單線切割機軸輥有限元分析

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

引言

單線切割機是一種利用金剛線往復(fù)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(chǎn)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(dǎo)致軸輥報廢率高。

軸輥為單線切割機關(guān)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(fā)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(diào)節(jié)，降低了軸輥的損壞率。

一、整機結(jié)構(gòu)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(gòu)2、放線機構(gòu)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(gòu)和放線機構(gòu)通過伺服電機的驅(qū)動，使繞在軸輥上的金剛線往復(fù)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(guān)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(xué)分析

(一)設(shè)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(dǎo)入到ANSYS Workbench中設(shè)置材料屬性，膠體材料為交聯(lián)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(wǎng)格

網(wǎng)格劃分包括自由網(wǎng)格劃分、四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格，本次設(shè)計的軸輥模型相對簡單，所以采用自由網(wǎng)格劃分，設(shè)置Element size的大小為10mm，生成網(wǎng)格的單元數(shù)為17610，節(jié)點數(shù)為34370。

(三)設(shè)置邊界條件與施加載荷

根據(jù)軸輥實際工況，設(shè)置相應(yīng)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(jù)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(jié)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(dāng)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(shè)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(diào)節(jié)PLC使其張力恒定。其中，F(xiàn)為變形后張力，△L為變形量，D為軸輥直徑。

三、結(jié)論

本文通過對自主研發(fā)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(jié)果表明所設(shè)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(chǔ)。