基于有限元法確定玻璃切割機金屬刀架的斷裂直徑

□ 施云高 □ 楊 爽 □ 陳 紅 □ 高思煜

1.常州先進制造技術研究所 江蘇常州 2131642.中國科學院合肥物質科學研究院 智能機械研究所 合肥 230031

1 研究背景

切割是玻璃深加工過程中使用最多的工藝[1-2],國際通用的玻璃切割機如圖1所示。

▲圖1 玻璃切割機

玻璃切割機通過X和Y兩軸直線運動實現機器的行走,通過C軸旋轉運動控制轉刀的切割角度,氣壓與彈簧并用,控制下刀的壓力,最終經合金刀輪在玻璃上切出劃痕。在工作時,玻璃切割機的速度可以達到100～200 m/min,運行過程中稍有不慎,主軸就會因遭到碰撞而報廢,因此保護玻璃切割機的主軸顯得尤為重要[3]。在設計玻璃切割機主軸時,分為三部分,包括主軸本體、金屬刀架、切割刀頭。主軸本體通過金屬刀架與切割刀頭連接,當切割刀頭在運行過程中遇到的阻力大于金屬刀架承受的剪切力時,金屬刀架發生斷裂,達到保護玻璃切割機主軸的目的。可見,需要對玻璃切割機金屬刀架的斷裂直徑進行精確設計,以確保金屬刀架既可以滿足正常工作需要,又能夠實現在非安全工況下保護玻璃切割機主軸。

2 金屬刀架結構

筆者設計的玻璃切割機金屬刀架結構如圖2所示。設計時,利用應力集中易發生斷裂的原理,將斷裂截面設計為中間細的尖角結構,D為斷裂直徑。

3 有限元建模

3.1 模型簡化

為方便對玻璃切割機金屬刀架進行有限元建模,將金屬刀架中的螺紋孔簡化為光孔,忽略刀架本體尾端的安裝槽等結構[4-6]。簡化后的玻璃切割機金屬刀架幾何模型如圖3所示。

▲圖2 金屬刀架結構▲圖3 金屬刀架幾何模型

3.2 網格劃分

采用自由網格劃分方法,單元尺寸為0.5 mm,選用Solid186結構單元[7-9]。Solid186結構單元為三維六面體20節點結構單元,可以保證玻璃切割機金屬刀架斷裂截面處有足夠的網格節點用于分析應力。網格劃分后玻璃切割機金屬刀架有限元模型如圖4所示。

▲圖4 金屬刀架有限元模型

對劃分的網格單元進行質量檢查,網格質量指標縱橫比的最大值為11.259,滿足進行靜力學分析的要求。

3.3 載荷設置

玻璃切割機金屬刀架的受力直接加載到刀架本體圓柱面上,沿Z軸方向加載,如圖5所示。玻璃切割機金屬刀架的固定約束按照實際工作時的約束工況進行加載,對刀架頭的外圓柱面和底端面進行固定約束,如圖6所示。

4 仿真分析

金屬刀架材料為40Cr,材料密度為7 870 kg/m3,楊氏模量為211 GPa,泊松比為0.277,屈服強度為355 MPa[10]。設定外力載荷分別為50 N、100 N、200 N、300 N、400 N、450 N、500 N,斷裂直徑分別為5.8 mm、6.0 mm、6.2 mm、6.5 mm,通過靜態加載進行玻璃切割機金屬刀架應力集中有限元分析。

經過分析計算,得到玻璃切割機金屬刀架不同斷裂直徑、不同外力下的結構應力云圖,如圖7所示。由圖7可知,玻璃切割機金屬刀架的最大結構應力產生在斷裂截面處,其余部分的結構應力相對較小。在玻璃切割機金屬刀架的斷裂截面處產生了應力集中,可以在遇到大阻力時及時斷裂,保護玻璃切割機主軸免受損壞。

▲圖7 金屬刀架結構應力云圖

不同斷裂直徑、不同外力作用下玻璃切割機金屬刀架最大結構應力曲線如圖8所示。

由圖8可以看出,單一斷裂直徑時玻璃切割機金屬刀架的最大結構應力隨外力的增大呈線性增大,同一外力作用下,斷裂直徑越大,玻璃切割機金屬刀架的最大結構應力越小。這是因為斷裂直徑越大,斷裂截面的厚度也越大,由此導致結構應力越小。斷裂直徑為5.8 mm,達到材料屈服強度時的外力為324.8 N。斷裂直徑為6.0mm,達到材料屈服強度時的外力為359.3 N。斷裂直徑為6.2 mm,達到材料屈服強度時的外力為400 N。斷裂直徑為6.5 mm,達到材料屈服強度時的外力為474.5 N。隨著斷裂直徑的增大,玻璃切割機金屬刀架達到材料屈服強度所受的外力也逐漸增大。

斷裂直徑較小時,需要較小的外力就能達到材料的屈服強度,玻璃切割機金屬刀架容易斷裂。斷裂直徑越大,玻璃切割機金屬刀架越不容易斷裂。另一方面,斷裂直徑越大,玻璃切割機金屬刀架的結構應力越小,越有利于維持金屬刀架的正常工作。綜合以上分析可知,為保證玻璃切割機金屬刀架正常工作,并在遇到障礙物時及時斷裂以保護玻璃切割機主軸,最終確定玻璃切割機金屬刀架的斷裂直徑為6.2 mm。

5 結束語

筆者采用有限元法分析不同斷裂直徑、不同外載荷作用下的玻璃切割機金屬刀架結構等效應力,表明最大結構應力出現在玻璃切割機金屬刀架斷裂截面處。根據仿真分析數據確定了玻璃切割機金屬刀架斷裂直徑的優選參數,為玻璃切割機金屬刀架的優化設計提供了理論參考。