基于ANSYS的皮帶輪專用刀具靜力學分析

曾俊++龔一龍++冉龍姣++李曉曉++何中秋++陳廷兵

摘 要：皮帶輪加工目前仍以金屬切削加工為主，市場上多為槽刀，難以滿足其大批量的生產。因而設計多齒皮帶輪，提高加工效率已成為必要。為了有效提高多齒皮帶輪的工作效率，需要對多齒皮帶輪進行更加詳細的分析，為設計提供有效支持。該文以雙齒皮帶輪專用刀具為例，對雙齒皮帶輪專用刀具進行了切削力分析，并在此基礎上采用ANSYS進行了應力分析，對雙齒皮帶輪專用刀具受力情況進行了明確，為多齒皮帶輪專用刀具的研發改進和實際生產提供理論依據。

關鍵詞：皮帶輪 ANSYS 切削力分析

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0060-02

皮帶輪是一種非常重要的機械傳動零件，它廣泛應用于汽車、農機、輕紡工業等各種機械設備的傳動中。皮帶輪作為傳動件應用較廣，市場需求大，需要大批量生產，所以，提高加工效率勢在必行。針對以上問題提出多齒成型刀具設計的思路，根據一些實驗數據表明，多齒皮帶輪刀片相比以前的單齒仿形加工，能明顯提高加工效率，且齒形準確，齒頂無毛刺，表面質量較好。但多齒同時加工，切削抗力大，易產生振動。對機床的剛性和工件裝夾的穩定性要求較高。

1 皮帶輪刀具切削力分析

加工皮帶輪專用刀具是由刀桿和刀片組成，通過刀桿與機床鏈接工作。加工方式為皮帶輪按一定速度勻速旋轉，刀片處于間歇沖擊式切削皮帶輪狀態。經驗得出切削鑄鐵類金屬的刀具通常采用YG類硬質合金，根據仿形法確定刀齒形狀、刃角等。刀具參數為：刀具前角為10°，后角為0°，刀具刃角為40°雙齒均勻切削。

加工皮帶輪時，切削較深，刀刃處所承受的切削力較大，因此有必要對刀具進行受力分析。確定刀具受力情況，給實際生產提供了理論依據。受力分析在整個切削過程中，皮帶輪專用刀具主要受到切削阻力F的作用。為了便于測量和應用，可將合力F分解為3個分力，由于刀具在加工皮帶輪過程中，刀刃部分兩個側面受皮帶輪切槽擠壓所產生的力剛好平衡。所以，F可簡化為兩個分力，即主切削力FC切削深度抗力FP。簡化刀具加工皮帶輪過程的受力分析如圖1所示。

2 刀具有限元分析

2.1 劃分網格

有限元法應用于金屬切削過程模擬已經有幾十年的歷史了。20世紀70年代蘇聯人B.A.奧斯塔費耶夫與日本人臼井英治等對正交切削過程進行了有限元分析[1]。現在，有限元數值分析軟件（ANSYS）將現代數學、力學的基礎理論與有限元分析技術、計算機圖形學和優化技術相結合，具有豐富、完善的單元庫、材料模型庫和求解器，可利用數值模擬技術高效求解各類結構動力、靜力和線性、非線性問題。該次分析的模型為雙齒皮帶輪專用刀具，主要分析刀具等效應力分布情況，刀具采用硬質合金YG8。

由于ANSYS與許多CAD軟件都有直接的接口，所以這里選擇先在solidworks中建立模型，然后導入ANSYS中，最后再對圖形進行拓撲修理和幾何修理，完成創建實體模型工作[2]。而刀具整體的結構不規則，因此難以使用六面體網格進行劃分，為了獲得比較均勻的網格，采用尺寸控制和劃分方法共同控制的方式進行劃分。網格大小為0.5 mm，網格個數為38 359個。

2.2 模擬加載

首先確定刀具的約束條件[3]，刀具置于刀桿槽中，刀底部大面約束刀具z軸負向位移，刀具定位孔上的壓板約束刀具z軸正向位移，刀桿槽的兩個側面約束刀片x和y向位移，刀槽底面、兩側、中心孔、及壓板還約束刀片x、y和z軸旋轉。這樣，刀片的6個自由度被約束。

根據雙齒刀具切削皮帶輪的過程可知，靠近切削刃處，前刀面的壓力最高，在遠離切削刃處，皮帶輪對前刀面的壓力急劇減小。因此，切削刃處刀具的切削阻力最大。切削力的影響因素很多，其計算復雜，一般通過切削力理論公式計算所得。然而理論計算通常會忽略溫度，還有一些細微影響因子。因此，在此基礎上所測的載荷只能用于切削力的定性分析，不能用于實際計算，且計算過程通常采用集中力代替分布力。所以，由切削時切削力計算經驗公式可得：

（1）

式中：p為單位切削力；ac為切削厚度；aw為切削寬度；ap為切削深度；f為進給量；VC為切削速度。通過查表可得：=0。

最后代入得到FC=1 650 N，Fp=1 220 N。

3 結果分析

加載荷進行求解，其求解結果圖2所示。刀具在靜載荷作用下刀刃處變形量最大，最大變形值為0.00 506 mm。圖2為刀具在靜載荷作用下的等效應力分布云圖，從圖中可以看出：（1）刀具兩齒之間的側面應力大于齒的另一個側面。分析其原因，是因為在加工皮帶輪時，切屑對內側產生擠壓和摩擦要大于外側受力情況，因為雙齒為偶數齒，所以，在垂直于切削方向且平行于工作平面方向上的力可綜合抵消，奇數齒刀具需要重新計算。（2）刀具在倒圓角處應力偏大，若需要可適當調整圓角半徑，可減小應力。（3）在刀刃處應力最大為590.92 MPa。而硬質合金刀具材料的許用應力為強度除以安全系數，即（n=1.5～2.5，=1 500 MPa），通過計算可得，需用應力為600～1 000 MPa。通過分析可得，刀具所受到的最大應力小于需用應力。說明材料強度符合設計要求。

4 結論

通過對皮帶輪專用刀具的有限元應力分析，可以得到以下結論。

（1）對刀具的切削力進行分析，可以知道刀具在加工時切削力大是哪幾個切削阻力所造成的，對有效改善因切削力過大導致刀具破壞起著重要作用。

（2）對刀具進行有限元分析，可確定刀具應力最大位置。以便在設計多齒皮帶輪刀具時，能合理考慮此處的強度和硬度，以及通過刀具結構來提高刀具使用性能。為刀具的實際生產提供理論依據。

參考文獻

[1] 謝峰，趙吉文，劉正士.二維金屬切削過程的數值模擬[J].系統仿真學報，2004（7）：1412-1416.

[2] 寧仲良，張廣軍.刀具強度的有限元數值模擬分析[J].工具技術，2003（3）：13-16.

[3] 李軍輝，譚建平，熊勇剛，等.基于ANSYS的可轉位刀片有限元分析[J].機械設計與研究，2003（2）：8，38-40.