高速液压夹头结构的优化设计.pdf

23 6 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nM a n u f a c t u r e 第 7期 2 0 1 5年 7月 高速液压夹头结 构的优化设计 陶德飞 ， 李朱峰 2陈建 ， 王贵成 1,2 1 ． 江苏大学 机械工程学院， 江苏 镇江2 1 2 0 1 3 ； 2 ． 南通理工学院 机电工程学院， 江苏 南通2 2 6 0 0 0 摘要 高速夹头是高速加工工具系统的重要组成部分， 被广泛用于中轻加工载荷的高速k． Y - ， 其性能直接影响高档数 控机床的性能及加工质量。通过高速液压夹头／ 刀具模型有限元分析发现 夹头／ 刀具接触应力分布不均， 夹头油腔转角过 渡区域应力集中。本研究对油腔转角区域采用单元弧过渡形线， 基于结构优化设计理论和优化方法， 利用A n s y s 优化分 析模块对夹头， 刀具模型进行优化。结果表明 结构优化改善了夹头／ 刀具接触应力分布。 降低了夹头液压腔转角过渡区域 应力集中和减小了接触压力峰值， 提高了高速液压夹头的可靠性和稳定性。 关键词 高速加工； 液压夹头； 结构优化； n- - f 靠性； 有限元法 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 7 0 2 3 6 0 4 Op t imi z a t io n D e s i g n o f Hig h S p e e d H y d r a u l ic Ch u c k S t r u c t u r e T A O D e - f e i ， L I Z h u - f e n g ， C H E N J i a n ， WA N G G u i - c h e n g ’ 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， J i a n g s u Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ； 2 ． Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， N a n t o n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， J i a n g s u N a n t o n g 2 2 6 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t A s a ／ ／ , i m p o r t a n t p a r t o f h i g h s p e e d m a c h i n i n g t o o l i n g s t e m，h i g h s p e e d c h u c k is w i d e l y a p p l i e d t o h i g h s p e e d m ach i n i n g o fv a r i o u s l o a d s b u t h e a v y ， and t h e p e 矿 0 l l n o 3 1 e ofw h ich d i r e c t l y a f f e c t s t h e p r o p e r t y and p r o c e s s i n g q u a l i t y o f a d v a n c e d c o m p u t e r n u m e r i c a l c o n t r o l m ach i n e t o o l s ． I t is f o u n d f r o m t h e ana l y s is o f h y d r a u l i c c h u c k ／ t o o l F E M m o d e l t h a t t h e r e ave s o r n pr o b l e ms ，s uc h a s u ne v e n h y d r au l ic c h uc k ／ t o o l c o n t a c t p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n，s t r e s s c o n c e n t r ati o n i n c h u c k c avi t y C O I T b e Ft r a n s i t ion r e g i o n ． Ba s e d o n s t r u c t u r a l o pt i miz ati o nt h e o r yandme t h o d s ， app l i e s t r a n s i t i o n a r c s t o h y d r aul ic c h u c k o i l c y c o r n e r s a n d u t i l ize s Amy 5 o p t i mi z ati o n a n a l y s i s mo d u l e t o o pt i mize c h u c k ／ t o o l mo d e l T h e F e s lA l q s h o w z h at s t r uct u r al o p t i mi z ati o n i mp r o v e s c h u c k ／ t o o l c o n t act s t r e s s d is t r i b u t i o n and d e c r e a s e s t h e c o n c e n t r a t e d s t r e s s i n h y d r aul ic c h u c k c 删i t y c o r n e r t r a n s i t io n r e g i o n a n d c o n t act p r e s s u r e p e a k ． I n add i t i o n ，i t a l s o i m p r o v e s t h e r e l i a b i l i t y and s t a b i l i ty o f觚咖 s p e e d h y d r a u l w c h u c k ． Ke y W o r d s Hi g h S p e e d Ma c h i n i n g； Hy d r a u l i c Ch u c k ；S t r u c t u r a l Op t i mi z a t i o n ； Re l i a b i l i t y ； Fi nit e El e me n t M e t h o d 1引言 高速加工工具系统是高档数控机床的关键部件之一，其性 能直接影响高速加工的质量和效璋 。 高速液压夹头是常用高速加 工工具系统的重要组成单元，工具系统通常处于高速旋转状态， 液 压夹头往往发生夹持力不足或疲劳失效等现象， 直接影响高速加工 安全性并降低生产效率， 成为高速加工故障的主要原因之一。研究 表明 液压夹头／ 刀具接触压力分布不均， 存在接触应力峰值点， 油腔 转角处应力集中， 在交变载荷作用下， 夹持孔壁疲劳磨损， 油腔产生 裂纹， 影响夹头夹挣陛能和疲劳寿命日 。因此， 对夹头油腔转角区域 采用单圆弧过渡形线 ， 运用有限元对液压夹头结构参数和过渡形 线进行优化， 得到合理的夹头尺寸， 从而改善接触应力分布， 减小 应力集中， 对提高液压夹头的稳定性和可靠性具有重要意义。 2液压夹头／ J 具接触状态分析 液压膨胀式刀具夹头结构， 如图 1 a 所示。 2 ． 1液压夹头有限元模型建立与求解 选取 T E N D O H S K C 6 3型液压夹头， 其结构尺寸， 如图 1 b 所示。夹持直径范围为 1 6 3 2 mm。 1 建立实体模型。 利用 A n s y s 建立夹头， 刀具二维轴对称装 配模型。 夹头和刀具物理特性， 如表 1 所示。 2 定义单元、 设置配 合参数与边界 自由度。 定义轴对称的四边形单元， 设置夹头／ 刀具接 触对。 根据文商 ， 刀具直径大于8 mm， 刀杆精度等级为 ， 设置间隙 1 6 1x m。约束夹头与刀具轴向自由度， 刀具中心线径向自由度。 3 加载求解。对油腔施加 6 5 MP a 油压载荷， 进行求解分析结果图， 如图2所示。 来稿 日期 2 0 1 5 0 1 2 0 基金项目 国家自然科学基金项目 5 1 0 7 5 1 9 2 ； 国家重大科技专项 z x 2 0 1 3 O 4 0 O 9 O 3 1 作者简介 陶德飞， 1 9 9 0 - ， 男 ， 江苏人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向 高速夹头及加工工具系统 ； 王贵成 ， 1 9 5 5 一 ， 男， 吉林人， 博士研究生 ， 博士生导师， 教授， 主要研究方向 高速加工和精密加工 第 7 期 陶德飞等 高速液压夹头结构的优化设计 2 3 7 a 夹头结构 b 夹头结构尺寸 图 1液压膨胀夹头 Fi g ． 1 Hy d r a u l i c C h u c k 表 1刀柄、 夹头和刀具基本物理特性 Ta b ． 1 Sh a n k 、 Ch u c k a n d T o o I Ba s ic Ph y s ic a I Ch a r a c t e r i s t ic s 2 ． 2液压夹头／ 刀具接触存在的问题 冀 出 摇 蝼 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 O 6 o 7 0 夹头内壁接触长度 m m a 接触压力 随接触长度变化 曲线 b 夹头／ 3 3 具等效应力 V O N M I S E S 分布图 图 2分析结果 Fi g ． 2 An a l y t i c a l Re s u l t s 1 接触压力分布不均。由图2 a 可知 夹头与刀具的接触 压力成马鞍形分布。在油腔中间段处接触压力分布均匀， 向两端 延伸时，接触应力急剧增大 ，形成两个压力峰值 ，分别为 7 4 ． 7 7 1 MP a 和 7 1 ． 7 7 MP a ， 之后迅速减小到 0 。夹头与刀具接触区 域平均接触压力 2 3 ．0 9 MP a 。 2 夹头油腔存在应力集中。由图2 b 可知 夹头油腔四处转角为夹头／ 3 3 具接触模型的应力集中区 域， 最大等效应力达5 9 5 ． 6 4 4 M P a 。 3液压夹头结构优化设计 3 ． 1夹头优化方案 液压夹头过渡形线和力学模型， 如图 3 所示。为了减小夹头 油腔过渡区域应力， 根据液压缸法兰过渡形线[6 1 ， 对夹头转角处采 用单圆弧过渡形线， 如图3 a 所示。 a 夹头单圆弧过渡形线 b 圆弧过渡区域曲杆力学模型 图3液压夹头过渡形线和力学模型 Fi g ． 3 C i r c u l a r Tr a n s i t i o n Li n e a n d Me c h a n i c a l Mo d e l o f Hy d r a u l i c C h u c k 以过渡形线圆角半径 R A D I U S和夹头结构参数膨胀壁厚 度 T HI C K， 凸起高度 H E I G H T ， 凸起长度 L E N G T H， 液压腔宽度 WI D T H为设计参数； 以夹头对刀具的夹紧扭矩 T为约束条件， 在 保证夹头夹持性能的前提下， 反复优化改变夹头设计变量 ， 有效 降低夹头过渡区域应力集中， 使应力逼近最小值 ， 同时减小夹头／ 刀具接触应力峰值， 改善接触应力分布， 提高疲劳强度， 延长结构 寿命 。 3 ． 2液压夹头力学模型 液压夹头几何形状、位移约束和所受压力载荷呈现轴对称 性， 取夹头的一子午面进行受力分析。如图 3 a 使用垂直于对称 轴的两个平面 A A 和 B B将夹头切开， 得到①段圆筒， ②段油 腔内壁和③段夹头圆弧过渡区域 ， 以单位圆周上弯矩 、 剪力 Q 和轴力 Ⅳ代表相互作用内力。 圆弧过渡区域③是夹头应力集中部分。由轴对称性质可知 切应力为零， 油腔圆弧过渡区域内壁处于主应力状态， 承受环向 拉应力 ， 是过渡区最危险部分。 如图 3 b 所示， B为内壁任一点， 与 B点切线方向相同， 先不考虑 ， 油腔圆弧过渡区域和平面曲杆应力状态相似。用曲 杆模型计算圆弧部分应力。 曲杆内部半径为 ， 取外部半径 圮胡 。 根据平面曲杆 理论， 求得油腔圆弧过渡区域内壁 r 时应力 f 螺也。R s i n 。 1 ’ l R 1 。 。 J C O S s in p - R 23 8 No ． 7 机 械 设 计 与 制 造 J u l y ． 2 0 1 5 一p c o s ／ r 4 ] 式中 p 一油压载荷 。 为结构优化设计 S目标 函数 。优化前 最大等效应 力值达 f ’ 1 、 ～ 5 9 5 ．6 4 4 MP a 。 f 3 综上所述， 建立液压夹头优化数学模型 R R o - R ／ l n R J R S 尺 ‘ [ R o R ／ 2 - R j x R 1 - s i n ， r R 1 - c o s p 一旦 二 【 堡 ， 一 R 一 R f R 陀 6 1 取①段圆筒单位圆周宽度纵向长条作为弹性基础梁，结合 圆柱壳理论可以求得弯矩 、 剪力 Q 和轴力 。 油腔圆弧过渡区域内壁等效应力为 、 ／ I 一 o -6 ‘ o- 0 一 ～ J ／2 4 3 ． 3建立夹头仞 具接触模型有限元参数化分析流程 A n s y s 设计优化功能强大， 其优化设计技术须借助 A n s y s 参 数化设计语言 A P D L 。利用 A P D L程序语言与宏技术组织管理 A n s y s 有限元分析命令，参数化建立夹头／ 7 3 具有限元接触模型， 参数化加载和求解、 提取夹头有限元分析结果 ， 创建参数化分析 流程， 并对其中设计变量执行优化改进 ， 达到最优化设计 目标。 A n s y s 有限元优化设计包含两个重要文件 A n s y s 分析文件 和优化控制文件。 分析文件包括一个完整过程 参数定义、 参数化 建模 、 求解、 结果提取和目标函数赋值。 优化控制文件包括定义三 大变量、 优化方式和优化控制等。 A n s y s 分析文件包含一个完整循环， 在优化求解迭代计算过 程中， 优化控制文件使设计变量在每次循环中不断被改变 ， 直到 满足设计要求。 3 ． 4建立液压夹头结构数学模型 1 设计变量 定义圆角半径 R A D I U S 、膨胀壁厚度 T HI C K、凸起高度 H E I G H T 、凸起长 度 L E N G T H和液压 腔宽度 WI D T H为设计 变 量， 根据夹头整体结构以及各尺寸问关联性确定变量上下限。 2 状态变量 提取有限元分析中接触压力最大峰值 P MA X以及夹头对刀 具夹紧扭矩 T ， 作为性能约束条件。 夹头优化前， 接触应力峰值 P MA X达 7 4 ．7 7 1 MP a 。以峰值下 降 1 0 ％为优化期望值， 即设定 P MA X _4 5 0 N m为状态变量。 3 目标 函数 最大应力值点是夹头过渡区域最易产生疲劳裂纹源的地方， 是最危险点。 提取有限元分析中最大等效应力值 MV O N MI S E S ， 作 O 0 DH2 W I DTH一 2R≥0 PMAX 65 45 0 MVONMI S ES Mi n 3 ． 5液压夹头优化设计结果 1 优化最佳设计序列 经过 2 0次优化迭代计算获得最佳的设计序列 H E I G H T 1 ． 4 3 43mm， RADI US1 ．97 30 mm， THI CK1 ． 5 9 82 mm， W I DTH 4． 9 1 7 0 mm ， L E NGT H 3 9 ．2 6 5 mm， P MA X 5 5 ．0 5 2 MP a ， T -- -4 7 9 ．3 7 N．m， M v 0 N MI S E S 4 8 0 ．5 9 MP a 。 优化分析迭代过程中状态变量和 目标函 数变化， 如图 4 所示。 状态变量中，夹紧扭矩 T在优化求解的初始阶段小于设计 值， 在 S - Z 0 次迭代计算中虽有波动， 但基本达到要求值并趋于 稳定 ； 在 1 - 1 5 次迭代过程中， 接触应力峰值 P M A X起伏不定 ， 但在随后过程中， 峰值一直减小并处于控制值之下， 直到优化求 解结束 。 目标函数值 MV O N M I S E S 在初期随着迭代次数增加，呈现 增大趋势， 第 7 次迭代时达到峰值。 但随着优化求解的进行， 目标 函数值 MV O N MI S E S 不断减小， 逼近最小值达到最优解。 窆 制 吕 圭 帕 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 O 迭代次数 b 加 宝 H 数 次 ㈤ No ． 7 J u l y ． 2 0 1 5 机 械 设 计 与 制 造 2 3 9 l 陋 町 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 l 1 21 31 4l 5l 6l 7l 8l 92 0 迭代次数 c 图4状态变量和目标函数变化 F i g ．4 C h a n g e s o f S t a t e Va r i a b l e s a n d O b j e c t i v e F u n c t i o n 夹头对刀具夹紧扭矩从优化前4 5 3 ．2 MP a 上升到4 7 9 ． 3 7 MP a ， 接触压力峰值由7 4 ． 7 7 1 MP a 下降到 5 5 ． 0 5 2 MP a ， 接触压力平均值 由2 3 ．0 9 M P a 上升至2 4 ．4 3 MP a ，夹头最大等效应力由5 9 5 ． 6 4 4 MP a 降低至4 8 0 ．5 9 MP a ， 夹头优化效果显著。 根据实际加工， 对夹头结构 优化最优设计序列中的设计变量数值进行圆整。 夹头优化设计圆整 尺寸参数和原设计结构参数对比， 如表 2 所示。 表2原设计夹头尺寸与优化设计圆整尺寸对比 Ta b ． 2 Di me n s i o n Co mp a r i s on o f Ch u c k Op t imi z a t ion De s i g n a n d Or ig i n a l De s i g n 2 优化前后夹头性能对比 将参数化有限元夹头／ 刀具接触模型中的尺寸设计参数改为 圆整后的值， 其他设置和定义不变， 进行分析求解 ， 优化后分析结 果图， 如图5所示。 8 O 7 0 6 0 5 o 奋 。 蠢 。 2 0 1 O O o l O 2 O 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 夹 头内壁接触 长度 m m a 优化前后接触压力随接触长度的变化曲线对比 l 一 b 优化后夹头／ 7 J 具等效应力 V O NMI S E S分布图 图 5优化后分析结果 F i g ．5 An a l y t i c a l Re s u l t s Af t e r Op t i mi z a t i o n 由分析结果可以发现 结构优化改善了接触应力分布， 降低 了夹头液压腔转角过渡区域应力集中。液压夹头优化前后陛能， 如 表3所示。 由表 3 可知 液压夹头结构优化后， 传递的夹紧扭矩 T和 接触压力平均值略有提升， 保证了夹头的夹持性能， 接触应力峰值 P M A X和夹头最大等效应力 MV O N MI S E S 有不同程度的减小 ， 下 降幅度为 2 6 ． 6 3 ％和 1 9 ． 6 1 ％， 优化后的夹头性能得到提升。 表 3液压夹头优化前后性能对 比 T a b l e ． 3 Hy d r au l i c Ch u c k Pe rf o r ma n c e C o mp a r i s o n B e f o r e a n d A f t e r O p t i mi z a t i o n 4结论 基于结构优化设计理论和优化方法，使用 A n s y s 优化分析 模块， 对液压夹头结构参数和过渡形线进行优化。 与原设计相比， 结构优化减小了夹头／ 刀具接触压力峰值，使接触应力分布更合 理， 并降低了夹头液压腔转角过渡区域应力集中， 极大地提高了 夹头疲劳寿命。 参考文献 [ 1 ] 王贵成．高速加工工具系统[ M] ．北京 国防工业出版社， 2 0 0 5 ． Wa n g G u i - 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