去毛刺机刀片的有限元分析

去毛刺机刀片的有限元分析
王会刚
（唐山学院河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室，河北唐山063000）
0引言
去毛刺机是板坯连铸工艺中的重要组成部分，提高去毛刺效率是保障铸坯合格率和板卷质量的必要手段之一[1]，去毛刺刀片更是保证去毛刺质量和效率的关键所在[2]。

本文主要利用数值模拟方法，对去毛刺刀片与板坯接触面积、刀具角度、刀片材料等进行全面分析，分析结果对降低刀片损耗、提高刀片寿命有重要的指导作用。

1去毛刺机及其刀片
常见的去毛刺机有刮刀移动式去毛刺机，铸坯移动式去毛刺机和离心锤刀式去毛刺机[3]。

本文的分析基于离心锤刀式去毛刺机，如图1所示。

离心锤刀
式去毛刺机工作时，电动机通过万向联轴器带动去毛刺机的辊轴高速旋转，锤刀刀片在离心力的作用下高速转动并与轴线垂
直，板坯进入
遮住光栅，旋转的锤刀上升与板坯接触，此时板坯切口处的毛刺就在高速旋转的锤刀刀片打击下被切除。

该种去毛刺机常用的刀具旋转时速度可达到900r/min [4]，刀具上各质点都具有很大的向心加速度，因
此刀具受到较大离心惯性力的作用。

将锤刀刀片的尾部
简化为方形，并不会造成较大的误差。

在刀具离心惯性力计算中，首先假设刀具的质量是均匀的，且刀具下端的外圆和内孔的圆心是重合的，把刀具的整个质量向质心简化。

根据质心求解公式和对称性，得：
y =0；
z =
S y ∑2
i =1A i
=
A 1z 1+A 2z 2A 1+A 2
=
A 1z 1+Sy 2A 1+A 2
；
A 1=60×110=6600mm 2；
A 2=π×302
÷2=1413.7mm 2；
d A 2=y d z ；
Sy 2=
A ∫z d A 2
=-2-300
∫
z （900-z 2）0.5
d z =-18000mm 2；z =(40×60×
80-18000)/(68×80+1413.7)=28.00mm 。

式中：S ji 为i 部分对j 轴的静距；A i 为i 部分的面积；y i i 部分形心的y 坐标；z i 为i 部分形心的z 坐标；y 为质心y 坐标；z 为质心z 坐标。

质心坐标为（0,28.00）。

刀具的尺寸如图2所示，刀辊转轴的中心到刀具的质心的距离为r 0=0.5×240+0.5+28=148.5mm 。

简化后刀具的角速度为ω=2πn /60=2×3.14×900÷60=
94.25rad/s 。

简化后刀具的质量m =0.98kg 。

单个刀具的离心惯性
力F 0=mr 0ω2=0.98×148.5×10-3×94.252≈1293N 。

单个刀具
摘要：在板坯连铸后的去毛刺工艺过程中，去毛刺刀片与板坯的接触面积、刀具角度及刀具材料等是影响去毛刺效果的
主要因素。

文中利用有限元方法对这些影响参数进行了分析，得出了应力、应变等与这些参数的关系。

分析结果对设计制造去毛刺刀片有重要的指导作用。

关键词：去毛刺机；刀片；板坯质量；参数
中图分类号:TP 391.7文献标志码:A
文章编号：1002-2333（2021）03-0001-04
Finite Element Analysis of Deburring Machine Blade
WANG Huigang
(Hebei Province Key Laboratory of Intelligent Equipment Digital Design and Process Simulation,Tangshan College,Tangshan 063000,China)
Abstract:In the deburring process after continuous casting of slab,the contact area between the deburring blade and the
slab,tool angle and tool material are the main factors affecting the deburring effect.This paper uses the finite element method to analyze these parameters.The relationship between stress and strain and these parameters are obtained.
Analysis results have an important guiding effect on the design and manufacture of deburring blades.Keywords:deburring machine;blade;slab quality;parameter
基金项目：
唐山市人才资助项目（A202002031）电动机提升装置万向轴辊道
锤刀
毛刺溜槽
图1离心锤刀式去毛刺机
在去毛刺过程中产生的最大动能E =m （r 0ω）2
/2=96J 。

2
刀片的伸长量计算在刀片随辊刀高速运转的时候，在离心力的作用下，刀片会有所伸长，长销轴也会有一定的变形，从而改变了刀片刀刃与板坯毛刺接触的相对位置，会对去毛刺效果和刀具的寿命有很大的影响。

2.1刀片长方体部分的伸长量计算
刀具以900r/min 的速度高速转动，在离心惯性力下刀片刀体会有一定程度的伸长变形，对简化后的刀片伸长量的计算如图3所示。

取微量d ξ（如图3），右面M 到刀辊转轴中心的200.5mm 。

右面M 到销轴中心的距离为l 0=80+0.5=80.5
mm 。

与右面M 距离为ξ的截面上的加速度为a n =ω2
（l s -ξ）。

微量d ξ边界处的惯性力为
q d （ξ）=ρA 3ω2
（l s -x
2
2）d x =ρω2l 2
02E 1（l s
-l 03
）。

式中：ρ为刀具的密度；A 3为刀具的横截面积。

微量d ξ上的惯性力为 d F =ρA 3ω2
（l s -ξ）d ξ。

距离右面M 长x 处的截面内里为
F N （x ）=
x 0
∫
ρA 3ω2
（l s x -x 2
2
）。

根据胡克定律，d x 微段的伸长量d （Δl 1）=F N （x ）
E 1A 3
d x 。

式中：E 1为刀具材料的弹性模量。

简化刀体长方体部分总的伸长量为
Δl 1=
l 00
∫
F N （x
）E 1A 3d x =1E 1
l 0
0∫
ρω2
（l s x -x
2
2）d x =ρω2l 2
02E 1（l s -l 03
）。

把数据代入计算，得Δl 1=1.87×10-4
mm 。

由上面的计算数据可以看出，刀片上面长方体部分在离心惯性力的作用下伸长量不大，可以忽略不计。

2.2刀片转轴处的伸长量计算及分析
由于刀片销孔部分在离心惯性力的作用下可能会有较大的位移量，故需要对刀片销轴处进行分析。

计算刀片转轴处的伸长量，运用公式计算非常困难，故用有限元的方法把待计算的不规则物体划分成近似的单元进行分析。

简化后的刀片由刀轴部分和一段销轴组成，模型如图4所示。

在实体模型的建立基础上，对刀片和销轴分别进行网格划分。

设置相关中心为100采用空间六面体的划分方式划分网格。

为了真实地反映出离心惯性力对刀片销轴孔部
分的影响，需要把销轴和刀片
底部提供离心力的部位建立接触。

然后施加约束和载荷，在销轴上施加固定约束，约束所有的自由度，给刀片施加Z 方向的位移约束。

在刀片上表面施加大小与离心惯性力等效的均布载荷，施加载荷的情况如图5所示。

通过求解，得出刀片转轴
部分第四强度理论应力图和Y 方向位移图如图6、图7所示。

根据求解结果，刀片的转轴部分的最大第四强度的合成应力值是12.3MPa ，远远小于极限值，所以刀体在旋转过程中的不会出现强度不够的问题。

刀片转轴处Z 方向的最大伸长量为Δl 2=6.71×10-4mm ，刀片的总伸长量为Δl 0=Δl 1+Δl 2=1.87×10-4+6.71×10-4=8.58×10-4mm 。

故刀片的总体伸长量在允许范围在内，对去毛刺效果造成的影响可以忽略不计。

3分析过程3.1模型的建立
根据图2的尺寸参数等，建立刀片的有限元分析模
图3简化刀具长方体部分的伸长量计算
l 0
d ξ
ξ
F N （x
）M
d x
q d （ξ
）x
图4建模
图5施加约束和载荷图6
等效应力图
图2刀具示意图
60
C
O
长销中心
转轴中心
00
图12刀具角度为70°、接触深度为4mm 的变形云图
图13刀具角度为70°、接触深度为4mm 的变形云图
型，如图8所示。

其中，单元类
型采用solid45，材料为45钢。

约束及载荷如图9所示，对刀片前后对称面上施加Z 方向的位移约束，对销轴施加固定约束。

在刀片孔中心Y 方向下0.12m 建立新的全局坐标系，并在此坐标系下设定刀具和销轴的转速为94.25rad/s 。

根据刀片旋转一周的时间和击打毛刺的时间，设定时间步为两步。

在刀刃的上部分的一块面积上添加载荷选项，在第二时间步上添加载荷力大小F x =20580N ，F y =4221N 。

3.2刀刃与毛刺接触面积及刀具角度的影响
在去毛刺机刀片刀刃去除毛刺时，刀刃与毛刺的作用面积难以直接确定，可以通过刀刃与毛刺接触深度来
间接分析。

分析采用常见的刀具角度分别为60°、65°、70°、75°且接触深度分别为3、4、5、6、7mm 时的各种情况下得到的相应的应力分布等。

图10为刀具角度为60°、接触深度为3mm 的应力云图，图11为刀具角度为60°、接触深度为3mm 的变形云图。

图12为刀具角度为70°、毛刺接触深度为4mm 的等效
应力云图。

图13为刀具角度为70°、毛刺接触深度为4mm 的总变形云图。

综合全部情况，得出不同角度和不同接触面积的应力及变形分析结果，如图14、图15所示。

通过以上分析云图可以看出，
随着刀刃与毛刺
的接触深度增大，刀片受到的应力和位移都逐渐减小，其中刀
片受到的应力大
幅度减小，而最大位移减小幅度不大。

当接触深度在4~5mm 之间增大时，刀片受到的最大应力由刀刃部分转移到
刀轴孔部分。

由于毛刺形成的不确定性，在刀具击打毛刺时与毛刺的接触面积较小，会产生比较大的接触应力，对刀具有一定的损伤，减小了刀具的寿命。

在接触深度、刀具角度变化时，刀具的总变形量变化不是很明显（在0.09~0.10mm 之间）；在刀具角度达到65°之后，刀具的应力值减小量明显减少，此时刀具的强度较大，又因为刀具的角度越大，刀具刀刃越钝，切削毛刺的
图7Y 方向位移图
图8刀片有限元模型
图9载荷及约束施加图11刀具角度为60°、接触深度为3mm 的变形云图
0.1000.092
0.1020.096
0.098
0.0900.094
60706575
刀具角度/（°）图14等效应力折线图3mm
4mm
5mm 6mm 图15总变形折线图650
60706575
刀具角度/（°）250300
350
400450
500
550
600
2003mm
4mm 5mm
6mm
图10刀具角度为60°、接触深度为3mm 的应力云图
材料
密度/(kg ·m -3)弹性模量/GPa 泊松比膨胀系数/10-6导热率/(W ·m -1·℃-1
)比热容/
(J ·kg -1·℃-1)
45钢78002000.3011.055474TiN476502500.259.423380TiAlN576004190.227.510320表1材料的物理性质
效果越差，故刀具的角度设计在65°~70°为宜。

3.3刀片材料的有限元分析
对刀片材料进行改进，会明显提高刀具使用寿命。

本文以硬质合金涂层材料TiN4和TiAlN5为例进行分析。

其中，设定参数采用前述的最常见值：接触深度为4mm ，刀片角度采用65°。

材料属性如表1所示。

TiN4涂层刀具的等效应力和总变形云图如图16所示。

汇总3种材料的分析
结果，如表2所示。

由于刀尖部位为最大应力点，刀片破坏的主要形式为刀尖和刀刃破坏，因此选用高强度刀片材料对于增加刀片强度是十分必要的。

由表2可以看出，不同材料刀片在工作过程中受到的应力不同，其应力和变形都相差较大，硬质合金涂层将大大提高刀片寿命。

3.4刀片的局部涂层
硬质合金涂层是通过物理气相沉积和化学气相沉积等方法，在硬质合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC 或TiN 、HfN 、Al 2O 3等薄层，形成表面涂层硬质合金。

刀具的硬质合金涂层有以下优点：1）因为涂层的刀具表面的涂层材料
具有非常高的硬度与耐磨性，所以和没有硬质合金涂层
的刀具相比，涂层刀具可允许的切削速度、刀具寿命都有大幅度的提高；2）刀具表面的涂层材料能够减小刀具与被加工材料之间的摩擦因数，从而减小了刀片的切削力；3）涂层刀片具有很高的高温硬度，减少黏刀现象，不易产生积屑瘤，且刀具的综合性能好。

美国的F.P.Schmidt Manufacturing 公司曾经采用物理气相沉积的方法，对刀片的局部区域涂以2.5μm 的TiN 层，用来提高刀具的加工精度和使用寿命，在4年的使用实践中取得了优异的成果[6]。

与整体涂层法相比，局部涂层法的费用更低；与无涂层刀具相比，局部涂层后的刀具的使用寿命可以提高2~3倍，甚至可达到4倍，是一种经济科学的方法。

去毛刺机刀片由于在刀刃和刀轴孔一小部分受到较大的冲击载荷，刀具的损坏往往发生在这两个部位，利用局部涂层的方法可以在较少提高费用的前提下大幅度提高刀具的寿命。

由于刀片在工作时受到高频的冲击载荷，主要失效形式为摩擦磨损、疲劳破坏和断裂，可以采用以Fe-6B-48Mo-5Cr-5Ni-0.8C/10WC 的双相硬质合金为基础材料体系，加入Mo 、WC
等原料以一定的配比作为硬质合金涂层材料。

涂层后的刀具硬度可达到80HRC 左右，其硬度、耐磨性大大提高，保证刀片基体具有较高的韧性，减少冲击破坏情况的发生，刀具寿命大幅度增长，减少维修和换刀时间，提高生产效率。

4结论
1）去毛刺机刀片与毛刺的接触面积和刀片角度对去毛刺效果和刀片寿命有明显影响。

在本文的分析条件下，接触深度4~5mm 、刀片角度65°为最佳。

2）对不同去毛刺刀片材料进行有限元分析，从提高刀片寿命方面考虑，硬质合金涂层刀片效果最好，也符合普遍的刀具理论。

[参考文献]
[1]陈玲霞.改善板坯的去毛刺效果[J].机械工程师,2011(5):91-92.[2]张敏,蔡志军.锤刀式毛刺机在板坯连铸机上的应用和故障处理[J].连铸,2012(1):26-28.
[3]蔡志军,曹天明.马钢板坯连铸锤式旋转去毛刺机的应用[J].连铸,2009(4):28-30.
[4]蒋军,王海龙.去毛刺机的分析及研究[J].重型机械,2005(3):17-20.[5]石加联,黄宝新.板坯离心锤刀去毛刺高效化的研究[J].机械设计与制造,2010(1):150-151.
[6]
李文虎,刘福田.锤刀表面硬质合金覆层的性质及失效机理分析[J].工具技术,2008,42(11):54-56.
（编辑邵明涛）
作者简介：王会刚（1968—），男，博士，教授，主要研究方向为CAD/CAE/CAM 。

收稿日期：2020-11-19
（a ）应力云图（b ）变形云图
图16TiN4材料云图
（a ）应力云图（b ）变形云图
图17TiAlN5材料云图
表2不同材料分析结果
材料最大应力/MPa 总变形/mm 45钢498.150.103TiN4492.470.086TiAlN5489.210.055欢迎读者到当地邮局订阅《机械工程师》杂志。