新型圆钢坯除锈剥皮刀盘系统的开发与研制

张 亮 陈彩凤 孔晨辉

(上海理工大学机械工程学院，上海 200093)

在日常实践生产中，许多厂家对圆钢坯材都有很大的需求，近年来，对其需求量还在不断的上升。目前市场上圆钢坯的品种多，规格尺寸覆盖范围广，因此提高圆钢坯的剥皮效率对于企业发展有很大的推动作用［1］。由于大部分钢坯剥皮机在使用时均存在调刀和对刀不便、刀具磨损后无法补偿等问题，为此有必要对其进行一系列优化设计，使其不但可以在短时间内完成调整和更换刀具的工作，同时当刀具出现磨损后也可以进行一定的补偿。针对某钢厂车削剥皮机中刀盘的结构进行优化设计，提出一种新型刀盘结构。

1 新型刀盘结构设计

1.1 单刀盘结构设计

基于企业要求新型刀盘能实现在生产线上调整及使用频率等因素，设计采用单刀盘式结构，如图1a所示，即在刀盘上开了2组(每组4副，均布)连接刀架的键槽和螺钉孔，这样可以在一个刀盘上的2处不同位置上安装刀具。8个定位键1通过键槽和螺钉2固定在刀盘上，刀架组合5通过键1定位和螺钉6紧固来实现刀架组合快速定位和夹紧，实现一个刀盘可加工2种不同规格的圆钢棒料。当刀盘进行车削加工时，刀具中微调装置和另一组刀具安装螺孔和键槽都配有相应的防护板4，以免大量溅射出来的飞屑划伤表面，堵塞其螺纹孔。而在刀盘上开键槽是因为这样不但可以提高刀具在刀盘上的安装精度，同时也可以减小在使用时螺栓的压力，从而有效地延长整个系统的使用寿命。

如图1b所示，当需要加工不同直径的棒料时，只需卸下刀架组合以及防护板上的螺钉7，然后通过另一副键将刀架组合安装在相应的位置上，再在原来的地方装上防护板就可以实现刀盘快速调刀。

1.2 带微调功能的组合刀架设计

如图2所示，组合刀架包括刀架体5，小刀座1以及斜楔微调机构。菱形刀片和圆形刀片12通过螺钉固定在小刀座前端，小刀座安装在刀架体前端并用4组螺栓2使得小刀座与刀架体形成可拆连接。斜楔微调机构设置在小刀座和刀架体之间，其中斜楔6置于小刀座后端面与刀架体台阶端面之间，斜楔中间连接有斜楔调整螺栓3，且斜楔调整螺栓前端通过其上的定位平台和小六角特扁细牙螺母与斜楔固定连接，斜楔调整螺栓后端与刀架体螺纹连接，并用斜楔锁紧螺母4锁紧固定，斜楔后端面与刀架体台阶端面之间设有斜楔导向滑键7，导向滑键通过螺钉8与刀架体形成固定连接。在小刀架和刀架体上均开有螺钉孔，用于安装防护板10，以防止在使用过程中由于飞溅的切屑进入斜楔机构，破坏其微调功能。

当刀盘系统出现磨损需要微调小刀架的位置以进行误差补偿时，仅需松开锁紧螺母和小刀架与刀架体连接的螺栓组合，然后通过螺栓3来改变斜楔的位置从而实现小刀架的微调功能。斜楔与小刀架之间倾斜的角度为8°，满足自锁条件。当使用一段时间后，刀架组合由于飞溅的切屑等原因出现严重磨损时，只需更换小刀座，以节约生产成本［2］。

2 刀盘剥皮机系统的有限元分析

通过SolidWorks对整个刀盘的结构进行建模然后将其导入HyperMesh进行有限元分析，在有限元分析的前处理中使用HyperWorks对刀盘系统建立三维接触单元，以此来模拟零件之间的接触［3］，并使用 HyperWorks自带的Optistruct计算系统来对刀盘的力学性能以及形变进行了静态线性有限元分析。

通过分析刀盘的结构可以发现，小刀架与刀架体连接处、刀架体末端、螺栓预拉力、应力集中等因素对整个刀盘受力性能以及形变均有较大影响。在结构设计中采取相应构造措施，以减少应力集中等不利的影响［4］，并且在计算时要考虑刀盘在实际使用过程中产生的振动、工件弯曲和切削力不稳定等不利情况的影响。

根据对刀盘结构和实际工况的分析，现以某一时刻实际参与切削的刀具数量以及刀具所受切削力为主要变化因素，构建了2种在切削时可能出现的工况，并利用HyperWorks软件进行相应的线性有限元分析。2种情况分别为:

(1)棒料弯曲严重，某一时刻实际上只有2把刀具在加工，如图3所示;

(2)正常工况下，4把刀具同时对棒料进行切削加工，如图4所示。

为减少程序的计算量，在建立有限元计算模型时采取了如下简化假定［5］:

(1)主要研究刀盘正面以及刀架组合的受力情况，不考虑外部的干涉条件(如振动等);

(2)刀盘背后的约束条件以键槽约束旋转和左右平移自由度，平面约束前后平移自由度和翻转自由度。

(3)假定材料为各向同性，钢材的弹性模量为2.09 ×105MPa，泊松比0.3。

2.1 单元选取与网络划分

在有限元分析的前处理中，采用蛛网结构单元以及圆形梁单元来模拟螺栓的实体部分［6］，并以此来传递其内部的力。为了观察应力集中、阶梯等情况的影响，划分网格时，对刀架体阶梯处、螺栓连接处采用较密的网格，模型结构具有对称性且所使用的零件结构较为简单，因此在划分网格时，采用四面体网格划分，对接触部位、螺栓孔处以及一些应力比较敏感的地方进一步细化网格。

2.2 切削力的计算

基于车削剥皮的特点，按车削模式计算各分力，则3个分力的计算公式为:

表1 相关系数参数表

在针对刀盘进行有限元分析时，当在分析只有2把刀具参与加工时，上述参数按最大选取(即表1中的极限情况);当刀盘进行正常加工时，其相应参数可按实际操作时取(即表1中的正常工况)。据此工作条件按实际车削工况条件选择影响系数，各参数如表1所示。

把以上参数代入公式，可得表2。

表2 切削力的理论计算值 N

2.3 边界条件及加载过程

边界条件设定中位移边界条件为刀盘背面Z方向的移动自由度和绕X、Y轴的转动自由度被限制，而刀盘背后的键槽则限制整个刀盘X、Y方向的移动自由度和Z方向的转动自由度［9］。在以划分好网格的两个刀片上的外侧选择8个节点，每个节点施加之前所计算得到相应的切削力。

2.4 有限元模拟结果分析

观察和分析刀盘的结构整体应力场和面板的变形云图(如图5、图6所示)可知刀架体上的应力分布不均匀，在极限工况的条件下，组合刀架绝大部分区域的应力值在0～951 MPa之间。在螺栓孔附近和刀架体台阶面处上存在应力集中点，最大的应力集中发生在小刀架和刀架体的螺栓孔连接处，最大应力值为951 MPa，小刀架前端在刀片附近的变形较大，在刀架体附近的变形较小，最大变形为0.57 mm。新型刀盘采用高性能弹簧钢为刀盘材料，其屈服极限为1 666 MPa(除以安全系数后也有1 000 MPa)，故可以认为刀盘在强度上符合要求［10］。

3 结语

所设计的新型刀盘采用单刀盘结构，操作简单，实现在线调刀，有效缩短刀盘调整的辅助时间，提高剥皮每小时产能;斜楔装置的设计，实现在线快速微调刀具，以补偿加工中的动静态误差，提高加工精度;结合有效的力学分析保证了新型刀盘设计刚性和刀盘系统工作的可靠性。新型刀盘已用在某钢厂的圆钢坯除锈剥皮生产线上，实践中证明:剥皮表面无明显刀痕，精度和表面质量较原来均提高一级，满足生产要求。

［1］张洪天，钟锡弟.我国无缝管生产技术装备水平现状［J］.金属世界，2012，3(2):11 －15.

［2］庞昊澜.浅谈优化结构设计对成本控制的作用［J］.企业家天地，2010(2):8－12.

［3］章巧芳，毕向秋.三维接触有限元分析在产品设计中的应用［J］.机械设计，2009(6):7 －8.

［4］Yang Zhou，Zhang Yimin.Reliability sensitivity－ based correlation coefficient calculation in structural reliability analysis［J］.中国机械工程学报，2012，25(3):608 －614.

［5］吴玉厚.基于ANSYS的岩石掘进机刀盘有限元分析［J］.中国工程机械学报，2012，10(2):13 －18.

［6］闵锐.复合型盾构掘进机刀盘的设计分析［J］.建筑机械，2004，23(12):68－70.

［7］杨春青.切削力测力平台的研制［J］.机械研究与应用，2003，24(2):58－62.

［8］林爱琴.硬质合金立铣刀高速铣削铝合金切削力实验研究［J］.中国机械工程，2012，23(13):1541 －1545.

［9］程佰兴，王作乾.基于CATIA的盾构掘进机刀盘的有限元分析［J］.机械设计与制造，2008，6(12):22 －24.

［10］李秋志.高强度弹簧钢60Si2Cr热处理工艺优化试验［J］.特殊钢，2008，33(2):49 －50.