退刀槽对轴类零件强度的影响研究❋

许树勤，赵建琴，李 阳

（北京工业大学 耿丹学院，北京 101301）

0 引言

在加工内外螺纹时，为了保证刀具从螺纹退出且不伤刀具，在轴上需要设置退刀槽。在退刀槽处会产生应力集中，使轴的使用寿命降低，甚至导致轴的失效。由于退刀槽尺寸较小，设计中一般只通过轴所要承受的载荷大小来选取安全系数，往往会忽略退刀槽对轴类零件的强度影响。

本文以M10螺纹轴不同螺距退刀槽为例，根据文献［1］和文献［2］将轴简化为二维模型进行有限元分析。通过有限元分析确定退刀槽处的应力集中位置及应力集中区域的大小；使用模拟含退刀槽轴的金属塑性板材进行拉伸试验，确定退刀槽对塑性材料的影响（材料Q235冷压钢板，厚度1.16mm）；用模拟含退刀槽轴的塑性金属棒材进行拉伸试验，确定三维轴转化二维平面的合理性（材料Q235棒料，外径Φ10）；通过模拟含退刀槽轴的脆性金属棒材确定退刀槽对脆性材料的影响（材料HT200棒料，外径Φ10）。

1 退刀槽的有限元分析

将M10螺纹轴转化为二维板材进行分析，通过不同螺距建立4个有限元试验模型，并用ANSYS有限元分析软件进行分析。退刀槽有限元模拟模型和金属板材拉伸试样的二维图如图1所示。有限元模拟模型的参数如表1所示。图1中，Lt为试件总长，Lc为平行长度，Lo为原始标距。

材料弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.3，单元类型选择平面8节点单元。在网格划分时，选择三角形网格，在退刀槽圆弧倒角处进行局部4级网格细分。在施加约束时，底边进行Y方向约束，底边中心节点进行X方向约束。在顶边施加均布位移载荷，按最大相对伸长0.2%估算。4个试验的退刀槽有限元模型应力分布如图2～图5所示。

图1 试验模型二维图

表1 试样参数表

从图2～图5可以看出退刀槽的应力集中区域的范围，通过有限元分析软件可以确定区域的大小为倒角半径R的12%。应力集中区域等效应力最大值相差不大，可以确定应力集中系数与螺距无关。有限元软件虽然可以模拟应力集中情况，但是无法模拟现实中轴受力时退刀槽应力集中处材料的局部硬化所带来的承载能力变化，也无法给出断裂情况。尚需金属材料拉断试验模拟轴断裂情况，将有限元模拟与试验结果进行综合分析。

图2 试验1等效应力分布图

图3 试验2等效应力分布图

图4 试验3等效应力分布图

图5 试验4等效应力分布图

2 金属板材拉伸试验

使用电子万能试验机DNS－100（长春试验机研究所生产）进行Q235金属板材拉伸试验，共进行5组拉伸试验，每组试样3个。试件标距67mm，板材宽度10mm，厚度1.16mm，拉伸速度1mm／min。金属板材拉伸试样参数如表2所示（其中，第E组试验的试样为光轴）。金属板材拉伸试验数据取试验平均值，如表3所示。

表2 金属板材拉伸试样参数

表3 金属板材拉伸试验数据

为了定量表达退刀槽对零件强度的影响，给出第i组试验的应力系数Kti，承载能力系数Kfi，计算结果列于表4。Kti和Kfi的表达式为：

其中：σbi、Fbi分别为第i组试验的断裂应力、断裂载荷；σbE、FbE分别为第E组试验的断裂应力、断裂载荷。

表4 金属板材承载能力系数表

通过金属板材拉伸试验数据分析，可以看出塑性材料的应力集中系数并不大，承载能力系数并未降低很多。以试验A的数据为例，退刀槽截面积减少了16%，但是承载能力只减少了10%。这是因为退刀槽应力集中区域很小，在受到拉力时应力集中区域发生硬化，微观上来看承载能力不仅没有降低反而有所提升。所以在使用塑性材料来设计带退刀槽的轴类零件时，由于退刀槽应力集中处局部塑性变形带来的硬化，可仅考虑有效面积的减小带来的承载能力的降低。

3 金属棒料拉伸试验

使用电子万能试验机DNS－100进行Q235金属棒料和HT200棒料拉伸试验。以M10螺纹轴螺距p＝1.5的退刀槽为例制作4个棒料拉伸试件。金属棒料拉伸试样的二维图如图6所示。金属棒料拉伸试样参数如表5所示。金属棒料拉伸试验结果如表6所示。退刀槽处的应力集中系数和金属棒料的承载能力系数如表7所示。

图6 金属棒料试样模型

表5 金属棒料拉伸试样参数

表6 金属棒材拉伸试验结果

表7 金属棒料承载能力系数表

通过棒材试验F3与板材试验A对比，发现承载能力系数试验结果在误差5%范围之内，所以板材试验结果有效。对于脆性材料，在槽根尺寸计算应力的情况下，应力集中系数为1.55；在忽略退刀槽尺寸计算应力的情况下，应力集中系数为2.31，承载能力系数为0.432。

4 结论

退刀槽对轴类零件的强度影响，包括有效面积的减小和应力集中两方面。在进行含有退刀槽的轴类零件设计时，对脆性材料，若按照退刀槽处的有效面积计算，还需把平均载荷放大1.55倍；若忽略退刀槽带来的面积减小，则需把平均载荷放大2.31倍。对塑性材料，由于局部塑性变形带来的硬化，可仅考虑有效面积的减小带来的承载能力的降低。

［1］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［2］钢铁研究总院，济南试金集团有限公司，宝山钢铁公司.GB228－2002金属材料室温拉伸试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2002：1－34.

［3］邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册［M］.北京：人民邮电出版社，2009.

［4］吴磊.螺纹退刀槽应力分析［J］.机械工程师，2010（6）：97－98.

［5］韩发乾，赵华芬.气缸套支承肩退刀槽处断裂的原因及对策［J］.内燃机配件，2001（1）：25－27.