單線切割機軸輥有限元分析

(內蒙古工業大學 內蒙古 呼和浩特 010051)

引言

單線切割機是一種利用金剛線往復切割工件，使工件一次成型為許多薄片的機床。目前，單線切割機主要依賴進口，國產單線切割機市場占有率很低，其原因是軸輥由于變形使單線切割機的張力得不到恒定控制，導致軸輥報廢率高。

軸輥為單線切割機關鍵部件，在其上繞滿了金剛線，軸輥長度越長，繞的金剛線越多，所受張力越大。本文以自主研發的單線切割機為研究對象，以ANSYS Workbench為仿真平臺，對軸輥的變形情況進行了分析，得到了軸輥的變形云圖，驗證滿足剛度要求，并進行了軸輥變形后金剛線張力的計算，通過及時調節，降低了軸輥的損壞率。

一、整機結構與軸輥受力分析

圖1 單線切割機裝配圖

單線切割機由升降臺1、排線機構2、放線機構3、軸輥4、機架5組成，如圖1所示。單線切割機工作時，工件放在升降臺上，排線機構和放線機構通過伺服電機的驅動，使繞在軸輥上的金剛線往復切割工件，配合升降臺的豎直進給運動，可以工件一次性切割成很多小薄片。

軸輥作為單線切割機的關鍵部件，由膠體、主軸、羅拉組成，工作工程中，軸輥受到其上金剛線恒定的張力作用，該機型所受最大恒定張力為2700N。

二、軸輥靜力學分析

(一)設置材料屬性

在solidworks中建立軸輥的三維模型，軸輥直徑180mm，長度550mm，導入到ANSYS Workbench中設置材料屬性，膠體材料為交聯聚乙烯，彈性模量為6x108N/m2,密度為950kg/m3,泊松比為0.5，主軸材料為18CrMoAl，彈性模量為206x109Pa，密度為7.85/cm3，泊松比為0.3，羅拉材料為Q235鋼彈性模量為200GPa，密度為7.85/cm3,泊松比為0.25。

(二)劃分網格

網格劃分包括自由網格劃分、四面體網格、六面體網格，本次設計的軸輥模型相對簡單，所以采用自由網格劃分，設置Element size的大小為10mm，生成網格的單元數為17610，節點數為34370。

(三)設置邊界條件與施加載荷

根據軸輥實際工況，設置相應邊界條件。軸輥固定在刀架上，在軸輥兩端施加固定約束，軸輥上半部分受到金剛線的恒定張力作用，根據該機型所能達到的最大恒張力，對軸輥上半部分施加2700N的軸承載荷。

(四)結果分析

圖2 軸輥變形云圖

由圖2可知，軸輥中間變形量大，兩端變形量小，當軸輥受到最大恒定張力時2700N時，最大變形量為0.0043mm，因此軸輥最大靜剛度為

滿足機床設計手冊中對軸輥剛度的要求。其中，Kmax為主軸在外載荷作用下的最大靜剛度；F 為 作用在軸輥上的外載荷。

可求出變形后單線切割機張力的變化，工作人員得到張力偏差后，通過調節PLC使其張力恒定。其中，F為變形后張力，△L為變形量，D為軸輥直徑。

三、結論

本文通過對自主研發的單線切割機軸輥進行有限元分析，得到了軸輥的變形云圖和最大變形量，結果表明所設計軸輥滿足強度和剛度要求，通過仿真模擬軸輥變形量為以后計算金剛線張力奠定了基礎。