基于Simulation的刨邊機銅螺母的受力分析

任靜

摘 要：延長刨邊機銅螺母的使用壽命對提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。利用Simulation軟件對刨邊機銅螺母的受力情況進行了分析。根據(jù)受力分析結(jié)果，提出了延長銅螺母使用壽命的措施，分別為改變螺紋要素，改善熱處理或改變材料，改善潤滑條件。

關鍵詞：刨邊機；銅螺母；Simulation軟件；絲杠螺母副

中圖分類號：TG439.9 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.092

刨邊機是焊管線上重要的輔助設備，其作用是提升后續(xù)內(nèi)焊、外焊的質(zhì)量和穩(wěn)定性，在鋼板兩邊加工出一定角度和大小的坡口。與銑邊機相比，刨邊機具有切削量大、切削效率高和坡口角度好等優(yōu)點，能夠保證鋼板符合所需焊管的生產(chǎn)技術要求。目前，刨邊機被廣泛應用于國內(nèi)多家焊管廠的直縫焊管和螺旋焊管機組上。

刨邊機屬于機床金屬加工的刨削領域，由固定座、活動座、輸送機構(gòu)、對中機構(gòu)、氣動壓板機構(gòu)、絲桿傳動機構(gòu)和刀座機構(gòu)組成。其主運動機構(gòu)為絲桿螺母機構(gòu)，可使刀座機構(gòu)橫向移動，刀具切削鋼板兩邊，形成鈍邊。絲桿螺母機構(gòu)在機械成型驅(qū)動中有其獨特的優(yōu)勢——大大簡化了傳動結(jié)構(gòu)，而且傳動平穩(wěn)，可以傳遞較大的軸向力，傳動效率較高，常用于承受重載及較大的沖擊載荷，因而在重載設備中占據(jù)著重要的地位。在實際生產(chǎn)中，刨邊機的銅螺母易磨損失效，進而影響生產(chǎn)進度，增加生產(chǎn)成本，給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟損失。因此，研究螺旋副的受力情況及磨損情況，對延長螺旋副的使用壽命，降低企業(yè)的成本具有重要意義。本文主要從銅螺母的受力狀況、材料力學性能和使用環(huán)境等方面進行分析，為進一步研究提供一定的理論基礎。

1 銅螺母的材料

本廠銅螺母的鑄造材料為鋁黃銅，牌號為ZHAL66-6-3-2。鋁黃銅合金用工業(yè)純金屬Al、Fe、Ni、Mn、Cu和其他添加劑熔制而成，再用鑄鐵金屬型鑄造成螺母。螺母副的材料為ZHAL66-6-3-2，絲桿的材料為40Cr，潤滑條件為普通液壓油。

2 Simulation分析工具

Simulation是Solidworks集成的一個有限元分析系統(tǒng)。它提供了各種解決方案，能夠?qū)α慵M行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析等。借助功能強大、快速的求解器，Simulation軟件能夠通過計算機模擬零件在實際生產(chǎn)中的工作狀況，分析其薄弱位置和受力位置，從而簡單、高效地改進設計。

3 絲桿-銅螺母傳動受力分析

在刨邊機的工作過程中，螺母和絲桿傳動是通過螺紋嚙合實現(xiàn)的，大部分載荷由螺紋嚙合承擔。螺母和絲桿的變形是極不協(xié)調(diào)的，導致載荷沿螺紋線方向分布不均勻和應力集中的情況出現(xiàn)，造成螺紋表面磨損加重，影響傳動的精度，引起螺紋螺牙斷裂，進而縮短銅螺母的使用壽命。

根據(jù)零件的實際尺寸，通過Solidworks軟件繪制銅螺母的基本結(jié)構(gòu)。啟動Simulation分析軟件，根據(jù)實際應用工況進行接觸分析。銅螺母上的兩個鍵槽與鍵相互配合。這兩個鍵槽承受切削工作時的橫向切削力。在實際生產(chǎn)中，鋼板兩邊常切削45°、4 mm寬的鈍邊。根據(jù)切削力公式的計算結(jié)果，兩個鍵槽需承受26 400 N的切削力。設置外部載荷的大小，劃分銅螺母的網(wǎng)格，分析結(jié)果如圖1所示。

如圖1所示，銅螺母的主要受力部位為銅螺母安裝面，兩個鍵槽對應的部位主要承受切削時的切削力。整個銅螺母出現(xiàn)扭曲狀況，實際受力不均，銅螺母局部磨損失效，從而擴散到其他部位。這與實際生產(chǎn)過程中銅螺母的磨損失效狀況相同。這兩處在長期受力的情況下，首先產(chǎn)生疲勞裂紋，然后逐漸沿環(huán)向內(nèi)壁擴展，最后裂透，造成磨損失效。此外，實際工作中常伴有沖擊，這就加劇了銅螺母的磨損，導致螺母失效。

筆者認為，在條件許可的情況下，可以采取以下兩種措施：①改善熱處理或改變材料。通過改善熱處理或改變銅螺母的材料來延長銅螺母的使用壽命，降低使用成本，或在不影響其使用壽命的情況下選用較為便宜的材料。更換銅螺母所用的耐磨性材料，不需要更改絲桿螺母的外形設計則可延長銅螺母的使用壽命。這是一種便捷的改造方法。②改善潤滑條件。當絲桿螺母副工作時，由于銅螺母表面相對較軟，容易被劃傷產(chǎn)生磨粒，導致磨粒磨損。磨粒容易落入螺旋副中，螺牙極易遭到破壞，牙厚減薄，容易因強度不足而折斷，使螺母失效。為了減輕或防止咬合磨損和磨粒磨損，應選擇合適的潤滑油或加入抗磨的添加劑，從而有效提高銅螺母的抗磨性能。

4 結(jié)論

本文運用Simulation軟件對刨邊機的銅螺母進行了接觸分析，研究了銅螺母的受力狀況。經(jīng)過有限元軟件Simulation計算后，得出了銅螺母載荷的軸向分布。由分析結(jié)果可知，銅螺母的主要受力部位為銅螺母的安裝面和兩個鍵槽對應的位置。這與實際生產(chǎn)過程中銅螺母失效狀況相同，證明本文的分析結(jié)果具有一定的參考意義。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕