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由國內(nèi)引進(jìn)圖紙制造的850MN冷剪切機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式為平行刀片式，剪切機(jī)構(gòu)主要由偏心軸、連桿、刀臺等零件組成。剪切產(chǎn)品規(guī)格為圓棒，剪切鋼種為合金鋼。包括GCr15軸承鋼、不銹鋼、彈簧鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等。其中，GCr15軸承鋼最具抗剪能力。本文針對小50mm規(guī)格GCr15軸承鋼的剪切，有限元分析校核最大剪切力下剪切機(jī)偏心軸的力能狀態(tài)。
軋件在剪切過程中，可分為兩個(gè)階段：壓入和滑移階段，剪切過程由壓入階段過渡到滑移階段時(shí)剪刃對軋件的壓力尸即為剪切該軋件的剪切力。已知剪切力850MN，軋件為50mm規(guī)格GCr15軸承鋼，據(jù)此可求偏心軸上的靜力矩。剪切機(jī)偏心軸上的靜力矩由剪切力矩、摩擦力矩和空載力矩組成。
由于偏心軸中間偏心部分短而粗，受載后變形較小，故可將作用在偏心軸上的連桿力看作均布載荷。根據(jù)對某些大型的偏心軸軸頸接觸應(yīng)力的有限元計(jì)算結(jié)果，可認(rèn)為支點(diǎn)距離軸承的實(shí)際支撐內(nèi)側(cè)約為軸頸直徑的1/10。同時(shí)，由于傳動(dòng)齒輪對偏心軸的作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連桿力，可以忽略不計(jì)。偏心軸計(jì)算簡圖如圖所示。A-A斷面受彎-扭聯(lián)合作用，但由于彎矩比扭矩大得一多，故可忽略扭矩。由于偏心軸斷面復(fù)雜，倒角甚多，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在三維建模軟件中嚴(yán)格按照圖紙尺寸建立偏心軸三維模型，不作簡化。再將其導(dǎo)入ANSYS有限元軟件中，建立有限元模型。劃分網(wǎng)格時(shí)，采用手動(dòng)控制，對倒角、尖角等易造成應(yīng)力集中處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。施加約束時(shí)，在連桿和偏心部分接觸處施加周向約束。理論校核時(shí)，載荷簡化為集中力，在ANSYS中則施加余弦力，在軸頸處施加徑向約束，在近齒輪的偏心軸端面施加軸向約束。將扭矩計(jì)算好后以周向力的形式施加在偏心軸與齒輪接觸面的節(jié)點(diǎn)上。具體方式如圖所示，偏心軸Von Mises應(yīng)力圖及Y向(重力方向)應(yīng)變圖如圖所示。
偏心軸最大Mises等效應(yīng)力值為182MPa，小于40CrNiMn。許用應(yīng)力值，因此，偏心軸強(qiáng)度滿足使用要求。最大等效應(yīng)力位于偏心軸與連桿接觸部分階梯處，并非理論計(jì)算所得到的危險(xiǎn)截面處，這是因?yàn)槔碚撚?jì)算時(shí)做了很多假設(shè)，例如，將剪切力簡化為線上的均布載荷，實(shí)際受力情況則是加載在偏心軸和連桿接觸面上的余弦力。同時(shí)，計(jì)算時(shí)也未考慮過渡圓角處的應(yīng)力集中。圖顯示，偏心軸Y向(豎直方向)變形較小，最大不超過0.05 mm；同時(shí)，變形在水平方向呈對稱分布。
理論計(jì)算得到132MPa，偏心軸所受彎矩的危險(xiǎn)截面在偏心軸偏心部分正中間，但是，經(jīng)過ANSYS有限元分析，得出實(shí)際最大應(yīng)力位于偏心軸與連桿接觸部分階梯處，最大應(yīng)力182MPa。由此可知，通過理論計(jì)算得到的危險(xiǎn)截面不是應(yīng)力最大處，原因是在理論分析時(shí)做了很多假設(shè)，且未考慮階梯倒角處的應(yīng)力集中。對于復(fù)雜零件的校核，理論計(jì)算無法精確、全面地得出結(jié)論，而有限元軟件則可做到，并且只要加載、約束等合適，結(jié)果是可信的。
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