退刀槽对轴类零件强度的影响研究.pdf

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第1期(总第176期)
机槭工程与自动化
2013年2月
MECHANICAL ENGINEERING &. AUTOMATION
Feb
文章编号:1672-6413(2013)01-0012-03
退刀槽对轴类零件强度的影响硏究
许树勤,赵建琴,李阳
北京工业大学耿丹学院,北京101301)
摘要:建立了轴类零件上M10不同螺距退刀槽承载能カ的二维简化有限元模型。有限元分析表明:退刀槽
处的应カ集中系数与螺距无关,其区域大小为倒角半径R的12%。设计了带退刀槽缺ロ的板材试样和带返
刀槽的材试样进行拉伸试验。试验表明:板材拉伸试验与棒材拉伸试验结果相同。对脆性材料,如果按照
缺口处的有效面积计算,还需把平均載荷放大1.55倍;如果忽略退刀槽带来的面积减小,则需把平均载荷
放大2.31倍。对塑性材料可仅考虑有效面积的减小带来的承載能力的降低。
关键词:退刀槽;螺纹轴;有限元分析;应力
中图分类号:TG62
文献标识码:A
0引言
材料弹性模量E=200GPa,泊松比x=0.3,单元
在加工内外螺纹时,为了保证刀具从螺纹退出且类型选择平面8节点单元。在网格划分时,选择三角
不伤刀具,在轴上需要设置退刀槽。在退刀槽处会产形网格,在退刀槽圆弧倒角处进行局部4级网格细分
生应力集中,使轴的使用寿命降低,甚至导致轴的失在施加约束时,底边进行Y方向约東,底边中心节点
效。由于退刀槽尺寸较小,设计中一般只通过轴所要进行X方向约束。在顶边施加均布位移载荷,按最大
承受的载荷大小来选取安全系数,往往会忽略退刀槽相对伸长0.2%估算。4个试验的退刀槽有限元模型
对轴类零件的强度影响。
应力分布如图2~图5所示。
本文以M10螺纹轴不同螺距退刀槽为例,根据文
L=114
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
L=67
应力集中区域的大小;使用模拟含退刀槽轴的金属塑
ds
性板材进行拉伸试验,确定退刀槽对塑性材料的影响
R d2
(材料Q235冷压钢板,厚度1.16mm);用模拟含退刀
L。=57
槽轴的塑性金属棒材进行拉伸试验,确定三维轴转化
图1试验模型二维图
二维平面的合理性(材料Q235棒料,外径西10);通过
表1试样参数表
模拟含退刀槽轴的脆性金属棒材确定退刀槽对脆性材
退刀槽长度
料的影响(材料HT200棒料,外径Φ10)
试验编螺距槽径宽度
圆角半径R槽定位尺寸d
d1
1退刀槽的有限元分析
4.512.9
31.25
211.258.813.7512.250.631.625
将M10螺纹轴转化为二维板材进行分析,通过不
6
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
从图2~图5可以看出退刀槽的应力集中区域的
板材拉伸试样的二维图如图1所示。有限元模拟模型范围,通过有限元分析软件可以确定区域的大小为倒
的参数如表1所示。图1中,L为试件总长,L.为平角半径R的12%。应力集中区域等效应力最大值相
行长度,L,为原始标距
差不大,可以确定应力集中系数与螺距无关。有限元
米北京工业大学耿丹学院基金资助项目(GDKY2011-3)
收稿门期:2012-09-17;修同口期:201209-24
作者简介:许树勤(1955-)?女,山西临汾人,硕士:教授,主要从事机械工程领域教学与科研工作。
2013年第1期
许树勤,等:退刀槽对轴类零件强度的影响研究
13
软件虽然可以模拟应力集中情况,但是无法模拟现实试样为光轴)。金属板材拉伸试验数据取试验平均值,
中轴受力时退刀槽应力集中处材料的局部硬化所带来如表3所示。
的承载能力变化,也无法给出断裂情况。尚需金属材
表2金属板材拉伸试样参数
料拉断试验模拟轴断裂情况,将有限元模拟与试验结「试験号」螺距外径宽度「径宽度」试件个数
果进行综合分析。
A
1.5
10
1.25
8.8
46514636
C
10
3.8
3
D
0.75
9.2
E
360,912
662.246
480.094
表3金属板材拉伸试验数据
4623.622
632.61
651.573599.276
试验编号断裂载荷均值用槽根尺す计算「忽略退刀槽尺寸
783.144718.457
(KN)
应力(MPa)「计算应力(MPa)
000
837.639
3.50
368
302
956.821
372
1076
C
380
334
图2试验1等效应力分布图
D
3.79
362
327
83.338
E
3.92
338
13.334
132.153
为了定量表达退刀槽对零件强度的影响,给出第
69.672
260.972
组试验的应力系数K,承载能力系数Ka,计算结果
523
488.611
列于表4。K和Kn的表达式为:
29.067
K
A28,089
66.767
845.069
.572
963.888
1083
K
图3试验2等效应力分布图
其中:o。、F分别为第i组试验的断裂应力、断裂载荷
385.638
o、FE分别为第E组试验的断裂应力、断裂载荷。
13.349
301.042134.587
表4金属板材承载能力系数表
0.881
265.825
K
377.063
试件编号
用槽根尺す计算忽略退刀槽尺す计算
K
041
15
498.301
A
1.089
1.119
0.892
619.539
015
B
1.101
1.033
0.969
862.016
C
1.124
1.011
0.989
333.1069938.254
D
1.071
1.040
0.96
1104
均值
1.096
0.954
图4试验3等效应力分布图
通过金属板材拉伸试验数据分析,可以看出塑性
12.853
2.978
材料的应力集中系数并不大,承载能力系数并未降低
122.597
44.934
很多。以试验A的数据为例,退刀槽截面积减少了
242.216
134.555
16%,但是承载能力只减少了10%。这是因为退刀槽
427
361.835