熱模鍛壓力機偏心軸形狀和尺寸對應力集中的影響

文／李海濤·北京機電研究所

熱模鍛壓力機偏心軸形狀和尺寸對應力集中的影響

文／李海濤·北京機電研究所

對于熱模鍛壓力機，偏心軸的變形量對壓力機總變形量影響很大。因此，在設計偏心軸時，對于其強度和剛度應給予足夠的重視。本文以2500t熱模鍛壓力機偏心軸為例，通過形狀和尺寸的變化分析各個模型的最大集中應力，提出降低偏心軸應力集中的合理解決方案。

偏心軸是熱模鍛壓力機傳動部分非常重要的零件，見圖1。鍛造過程中，偏心軸上所呈現的周期性變化的應力具有脈沖循環特征。疲勞斷裂是偏心軸失效的主要形式，破壞的斷口表面有時可以看到以疲勞源為起始點并逐漸向周圍擴展的一條條同心弧線。應力集中部位常常是產生疲勞裂紋的起源。為降低應力集中系數，在設計和制造時，必須對其結構、粗糙度和硬度等給予充分重視。例如表面強化可以使零件表面產生塑性變形和殘余壓應力，并使表面光亮，從而提高疲勞強度。本文主要通過有限元分析，對比不同形狀和尺寸對偏心軸應力集中的影響。

圖1 偏心軸

應力集中系數

在零件的截面幾何形狀突然變化處，局部應力遠遠大于名義應力，這種現象稱為應力集中。在材料的彈性范圍內，最大局部應力σmax與名義應力σn的比值ασ，稱為理論應力集中系數，即:

當載荷條件和絕對尺寸相同時，在循環應力下，光滑試樣與有應力集中試樣的疲勞極限之比為有效應力集中系數，即:

為了在數量上估計K與α之間的差別，引入材料對應力集中的敏性系數q，即:

試驗表明，當尺寸增大時，疲勞強度降低，由此引入尺寸系數ε。當應力集中情況相同時，尺寸為d的零件的疲勞極限與標準試樣的疲勞極限之比值，即:

有限元模型

分析模型為2500t熱模鍛壓力機偏心軸。為了簡化分析，現取偏心頸和支撐頸這兩部分進行模擬，如圖2所示。圖2中，a、b和c是標準偏心軸形狀，只是各部分尺寸改變，d、e和f則是為了保證某些尺寸不變，在結構形式上做了改變。其中，a為2500t熱模鍛壓力機常規用偏心軸。與a相比，b支撐頸直徑增大，同時保證偏心頸直徑不變，因而偏心距減小；c和a相比，為了保證偏心距不變，偏心頸直徑和支撐頸直徑均增大；c和b支撐頸相同，隨著偏心頸直徑增大，偏心距增大；相對于a，d支撐頸直徑增大，為了使偏心頸直徑和偏心距均不變，偏心頸和支撐頸端面結合處發生了錯位；d和c相比，保證c的偏心距不變，減小偏心頸直徑，即為d；e和d的偏心頸直徑、支撐頸直徑和偏心距均相等，不同之處是e在偏心頸和支撐頸端面結合處增加了圓盤過渡，相較于d，消除了偏心頸和支撐頸端面結合處的錯位，另外，為了保證e和d裝配條件一致性，增大了e的偏心頸長度；f相比與c，偏心距不變，偏心頸增大，形成了偏心頸和支撐頸端面結合處完整的圓周臺階，綜合c、d和f，則在c的基礎上減小偏心頸直徑為d，增大偏心頸直徑為f。各個模型的尺寸參數詳見表1。

模擬結果與分析

本文使用Ansys Workbench仿真進行有限元分析。有限元網格劃分的方式主要分為自由網格劃分、映射網格劃分與掃掠網格劃分。Ansys Workbench提供的單元包括四面體、六面體。由于六面體單元計算精度高及計算速度快，故采用六面體單元映射網格劃分。網格劃分后如圖3所示。

圖2 偏心軸模型

表1 模型尺寸參數（單位：mm）

圖3 偏心軸的網格模型

將上述模型分別導入到有限元軟件中，材料的模擬參數見表2。在支撐頸面設置固定約束，在偏心頸面施加方向向上，大小為25000kN的力。

表2 模擬參數

通過分析可知，上述模型應力集中最大位置均為偏心頸和支撐頸結合處，如圖4所示。

圖4 偏心軸模型分析

各模型最大應力值如圖5所示。其中圖2(b)應力值最小，由于此模型偏心距較小，實際中不能夠滿足結構設計的需要，因而無實際意義；應力值最大模型為圖2(d)，圖中偏心頸和支撐頸端面結合處由于錯開，過渡角被分為斷開的兩段，導致集中應力大幅增加，實際中需要盡可能加大過渡圓角，消除尖角、尖棱等；模型圖2(c)和圖2(b)相比，增大中心距以滿足結構設計需要，相應的偏心頸直徑增大，最大應力明顯增加，同時轉動慣量增大；模型圖2(e)相較于圖2(d)，由于在偏心頸和支撐頸結合處增加過渡圓盤結構，過渡角為完整的圓周結構，因而圓周方向上完全平滑過渡，應力集中改善明顯，相較于d降低40%左右；圖2(f)相較于圖2(e)，應力集中略有下降，優點是偏心頸長度減小，對整機結構有利，不足是偏心頸直徑增加較多，從而導致轉動慣量過大，對整機穩定性帶來影響。綜合圖5可以看出，排除b，對比其余5項，過渡角完整圓周為最佳，如果不能保證完整圓周，一定要保證只有一個圓周并且要平滑過渡，最后要盡量避免圓周被完全斷開。

圖5 模型最大應力值

結論

從偏心軸角度，降低應力集中的措施：⑴盡可能小的偏心距；⑵大的支撐頸直徑；⑶偏心頸和支撐頸結合部圓角要形成完整圓周，如圖2中e和f； a，b和c；⑷沒有形成整周，但有平滑過渡；圖2(d)完全錯開成兩段，結合處無平滑過渡，應力集中最大。