基于Simulation的刨边机铜螺母的受力分析

任静

摘 要：延长刨边机铜螺母的使用寿命对提高生产效率和降低生产成本具有十分重要的意义。利用Simulation软件对刨边机铜螺母的受力情况进行了分析。根据受力分析结果，提出了延长铜螺母使用寿命的措施，分别为改变螺纹要素，改善热处理或改变材料，改善润滑条件。

关键词：刨边机；铜螺母；Simulation软件；丝杠螺母副

中图分类号：TG439.9 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.092

刨边机是焊管线上重要的辅助设备，其作用是提升后续内焊、外焊的质量和稳定性，在钢板两边加工出一定角度和大小的坡口。与铣边机相比，刨边机具有切削量大、切削效率高和坡口角度好等优点，能够保证钢板符合所需焊管的生产技术要求。目前，刨边机被广泛应用于国内多家焊管厂的直缝焊管和螺旋焊管机组上。

刨边机属于机床金属加工的刨削领域，由固定座、活动座、输送机构、对中机构、气动压板机构、丝杆传动机构和刀座机构组成。其主运动机构为丝杆螺母机构，可使刀座机构横向移动，刀具切削钢板两边，形成钝边。丝杆螺母机构在机械成型驱动中有其独特的优势——大大简化了传动结构，而且传动平稳，可以传递较大的轴向力，传动效率较高，常用于承受重载及较大的冲击载荷，因而在重载设备中占据着重要的地位。在实际生产中，刨边机的铜螺母易磨损失效，进而影响生产进度，增加生产成本，给企业带来一定的经济损失。因此，研究螺旋副的受力情况及磨损情况，对延长螺旋副的使用寿命，降低企业的成本具有重要意义。本文主要从铜螺母的受力状况、材料力学性能和使用环境等方面进行分析，为进一步研究提供一定的理论基础。

1 铜螺母的材料

本厂铜螺母的铸造材料为铝黄铜，牌号为ZHAL66-6-3-2。铝黄铜合金用工业纯金属Al、Fe、Ni、Mn、Cu和其他添加剂熔制而成，再用铸铁金属型铸造成螺母。螺母副的材料为ZHAL66-6-3-2，丝杆的材料为40Cr，润滑条件为普通液压油。

2 Simulation分析工具

Simulation是Solidworks集成的一个有限元分析系统。它提供了各种解决方案，能够对零件进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析等。借助功能强大、快速的求解器，Simulation软件能够通过计算机模拟零件在实际生产中的工作状况，分析其薄弱位置和受力位置，从而简单、高效地改进设计。

3 丝杆-铜螺母传动受力分析

在刨边机的工作过程中，螺母和丝杆传动是通过螺纹啮合实现的，大部分载荷由螺纹啮合承担。螺母和丝杆的变形是极不协调的，导致载荷沿螺纹线方向分布不均匀和应力集中的情况出现，造成螺纹表面磨损加重，影响传动的精度，引起螺纹螺牙断裂，进而缩短铜螺母的使用寿命。

根据零件的实际尺寸，通过Solidworks软件绘制铜螺母的基本结构。启动Simulation分析软件，根据实际应用工况进行接触分析。铜螺母上的两个键槽与键相互配合。这两个键槽承受切削工作时的横向切削力。在实际生产中，钢板两边常切削45°、4 mm宽的钝边。根据切削力公式的计算结果，两个键槽需承受26 400 N的切削力。设置外部载荷的大小，划分铜螺母的网格，分析结果如图1所示。

如图1所示，铜螺母的主要受力部位为铜螺母安装面，两个键槽对应的部位主要承受切削时的切削力。整个铜螺母出现扭曲状况，实际受力不均，铜螺母局部磨损失效，从而扩散到其他部位。这与实际生产过程中铜螺母的磨损失效状况相同。这两处在长期受力的情况下，首先产生疲劳裂纹，然后逐渐沿环向内壁扩展，最后裂透，造成磨损失效。此外，实际工作中常伴有冲击，这就加剧了铜螺母的磨损，导致螺母失效。

笔者认为，在条件许可的情况下，可以采取以下两种措施：①改善热处理或改变材料。通过改善热处理或改变铜螺母的材料来延长铜螺母的使用寿命，降低使用成本，或在不影响其使用寿命的情况下选用较为便宜的材料。更换铜螺母所用的耐磨性材料，不需要更改丝杆螺母的外形设计则可延长铜螺母的使用寿命。这是一种便捷的改造方法。②改善润滑条件。当丝杆螺母副工作时，由于铜螺母表面相对较软，容易被划伤产生磨粒，导致磨粒磨损。磨粒容易落入螺旋副中，螺牙极易遭到破坏，牙厚减薄，容易因强度不足而折断，使螺母失效。为了减轻或防止咬合磨损和磨粒磨损，应选择合适的润滑油或加入抗磨的添加剂，从而有效提高铜螺母的抗磨性能。

4 结论

本文运用Simulation软件对刨边机的铜螺母进行了接触分析，研究了铜螺母的受力状况。经过有限元软件Simulation计算后，得出了铜螺母载荷的轴向分布。由分析结果可知，铜螺母的主要受力部位为铜螺母的安装面和两个键槽对应的位置。这与实际生产过程中铜螺母失效状况相同，证明本文的分析结果具有一定的参考意义。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕