳動效率較高，常用于承受重載及較大的沖擊載荷，因而在重載設備中占據著重要的地位。在實際生產中，刨邊機的銅螺母易磨損失效，進而影響生產進度，增加生產成本，給企業帶來一定的經濟損失。因此，研究螺旋副的受力情況及磨損情況，對延長螺旋副的使用壽命，降低企業的成本具有重要意義。本文主要從銅螺母的受力狀況、材料力學性能和使用環境等方面進行分析，為進一步研究提供一定的理論基礎。

1 銅螺母的材料

本廠銅螺母的鑄造材料為鋁黃銅，牌號為ZHAL66-6-3-2。鋁黃銅合金用工業純金屬Al、Fe、Ni、Mn、Cu和其他添加劑熔制而成，再用鑄鐵金屬型鑄造成螺母。螺母副的材料為ZHAL66-6-3-2，絲桿的材料為40Cr，潤滑條件為普通液壓油。

2 Simulation分析工具

Simulation是Solidworks集成的一個有限元分析系統。它提供了各種解決方案，能夠對零件進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析等。借助功能強大、快速的求解器，Simulation軟件能夠通過計算機模擬零件在實際生產中的工作狀況，分析其薄弱位置和受力位置，從而簡單、高效地改進設計。

3 絲桿-銅螺母傳動受力分析

在刨邊機的工作過程中，螺母和絲桿傳動是通過螺紋嚙合實現的，大部分載荷由螺紋嚙合承擔。螺母和絲桿的變形是極不協調的，導致載荷沿螺紋線方向分布不均勻和應力集中的情況出現，造成螺紋表面磨損加重，影響傳動的精度，引起螺紋螺牙斷裂，進而縮短銅螺母的使用壽命。

根據零件的實際尺寸，通過Solidworks軟件繪制銅螺母的基本結構。啟動Simulation分析軟件，根據實際應用工況進行接觸分析。銅螺母上的兩個鍵槽與鍵相互配合。這兩個鍵槽承受切削工作時的橫向切削力。在實際生產中，鋼板兩邊常切削45°、4 mm寬的鈍邊。根據切削力公式的計算結果，兩個鍵槽需承受26 400 N的切削力。設置外部載荷的大小，劃分銅螺母的網格，分析結果如圖1所示。

如圖1所示，銅螺母的主要受力部位為銅螺母安裝面，兩個鍵槽對應的部位主要承受切削時的切削力。整個銅螺母出現扭曲狀況，實際受力不均，銅螺母局部磨損失效，從而擴散到其他部位。這與實際生產過程中銅螺母的磨損失效狀況相同。這兩處在長期受力的情況下，首先產生疲勞裂紋，然后逐漸沿環向內壁擴展，最后裂透，造成磨損失效。此外，實際工作中常伴有沖擊，這就加劇了銅螺母的磨損，導致螺母失效。

筆者認為，在條件許可的情況下，可以采取以下兩種措施：①改善熱處理或改變材料。通過改善熱處理或改變銅螺母的材料來延長銅螺母的使用壽命，降低使用成本，或在不影響其使用壽命的情況下選用較為便宜的材料。更換銅螺母所用的耐磨性材料，不需要更改絲桿螺母的外形設計則可延長銅螺母的使用壽命。這是一種便捷的改造方法。②改善潤滑條件。當絲桿螺母副工作時，由于銅螺母表面相對較軟，容易被劃傷產生磨粒，導致磨粒磨損。磨粒容易落入螺旋副中，螺牙極易遭到破壞，牙厚減薄，容易因強度不足而折斷，使螺母失效。為了減輕或防止咬合磨損和磨粒磨損，應選擇合適的潤滑油或加入抗磨的添加劑，從而有效提高銅螺母的抗磨性能。

4 結論

本文運用Simulation軟件對刨邊機的銅螺母進行了接觸分析，研究了銅螺母的受力狀況。經過有限元軟件Simulation計算后，得出了銅螺母載荷的軸向分布。由分析結果可知，銅螺母的主要受力部位為銅螺母的安裝面和兩個鍵槽對應的位置。這與實際生產過程中銅螺母失效狀況相同，證明本文的分析結果具有一定的參考意義。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕