共振誘導(dǎo)V形槽尖端萌生裂紋機(jī)構(gòu)的研究*

張立軍 姜景偉

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東東營(yíng) 257061)

目前低應(yīng)力下料在金屬棒料的精密下料中呈現(xiàn)出較好的發(fā)展勢(shì)頭［1］。低應(yīng)力下料是利用裂紋技術(shù)，在金屬棒料表面的圓周上預(yù)先加工一個(gè)尖銳的環(huán)狀V形槽，加載后使材料在V形槽底部產(chǎn)生局部裂紋，依靠裂紋的緩慢擴(kuò)展完成下料［2］。這種下料方法由于V形槽的應(yīng)力集中，所需的外力較小，下料斷面也比較平整。然而目前這種低應(yīng)力下料方法大都采用車削方法預(yù)制棒料V形槽，由于車刀磨損及其壽命等問題，導(dǎo)致V形槽的根部圓角半徑不能太小，從而使V形槽的應(yīng)力集中不可能太大，進(jìn)而下料力仍很大，并且對(duì)具有較大圓角半徑的環(huán)狀V形槽加載后形成微裂紋所用時(shí)間占據(jù)了疲勞下料總時(shí)間的80%以上，下料效率相對(duì)較低［3－4］。為此本文提出棒料進(jìn)入下料機(jī)下料之前，首先采用共振機(jī)構(gòu)，在棒料V形槽尖端預(yù)先產(chǎn)生微裂紋，然后再將其放入現(xiàn)有下料機(jī)中依靠V形槽尖端裂紋的緩慢擴(kuò)展完成下料。這一方面能降低棒料所需的初始外力，也可使下料效率明顯提高。

1 機(jī)械式激振器的組成和作用

為了對(duì)不同直徑、不同材質(zhì)的金屬棒料進(jìn)行精密下料，并有效地利用共振效應(yīng)，本文設(shè)計(jì)了機(jī)械式變頻激振器。該激振器的機(jī)械部分主要由振動(dòng)電動(dòng)機(jī)、振動(dòng)體、動(dòng)模具、彈簧支撐以及機(jī)座等5大部分組成，如圖1所示。各部分的作用是，振動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力與振動(dòng)，依靠固定在其兩端的偏心塊的作用，為整個(gè)系統(tǒng)提供激振力。振動(dòng)電動(dòng)機(jī)初選為YZS3－4型振動(dòng)電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min，激振力3 000 N，此時(shí)激振力的頻率為24 Hz;振動(dòng)體用來連接振動(dòng)電動(dòng)機(jī)和彈簧支撐，并且用來容納不同尺寸的動(dòng)模具，并帶動(dòng)棒料上下振動(dòng);動(dòng)模具主要是用來防止振動(dòng)體在帶動(dòng)棒料上下振動(dòng)時(shí)使棒料承受扭轉(zhuǎn)力矩，從而可以防止棒料表面被磨損和棒料的表面精度降低;彈簧支撐的作用主要是使振動(dòng)體在帶動(dòng)彈簧上下振動(dòng)時(shí)的微小振幅可變又可控;機(jī)座起承載和固定作用。振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電源接通后，由于振動(dòng)電動(dòng)機(jī)中偏心塊的作用，電動(dòng)機(jī)將會(huì)帶動(dòng)振動(dòng)體、動(dòng)模具一起上下振動(dòng)，并以一定頻率的激振力擊打棒料。當(dāng)調(diào)節(jié)激振力的頻率與整個(gè)激振系統(tǒng)的固有頻率大體相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生共振［5］，棒料V形槽的尖端也會(huì)產(chǎn)生微裂紋。

2 激振系統(tǒng)的固有頻率分析

為了更好地發(fā)揮激振系統(tǒng)的共振效應(yīng)，首先需要對(duì)激振系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，確定其固有頻率。

2.1 激振系統(tǒng)的模型簡(jiǎn)化及其網(wǎng)格劃分

如圖1所示，激振系統(tǒng)機(jī)械部分裝配體的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在將其Solidworks三維模型圖導(dǎo)入ANSYS分析軟件時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化的工作主要有:(1)去掉連接固定振動(dòng)電動(dòng)機(jī)與振動(dòng)體的螺栓和螺釘，代之為兩個(gè)接觸面相互重合、螺栓孔相互重合的配合關(guān)系;(2)去掉振動(dòng)電動(dòng)機(jī)模型上的倒角及筋板，以便于快速合理劃分網(wǎng)格;(3)去掉動(dòng)模具及其相關(guān)的軸承等組件;(4)將機(jī)座上的9根彈簧用ANSYS軟件中combin39彈簧單元組件代替，以方便分析。在以上基礎(chǔ)上，得到簡(jiǎn)化后的激振系統(tǒng)機(jī)械部分的ANSYS網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

2.2 激振系統(tǒng)的模態(tài)分析

激振系統(tǒng)仿真模型的約束設(shè)置如下:一是將振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的下表面與振動(dòng)體的上表面設(shè)置為耦合關(guān)系，目的是使振動(dòng)體和振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要約束為上下運(yùn)動(dòng)，二是約束機(jī)座底部固定。在此基礎(chǔ)上，選擇分析類型為模態(tài)分析，并設(shè)置提取和擴(kuò)展階數(shù)為6，運(yùn)行求解，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示，六階振型結(jié)果如圖4所示。從圖3可看出，四階和五階固有頻率在10 Hz多一點(diǎn)。

3 振動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的調(diào)整

由圖3可知，該激振系統(tǒng)的最高階頻率為53.138 Hz，在其他參數(shù)不變的情況下，振動(dòng)電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的激振力已大于3 000 N，超過了棒料所需外力的要求。而系統(tǒng)的四階和五階固有頻率分別為10.245 Hz、10.285 Hz，因此可以利用變頻器將振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成660 r/min，即能達(dá)到激振頻率為11 Hz的要求，進(jìn)而使激振系統(tǒng)產(chǎn)生共振。

激振力與激振頻率的關(guān)系為

式中:F為激振力，N;m為振動(dòng)電動(dòng)機(jī)兩端的偏心塊質(zhì)量，kg;f為激振頻率，Hz;ρ為偏心塊的質(zhì)量與其轉(zhuǎn)動(dòng)中心間的距離，m。由公式(1)可知，激振力正比于激振頻率的平方。當(dāng)激振頻率由24 Hz變?yōu)?1 Hz時(shí)，原來產(chǎn)生的額定的激振力3 000 N將變?yōu)?30 N，不符合激振力需要達(dá)到1 000 N的要求。但是激振力的大小還與偏心塊的質(zhì)量有關(guān)，所以此時(shí)可以方便地將振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的偏心塊質(zhì)量調(diào)整為原來的約1.6倍，就能使激振力達(dá)到1 000 N，這樣既能滿足共振要求，也能使振動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)揮合理功用。

4 結(jié)語

(1)本文提出了一種采用共振效應(yīng)來誘導(dǎo)棒料V形槽尖端萌生微裂紋的方法，并設(shè)計(jì)出了機(jī)械式激振系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

(2)借助于Solidworks和ANSYS軟件對(duì)激振系統(tǒng)的機(jī)械部分進(jìn)行了模態(tài)分析，獲得了五階固有頻率，并選定11 Hz作為工作時(shí)的激振頻率。

(3)通過分析激振力與激振頻率的關(guān)系可知，通過對(duì)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的偏心塊質(zhì)量擴(kuò)大6倍，就能有效滿足系統(tǒng)的整體性能。

［1］Tang Y，Zhao S D，Lin J.Experimental investigation of the effect of the circumferential loading of a rotary striking action cropping system［J］.Proc.IMechE，Part B:Journal of Engineering Manufacture，2010，224(7):1095－1101.

［2］魏慶同，郎福元，董慶珍，等.應(yīng)力斷料試驗(yàn)研究與應(yīng)力斷料機(jī)(具)的研制［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1982(2):20－38.

［3］張學(xué)來.棒料低應(yīng)力變頻振動(dòng)精密下料機(jī)理的研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2005.

［4］Hua C J，Zhao S D，Zhang L J，et al.Investigation of a new －type precision cropping system with variable－ frequency vibration［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2006，48(12):1333 －1340.

［5］陳海明，胡新華，楊繼隆，等.共振式電磁激振器振動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析［J］.機(jī)床與液壓，2004(7):20 －22.