去毛刺機刀片的有限元分析

王會剛

（唐山學院河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室，河北唐山063000）

0 引言

去毛刺機是板坯連鑄工藝中的重要組成部分，提高去毛刺效率是保障鑄坯合格率和板卷質量的必要手段之一[1]，去毛刺刀片更是保證去毛刺質量和效率的關鍵所在[2]。本文主要利用數值模擬方法，對去毛刺刀片與板坯接觸面積、刀具角度、刀片材料等進行全面分析，分析結果對降低刀片損耗、提高刀片壽命有重要的指導作用。

1 去毛刺機及其刀片

常見的去毛刺機有刮刀移動式去毛刺機，鑄坯移動式去毛刺機和離心錘刀式去毛刺機[3]。本文的分析基于離心錘刀式去毛刺機，如圖1所示。

離心錘刀式去毛刺機工作時，電動機通過萬向聯軸器帶動去毛刺機的輥軸高速旋轉，錘刀刀片在離心力的作用下高速轉動并與軸線垂直，板坯進入遮住光柵，旋轉的錘刀上升與板坯接觸，此時板坯切口處的毛刺就在高速旋轉的錘刀刀片打擊下被切除。

該種去毛刺機常用的刀具旋轉時速度可達到900 r/min[4]，刀具上各質點都具有很大的向心加速度，因此刀具受到較大離心慣性力的作用。將錘刀刀片的尾部簡化為方形，并不會造成較大的誤差。

圖1 離心錘刀式去毛刺機

在刀具離心慣性力計算中，首先假設刀具的質量是均勻的，且刀具下端的外圓和內孔的圓心是重合的，把刀具的整個質量向質心簡化。

根據質心求解公式和對稱性，得：

質心坐標為（0,28.00）。

刀具的尺寸如圖2所示，刀輥轉軸的中心到刀具的質心的距離為r0＝0.5×240＋0.5＋28＝148.5 mm。

簡化后刀具的角速度為ω＝2πn/60＝2×3.14×900÷60＝94.25 rad/s。

簡化后刀具的質量m＝0.98 kg。單個刀具的離心慣性力F0＝mr0ω2＝0.98×148.5×10－3×94.252≈1293 N。單個刀具在去毛刺過程中產生的最大動能E=m（r0ω）2/2=96 J。

簡化后的刀具如圖2所示。

2 刀片的伸長量計算

在刀片隨輥刀高速運轉的時候，在離心力的作用下，刀片會有所伸長，長銷軸也會有一定的變形，從而改變了刀片刀刃與板坯毛刺接觸的相對位置，會對去毛刺效果和刀具的壽命有很大的影響。

2.1 刀片長方體部分的伸長量計算

刀具以900 r/min的速度高速轉動，在離心慣性力下刀片刀體會有一定程度的伸長變形，對簡化后的刀片伸長量的計算如圖3所示。

圖2 刀具示意圖

圖3 簡化刀具長方體部分的伸長量計算

取微量dξ（如圖3），右面M到刀輥轉軸中心的距離為ls=0.5×240+80.5=200.5 mm。右面M到銷軸中心的距離為l0=80+0.5=80.5 mm。與右面M距離為ξ的截面上的加速度為an=ω2（ls-ξ）。

微量dξ邊界處的慣性力為

把數據代入計算，得Δl1=1.87×10-4mm。

由上面的計算數據可以看出，刀片上面長方體部分在離心慣性力的作用下伸長量不大，可以忽略不計。

2.2 刀片轉軸處的伸長量計算及分析

由于刀片銷孔部分在離心慣性力的作用下可能會有較大的位移量，故需要對刀片銷軸處進行分析。計算刀片轉軸處的伸長量，運用公式計算非常困難，故用有限元的方法把待計算的不規則物體劃分成近似的單元進行分析。

在實體模型的建立基礎上，對刀片和銷軸分別進行網格劃分。設置相關中心為100，采用空間六面體的劃分方式劃分網格。為了真實地反映出離心慣性力對刀片銷軸孔部分的影響，需要把銷軸和刀片底部提供離心力的部位建立接觸。然后施加約束和載荷，在銷軸上施加固定約束，約束所有的自由度，給刀片施加Z方向的位移約束。在刀片上表面施加大小與離心慣性力等效的均布載荷，施加載荷的情況如圖5所示。

通過求解，得出刀片轉軸部分第四強度理論應力圖和Y方向位移圖如圖6、圖7所示。

圖4 建模

圖5 施加約束和載荷

圖6 等效應力圖

根據求解結果，刀片的轉軸部分的最大第四強度的合成應力值是12.3 MPa，遠遠小于極限值，所以刀體在旋轉過程中的不會出現強度不夠的問題。刀片轉軸處Z方向的最大伸長量為Δl2=6.71×10-4mm，刀片的總伸長量為Δl0=Δl1+Δl2=1.87×10-4+6.71×10-4=8.58×10-4mm。故刀片的總體伸長量在允許范圍在內，對去毛刺效果造成的影響可以忽略不計。

3 分析過程

3.1 模型的建立

圖7 Y方向位移圖

根據圖2的尺寸參數等，建立刀片的有限元分析模型，如圖8所示。其中，單元類型采用solid45，材料為45鋼。

約束及載荷如圖9 所示，對刀片前后對稱面上施加Z方向的位移約束，對銷軸施加固定約束。

在刀片孔中心Y方向下0.12 m建立新的全局坐標系，并在此坐標系下設定刀具和銷軸的轉速為94.25 rad/s。根據刀片旋轉一周的時間和擊打毛刺的時間，設定時間步為兩步。在刀刃的上部分的一塊面積上添加載荷選項，在第二時間步上添加載荷力大小Fx＝20580 N，Fy＝4221 N。

3.2 刀刃與毛刺接觸面積及刀具角度的影響

在去毛刺機刀片刀刃去除毛刺時，刀刃與毛刺的作用面積難以直接確定，可以通過刀刃與毛刺接觸深度來間接分析。分析采用常見的刀具角度分別為60°、65°、70°、75°且接觸深度分別為3、4、5、6、7 mm時的各種情況下得到的相應的應力分布等。

圖10為刀具角度為60°、接觸深度為3 mm的應力云圖，圖11為刀具角度為60°、接觸深度為3 mm的變形云圖。

圖8 刀片有限元模型

圖9 載荷及約束施加

圖10 刀具角度為60°、接觸深度為3 mm的應力云圖

圖11 刀具角度為60°、接觸深度為3 mm的變形云圖

圖12 刀具角度為70°、接觸深度為4 mm的變形云圖

圖13 刀具角度為70°、接觸深度為4 mm的變形云圖

圖12為刀具角度為70°、毛刺接觸深度為4 mm的等效應力云圖。圖13為刀具角度為70°、毛刺接觸深度為4 mm的總變形云圖。

從圖3a可以看出，運行期間礦化床對于COD、氨氮、總氮的去除效果呈下降趨勢，各污染物濃度有明顯上升趨勢，推測由于礦化床靠微生物和吸附作用，受外界影響變化大，且易堵塞孔隙，極大影響礦化床的處理效果，這也是目前礦化床在實際工程運用中較難解決的問題。出水的COD、氨氮和總氮并沒有維持在達標水平，需增加深度處理工段保證出水達標排放。

綜合全部情況，得出不同角度和不同接觸面積的應力及變形分析結果，如圖14、圖15所示。

通過以上分析云圖可以看出，隨著刀刃與毛刺的接觸深度增大，刀片受到的應力和位移都逐漸減小，其中刀片受到的應力大幅度減小，而最大位移減小幅度不大。當接觸深度在4～5 mm之間增大時，刀片受到的最大應力由刀刃部分轉移到刀軸孔部分。

由于毛刺形成的不確定性，在刀具擊打毛刺時與毛刺的接觸面積較小，會產生比較大的接觸應力，對刀具有一定的損傷，減小了刀具的壽命。

在接觸深度、刀具角度變化時，刀具的總變形量變化不是很明顯（在0.09～0.10 mm之間）；在刀具角度達到65°之后，刀具的應力值減小量明顯減少，此時刀具的強度較大，又因為刀具的角度越大，刀具刀刃越鈍，切削毛刺的效果越差，故刀具的角度設計在65°～70°為宜。

圖14 等效應力折線圖

圖15 總變形折線圖

3.3 刀片材料的有限元分析

對刀片材料進行改進，會明顯提高刀具使用壽命。本文以硬質合金涂層材料TiN4和TiAlN5為例進行分析。

其中，設定參數采用前述的最常見值：接觸深度為4 mm，刀片角度采用65°。材料屬性如表1所示。

表1 材料的物理性質

TiN4涂層刀具的等效應力和總變形云圖如圖16所示。TiAlN5涂層刀具的等效應力和總變形云圖如圖17所示。

圖16 TiN4材料云圖

圖17 TiAlN5材料云圖

表2 不同材料分析結果

匯總3種材料的分析結果，如表2所示。由于刀尖部位為最大應力點，刀片破壞的主要形式為刀尖和刀刃破壞，因此選用高強度刀片材料對于增加刀片強度是十分必要的。由表2可以看出，不同材料刀片在工作過程中受到的應力不同，其應力和變形都相差較大，硬質合金涂層將大大提高刀片壽命。

3.4 刀片的局部涂層

硬質合金涂層是通過物理氣相沉積和化學氣相沉積等方法，在硬質合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC或TiN、HfN、Al2O3等薄層，形成表面涂層硬質合金。刀具的硬質合金涂層有以下優點：1）因為涂層的刀具表面的涂層材料具有非常高的硬度與耐磨性，所以和沒有硬質合金涂層的刀具相比，涂層刀具可允許的切削速度、刀具壽命都有大幅度的提高；2）刀具表面的涂層材料能夠減小刀具與被加工材料之間的摩擦因數，從而減小了刀片的切削力；3）涂層刀片具有很高的高溫硬度，減少黏刀現象，不易產生積屑瘤，且刀具的綜合性能好。

美國的F.P.Schmidt Manufacturing公司曾經采用物理氣相沉積的方法，對刀片的局部區域涂以2.5 μm的TiN層，用來提高刀具的加工精度和使用壽命，在4年的使用實踐中取得了優異的成果[6]。與整體涂層法相比，局部涂層法的費用更低；與無涂層刀具相比，局部涂層后的刀具的使用壽命可以提高2～3倍，甚至可達到4倍，是一種經濟科學的方法。

去毛刺機刀片由于在刀刃和刀軸孔一小部分受到較大的沖擊載荷，刀具的損壞往往發生在這兩個部位，利用局部涂層的方法可以在較少提高費用的前提下大幅度提高刀具的壽命。由于刀片在工作時受到高頻的沖擊載荷，主要失效形式為摩擦磨損、疲勞破壞和斷裂，可以采用以Fe-6B-48Mo-5Cr-5Ni-0.8C/10WC的雙相硬質合金為基礎材料體系，加入Mo、WC等原料以一定的配比作為硬質合金涂層材料。涂層后的刀具硬度可達到80 HRC左右，其硬度、耐磨性大大提高，保證刀片基體具有較高的韌性，減少沖擊破壞情況的發生，刀具壽命大幅度增長，減少維修和換刀時間，提高生產效率。

4 結論

1）去毛刺機刀片與毛刺的接觸面積和刀片角度對去毛刺效果和刀片壽命有明顯影響。在本文的分析條件下，接觸深度4～5 mm、刀片角度65°為最佳。

2）對不同去毛刺刀片材料進行有限元分析，從提高刀片壽命方面考慮，硬質合金涂層刀片效果最好，也符合普遍的刀具理論。