基于ANSYS的皮带轮专用刀具静力学分析

曾俊++龚一龙++冉龙姣++李晓晓++何中秋++陈廷兵

摘 要：皮带轮加工目前仍以金属切削加工为主，市场上多为槽刀，难以满足其大批量的生产。因而设计多齿皮带轮，提高加工效率已成为必要。为了有效提高多齿皮带轮的工作效率，需要对多齿皮带轮进行更加详细的分析，为设计提供有效支持。该文以双齿皮带轮专用刀具为例，对双齿皮带轮专用刀具进行了切削力分析，并在此基础上采用ANSYS进行了应力分析，对双齿皮带轮专用刀具受力情况进行了明确，为多齿皮带轮专用刀具的研发改进和实际生产提供理论依据。

关键词：皮带轮 ANSYS 切削力分析

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0060-02

皮带轮是一种非常重要的机械传动零件，它广泛应用于汽车、农机、轻纺工业等各种机械设备的传动中。皮带轮作为传动件应用较广，市场需求大，需要大批量生产，所以，提高加工效率势在必行。针对以上问题提出多齿成型刀具设计的思路，根据一些实验数据表明，多齿皮带轮刀片相比以前的单齿仿形加工，能明显提高加工效率，且齿形准确，齿顶无毛刺，表面质量较好。但多齿同时加工，切削抗力大，易产生振动。对机床的刚性和工件装夹的稳定性要求较高。

1 皮带轮刀具切削力分析

加工皮带轮专用刀具是由刀杆和刀片组成，通过刀杆与机床链接工作。加工方式为皮带轮按一定速度匀速旋转，刀片处于间歇冲击式切削皮带轮状态。经验得出切削铸铁类金属的刀具通常采用YG类硬质合金，根据仿形法确定刀齿形状、刃角等。刀具参数为：刀具前角为10°，后角為0°，刀具刃角为40°双齿均匀切削。

加工皮带轮时，切削较深，刀刃处所承受的切削力较大，因此有必要对刀具进行受力分析。确定刀具受力情况，给实际生产提供了理论依据。受力分析在整个切削过程中，皮带轮专用刀具主要受到切削阻力F的作用。为了便于测量和应用，可将合力F分解为3个分力，由于刀具在加工皮带轮过程中，刀刃部分两个侧面受皮带轮切槽挤压所产生的力刚好平衡。所以，F可简化为两个分力，即主切削力FC切削深度抗力FP。简化刀具加工皮带轮过程的受力分析如图1所示。

2 刀具有限元分析

2.1 划分网格

有限元法应用于金属切削过程模拟已经有几十年的历史了。20世纪70年代苏联人B.A.奥斯塔费耶夫与日本人臼井英治等对正交切削过程进行了有限元分析[1]。现在，有限元数值分析软件（ANSYS）将现代数学、力学的基础理论与有限元分析技术、计算机图形学和优化技术相结合，具有丰富、完善的单元库、材料模型库和求解器，可利用数值模拟技术高效求解各类结构动力、静力和线性、非线性问题。该次分析的模型为双齿皮带轮专用刀具，主要分析刀具等效应力分布情况，刀具采用硬质合金YG8。

由于ANSYS与许多CAD软件都有直接的接口，所以这里选择先在solidworks中建立模型，然后导入ANSYS中，最后再对图形进行拓扑修理和几何修理，完成创建实体模型工作[2]。而刀具整体的结构不规则，因此难以使用六面体网格进行划分，为了获得比较均匀的网格，采用尺寸控制和划分方法共同控制的方式进行划分。网格大小为0.5 mm，网格个数为38 359个。

2.2 模拟加载

首先确定刀具的约束条件[3]，刀具置于刀杆槽中，刀底部大面约束刀具z轴负向位移，刀具定位孔上的压板约束刀具z轴正向位移，刀杆槽的两个侧面约束刀片x和y向位移，刀槽底面、两侧、中心孔、及压板还约束刀片x、y和z轴旋转。这样，刀片的6个自由度被约束。

根据双齿刀具切削皮带轮的过程可知，靠近切削刃处，前刀面的压力最高，在远离切削刃处，皮带轮对前刀面的压力急剧减小。因此，切削刃处刀具的切削阻力最大。切削力的影响因素很多，其计算复杂，一般通过切削力理论公式计算所得。然而理论计算通常会忽略温度，还有一些细微影响因子。因此，在此基础上所测的载荷只能用于切削力的定性分析，不能用于实际计算，且计算过程通常采用集中力代替分布力。所以，由切削时切削力计算经验公式可得：

（1）

式中：p为单位切削力；ac为切削厚度；aw为切削宽度；ap为切削深度；f为进给量；VC为切削速度。通过查表可得：=0。

最后代入得到FC=1 650 N，Fp=1 220 N。

3 结果分析

加载荷进行求解，其求解结果图2所示。刀具在静载荷作用下刀刃处变形量最大，最大变形值为0.00 506 mm。图2为刀具在静载荷作用下的等效应力分布云图，从图中可以看出：（1）刀具两齿之间的侧面应力大于齿的另一个侧面。分析其原因，是因为在加工皮带轮时，切屑对内侧产生挤压和摩擦要大于外侧受力情况，因为双齿为偶数齿，所以，在垂直于切削方向且平行于工作平面方向上的力可综合抵消，奇数齿刀具需要重新计算。（2）刀具在倒圆角处应力偏大，若需要可适当调整圆角半径，可减小应力。（3）在刀刃处应力最大为590.92 MPa。而硬质合金刀具材料的许用应力为强度除以安全系数，即（n=1.5～2.5，=1 500 MPa），通过计算可得，需用应力为600～1 000 MPa。通过分析可得，刀具所受到的最大应力小于需用应力。说明材料强度符合设计要求。

4 结论

通过对皮带轮专用刀具的有限元应力分析，可以得到以下结论。

（1）对刀具的切削力进行分析，可以知道刀具在加工时切削力大是哪几个切削阻力所造成的，对有效改善因切削力过大导致刀具破坏起着重要作用。

（2）对刀具进行有限元分析，可确定刀具应力最大位置。以便在设计多齿皮带轮刀具时，能合理考虑此处的强度和硬度，以及通过刀具结构来提高刀具使用性能。为刀具的实际生产提供理论依据。

参考文献

[1] 谢峰，赵吉文，刘正士.二维金属切削过程的数值模拟[J].系统仿真学报，2004（7）：1412-1416.

[2] 宁仲良，张广军.刀具强度的有限元数值模拟分析[J].工具技术，2003（3）：13-16.

[3] 李军辉，谭建平，熊勇刚，等.基于ANSYS的可转位刀片有限元分析[J].机械设计与研究，2003（2）：8，38-40.