連續擠壓機主軸系統有限元分析

李 麗，孫炳曉

(大連交通大學機械工程學院，遼寧 大連 116028)

1 有限元模型的建立

1.1 主軸系統結構

擠壓成型是有色金屬、鋼鐵材料、復合材料、粉末材料生產加工的重要手段，連續擠壓技術是一種較新的擠壓技術，為有色金屬管、棒、線及復合材料提供了新的技術手段和發展空間[1－4]。其工作原理如圖1所示，利用一個帶有輪槽的連續旋轉的擠壓輪，通過輪槽與坯料之間的摩擦力，將坯料連續不斷的曳入腔體，使之在腔體中發生塑性變形，之后通過模具擠出具有特定橫截面的連續的產品[5]。在此過程中，主軸部分承受扭矩，拉力，和彎矩作用。由于主軸系統不斷旋轉，所以承受各項載荷為交變載荷。對主軸系統受力狀況的分析有助于優化設計，改善主軸系統在工作中的受力狀況，延長主軸系統壽命。

主軸系統包括:芯軸、擠壓輪、軸套、側輥、液壓螺母等零件，依次裝配在芯軸上如圖1所示。工作時，液壓螺母加壓，將各部件壓緊，扭矩通過摩擦力傳遞到擠壓輪上。坯料通過壓實輪壓入擠壓輪與擠壓輪建立摩擦，擠壓輪旋轉將坯料咬入實現連續擠壓。

1.2 幾何模型建立與網格劃分

圖1 主軸系統結構和載荷

有限元模型的建立要在反映系統真實幾何形狀的前提下盡量簡化，省略結構上對結果影響較小的部分，節省計算空間，提高計算效率。因此在建立模型時省略倒角、退刀槽、冷卻水孔等。軸承、連軸器、液壓螺母等為非易損件，所以這些零件使用載荷和邊界條件代替以減少網格數量。側輥與軸套合并，芯軸與銅柱銷合并以減少零件和接觸面數量。幾何模型建立和裝配采用SolidWorks軟件進行，模擬軟件使用ANSYS。考慮到幾何模型整體的拓撲結構，模型整體采用六面體網格劃分，部分結構復雜的部分采用四面體網格。簡化后有限元模型如圖2所示。

在主軸系統各零件之間的接觸部分以及在模擬過程中可能接觸的部分建立接觸對，如圖3所示 。接觸算法選用結合了拉格朗日法和罰函數法的擴展拉格朗日算法，這種算法綜合了兩種算法的長處，通過不斷更新接觸剛度懲罰系數直至其值小于允許值[6－8]。接觸算法懲罰系數盡量選用小值以保證精度，通過反復嘗試計算效果與效率，本文選用0.1。

圖2 主軸系統實體模型

圖3 主軸系統接觸面

1.3 載荷及約束

主軸系統上的機械載荷總共有四部分:(1)液壓螺母沖壓后對芯軸和外軸套施加的預緊力;(2)電機對芯軸施加的扭矩;(3)坯料塑性變形對輪槽產生的接觸應力;(4)軸承對軸套的支撐力。如圖1所示。

根據計算和測試，預緊力10 907.3kN;傳遞到主軸上的扭矩429.75kNM;坯料與擠壓輪的接觸切應力與接觸正應力沿周向分布曲線如圖5所示，以壓實輪與擠壓輪公切點為原點，擋料塊處為90度。

圖4 接觸應力曲線

圖5 有限元模型載荷與約束示意圖

將以上載荷加載到有限元模型上，在擠壓輪與坯料接觸的部分以函數加載的方式施加剪切應力和正應力。芯軸末端部分以及外軸套端面上施加軸向均布力。在軸套的外部與軸承接觸的部分施加徑向約束以代替軸承對軸套的支撐作用，根據前文分析，在芯軸與聯軸器連接一端施加全約束，載荷施加示意圖如圖6所示:1－芯軸聯軸器端施加全約束;2－軸套外部施加徑向約束;3－外軸套端面施加法向均布力;4－擠壓輪輪槽施加均布力;5－芯軸液壓螺母端施加軸向均布力。

2 模擬結果及分析

2.1 擠壓輪等效應力分析

擠壓機主軸系統工作時擠壓輪的等效應力等值線圖如圖所示。擠壓輪工作過程中，兩側受到左右兩軸套的預緊力作用，同時在輪槽中的坯料受力產生塑性變形同時對輪槽產生接觸正應力和接觸切應力。從等效應力等值線圖上可以看出，擠壓輪等效應力最大處出現在輪槽底部靠近擋料塊的位置(MX點)，達到了1 540M pa，已超過擠壓輪所用材料熱作模具鋼的屈服極限，由此推斷擠壓輪此處可能已出現少量塑性變形，從而導致擠壓輪槽底部實際工作中發生橫向開裂的早期非正常失效[9]。這是擠壓輪主要的失效原因之一[10]。

圖7、圖8為擠壓輪槽底部與坯料接觸部分的米塞斯應力變化曲線，以壓實輪與擠壓輪共切點位置為起點，方向為逆時針。從坯料壓下階段開始，擠壓輪和坯料接觸二者間產生接觸應力，此處槽底米塞斯應力為500MPa左右，并迅速下降到250MPa，而后呈S型波動至最低值169.42MPa。到達擋料塊處時米塞斯應力急劇上升為最大值1 332.5MPa。越過擋料塊位置后，擠壓輪不再和坯料接觸，米塞斯應力隨后急劇下降至520MPaMPa，最后在867.328到520MPa間變化，變化速率較為緩慢。由此可知，擠壓輪輪槽底部工作是承受180MPa～1 256MPa的交替載荷作用，擠壓輪槽底在運行至擋料塊位置時，應力變化劇烈，是典型的交變載荷作用。

圖6 擠壓輪應力等值線圖

圖7 輪槽底部應力曲線

2.2 軸套等效應力分析

左右兩軸套主要承受兩端面上的預緊力以及摩擦力的作用，等效應力分布趨勢大致相同，等效應力等值線如圖所示。應力最大值和應力梯度都比較小，應力最大值出現在軸套邊緣尖角處，為517MPa，低于軸套所用材料42CrMo的屈服應力930MPa。

圖8 內軸套應力等值線圖

圖9 外軸套應力等值線圖

3 結論

連續擠壓過程是一種以摩擦力為驅動力的金屬擠壓過程。由此，接觸分析的引入對連續擠壓機主軸系統強度分析至關重要。本文結合連續擠壓的工藝特點，在主軸系統各部件模型間設置接觸單元，實現了對TLJ400主軸系統整體的結構分析，從而得出:(1)連續擠壓機主軸系統各部件中擠壓輪槽底部接近擋料塊部分米塞斯應力最高，為1 540MPa，已超過屈服極限，是擠壓輪極易發生失效的位置。輪槽最底部米塞斯應力在180MPa到1 256MPa間變化。(2)兩軸套以及芯軸上米塞斯應力均低于許用應力，并且應力最大值集中在尖角處和階梯處。

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