基于SolidWorks的切割机转轴有限元分析

周琦

（江阴职业技术学院机电工程系，江苏江阴214400）

0 引 言

超薄铝型材自动切割机是针对厚度为0.5～0.8 mm的薄型铝型材而设计的新型自动切割设备，其结构主要由机架、工作进给单元和切割进给单元等部分组成。转轴是切割进给单元中重要零件之一，其性能的好坏直接影响切割机的效率和寿命。而决定转轴性能的重要因素是其强度及结构参数，所以有必要在转轴及其传动系统结构设计基础上，通过静强度有限元分析对其结构设计进行验证。

本文针对超薄铝型材自动切割机中切割进给单元的转轴零件，对其传动系统进行结构设计与计算。应用SolidWorks软件自带的Simulation功能，对切割进给单元的转轴进行有限元建模、施加载荷，得到其应力、应变和位移分布图，在保证转轴强度性能的情况下，实现了优化转轴的目的。

1 转轴结构设计

图1所示为切割进给单元的转轴传动系统结构图。图1中，转轴由一对角接触球轴承支撑，轴承的定位方法是轴承外圈一侧由调整环定位，另一侧靠转轴的轴肩定位，外圈只是单侧靠轴承端盖来定位。因为轴承的外圈与转轴套筒在切割过程中会产生一定振动，所以选择采用基轴制的小过盈量配合，轴承内圈与转轴的配合方式同套筒一致，选择上述结构可以提高切割的稳定性并减小转轴产生的振动，还可以减少设备运转过程中的噪声。此外，调整环还有效地阻挡了外部粉尘的进入，防止轴承受到污染。

1.1 转轴的设计

1）选择转轴材料。因转轴无特殊要求，轴的材料选取45钢，经调质处理。

2）转轴的结构设计。转轴的结构设计为阶梯形，左端安装带轮，右端安装锯片，中间轴段的直径略大于轴承内径即可，不需要考虑精度和表面粗糙度等。转轴套筒长为240 mm，留有合理的空间安装轴承和轴承盖，确定此轴段长为200 mm。用于安装带轮的轴段，带轮孔径为28 mm、宽为54 mm，同时配合电动机的安装尺寸，确定轴长为70.5 mm。轴的左端安装轴承的轴径同样为30 mm，长为43.5 mm。再向左安装锯片和夹板，锯片孔径为25.4 mm，厚为3.2 mm，夹板厚为6 mm，确定轴段长为8 mm。最左端是M24螺纹，长为34 mm。至此，转轴的结构设计完毕。

对于转轴的三维造型设计，在SolidWorks软件的特征绘图界面选择“旋转”命令图标，按前述转轴的结构尺寸画出转轴的二维草图，然后选择草图对称中心为旋转轴，点击“确定”，完成该切割机中切割进给单元转轴的三维模型，如图2所示。

1.2 转轴的校核

转轴是铝型材自动切割机中切割进给单元的核心零件，为确保切割机的正常运转和使用寿命，还需要对前述设计的转轴进行验算，校核其是否满足设计工作要求。

根据切割进给单元的实际工作情况，可知该转轴的危险截面为带键槽轴段和安装锯片的轴端，依据第三强度理论，其弯扭组合强度计算公式为

式中：σca为轴的计算应力，MPa；M为轴所受的弯矩，N·m；T为轴所受的转矩，N·m；W为轴的抗弯截面系数，mm3。

分别将带键槽轴段和安装锯片轴端的有关参数代入式（1），计算结果显示该转轴的强度符合设计要求。

2 转轴的强度分析

在SolidWorks软件的主界面内选择办公产品里面的SolidWorks Simulation，在算例顾问的下拉菜单中新建一个算例，类型选择“静应力分析”。

1）定义材料属性。查《机械设计手册》知：45钢的密度ρ=7800 kg/m3，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.28，抗拉强度σb=750 MPa，屈服强度σs=580 MPa。

2）设置边界条件。为转轴添加正确的夹具约束。右键点击夹具，选择轴承夹具，将轴承添加在转轴中轴承安装的位置，去掉允许自我对齐，勾选上稳定轴旋转。

3）添加载荷。根据设计计算数据，给转轴施加电动机的转矩为145.78 N·m，锯片对转轴的转矩为57.86 N·m。

4）划分网格。网格划分类型选择“实体网格”，采用高品质网格单元，单元大小为5.516 36 mm，单元总数为14 842个，节点总数为22 942个，如图3所示。

完成上述设置操作以后，点击“运行”命令图标对转轴有限元模型进行分析求解，就能得到转轴静态应力、应变和位移图，结果如图4～图6所示。

由图4～图6可知，转轴的最大应力出现在带键槽的轴段，其值为91.57 MPa，远小于580 MPa的许用值，因此，该结构的转轴强度满足本次设计和使用要求。转轴的位移最大值为7.899 ×10-3mm，满足实际工作要求；最大应变发生在键槽轴段，最大值为9.784 ×10-5，可以忽略不计。由此可知，本次设计的转轴结构，通过理论分析与有限元验证，在强度与精度上均满足铝型材自动切割机的使用要求，设计合理。

3 结 语

本文以铝型材自动切割机中切割进给单元的核心零件转轴为研究对象，对其传动系统进行结构设计，依据第三强度理论对其弯扭组合强度进行校核。运用SolidWorks软件平台，对转轴进行三维建模，并利用SolidWorks软件自带的Simulation模块，对转轴实现了有限元静态强度分析，得到了其应力、应变和位移云图，分析结果表明，所设计的转轴满足设备的生产性能要求和使用寿命。