摘要：在大型螺旋錐齒輪銑削試驗過程中，發現原設計的刀片存在破損、崩（bēng）刃、斷裂等問題。對原結構進行有限元分析，求解出應力集中和（hé）應（yīng）變最大的部位。基於（yú）試驗數據及（jí）有限元理論對刀具的結構提出改進設計。將新結構刀片表麵進行塗層處（chù）理，並提出幾何形狀改進方（fāng）案。根（gēn）據（jù）實驗確定的最合理的切削參數（shù），將載荷加載到新結構刀具進行分析，驗證改進方法。

      關鍵詞（cí）：螺旋錐齒輪；刀片；銑削；有限元

      螺旋錐（zhuī）齒輪與直齒錐齒輪和斜齒錐齒輪相比（bǐ），具有重疊係數大、承載能力高、傳動平（píng）穩、噪聲小等良好性能，被廣泛（fàn）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（xiē）產（chǎn）品（pǐn）的可靠性和使用壽命。

     本文以（yǐ）正在研製中（zhōng）的（de）某大型螺旋錐齒輪數（shù）控銑床（chuáng）為研究對象，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（tú）1 是現場加（jiā）工時（shí）的具體工況，在三維製圖軟件SolidWorks中建立（lì）刀（dāo）片的幾（jǐ）何模型，導入ANSYS 有限元分析軟件，按照現場實驗得到（dào）的切削（xuē）力（lì）數據，加載求解，得到其應（yīng）力等（děng）值線和應變等值線圖，並根據結果進行刀片結構的優化改進，減少刀片的應力集中和應變，提高刀（dāo）具壽命。

     1 、刀片存在的問（wèn）題

    根據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。因刀片的幾（jǐ）何結構及材質存在一定的問題，導致刀片的（de）使用壽命（mìng）極短，使用過程中，刀片圓角過小容易造成應力集中，刀片出現的失效情（qíng）況如圖4（崩刃）、由於目前刀片沒有（yǒu）添加鍍（dù）層，刀片會出現失效情況圖5（破損）、偶爾（ěr）故障時（shí）會出現刀具卡斷情況如圖6（斷裂）。

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

          圖 2 刀片（piàn）的幾何（hé）模型

         圖 3 刀片的實際形狀

        圖 4 刀片崩刃
 
 

     2 、建（jiàn）立有限元模型

     2.1 刀片模型的建立以（yǐ）及網格的劃分

     在SolidWorks 中建立刀片的幾何（hé）模型（xíng），將其導入（rù）ANSYS 中進行分析（xī）。選擇計算單元Solid Tet 8node 185（Solid 185）。刀片材料為硬質合金（jīn），取其力學性能為：密度ρ＝7700kg/m³，彈性模量E＝2.1E11 Pa，泊鬆比η＝0.25。

     
     圖 5 刀片破損

          圖 6 刀片斷裂

     使用自由網（wǎng）格命令劃分網格，對螺栓連接應力（lì）集中處網格細化處理，增（zēng）加結果準確（què）性。所得有限元模（mó）型節點數47104 ， 單元數為（wéi）40950，結果（guǒ）如圖（tú）7 所示。

         圖 7 刀片的網格劃分

 
      2.2 約束條件

      由於刀片在加工過程中，不允許有相對於刀柄的（de）移動，要求刀片裝（zhuāng）夾牢靠，因（yīn）此對刀具裝夾與刀柄接觸的麵（miàn）添（tiān）加位（wèi）移約（yuē）束。刀片與（yǔ）刀柄的實際配合如圖8 所示。

      2.3 施加載（zǎi）荷並計算

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

      3 、改進方法

     為了減少應力集中和應變（biàn），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被卡住的問題，可在（zài）刀片上增加排屑槽，改變切屑的尺寸和形式，對（duì）於刀片斷裂可在刀（dāo）片上增加TiAlN 塗層（céng）以增加其強度。刀片（piàn）修（xiū）改（gǎi）後的模型（xíng）劃分（fèn）網格的結果為圖（tú）11，其餘有限元前處理條件與改進前相同。對其加載試驗對應的載荷，進行有（yǒu）限元（yuán）分析計算，得到的應力、應變等值線如圖12 和圖（tú）13。

             
     
           圖 8 刀片與刀柄部裝實物

          圖 9 刀片的應變等值線（xiàn）圖（tú）

         圖10 刀（dāo）片的應力等值線（xiàn）圖

         
  
        圖 11 改進的刀片劃分網（wǎng）格

        
  
         圖12 應力的等值線圖

       
  
        圖13 應變的等值線圖

 
                                                        表（biǎo） 1 優化前後（hòu）的對比

 
      4 、結論
 
   
     經過對原結構刀片的有限（xiàn）元分析與現場實（shí）驗結果的對比，得（dé）到此結構刀片在加工過程的主要問題及誘因，為這類問題的解決提供了可參考的（de）依據（jù）。對刀片改進後的分析結果證明了這種方法的可行（háng）性，刀片的圓角以及排屑槽的添加隻是理論上能（néng）解決這（zhè）些問題（tí），還需要現場實（shí）際實驗的驗證。