摘要：在大型螺旋锥齿轮铣削试验过程中，发现原设计的刀片存在破损、崩刃、断裂等问题。对原结构进行有限元分析，求解出应力集中和应变最大的部位。基于试验数据及有限元理论对刀具的结构提出改进设计。将新结构刀片表面进行涂层处理，并提出几何形状改进方案。根据实验确定的最合理的切削参数，将载荷加载到新结构刀具进行分析，验证改进方法。
螺旋锥齿轮与直齿锥齿轮和斜齿锥齿轮相比，具有重叠系数大、承载能力高、传动平稳、噪声小等良好性能，被广泛应用于铁路机车、船舶、汽车、拖拉机等机械产品中，提高了这些产品的可靠性和使用寿命。
本文以正在研制中的某大型螺旋锥齿轮数控铣床为研究对象，针对其铣削时刀片出现的问题进行分析并进行优化改进。图1 是现场加工时的具体工况，在三维制图软件SolidWorks中建立刀片的几何模型，导入ANSYS 有限元分析软件，按照现场实验得到的切削力数据，加载求解，得到其应力等值线和应变等值线图，并根据结果进行刀片结构的优化改进，减少刀片的应力集中和应变，提高刀具寿命。
1 、刀片存在的问题
根据原设计制造的刀片几何结构如图2 所示，实物照片如图3 所示。因刀片的几何结构及材质存在一定的问题，导致刀片的使用寿命极短，使用过程中，刀片圆角过小容易造成应力集中，刀片出现的失效情况如图4（崩刃）、由于目前刀片没有添加镀层，刀片会出现失效情况图5（破损）、偶尔故障时会出现刀具卡断情况如图6（断裂）。
图 1 铣齿时的加工状态（刀具结构照片）
图 2 刀片的几何模型
图 3 刀片的实际形状
2 、建立有限元模型
2.1 刀片模型的建立以及网格的划分在SolidWorks 中建立刀片的几何模型，将图 4 刀片崩刃其导入ANSYS 中进行分析。选择计算单元Solid Tet 8node 185（Solid 185）。刀片材料为硬质合金，取其力学性能为：密度ρ＝7700kg/m³，弹性模量E＝2.1E11 Pa，泊松比η＝0.25。
图 5 刀片破损
图 6 刀片断裂
使用自由网格命令划分网格，对螺栓连接应力集中处网格细化处理，增加结果准确性。所得有限元模型节点数47104 ， 单元数为40950，结果如图7 所示。
图 7 刀片的网格划分
2.2 约束条件
由于刀片在加工过程中，不允许有相对于刀柄的移动，要求刀片装夹牢靠，因此对刀具装夹与刀柄接触的面添加位移约束。刀片与刀柄的实际配合如图8 所示。
2.3 施加载荷并计算
实验加工直径1540 mm 的锥齿轮齿坯时，利用HEIDENHAIN 数控系统自带的数据处理软件TNC scope 对刀具承受载荷的大小进行记录，得到刀具不同切削过程中所受到的载荷的大小及其变化。通过使用不同加工参数进行实验，得到加工表面质量最好时对应的切削参数为进给量f＝5 mm/min、主轴转速n＝75.36m/min、吃刀量ap＝32 mm。并通过TNC scope得到其切削力的大小为2844N，将其作为载荷施加到切削刃上进行有限元分析得到结果如图9、图10 所示。
从结果可知，刀片圆角顶点处的应力最为集中，应变也最大，总应力最大值达到0.198×1010 Pa，总应变达到最大值为1.2×10-5 m，因此可知加工螺旋锥齿轮时，切削刃的圆角部分是最容易失效的部位，与现场实验结果符合。
3 、改进方法
为了减少应力集中和应变，可适当增大圆角，减少其应力集中和应变，对于可能出现的因积屑过多导致的刀具被卡住的问题，可在刀片上增加排屑槽，改变切屑的尺寸和形式，对于刀片断裂可在刀片上增加TiAlN 涂层以增加其强度。刀片修改后的模型划分网格的结果为图11，其余有限元前处理条件与改进前相同。对其加载试验对应的载荷，进行有限元分析计算，得到的应力、应变等值线如图12 和图13。
图 8 刀片与刀柄部装实物
图 9 刀片的应变等值线图
图10 刀片的应力等值线图
图 11 改进的刀片划分网格
图12 应力的等值线图
图13 应变的等值线图
经过以上分析，可得到改进后的刀片应力值为0.122×1010Pa，小于其抗压强度0.42×1010Pa。应变为1.08×10-5m，与前面结果相比，变形有了显著的减小，刀片破损的概率有所下降。刀片增加涂层后的抗磨性和强度显著增加。改进前后的刀具相关状态对比如表1 所示。
表 1 优化前后的对比
4 、结论
经过对原结构刀片的有限元分析与现场实验结果的对比，得到此结构刀片在加工过程的主要问题及诱因，为这类问题的解决提供了可参考的依据。对刀片改进后的分析结果证明了这种方法的可行性，刀片的圆角以及排屑槽的添加只是理论上能解决这些问题，还需要现场实际实验的验证。
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