李伯全，許軍成，張西良，史偉超

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

在剪板機(jī)剪切加工中，板料剪切邊緣的變形量是判斷剪板機(jī)加工質(zhì)量好壞的要素之一，而刀具變形量是影響板料剪切邊緣變形量的重要因素［1］。刀具變形量是通過成組的頂、拉調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)。目前，大多數(shù)企業(yè)對剪板機(jī)刀具變形量調(diào)節(jié)是通過人工調(diào)節(jié)方式進(jìn)行，人工調(diào)節(jié)不僅費(fèi)時費(fèi)工不安全，而且難以保證調(diào)整的精度［2］。超大型剪板機(jī)由于刀具較長，頂、拉調(diào)節(jié)螺栓多，調(diào)節(jié)難度將會成倍地加大。

針對刀具變形量自動調(diào)節(jié)的研究較少，大都集中在剪切角、剪切間隙的合理規(guī)劃［3］，配合不同的板料材質(zhì)，計算出出剪切力和剪切水平推力;通過上刀架的有限元分析計算出最大變形量的點(diǎn)和最大的撓度［4］，通過優(yōu)化設(shè)計來加強(qiáng)上刀架的剛度，減小變形量。但是剪板機(jī)的自動控制系統(tǒng)，剪切角、刀具間隙的自動調(diào)節(jié)等都可以作為設(shè)計板料邊緣變形量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參考［5］。

針對這種情況，本研究在不改變超大型剪板機(jī)原有構(gòu)造的前提下，研制超大型剪板機(jī)板料剪切邊緣變形量調(diào)節(jié)裝置，能夠自動調(diào)節(jié)頂、拉調(diào)節(jié)螺栓，既保證板料剪切加工的精度，又提高板料的剪切效率，具有廣泛的運(yùn)用前景。

1 刀具變形量調(diào)節(jié)裝置組成及工作流程

剪板機(jī)通過上、下剪切刀具的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)剪切加工，主要通過調(diào)節(jié)下剪切刀具的變形量來調(diào)整被剪切工件的剪切邊緣曲線。下剪切刀具變形量調(diào)節(jié)裝置由軌道小車、扳手送進(jìn)機(jī)構(gòu)、柔性連接機(jī)構(gòu)、可控轉(zhuǎn)角扳手機(jī)構(gòu)組成。

刀具變形量調(diào)節(jié)裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 刀具變形量調(diào)節(jié)裝置示意圖

軌道小車用于對扳手機(jī)構(gòu)、送進(jìn)機(jī)構(gòu)及柔性連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)載，并實(shí)現(xiàn)沿下剪切刀具方向的定位;扳手送進(jìn)機(jī)構(gòu)用作扳手機(jī)構(gòu)送進(jìn)和回退，實(shí)現(xiàn)扳手的動力套筒與刀具變形量頂、拉調(diào)節(jié)螺栓的嚙合或者松開;柔性連接機(jī)構(gòu)用于輔助套筒和頂、拉調(diào)節(jié)螺栓的嚙合;可控轉(zhuǎn)角扳手機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)動頂、拉調(diào)節(jié)螺栓。

裝置的工作流程圖如圖2 所示。

2 關(guān)鍵傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度校核

刀具變形量調(diào)節(jié)過程中，裝置的穩(wěn)定性體現(xiàn)在兩個方面:

(1)驅(qū)動零部件的強(qiáng)度是否符合要求;

圖2 工作流程圖

(2)可控扳手能否完成定轉(zhuǎn)角控制。

2.1 驅(qū)動齒輪設(shè)計及其強(qiáng)度校核

刀具變形量調(diào)節(jié)裝置的驅(qū)動力由伺服電機(jī)帶動減速裝置配合齒輪齒條提供。

驅(qū)動小車的伺服電機(jī)［6］參數(shù)配比如表1 所示。

表1 參數(shù)配比

本研究依據(jù)小車速度計算得出驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速為:n=600 r/min。

按照極限重量40 kg 進(jìn)行齒輪齒條的疲勞強(qiáng)度計算。

可知小車驅(qū)動力為20 N，選用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，模數(shù)為2、齒寬20 mm、齒數(shù)17;

選型標(biāo)準(zhǔn)齒條為:20×20×200(寬×高×長，單位:mm)，模數(shù)為2。

齒輪齒條性能參數(shù)如表2 所示。

表2 齒輪齒條性能參數(shù)

淬火過的齒輪齒條嚙合接觸危險處各向應(yīng)力的分布情況如圖3 所示。

圖3 齒輪齒條接觸面單元體應(yīng)力分布

從圖3 可知，τxy=τyx=σ，計算出齒輪齒條嚙合危險點(diǎn)處的主應(yīng)力為:

可以得到輪齒齒面發(fā)生接觸強(qiáng)度破壞條件是:

式中:［σH］—許用接觸應(yīng)力。

按照第四強(qiáng)度理論，［τ］與［σ］之間的關(guān)系和剪切應(yīng)力滿足的條件是:

在考慮齒面危險點(diǎn)處的強(qiáng)度條件和經(jīng)典Hertz 理論接觸應(yīng)力公式的基礎(chǔ)上，通過考慮各載荷系數(shù)，接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為［7］:

式中:ZB—單對齒嚙合系數(shù);ZH—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù);ZE—材料彈性系數(shù);Zε—重合度系數(shù);Zβ—螺旋角系數(shù);Ft—名義切向載荷(圓周力)，N;KA—使用系數(shù);KV—動載荷系數(shù);KHβ—齒向載荷系數(shù);KHα—齒間載荷系數(shù)。

使用系數(shù)和動載荷系數(shù)KAKV≈1.4;齒向載荷系數(shù)KHβ=1，齒間載荷系數(shù)KHα=1.3;齒輪齒條單對齒嚙合系數(shù)ZB=1，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH=2.433，材料彈性系數(shù)，重合度系數(shù)Zε=0.93，螺旋角系數(shù)Zβ=1。

由上述數(shù)據(jù)，計算得:σH=99 MPa ＜σmax，故而本研究所選擇的齒輪和齒條符合該裝置的應(yīng)力要求。

2.2 柔性連接機(jī)構(gòu)設(shè)計

柔性連接機(jī)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 柔性連接機(jī)構(gòu)示意圖

其主要是由套筒、彈簧及銷釘構(gòu)成，彈簧套在中間，左邊為套筒，右邊為銷釘，彈簧的兩端與套筒及銷釘凸臺焊接固連。

其主要功能是連接送進(jìn)機(jī)構(gòu)與扳手機(jī)構(gòu)并為扳手機(jī)構(gòu)提供一定的預(yù)緊力。

具體實(shí)施步驟為:

當(dāng)套筒和頂、拉調(diào)節(jié)螺栓初次接觸時不一定嚙合，此時柔性連接機(jī)構(gòu)則會提供一定的預(yù)緊力，可控轉(zhuǎn)角扳手實(shí)施點(diǎn)動的時候，套筒在扳手帶動下會做微量的轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中的某個點(diǎn)套筒會與頂、拉調(diào)節(jié)螺栓達(dá)成嚙合的條件，即套筒的六邊和頂、拉調(diào)節(jié)螺栓的六邊對齊，此時在柔性連接機(jī)構(gòu)提供的預(yù)緊力作用下，套筒會與頂、拉調(diào)節(jié)螺栓嚙合，最終達(dá)成自動嚙合的目的。

2.3 扳手機(jī)構(gòu)設(shè)計

伺服電機(jī)的輸出扭矩為大于1 N·m，根據(jù)調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)，頂、拉調(diào)節(jié)螺栓所需最大調(diào)節(jié)扭矩為100 N·m，故本研究中設(shè)計的減速器減速比要在1∶100 左右。

查閱資料得知，2K-H 型行星齒輪的傳動比范圍為i=2.1～13.7，推薦為2.8～9，從而計算出三級行星齒輪的傳動比在20～2 000，符合設(shè)計要求。

扳手機(jī)構(gòu)剖視圖如圖5 所示。

圖5 扳手機(jī)構(gòu)剖視圖

根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊［8］選擇的各級行星齒輪齒數(shù)如表3 所示。

表3 行星齒輪齒數(shù)表

最終傳動比計算公式為:

計算得:傳動比i=204。由此可見，其完全滿足傳動比要求。

3 調(diào)節(jié)裝置有限元分析

刀具變形量調(diào)節(jié)要求較高，調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與工作時變形量需要驗(yàn)證，調(diào)節(jié)裝置在工作時受到扭矩作用會產(chǎn)生位移。為確認(rèn)調(diào)節(jié)裝置能夠順利完成工作，進(jìn)行有限元分析是很好的選擇［9-10］。

進(jìn)行有限元分析前需要對刀具變形量調(diào)節(jié)裝置有限元模型進(jìn)行前處理，其過程包括:材料屬性定義、網(wǎng)格劃分、加載邊界條件及加載載荷。

調(diào)節(jié)裝置中不同的連接位置采用的是不同的材料，為了方便計算，此處采用兩種材料，分別是Q235鋼材以及球狀石墨鑄鐵。

其材料特性參數(shù)如表4 所示。

表4 調(diào)節(jié)裝置模型材料屬性表

ANSYS Workbench 軟件中劃分網(wǎng)格時，軟件會自動區(qū)分規(guī)則部分和不規(guī)則部分，隨后對規(guī)則區(qū)域以六面體網(wǎng)格劃分，而對不規(guī)則區(qū)域則以四面體劃分，所以通過對調(diào)節(jié)裝置規(guī)則區(qū)域分割以使軟件自動以六面體網(wǎng)格劃分，如此一來可以獲得更高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。

本研究中車體部分機(jī)構(gòu)較大，所受力比較分散，網(wǎng)格劃分的精度不要很高;柔性連接機(jī)構(gòu)部分承載著較大一部分扭轉(zhuǎn)力，是重點(diǎn)分析單元，故而需要精細(xì)網(wǎng)格。軌道小車車體部分采用四面體C3D10M 自由網(wǎng)格劃分，受力比較集中的柔性機(jī)構(gòu)部分則采用C3D20R 六面體單元網(wǎng)格劃分。最終的網(wǎng)格單元個數(shù)為5 080，節(jié)點(diǎn)個數(shù)為9 280。網(wǎng)格邊緣尺寸的最小值為0.007 6 mm。

最終網(wǎng)格劃分如圖6 所示。

有限元分析所設(shè)定的邊界條件必須模擬實(shí)際工況，以此遵循準(zhǔn)確模擬的原則。本研究中小車的4個V 型輪安置在V 型導(dǎo)軌上，主要考慮在V 型輪的支撐下車體在W 方向上的位移;軌道車體上的燕尾槽滑臺能在V 方向上滑動;扳手可以在X 方向上滑動亦可以繞V 軸轉(zhuǎn)動;對于調(diào)節(jié)裝置的模擬分析結(jié)果，主要考慮的是W 方向的變形，對于V 方向允許其轉(zhuǎn)動。

圖6 網(wǎng)格劃分

由調(diào)節(jié)裝置的工作原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)可知，調(diào)節(jié)裝置在工作過程中承受的是扭矩載荷。由實(shí)際工況可知，調(diào)節(jié)裝置所受極限扭矩為100 N·m。從圖6 中可知小車在X 方向上不能向正向移動，但是可以負(fù)向移動，負(fù)向移動時則是傾覆力矩把小車一邊翹起，從而影響行走精度。

刀具變形量自動調(diào)節(jié)裝置工作時，燕尾槽滑臺的伸出量會有所不同，故而在進(jìn)行靜力學(xué)分析時，特別需要注意燕尾槽滑臺機(jī)構(gòu)在不同伸出量的時候小車的位移和受力的影響，找出燕尾槽滑臺機(jī)構(gòu)在不同伸出量時最大的位移與受力情況。

調(diào)節(jié)裝置的位移云圖如圖7 所示。

圖7 調(diào)節(jié)裝置位移云圖

調(diào)節(jié)裝置在扳手機(jī)構(gòu)不同的伸出量時所受力和最大位移量不同。

扳手機(jī)構(gòu)在不同的伸出量時，調(diào)節(jié)裝置的最大位移量如表5 所示。

表5 調(diào)節(jié)裝置位移量

由表5 數(shù)據(jù)分析可知，在加載扭矩后整個裝置的最大位移量為0.75 mm，在系統(tǒng)的準(zhǔn)許誤差2 mm 范圍內(nèi)。

調(diào)節(jié)裝置在加載轉(zhuǎn)矩時的應(yīng)力云圖如圖8 所示。

圖8 調(diào)節(jié)裝置應(yīng)力值云圖

由圖8 可知主要應(yīng)力集中在柔性連接機(jī)構(gòu)處。

調(diào)節(jié)裝置在扳手機(jī)構(gòu)不同的伸出量時最大的應(yīng)力值匯總?cè)绫? 所示。

表6 調(diào)節(jié)裝置應(yīng)力值

由表6 數(shù)據(jù)分析可知，在加載扭矩后整個裝置的最大應(yīng)力為170 MPa，低于Q235 最大許用應(yīng)力235 MPa。

仿真結(jié)果表明，本研究所設(shè)計的剪板機(jī)刀具變形量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)合理，能夠在工作要求的誤差范圍內(nèi)完成頂、拉調(diào)節(jié)螺栓的調(diào)節(jié)。

由于裝置在工作過程中伺服電機(jī)運(yùn)行時會有振動產(chǎn)生，伺服電機(jī)啟停時的慣量對裝置的影響無法模擬，但該部分慣量相較整機(jī)而言慣量較小，可以忽略其影響。調(diào)節(jié)裝置正常工作時應(yīng)力最大值出現(xiàn)在柔性連接機(jī)構(gòu)處，由于采用對稱結(jié)構(gòu)加固，此處結(jié)構(gòu)能夠勝任正常工作。

4 結(jié)束語

本研究針對影響剪板機(jī)刀具變形量調(diào)節(jié)裝置的穩(wěn)定性因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

(1)超大型剪板機(jī)剪切刀具邊緣人工調(diào)節(jié)效率低、誤差大等特點(diǎn)，刀具變形量調(diào)節(jié)裝置能夠有效提高其調(diào)節(jié)效率和效果。

(2)創(chuàng)新性的使用柔性連接結(jié)構(gòu)，能夠有效解決套筒與螺栓的自動嚙合問題。

(3)刀具變形量調(diào)節(jié)裝置運(yùn)行時，自身受力帶來的誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，不影響定位與調(diào)節(jié)精度。

(4)通過設(shè)計分析刀具變形量調(diào)節(jié)裝置，對超大型剪板機(jī)自動化的發(fā)展起到了很好的推動作用，可為后續(xù)研究開發(fā)作鋪墊。

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