基于SolidWorks Simulation分析手動鉆鋸扭一體機主軸

蔡凱武 王映麗 黃潤光

本研究旨在用SolidWorks Simulation分析手動轉鋸扭一體機（以下簡稱一體機）的主要零件主軸的受力與設計可行性，確定整個產品的載荷承受能力。首先選擇最容易導致主軸損壞的情況和主要的壓力，然后設定其方向、大小和作用面，用于主軸的三維模型中，定為載荷，設定好后進行網格化并運行，研究主軸在切削力載荷工況作用下的最大應力及變形，對主軸進行模態分析，將得出的結果進行分析，以驗證其可行性。

一、引言

手動工具以其方便、便宜且靈活的優點，在日常生活中得到廣泛的應用。但是目前手動工具多為單件單用途，為了滿足使用要求，通常需要配備多種工具，如手工鉆、鋸子、鉗子，很多情況下需要在各種工具下來回切換，有礙作業，而且攜帶與保管不便，容易散落遺失。

目前，手工鉆為利用錐齒輪傳動，將手施加的力矩傳遞到鉆頭，再進行下壓，鉆頭的尖端對物體進行鉆削，從而實現鉆孔。手工鋸通過給鋸子施加壓力，以一定角度來回運動，靠鋸片上的鋸齒切開物體。手工鉗為利用杠桿原理來獲取較大的扭矩與夾持力，實現將物體扭斷或者扭彎。如能設計一種將鉆孔、鋸切和扭轉融合到一起的手動式鉆鋸扭一體機，將有效解決以上問題，且極大地提高工作效率。用SolidWorks Simulation分析手動轉鋸扭一體機的主要零件，主軸的受力與設計的可行性，以得出關鍵性結果來確定整個產品的載荷承受能力。

二、確認載荷來源

分析對主軸施加的載荷，需要從整個產品被施加的外力人手。在使用一體機鋸切功能時，有來自于鍵的切向力，還有一定程度的豎直向下的壓力。鉆孔時與扭轉時主要受到切向力。先分析鋸切。做受力分析，排除無關零件，結果如圖1所示。P是右手推動手柄對行星輪產生的拉力。F1為工件切削位置對鋸片的壓力，其大小取決于切削力。這些部分固連于中心軸承并可繞其旋轉。P與F1為一對在整體上的一對平衡力，最終會傳導到主軸鍵槽。Fx為左手下壓所導致的壓力。因為內齒輪浮動，且齒輪存在側隙，所以若行星齒輪都浮動，則都可以做過中心點的運動，而每個軸與配合零件運動空間較小或沒有。所以可以得出工件對一體機的壓力傳導路徑是：鋸片一行星輪一基座法蘭一軸（左端）。因為主要的重力已被工件對一體機的壓力所抵消，實際傳人軸的壓力大小與FN相等即為F2。所以FN與F2為主軸在整體上的豎直方向平衡力。

三、基本設置

如圖2為主軸的三維模型外觀，并在軸上建立直角坐標系，上下左右以坐標系為基準。已將每個接觸面通過分割線劃分開。

接觸面包括鍵槽與鍵的側面和底面，與把手的接觸（手柄段），與軸承的接觸（軸承段）。分割線可通過在裝配體上測量尺寸進行繪制，用于載荷和夾具的施加面。

四、建立Simulation算例

為了得出施加的力對主軸造成的影響，在選新算例時選用“靜應力分析”，因手柄處為施力位置，齒輪處有可移動的間隙，所有不予固定，選用與軸承內圈配合處固定，為了模擬軸承帶來的固定效果，可選用“固定幾何體”如圖3所示。

五、切向載荷

固定完畢，施加載荷。先沒定切向力，從F1入手，經過類比實驗，切削壓合紙板所需切削力估算值F1為15N，力會從鋸齒切削部位傳遞至內齒輪與行星輪嚙合處，經過杠桿原理放大，即為X=F1×74/46=24.13N。后再傳至太陽輪嚙合處，經過齒輪傳動的傳動比，即為Y=1/2×X=12.07N，后再傳至中心的主軸的鍵槽上，再次因杠桿原理放大：2=23/5×Y=55.5N。

Z為施加于鍵槽上的力，位于與齒輪孔上那段部位上的鍵槽側面，因鋸片為逆時針旋轉并對工件施力，所以可設對與齒輪孔處接觸那段的鍵槽左邊的側面有一法向壓力，大小為55.5N。該力的另一平衡力也是55.5N，位于與手柄孔相接觸處的那段的鍵槽右側側面。如圖4所示。

六、豎直方向載荷

在下壓手柄時，鍵槽的方位是不定的，可建立極坐標系用于定義鍵槽方向，以下壓方向為極軸，圓心為O，如圖5所示，此時鍵的方向是180°。根據其配合方式，可設為力均布在手柄段的上半圓柱面上和整個鍵槽與鍵接觸的底面。大小設為20N，在合理的下壓力內。

在分析完此方向的算例后，可同理建立0°、90°、270°共四個下壓時鍵槽方向的算例。其中0°時只有半圓柱面受力，90°和270°時為半圓柱面和一整個鍵槽側面受力。

完成以上步驟后，設定材料均為“1060-H8棒材（SS）”進行網格化，網格密度設為最良好（指針拖向最右），以獲得最佳結果，結果如圖6所示。

七、結果分析（鋸切情況下）

運行這四個算例后，顯示應力，以了解其受力情況，變形比例統一設為1000以方便查看變形和對比。為了簡易地表示應力數據，在“應力圖解”中修改“數字格式”為“浮點”，“小數位數”為0。并顯示最大注解以了解應力最大的位置，此處不超出屈服力，主軸即可在該受力情況下不損壞。例如鍵槽在180°的結果如圖7所示。

為得出包括內部的應力，可以使用“ISO剪裁”其等值都定為5000000，此時可以清楚直觀地從一個視圖中了解較大的應力分布區域。以下壓的力為參照物，讓主軸繞y軸旋轉，做各自的等軸測圖。可得出以下四個結果如圖8所示。

從中可知，鍵槽在0°、180°、270°時的最大的應力處位于齒輪孔段的左側鍵槽側面與底面交線處。超過承受范圍會在此處裂開，影響鍵的配合。

鍵槽在90°時為右側軸承段與齒輪孔段圓柱面交界處，其次是左側。超過承受范圍會在此處裂開，導致軸開始沿此處斷裂。

力的分布在表面，5000000N/㎡壓力的厚度為Imm左右，且壓力越大，越往表面移動，最大應力位于表面，所以表面硬度需求較高。

施加力在屈服力以內，不會造成損壞，鍵槽為180°時應力最小，270°時應力最大。以應力最大時為基礎，當施加的力放大到一定倍數后會達到屈服力，經計算，放大倍數為3.8524倍，所以，當下壓力為77.0484N，切削力為57.7862N時，主軸開始損壞。需要施加極大的力才可以損壞。在要求質量輕并滿足基本要求可用此材料。成本較低。

若材料設為“AISI 1045鋼冷拔”，此材料屈服力為530000000N/㎡，為“1060-H8棒材（SS）”的4.9074倍，此時開始損壞的下壓力為378.1073N，切削力為283.58N，在人力的極限上，且其他部件會在主軸損壞前損壞，若需要更長的使用壽命與有施加更大的力的要求時可以用此材料，成本較高。

八、結果分析

類比鋸切情況下的算例，在此基礎上去掉下壓力，保留切向力，得出以下結果如圖9所示。

齒輪孔段的左側鍵槽側面與底面交線處存在最大應力。同理，鉆孔時，開始損壞時鉆頭對工件的切向力為452.8257N（鉆頭規格為Φ4.75）。扭轉時，開始損壞時夾頭邊緣對工件的壓力為258.091N，而手柄施加的力為30.7251N（換成1045鋼則是150.7804N）。

綜上所述，主軸在滿足使用需求上是可行的。主軸的材料應為45鋼，可對鍵槽和圓柱面上述應力較大拐角處進行激光加熱表面淬火。

九、結語

本文通過SolidWorks建立手動轉鋸扭一體機三維設計模型，并直接應用SolidWorks軟件中的SolidWorksSimulation分析計算模塊手動轉鋸扭一體機主軸進行了有限元靜力學分析計算，對于主軸的靜力分析以及模態分析，文中所采用的方法操作性較強，靜力分析得到的云圖清晰地顯示了主軸在切削力作用下的受力及其薄弱區域，用于校核主軸剛度，分析計算結果表明主軸強度能夠滿足使用要求，分析的可靠性，以及實用性，對整機設計優化具有一定的參考價值。