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第 1 1 期 2 0 1 4年 l 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M od u l a r M a c hi ne To ol& Aut o ma t i c M a n uf a c t u r i ng Te c hn i q ue NO. 1 1 NO V.20 1 4 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 1 1 0 0 6 5 0 4 D O I 1 0 . 1 3 4 6 2 / j . c n k i . m m t a m t . 2 0 1 4 . 1 1 . 0 1 8 液压膨胀夹头的可靠性分析 术 李朱锋 , 王树林 , 李金涛, 周宏达 江苏大学 机械工程学院, 江苏 镇江2 1 2 0 1 3 摘要 高速加工 中夹头/ 刀具的联结性 能对加工精度和机床 可靠性具有重要影响。液压膨胀式 夹头 是一种采用静压膨胀原理夹持刀具的超高精密夹头, 它具有优 良技术性 能。采用机械零件可靠性设 计的方法 , 建立了液压膨胀夹头/ 刀具联结的可靠性模型 , 并确定广义应力和广义强度 的分布, 比较 了蒙特卡洛法和积分法求解的液压膨胀夹头的可靠度。分析得 出转速、 间隙量、 油压、 凸起长度、 凸 起高度对液压膨胀夹头可靠性的影响, 研究结果为夹头的设计、 制造与使用提供有效的依据和参考。 关键词 液压膨胀夹头 ; 蒙特卡洛法 ; 积分法; 可靠性模型; 可靠度 中图分 类 号 T H1 3 3 ; T G 6 5 文 献标 识码 A The Re l i a b i l i t y An a l y s i s o f Hy d r a u l i c Ex pa n s i o n To o l ho l de r L I Z h u f e n g。 WA NG S h u . 1 i n , L I J i n t a o , Z H0U Ho n g - d a S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , J i a n g s u U n i v e r s i t y , Z h e i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 1 3 , C h i n a Ab s t r a c t Th e c o n n e c t i o n p e rfo r m a n c e s o f t o o l h o l d e r /t o o l i n t e rfa c e h a s i mp o r t a n t i n f l u e n c e o n ma c h i n i n g a c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t y o f ma c h i n e t o o 1 .Hyd r a u l i c Ex p a n s i o n To o l h o l d e r i s u l t r a p r e c i s i o n t o ol c l a mp i n g t o o l h o l d e r wh i c h a d o p t s s t a t i c e x p a ns i o n a n d h a s e x c e l l e nt t e c h n i c a l pe rfo r ma n c e . Ba s e d o n t h e t h e o r y o f me c h a n i c a l r e l i a bi l i t y d e s i g n. the r e l i a b i l i t y mo d e l o f Hy d r a u l i c Ex p a ns i o n To o l h o l d e r /t o o l i S e s t a b l i s h e d, a n d the di s t r i b u t i o n o f g e n e r a l i z e d s tre s s a n d g e n e r a l i z e d s e n g th i s d e t e r mi n e d. Co mp a r e d t o M o n t e Ca r l o me t h o d a n d I n t e g r a t i o n me t h o d.r e l i a b i l i t y o f Hy d r a ul i c Ex p a n s i o n To o l h o l d e r i s wo r k e d o u t . Th e e f f e c t o f d i ffe r e n t r o t a t i o n a l s p e e d, g a p, o i 1 p r e s s u r e,l e ng th o f t h e b u l g e, h e i g h t o f t h e b u l g e o n t h e r e l i a b i l i t y o f Hy dra u l i c Ex p a n s i o n To o l h ol d e r i s d i s c u s s e d i n d e t a i 1 . Th e r e s u l t s c a n p r o v i d e e f f e c t i v e b a s i s a n d r e f e r e n c e f o r d e s i g n ma n u f a c t u r i n g a n d u s i n g o f t h e t o o l h ol d e r . Ke y wo r d sh y dra u l i c e x p a n s i o n t o o l h o l d e r ; mo n t e c a r l o me t h o d; i n t e g r a t i o n me t h o d; r e l i a b i l i t y mo d e l ; d e g r e e o f r e l i a b i l i t y 0 引言 可靠性是衡量产品质量的一项重要指标。机械可 靠性分析的一个重要任务是保证所设计的机械零件能 够在规定的工作时间内、 在给定的载荷条件下安全地 工作 。可靠性理论认为 , 机械零件的加工装配、 结构 参数 、 工作条件 、 实际过盈量及所受的外载荷或应力等 都是具有离散性 的随机变量。由于机械加工 、 材料本 身缺陷等因素的影 响, 机械零件的强度指标也是随机 变量 引。传统的机械零件设计方法是安全系数法 , 只 要安全系数大于某一根据实际使用经验规定的数值就 认 为零 件是安全 的 J 。但 是这种方 法没有 考虑到设 计 变量的离散性 , 所以不能准确反映真实的失效概率。 静 压膨胀式 刀具夹 头是一种采用静 压膨胀 原理夹 持刀具的超高精密夹头 。张伟展u o 通过对液压膨 胀夹头的数值模拟研究得出夹头与刀具配合面接触应 力的分布规律 , 揭示出影响接触应力分布的因素。徐 燕云 研究液压膨胀夹头的径向刚度。浦洪良 等通 过建立 H S K刀柄锥面过盈配合强度可靠性模 型计算 得出主轴/ 刀柄的锥面配合的可靠度。同剑” 等针对 电主轴与其 内装转子的可靠度进行了分析。因此为了 保证在高速转速下夹持刀具所传递扭矩的可靠性 , 有 必要对液压膨胀夹头进行可靠性分析。 收稿 日期 2 0 1 4 0 21 4 ; 修回日期 2 0 1 40 3 0 3 基金项 目 国家 自然科学基金 5 1 2 7 5 2 1 7 ; 高性能数控刀具性能测试与检测技术平台的研究 2 0 1 3 Z X 0 4 0 0 9 0 3 1 作者简介 李朱锋 1 9 8 9 一 , 男 , 江苏南通人 , 江苏大学硕士研究生 , 主要从事高速加工 、 HS K工具系统以及可靠性的研究, Em a i l 1 8 7 0 6 1 0 1 0 8 5 1 6 3 . c o ; 王树林 1 9 6 4 一 , 男 , 江西l临川人 , 江苏大学教授 , 博士生导 师, 研究方 向为精 密与高速加工 , Em a i l w a n g s h u l i n 1 6 3 . COrn 0 6 6 组合机床与自动化/ j n - r 技术 第 l 1期 1 液压膨胀夹 头的可靠性模型 统, 其可靠度为 R R 1 . R 2 . R 3 1 1 . 1 液压膨胀夹头实体模型的分析 液压膨 胀夹 头 的结构 如 图 1 所示 , 在 夹头 主体 与 装夹孑 L 的膨胀壁之 间有一个环形封闭油腔 , 液压油 由 加压螺栓调节油压大小 , 对膨胀壁产生均匀压力。在 自由状态下 , 薄壁套孑 L 与刀具之 间为 间隙配合 , 加压 后, 薄壁套发生弹性变形, 当变形量大于配合间隙时, 薄壁套压紧刀具并产生一定的夹紧力⋯J 。 图 1液压膨胀夹头结构示意图 本 文 中选 用雄 克 公 司 的液压 膨 胀 夹头 T E N . D O HS K C 6 3 , 对 内壁直径 为 3 2 m m 的夹头 进行研 究 , 夹 头与刀具的结构尺寸以及性能参数均参考文献 [ 7 ] 。 图 2所示 为液压膨胀 夹头与 刀具 的配合 尺寸。 , 、 _ _, , , i 、 , { r / y/ / // , ≮ { 4 7 . 7 } . ’ / 一一 . 1 2 0 一 图 2液压膨胀夹头与刀具配合尺寸图 1 . 2液压膨胀夹头概率模型的建立 液压膨胀夹头在使用过程中, 夹头与刀具之间配 合面的主要失效形式为配合面打滑和配合面发生塑性 变形。在研究 H S K刀柄使用性能的影响因素中, 切削 力的作用影响很小 , 基本可以忽略 。所以本文没有 考虑切削力对夹头与刀具可靠度的影响 , 只考虑离心 力和油压作用力 。 在高速回转时, 刀具的刚度大于夹头的刚度 , 刀具 受 到的离心力小 于夹头受 到的离心力 。相 同的转速 下 液压膨 胀夹头 内孔 径 向扩 张量 大 于刀 具径 向扩张 量 , 从而导致夹头与刀具之间的过盈量减小 , 使得夹持力 降低 , 不能够提供足够的扭矩 , 难以确保机械加工的顺 利进行 , 出现配合面打滑, 甚至掉刀现象。 在高速回转时, 夹头与刀具所受的主要载荷是离 心力 , 由于夹头和刀具 的材料 强度不足 , 随着转速增 加 , 夹头与刀具容易发生塑性变形 , 产生破裂现象。 假设 R 为夹头与刀具配合面不打滑的可靠度 , R 为夹头不发生塑性变形 的可靠度 , 为刀具不发生塑 性 变形 的可靠度 。对 于液压膨胀夹 头与刀具 的联结 系 由应力一 强度干涉理论可知, 可靠度是强度大于应 力的概率, 所以R。 、 R 、 R , 分别为 rRl P{ p⋯ P { R 2 尸 { p P jr⋯ 2 L R3 尸{ p P mi n} 去 e 每 V 厶 ’II 一 P { p ‰ 去 e 争 5 P{p Pd J m a x} 去 孝 也 -J - m 。 咏 u 。 p v p m 日 x p A 船 i 。 p 。 p 6 式 中 ⋯ 、 为夹头与刀具配合面不发生打滑最小 接触 应力 P i 的均值 和 标 准差 P i t ⋯ 、 、口 、 分别为夹头与刀具不发生塑性变形 的最大接触应力 P j r、 P 的均值和标准差。 2 . 3两种方法的结果比较 根据上述的两种方法计算得出液压膨胀夹头的可 靠度, 结果对 比如表 2所示 。 表 2 液压膨胀夹头的可靠度 由表 2的计算结果显示 , 两种方法计算液压膨胀 夹头的可靠度 比较接近 , 所以由蒙特卡洛法对液压膨 6 8 组合机床与 自动化 j p - r 技术 第 1 1期 胀夹 头的可靠性 分析是可行 的。 由可靠度 尺. 、 R 、 的结果分析可以得出, 在初始 配合 间 隙 为 0 .O 1 6 m m, 油 压 为 6 5 M P a , 转 速 为 l O 0 0 0 r p m下 , 由于夹 头和刀 具 的材料 不发 生塑 性变形 的可靠度 、 R 接近 1 0 0 %, 所 以液压膨胀夹头的可 靠度 R基本上由夹头与刀具配合面不打滑 的可靠度 尺 . 决定。这就说明液压膨胀夹头在使用过程 中由于 材料的强度不足而引起的失效并不是 主要的失效形 式, 夹头与刀具之间配合面的传递扭矩不足发生打滑 现象才是最主要的失效形式, 所以需加以控制。 3 液压膨胀夹头可靠度影响因素分析 3 . 1 间隙量对液压膨胀夹头可靠度的影响 图7分析表明 当间隙量为 0 . O 1 6 m m时, 液压膨 胀夹头的可靠度随转速的增加呈下降趋势, 该趋势随 着转速的增加越加明显。当转速小于 2 0 0 0 0 r p m时可 靠度在 8 0 % 以上 , 但转 速高于 2 0 0 0 0 r p m后 可靠度迅 速下降。 图 7 不同间隙量下液压膨胀夹头的可靠度 同时可看出在相同转速下 , 可靠度随着设定的间 隙量的减小而增加, 这就说明设定的间隙量越小 , 液压 膨胀夹头与刀具之间的接触性能更好 , 传递扭矩的能 力更高, 因而在高转速下具有更高的可靠度。间隙量 为0 . O l O m m和 0 . O 1 3 m m时, 其可靠度大小随转速 的 变化基本相同, 但是 0 . O l O m m间隙量对加工夹头的孔 和刀具的轴配合精度要求 更高的, 所以当转速大于 3 5 0 0 0 r p m时应该选用 0 . O l 3 mm的间隙量的夹头从而 既可有效地保证可靠度要求又可降低液压膨胀夹头的 制造成本。 3 . 2 油 压对 液压 膨胀 夹头 可靠 度 的影 响 图 8分析表明 液压膨胀夹头的可靠度随转速的 增加呈下降趋势, 随着油压 的增加其下 降趋势变缓。 这就说明增大油压能够有效的提高液压膨胀夹头的可 靠度。当转速不超过 2 0 0 0 0 r p m时 , 选用 6 5 M P a的油 压就能够保证液压膨胀夹头的可靠度为 8 0 % , 满足切 削加 工 的要 求 ; 当转 速 超 过 2 5 0 0 0 r p m 时 , 应 该 选 用 7 5 MP a的油压 ; 当转速 超过 3 5 0 0 0 r p m 时, 应该 选用 8 5 MP a的油压 。 转运 / t O m 图 8 不 同油压下液压膨胀夹头的可靠度 3 . 3油腔凸起长度对液压膨胀夹头可靠度的影响 图 9分析表明 在相同转速下, 液压膨胀夹头的町 靠 度随着油腔 凸起长度 的增 加而逐渐增 大 。这 就说 明 增 大油腔 凸起 长度能够有效 的提高液 压膨胀夹 头 的可 靠度。当油腔长度过低时, 液压膨胀夹头的可靠度随 转速的增加下降非常显著 , 所以当转速超过 3 0 0 0 O f -p ro 时, 为了保证液压膨胀夹头 的可靠度在 8 0 %以上 , 应 该选用油腔凸起长度为2 6 . 9 ra m的液压膨胀夹头。 转 速/ r p m 图 9不同油腔凸起长度下液压膨胀夹头的可靠度 3 . 4 油腔凸起 高度对液压膨胀夹头可靠度的影响 图 l 0分析表明 液压膨胀夹头的可靠度随转速的 增加呈下降趋势 , 该下降趋势随着油腔凸起高度的增 加而有所减缓。这就说明增大油腔凸起高度能够有效 的提 高液压 膨胀 夹头 的可靠度。所 以当转速 超过 2 5 0 0 0 r p m时 , 为了保证液压膨胀夹头的可靠度在 8 0 % 以上 , 应该选用油腔凸起高度 为 2 ra m的液压膨胀夹 头 。 转速/ r p m 图 1 0不同油腔凸起高度下液压膨胀夹头的可靠度 根 据 上 述 影 响 可 靠 度 因 素 的 分 析 , 当 转 速 为 2 5 0 0 0 r p m, 选 用 0 .O 1 3 m m 间 隙 量 、 7 5 MP a 油 压 、 2 6 . 9 ra m油腔凸起长度和 2 ra m凸起高度的这一组数据 计算得到可靠度为 9 9 . 2 2 %, 与参考文 下转第 8 2页 帆嘶 册 m 撕 毗 皇 上 i 口 L 司 I 1 , J U 上 投 小 弟l l期 s u r f a c e e n c o d e r w i t h s h o r t p e r i o d C an , g r a a , f o r s t a g e m o t i o n - m e a s u r e m e n t [ J ] .P r e c i s i o n E n g i n e e ri n g , 2 0 1 2 , 3 6 4 5 7 6 5 8 5 . [ 2 ]F u k a d a S ,F a n g B ,S h i g e n o A .E x p e r i m e n t ala n a l y s i s a n d s i mu l a t i o n o f n o n l i n e a r mi c r o s c o p i c b e h a v i o r o f b a l l s c r e w m e c h a n i s m f o r u l t r a p r e c i s i o n p o s i t i o n i n g [ J ] .P r e c i s i o n E n g i n e e r i n g , 2 0 1 1 , 3 5 4 6 5 0 6 6 8 . [ 3 ]L i u C H, J y w e W Y, J e n g Y R, e t a 1 .D e s i g n a n d e o n t r o l o f a l o n g t r a v e l i n g n a n o pos i t i o n i n g s t a g e [ J ] .P r e c i s i o n E n g i n e e fi n g , 2 0 1 0 , 3 4 3 4 9 7 5 0 6 . [ 4 ]R o S K,K i m S ,K w a k Y,e t a 1 .A l i n e ar a i r b e a r i n g s t a g e wi t h a c t i v e ma g ne t i c p r e l o a ds f o r u l t r a p r e c i s e s t r a i g ht mo t i o n [ J ] .P r e c i s i o n e n g i n e e r i n g , 2 0 1 0 , 3 4 1 1 8 61 9 4 . [ 5 ]S h i n n o H, Y o s h i o k a H, G o k a n T , e t a1.A n e w l y d e v e l o p e d t h r e e -d i me n s i o n al p r o fi l e s c a n n e r wi t h n a n o me t e r s p a t i a l r e s o - l u t i o n [ J ] .C I R P A n n al s Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y ,2 0 1 0 , 5 9 1 5 2 55 2 8 . [ 6 ]B u i c e E S , O t t e n D, Y a n g R H, e t a 1 . D e s i g n e v al u a t i o n o f a s i n g l e a x i s p r e c i s i o n c o n t r o l l e d pos i t i o n i n g s t a g e [ J ] .P r e c i s i o n e n g i n e e ri n g , 2 0 0 9 , 3 3 4 4 1 8 4 2 4 . [ 7 ]G a o W. P r e c i s i o n n a n o m e t r o l o g y s e n s o I s a n d m e a s u r i n g s y s t e m s f o r n a n o m anu f act u r i n g [ M] . S p ri n g e r , 2 0 1 0 . [ 8 ]R o z m a n J , P l e t e r s e k A .L i n e a r O p t i c al E n c o d e r S y s t e m Wi t h S i n u s o i d a l S i g n al Di s t o r t i o n B e l o w f o r mu l a f o r mu l a t y p e [ J ] . I n s t r u m e n t a t i o n a n d Me a s u r e m e n t , I E E E T r a n s a c t i o n s o n , 2 0 1 0 , 5 9 6 1 5 4 4 1 5 4 9 . [ 9 ]孙强. 高精度绝对式光栅尺研究进展及技术难点[ J ] . 世 界制造技术与装备市场 , 2 0 1 2 , 1 0 5 ; 7 2 7 3 . [ 1 O ] 李娟, 刘艳滢.基于 F P G A的图像采集模块的设计[ J ] . 仪表技术 与传感器 , 2 0 1 2 1 0 2 7 3 1 . [ 1 1 ] T r e s a n c h e z M, P a l l e j a T, T e i x i d o M, e t a 1 . U s i n g t h e i ma g e a c q u i s i t i o n c a p a b i l i t i e s o f t h e o p t i c a l mo us e s e n s o r t o bu i l d a n a b s o l u t e r o t a r y e n c o d e r [ J ] .S e n s o r s a n d A c t u a t o r s A P h y s i c al, 2 0 1 0 ,1 5 7 1 1 6 11 6 7 . [ 1 2 ] 范铁道,田雁 , 曹剑中, 等.基于 F P G A的 C MO S图像 感器 I A G 3驱动电路的研究[ J ] .电子器件,2 0 0 9 , 3 2 2 2 6 9 2 7 3 . [ 1 3 ]Wa k e r l y J o h n F .数字设计原理与实践 [ M] . 北京 机械 工业出版社 , 2 0 0 3 . [ 1 4 ] 任艳颖, 王彬. I c设计基础[ M] .西安 西安电子科技大 学出版社 , 2 0 0 3 . [ 1 5 ]邓春健, 王琦, 徐秀知 , 等. 基于 F P G A和A D V 7 1 2 3的 V G A显示接口的设计和应用[ J ] .电子器件, 2 0 0 6, 2 9 4 1 3 2 51 3 2 8 . 编辑李秀敏 上接 第 6 8页 献[ 7] 中优先选择的 0 . 0 1 6 m m 问隙 量 、 6 5 M P a 油压 、 2 2 . 9 ra m油腔凸起长度和 1 . 5 mm凸起 高度的这一组数据计算得到的可靠度 6 9 . 3 %相 比较 , 可靠度有了显著的提高。因此本文分析得出的最优参 数具有更高的可靠度, 可为实际液压膨胀夹头的设计、 制造和使用提供参考。 4 结论 1 选择将液压膨胀夹头的载荷、 材料性能以及 结构参数作为随机变量, 确定 出液压膨胀夹头的广义 应力和广义强度分布 , 从而建立了液压膨胀夹头与刀 具配合可靠度的数学模型, 并且通过蒙特卡洛法和积 分法计算得出液压膨胀夹头的可靠度。由计算结果显 示两者可靠度相近, 所 以由蒙特卡洛法对液压膨胀夹 头可靠性分析是可行的。 2由 可 靠 度 的 计 算 结 果 可 知, 在 转 速 为 1 0 0 0 0 r p m、 间隙量为 0 . 0 1 6 m m、 油压为 6 5 MP a的条件 下, 夹头和刀具的材料不发生塑性变形 的可靠度接近 1 0 0 %, 所以由于材料的强度不足而引起的失效并不是 主要的失效形式 , 夹头与刀具之 间配合面的传递扭矩 不足发生打滑现象才是最主要的失效形式。 3 通过对液压膨胀夹头可靠度影响因素分析可 知, 可靠度随转速 的增加呈下降趋势 , 通过减小间隙 量、 增加油压、 油腔凸起长度和凸起高度可以有效提高 液压膨胀夹头的可靠度。当转速超过 2 5 0 0 0 r p m时, 为 保证可靠度在 8 0 % 以上, 应该选用 0 . 0 1 3 ram的间隙 量 、 7 5 MP a的油压 、 2 6 . 9 m m 的油腔 凸起 长度和 2 m m 的 凸起高度的液压膨胀夹头。 [ 参考文献] [ 1 ]李艳敏, 吴立言, 贺朝霞, 等. 机械可靠性分析方法评述 [ J ] . 机械设计, 2 0 0 4, 2 1 1 0 1 4 . 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