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欧式门窗材四面刨削结构设计与有限元分析

发布者: 顺畅 | 发布时间: 2020-1-8 09:52| 查看数: 72| 评论数: 0|帖子模式

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欧式门窗材四面刨削结构设计与有限元分析
马 岩, 邓英健, 杨春梅*, 缪 骞, 蒋 婷
(东北林业大学林业与威廉希尔手机登陆机械工程技术中心,黑龙江 哈尔滨 150040)
摘 要:为了提高欧式门窗材切削效率,改善切削性能,对欧式门窗材四面刨整体结构进行了设计,并对木材刨削进行有限元仿真分析。首先对四面刨的整体布局进行设计,并阐述四面刨的总体结构和工作原理。其次,从木材的各向异性特性出发,建立其平衡、几何和本构方程,从而推导得出相应的力学模型。选择MAT_20 和MAT_143分别作为刀具和木材的材料模型,在Hypermesh中构建旋转刨刀切削木材的有限元模型,并利用LS-DYNA求解器对切削过程进行求解,分别得到切削过程中刀具和木材的应力云图和等效应力曲线图。通过分析可知刀具在切削过程中所受的最大应力位于刀身装夹处,木材所受最大应力在木材上表面切屑分离处。建立了木材切削失效力学模型,准确地模拟了木材切削过程,为优化切削运动参数提供了理论参考,对优化刀具的结构和材料参数具有重要意义。
关键词:四面刨;结构设计;HyperMesh;LS-DYNA;有限元分析

[size=1em]根据2019年《国统调查报告网》显示,国内木门窗行业发展迅速,企业对木门窗加工设备产生了巨大的需求,窗型加工设备正朝着高精度、高效率的方向发展[1-3]。为了适应威廉希尔手机登陆刨床行业发展的客观趋势,研发一种加工窗型更多、结构更紧凑、生产效率更高的欧式门窗材四面刨具有重要意义。切削刀具部分是欧式门窗材四面刨的主要工作部件,切削性能的好坏严重影响木材的切削效率和质量,目前国内外针对木材切削理论的研究取得了一定进展[4-12],但对刀具切削过程的模拟仿真却未见报导。本文从木材的力学特性出发,建立木材切削失效的力学模型,并利用Hypermesh联合LS-DYNA软件对木材切削过程进行仿真模拟,得到刀具和木材的应力云图和等效应力曲线图,深度研究了切削过程,为优化切削刀具的运动参数和结构参数提供理论数据,对降低机器功耗、提高加工后表面的质量有重要的意义。

1 欧式门窗材四面刨的总体布局

[size=1em]欧式门窗材四面刨整机主要由机架、前进料台、进料压辊组件、下表面刨刀轴组件一、右表面刨刀轴组件、铣形主轴一、铣形主轴二、上表面刨刀轴组件、下表面刨刀轴组件二及三组侧压辊组件组成,其总体布局如图1所示。其中铣形主轴一、铣形主轴二为5把刀具依次串联安装在主轴上,可通过主轴的竖直升降实现自动换刀,以满足不同窗型的铣型要求。欧式门窗材四面刨主要通过切削装置以及送料机构来实现对门窗材的侧面铣形及上下抛光处理,加工后的工件可以得到精确的尺寸和光滑美观的表面,成为带有欧式风格的门窗材[13]。

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[size=0.8em]图1 欧式门窗材四面刨总体布局
1.前进料台;2.门窗材原材;3.进料压辊组件一;4.下刨刀轴组件一;5.进料压辊组件二;6.右刨刀轴组件;7.进料压辊组件三;8.进料压辊组件四;9.进料电机;10.进料压辊组件五;11.上刨刀轴组件;12.进料压辊组件六;13.升降进料横梁组件;14.侧压辊组件一;15.前调节面板一;16.侧压辊组件二;17.机架;18.铣型主轴组件一;19.铣型主轴组件二;20.前调节面板一;21.下刨刀轴组件二

[size=1em]工作时,欧式门窗材四面刨的切削属于连续切削,首先整机启动,输入窗型及加工尺寸,将门窗材原材放入前进料台,压辊组件进行预压紧与定位,并通过传感器测出加工余量,按下工作按钮,进料系统电机工作,进料压辊开始转动,进给送料。工件依次通过下刨刀轴一、右刨刀轴、铣形主轴一、铣形主轴二、上刨刀轴、下刨刀轴二,完成欧式木窗材的切削,其中有四个轴为平面刨削,其为欧式门窗材四面刨的主要切削方式。

2 木材切削失效力学模型建立

[size=1em]木材在力学研究中可以被认为是具有正交各向异性的材料,即在纵向、径向、弦向这3个方向上具有不同的力学性质[13]。如把木材看作是弹性体,其力学模型如下:

[size=1em]平衡方程:

[size=1em]σij,j+fi=0(i,j=1,2,3)

[size=1em](1)

[size=1em]几何方程:

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[size=1em](2)

[size=1em]本构方程:

[size=1em]σi=Cijεj(i,j=1,2,l,6)

[size=1em](3)

[size=1em]式中:σ为应力;f为整体力;ε为应变;u为位移;Cij为刚度。根据正交的特性,Cij有9个独立的量。在一般的边界条件下要得到以上力学模型的解非常困难,因此本文将其假设为(x-y)平面上的力学问题,于是上式(3)可以写成如下形式:

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[size=1em](4)

[size=1em]式中:s为柔度, 9adc1ac79bacd2463a5cc41b97e21a90.jpg 其中,E为弹性模量,γ为剪切应变,G为剪切模量。由式(4)可以得到用应力函数表示的变形协调方程:

[size=1em] d711f094b407b2c193210901a05336e4.jpg
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[size=1em](5)

[size=1em]其中:A为应力函数,其与应力分量的关系为:

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[size=1em](6)

[size=1em]因此,上述方程在(x-y)平面上的边界条件可表示为:

[size=1em] c73a10e58dea7d7031b7c233f9dc2eb4.jpg (位移边界)

[size=1em](7)

1940af7341ce74dd7d54ea67fd00474a.jpg

[size=1em](8)

[size=1em]式中:p为应力;l、m为法线方向的2个方向余弦。

[size=1em]从而该问题即转化为研究式(5)这一偏微分方程的通解问题。引入复变量z=x+μy,即可将应力函数A写成广义复变函数的形式:

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[size=1em](9)

[size=1em]式中:F(z)为调和函数;(F(z))为F(z)的共轭函数。

[size=1em]对于正交各向异性材料,把式(9)代入到式(5)即可以得出应力函数的通解:

1d6533afe06f102f388505b163715fa4.jpg

[size=1em](10)

[size=1em]将式(10)代入到式(6),即可以得应力分量的表达式:

95ad62c9b3fbbe3d170084aaa97f6bbb.jpg

[size=1em](11)

[size=1em]式中:

abf4040b84403076f521ef0524bb0cd6.jpg

[size=1em]将式(11)代入用应力表示的强度理论即可以判断木材的失效,由此即可以通过判别工件单元的物理量是否达到临界条件来判别单元网格是否失效。在有限元分析中常用的失效准则有等效塑性应变准则、应力准则和应变能密度准则等。本文采用JohnsonCook模型中的等效塑性应变来衡量材料的失效准则[14-15]。

3 切削过程的有限元仿真

[size=1em]切削机构是欧式门窗材四面刨床的核心构件[16],切削的性能直接决定了被加工工件的加工质量,因此对刨刀切削的过程进行仿真模拟是必要的。本文选取欧式门窗材四面刨其中一个刨刀轴为研究对象,对平面刨削进行有限元模拟。

3.1 刨刀切削模型的建立

[size=1em]在Solidworks软件中建立1∶1的刨刀模型,刨刀直径为Φ180 mm、刀片数量为6、刀具楔角为35°,木材规格为100 mm×100 mm×250 mm,然后将其导入hypermesh中。选择单元类型为solid 90,定义模型的切削参数。为了尽量还原木材切削过程,所有的切削参数均采用欧式门窗材四面刨的设计参数,定义刨刀逆时针转动,转速6 800 r/min,木材的进给速度为20 mm/s,切削深度为5 mm。定义仿真时长为0.05 s,仿真步数为250。分别对模型中各个部件进行网格划分,由于在0.05 s切削过程中木材左上端为主要切削域,故而对木材左上角进行局部细化,共划分网格单元270 458个。网格划分效果如图2所示。

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[size=0.8em]图2 切削模型的网格划分

3.2 材料属性及相关参数的设置

[size=1em]3.2.1 刀片材料的设置

[size=1em]在刨刀切削过程中,刀片所受应力及变形对研究刀具的磨损具有重要意义,因此刀片不能定义为刚体。定义刀片材料的关键字模型为MAT_20,弹性模量为2.06×109 N/m2,密度为7.890 g/mm3,泊松比0.3。

[size=1em]3.2.2 木材的材料本构模型及设置

[size=1em]查阅木材切削仿真相关文献[17-19],针对LS-DYNA的材料库进行研究后,得知 MAT-143(MAT-Wood)是一种专门用来描述木材的材料,它不仅包含了所有木材的参数,同时也是一种允许材料侵蚀的模型,也就是当木材材料达到屈服应力之后材料将被删除,这与本课题研究的的切削仿真十分吻合。故而以北方的杉木为研究对象,以顺纹理切削为例,在hypermesh软件中修改木材的关键字模型参数。关键字表输入见表1。

[size=0.8em]表1 木材模型关键字表
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4 仿真结果分析

[size=1em]运行仿真文件,得到仿真结果,并观察其整体的Von Mises应力云图,如图3所示。

[size=1em]图3(a)是切削过程中刀具和木材整体的Von Mises应力云图。该切削过程中,木材受切削力影响产生变形,随着应力和变形的不断增大,木材被切削部位产生撕裂,形成切屑,此过程中受力最大部位为刀片。由于木材所受应力相比于刀片较小,故对其单独查看,Von Mises应力如图3(b)所示,可见木材所受应力最大处为木材上表面切屑分离处。

[size=1em]为了更直观地观察切削过程中刀片所受应力的变化,选取刀片为研究对象,对刀片从刀尖至装夹处依次选取同一y、z坐标所对应的5个测量点5 360、5 486、5 612、5 738、5 864绘制刀片的等效应力曲线,如图4所示。

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[size=0.8em]图3 木材切削Von Mises应力云图

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[size=0.8em]图4 刀片的等效应力曲线

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[size=0.8em]图5 木材的等效应力曲线

[size=1em]在图中可明显看出该刀片进行了6次切削,每次切削时间间隔约为0.008 82s。每一次切削时刀片与木材接触的瞬间接触面积极小,故而接触瞬间易产生较大的应力突变,最大可达1.5×109 Pa,故而刀具选材应具有良好的抗冲击韧性。5个测量点所观测的应力趋势基本一致,但从刀尖至装夹位置处应力依次增大,故而切削过程中刀片所受最大应力发生在刀身靠近装夹处。

[size=1em]对木材同样取在木材上表面同一y、z坐标所对应的6个测量点553 08、552 08、551 08、550 08、549 08、548 08。分别得到其等效应力曲线如图5所示。

[size=1em]图中六个测量点分别位于不同的切屑上,切削时各个测量点处均受到应力作用,直至切屑分离后应力骤降为0。由于木材上表面在切削时受到木材之间的挤压力和刀具的剪切力以及犁力的共同作用,综合等效应力不规律。且木材是各向异性材料,且存在细胞的胞间作用力,故而应力大小并非木材失效的准则,其是否失效需用等效塑性应变来衡量。

5 结论

[size=1em]完成了欧式门窗材四面刨的整体结构设计,建立了木材切削失效力学模型,通过对木材、刀具材料做出合理设定,建立了刨刀-木材的刨削有限元模型,利用LS-DYNA软件进行了刨刀切削木材的有限元仿真分析,得到以下结论:

[size=1em](1)LS-DYNA有限元仿真可以应用于刨刀刨切木材的研究,首次采用MAT_143木材本构模型和MAT_20金属弹性本构模型这两种材料模型能很好地模拟木材和刀具的材料属性,为木材切削的有限元模拟提供有效参考。

[size=1em](2)通过理论分析和LS-DYNA有限元仿真结果相结合,进一步验证了刀具在切削过程中所受的最大应力位于刀身装夹处,木材所受最大应力在木材上表面切屑分离处。

[size=1em](3)在切削过程中刀具所受应力时刻变化,在刀具接触瞬间应力突增,随后应力急剧减小,故而刀具在选材时应具备良好的抗冲击韧性。

[size=1em]参考文献:

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Four-sided Planing Structural Design and Finite ElementAnalysis for European Door and Window Materials
[size=1em]MA Yan, DENG Ying-jian, YANG Chun-mei*, MIAO Qian, JIANG Ting
[size=1em](Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center, Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040,China)

[size=1em]Abstract:In order to improve the cutting efficiency and performance of European door and window materials,the whole structure of four-side planers for European doors and windows was designed,followed by finite element-based simulation analysis of wood planing.First of all,the overall layout of the four-sided planer was designed,and the overall structure and working principle of the four-sided planer were explained.Secondly,based on the anisotropic properties of wood,the equilibrium,geometric and constitutive equations were established,and the corresponding mechanical models were derived.MAT_20 and MAT_143 were selected as the material models of cutting tools and wood respectively.A finite element model of cutting wood with rotary plane tool was constructed in Hypermesh,and the ls-dyna solver was used to solve the cutting process,and the stress cloud diagram and equivalent stress curve diagram of cutting tool and wood were obtained.Through the analysis,it can be known that the maximum stress on the cutting tool is at the clamping place of the cutting tool body,and the maximum stress on the wood is at the chip separation place on the upper surface of the wood.Establishment of a mechanical model for wood cutting failure,and accurate simulation of the wood cutting process.This cutting process provides a theoretical reference for optimizing the cutting motion parameters and is important for optimizing the tool’s structure and material parameters.

[size=1em]Key words:four-side moulder;structural design;HyperMesh;LS-DYNA;finite element analysis


[size=1em]中图分类号:TH122;TS642

[size=1em]文献标识码:A

[size=1em]文章编号:2095-2953(2019)11-0019-06

[size=1em]收稿日期:2019-09-26

[size=1em]基金项目:黑龙江省应用技术研究与开发计划项目 (GA19A402)

[size=1em]第一作者简介:马 岩(1954-),男,教授,博士,主要从事林业与威廉希尔手机登陆装备智能化的研究,E-mail:3198408482@qq.com

[size=1em]*通讯作者:杨春梅(1977-),女,教授,博士,主要从事林业与威廉希尔手机登陆装备智能化的研究,E-mail:ycmnefu@126.com



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