摘要：在大型（xíng）螺旋錐齒輪銑削試驗過程中，發現原設計的刀片存在破損（sǔn）、崩刃、斷（duàn）裂等問題。對原結構進行有限元分析（xī），求解出（chū）應力集中和應變最大的部位。基於試驗數據及（jí）有限元理論（lùn）對刀具的結構提出（chū）改進設（shè）計。將新結構刀片表麵進行塗層處理（lǐ），並提出幾何形狀改進方案。根據實驗確定的最合理的切削參數，將載荷加載到新結構（gòu）刀具進行分析（xī），驗證改進方法。

       螺旋錐齒輪與直齒錐齒輪和斜齒錐齒輪相比，具（jù）有重疊係數大、承載能力高、傳動平穩、噪聲（shēng）小等良好性能，被廣泛應用於鐵路機車、船舶、汽車、拖拉機等機械產品中，提高了這些產品的可靠性和使用壽命。

      本文以正在研製中的某大型螺旋錐齒輪數控銑床為研（yán）究對象，針對其銑削時刀片出現的問題進行分析並進行優化改進。圖1 是（shì）現場加工時的具體工況，在三維製圖軟件SolidWorks中建立刀片的幾何（hé）模型，導入ANSYS 有限（xiàn）元分析（xī）軟件，按照現場實驗得到的切削力數據，加載求解，得到其應力等值線和應變等值線圖，並根據結（jié）果進行刀片結構的優化改進，減少刀片的應力集中和（hé）應變，提高刀具壽命。

      1 、刀片存在的問題

      根據（jù）原設計製造的刀片幾何結構如圖2 所示，實物照片如圖3 所示。因（yīn）刀片的（de）幾何結構及材質（zhì）存在一（yī）定的問題（tí），導致刀片的使用壽命極短，使用過程中，刀片（piàn）圓角過小容易造成應力集中，刀片出現的失效（xiào）情況如圖4（崩刃）、由於目前刀片沒有添加鍍層，刀片會出現失效（xiào）情況圖5（破損）、偶爾故障時會出現刀具卡斷情況如圖6（斷裂）。

      
      圖 1 銑齒（chǐ）時的加工狀態（刀具結構照片）

       
      圖 2 刀片的幾（jǐ）何模型

       
      圖 3 刀片的實際形狀

      2 、建（jiàn）立有限元模型

      2.1 刀片模型的建立以及網（wǎng）格的劃分在SolidWorks 中建立刀片（piàn）的幾何模（mó）型，將圖（tú） 4 刀片崩刃其導入ANSYS 中（zhōng）進行分析。選擇計算單（dān）元Solid Tet 8node 185（Solid 185）。刀片材料為硬（yìng）質合金，取其力學性能為（wéi）：密度（dù）ρ＝7700kg/m³，彈性模（mó）量（liàng）E＝2.1E11 Pa，泊鬆比η＝0.25。

      圖 5 刀片破（pò）損

      圖 6 刀片斷裂

      使用自由網格命令劃（huá）分網格，對螺栓連接應力集中處網格細化處理，增加結果準確性。所得有限元模（mó）型節點（diǎn）數47104 ， 單元數為40950，結（jié）果如圖7 所示。

       
      圖 7 刀片的網格（gé）劃分（fèn）

      2.2 約（yuē）束條件

      由於刀片（piàn）在加工過程中，不允許有相對於刀柄（bǐng）的移動，要求刀片裝夾牢靠，因此對刀具裝夾與刀柄接觸的麵添加位移約束。刀片與刀柄的（de）實際配合如圖（tú）8 所示。

      2.3 施加載荷（hé）並（bìng）計算

      實驗加工直徑1540 mm 的錐齒輪齒坯時，利用（yòng）HEIDENHAIN 數控係統自帶的數據處理軟件（jiàn）TNC scope 對刀具承受載（zǎi）荷的大小進行記錄，得到刀具不同切削過（guò）程中所受到的載荷的大小及其變化。通過使用不同加工參數進行實驗，得到加（jiā）工表（biǎo）麵質量（liàng）最好時對應的切削參數為進給量f＝5 mm/min、主軸轉速n＝75.36m/min、吃刀量（liàng）ap＝32 mm。並通過TNC scope得到其切削力的大小為2844N，將其作（zuò）為載荷施（shī）加到切削刃上進行有限元分析得到結果如圖9、圖10 所示。

      從結果可知，刀片圓角（jiǎo）頂點處的應力（lì）最（zuì）為集中（zhōng），應變（biàn）也最大，總應力最大值達（dá）到0.198×1010 Pa，總應變達到最大（dà）值為1.2×10-5 m，因此可知加工螺（luó）旋錐齒輪（lún）時，切削刃的（de）圓角部分是最容易失效的部位，與現場實驗結果符合。

      3 、改進（jìn）方（fāng）法（fǎ）

      為了減少應力集中和應（yīng）變，可適當增大圓角，減少其應力集中和應變，對於可能出現的因積屑過多導致的刀具（jù）被卡住（zhù）的問題，可在刀片上增加排屑槽，改變（biàn）切屑的尺寸和形式，對於刀片斷（duàn）裂可在刀片上增加TiAlN 塗層以增加其強度。刀（dāo）片修改後的（de）模型劃（huá）分（fèn）網格的結果為圖（tú）11，其餘有限元前處理條（tiáo）件與改進前相同。對其加載試驗（yàn）對應的載荷，進行有限元分（fèn）析計（jì）算，得到的應力、應變等值線如圖12 和圖13。

        
       圖 8 刀片（piàn）與刀柄（bǐng）部裝（zhuāng）實物

       圖 9 刀片的應變等值線圖

       圖10 刀片的應力等值線（xiàn）圖

       圖 11 改進的刀片劃分（fèn）網（wǎng）格

        
      
       圖（tú）12 應（yīng）力的等值（zhí）線圖

       圖（tú）13 應（yīng）變的等值線圖（tú）

      經過以上分析，可得到改進後的刀片應（yīng）力值為0.122×1010Pa，小於其抗壓強度0.42×1010Pa。應變（biàn）為1.08×10-5m，與前麵結果相（xiàng）比，變形有了顯著的減小，刀片破損的概（gài）率有所下（xià）降。刀片（piàn）增加塗層後（hòu）的（de）抗磨性和強度顯著增加。改（gǎi）進前後的刀具相關狀態對比如表1 所（suǒ）示。

      表（biǎo） 1 優化前後的對比

      4 、結論

      經過（guò）對原結構刀片的有限元分析與現場實驗結果（guǒ）的對（duì）比，得到此結構刀片在加工過程的主要問題及誘因，為這類問（wèn）題（tí）的解（jiě）決提供了可參考的依據。對刀（dāo）片改進後的分析結果證明了這種方法的可行性，刀（dāo）片的圓角以及排屑槽的（de）添加隻是理論上（shàng）能解決這些問（wèn）題，還需要現場實際實驗的驗證（zhèng）。