液压膨胀夹头的径向刚度分析.pdf

第 4期 2 0 1 2年 4月 机 械 设 计 与制 造 Ma c hi ne l T De s i g nMa n u f a c t u r e 文章 编号 1 0 01 3 9 9 7 2 0 1 2 0 4 0 1 1 1 0 3 海 液压膨胀夹头的径向刚度分析术 莉 遥 徐燕云 张伟展 王树林 王贵成 臻 江苏大学 机械工程学院， 镇江 2 1 2 0 1 3 An a l y s i s o n r a d i al s t i f f n e s s o f h y d r a u l i c e x p a n s i o n c h u c k XU Ya n YH H， ZHANG W e i z h a n， W ANG S h u l i n， W ANG Gu i c h e n g 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 n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ； 【 摘要】 液压膨胀式夹头刀 柄是一种采用 液压膨胀原理夹 持刀具的 超高精度刀具夹头， 夹头的径 }向夹持刚度对加工零件的表面质量以及夹头刀具的整体震动都有着非常重要的影响。为了充分发挥液 ；压膨胀夹头刀柄在高速加工中的应用潜能和效用， 利用有限元分析法对静压膨胀夹头的径向夹持刚度 ；影响因素进行了分析。分析了夹头～ 刀具的配合间隙、 油腔凸起长度、 油压以及转速对夹头径向夹持刚 度的影响， 研究结果对于夹头的生产制造和合理控制加工质量提供有效的依据和参考。 ； 关键词 静压膨胀式刀具夹头； 接触分析； 刚度分析 i 【 A b s t r a c t 】T h e t o o l c l a m p i n g c h u c k b a s e d o n h y d r a u l i c e x p a n s i o n i s o n e k i n d o ft o o l c l a m p i n g c h u c k }w i t h u l t r a h i g h p r e c i s i o n ， w h i c h r a d i a l c l a m p i n g s t if f n e s s i n flu e n c e s t h e s u r f a c e q u al i t y of t h e m ach i n i n g } p a r ts a n d t h e o v e r al l v i b r a t i o n of t h e t o o l c la m p i n g c h u c k l o t ． T o g i v e f u l l p l a y t o t h e p o t e n t i al i t y a n d ； c t iv e n e s s of h y d r a u l ic e x p a rt s i o n c h u c k i n h i g h - s p e e d m a c h i n i n g ， s e v e r a l d if f e r e n t i m p a c t i n g f a c to r s o ft t h e r adi a l s t if f n e s s of h y d r a u l i c e x p a n s i o n c h u c k h a v e b e e n , a n al y z e d i n i t ． Me a n w h i l e t h e i m p a c t of m a t c h 一 ； g a p s b e t w e e n c h u c k a n d to o l ， 6 l e n g t h o fo i l c h a m b e r 1 3 w e l l as o il p r e s s u r e a n d r o t a t in g s p e e d o n l r adi a l c l a m p i n g s t if f n e s s of t h e c h u c k i s a n al y z e d ， w h i c h r e s u l t s p r o v i d e s e f f e c t i v e b asi s a n d r e f e r e n c e f o r c h u c k ma n u f a c t u r i n g a n d r ati o n al c o n t r o l o f p r o c e s s i n g q u ali t y ． ； K e y w o r d s Hy d r a u l i c e x p a n s i o n t o o l c h u c k ； C o n t a c t a n a l y s i s ； S t i ff n e s s a n a l y s i s 中图分类号 T H1 6 ， T G 7 5 9 文献标识码 A 1 引言 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， 它具有优良技术性能， 适用于在加工中心 、 高精度 镗铣床和柔性生产线上夹持钻头、 铰刀、 铣刀等。 相对于弹簧夹头、 收缩夹头和力膨胀夹头，液压膨胀夹头具有极高的重复夹紧精度 ≤3 m 、 稳定可靠的夹紧力 、 能够传递很高的扭矩、 极优的阻尼 减振性能。目前德国静压膨胀式刀具夹头已广泛用于汽车、 机械等 制造行业，在中国也有许多机械加工企业成功地使用这种刀具夹 头。刀具在实际加工中， 总是单侧刀刃收到来自于工件的斜向力， 可以分解为径向力和切向力， 由于刀具和夹头都是轴对称的， 都可 以归结到夹头刀具径向夹持刚度分析上l1 l。夹持刚度的分析结果， 可以对在高速加工过程中的大型、深型腔体加工以及复杂曲面模 具的刀具以及夹头的配合选取、 加工参数， 提供参考和理论基础日 。 2静压膨胀夹头的结构原理 静压膨胀式刀具夹头结构， 如图 I 所示。在夹头主体与装夹 孔 的膨胀壁之间有一个环形封闭油腔 ， 油腔内充满了专用液压油 ， 可以将液压油均匀地传递到密闭油腔的每个部分，同时还增加结 构阻尼， 改善夹头的动力学特性， 对减小振动、 提高加工质量具有 显著的效果。 装夹孔的膨胀壁是经过精确计算而设定的， 具有很好 的弹性 ， 能在油压打到设定值时产生需要的膨胀量。 装夹孔 内壁上 制有环槽，在夹紧时可以容纳装夹孔内壁和被夹刀具之问的残余 润滑物， 保持装夹孑 L 壁的清洁和干燥 ， 保证扭矩的町靠传递。当用 内六角扳手拧紧加压螺栓 、 提高油腔内的油压时 ， 封闭油腔中的每 个部分都会受到相同的压力，使油腔的内壁均匀而对称的向轴线 方向膨胀而夹紧刀具； 当松开加压螺栓时， 油腔内油压回落， 装夹 孑 L 内壁在弹性回复力的作用下回复到原始直径而松开刀具。 图 l静压膨胀夹头结构图 F i g 1 Th e s t a t i c p r e s s u r e e x pa n s i o n c h u c k s t r u c t u r e 3径向夹持刚度有限元模型 在有限模型分析过程中， 夹头刀具模型町以简化为轴对称 模型， 但是由于径向刚度分析足所加载的／ ， J 不是轴对称载荷， 故 不能采用轴对称模型。在 A N S Y S中对于轴对称模型非轴对称载 荷， 采用谐单元进行分析[5 1。在这里， 考虑到读取结果的方便以及 模型加载的方便， 采用 了整体模型进行分析， 选用 8 m m的内径夹 头进行分析。主要分析对所夹持的刀具弯曲变形， 根据圣维南原 理[4 1 ， 远端的的影响对接触部分影响很小 ， 故在建立有限元模型 时， 忽略了 H S K刀柄与机床相连接的部分。 在刀具与夹头夹持的 部分中， 刀具根部有 1 0 B I Y I 与夹头内壁之间有 0 ．5 m m的间隙， 故 ★来稿 日 期 2 0 1 1 - 0 6 1 4女 基金项目 国家 自 然科学基金 5 0 6 7 5 0 8 8 ， 5 1 0 7 5 1 9 2 7 ， 高档数控机床与基础制造装备科技重大专项 “ 高速数控机床用新 型工具系统” 2 0 0 9 Z X 0 4 0 1 2 0 1 2 No ． 4 A p r ． 2 0 1 2 机 械 设 计 与制造 1 l 3 应的间隙为 1 0 t m， 1 3 m， 1 6 1 m ， 由图 7所示上的曲线可以看出 间隙为 l O Ix m和 1 3 1 m的 】 ， 向位移变化很小。 但是 1 6 1x m和 1 3 lx m 的比较还是很大的， 在力 F 所施加的地方偏移相差为 0 ． 0 0 4 0 7 m m， 1 3 m与 l O tx m相比仅为 0 ．0 0 0 2 ram 。可以得出在间隙小到一定程 度时， 对夹持刚度的影响就会变得很小， 在设置夹头间隙配合时不 但要从传递的扭矩来考虑同时也要考虑径向夹持刚度。 4 - 2不同的油腔 凸起长度的影响 结合静态分析 所得到的结果， 油腔中凸起长度的变化对夹 持长度没有影响，但是影响了接触部分的接触应力大小的变化， 夹 头传递的扭矩随着凸起长度的增大而减小。油压为 6 5 MP a ， 配合间 隙为 1 6 1x m时， 刀具施加力 F表面的直线 y方向位移，如图8所 示。被测点A的 Y向位移为- 0 ．0 1 3 2 ra m， - 0 ．0 1 2 8 mm， 0 ．0 1 2 9 m m 分 别对应的间隙为 8 ．9 t x m， 9 ．9 1x m， 1 0 ． 9 m 。曲线同时可以看出在 9 ．9 m m的凸起长度时A点的径向位移最小， 如图8 所示。当夹头油 腔部分凸体长度变大或者变小时， 夹头的夹持径向刚度都会相应的 减小， 合适的凸起长度对夹头的径向夹持刚度有着重要的影响。 T o o l z d i r e c t i o n d i s p l a c e me n t 图 8施加力 F后刀具端面线 Y方向位移 不同的凸起长度 F i g ． 8 T h e f o r c e e x e r t e d b y t he F t o o l e n d l i n e Y d i r e c t i o n d i s p l a c e m e n t d i f f e r e n t p r o j e c t i o n l e n g t h 4 ． 3不 同油压的影响 上夹头出口处膨胀的位移减小，从而导致被测点 A的径向位移 变小； 反之油压增大时夹头的刀具伸在夹头内部的部分发生很少 的偏移， 而且夹头出E l 处的膨胀幅度增大， 这些原因都会导致夹 头径 向加持刚度略微减小 ， 如图 9所示。 相对上面两个因素， 油压 对刀具的径向夹持刚度影响很小。 4 ． 4高速旋转下不同转速的影响 高速旋转状态下的夹头径向刚度分析， 与高速旋转状态下的 夹头夹紧胜能分析啪 似， 将液压油高速旋转状态下的油压导入到 夹头油腔的壁面进行分析， 如图 1 0 所示。 被测点 A的 l ， 向位移为一 0 ．0 1 2 9 8 6 mm， - - 0 ．0 1 3 4 8 4 m m， - 0 ． 0 1 4 3 6 4 m m， ．0 1 5 7 1 l m m 相对应 的转 速为 1 0 0 0 0 r ／ m i n ， 2 0 0 0 0 r ／ mi n ， 3 0 0 0 0 r ／ m i n ， 4 0 0 0 0 r ／ m i n ，从 图 1 0中可以看出随着转速的增加夹头的径向夹持刚度减小。由于离 心力的作用以及在高速状态下液压油对油腔内壁面的油压压力也 相对减小， 从而导致这种结果的出现。 同时从图中也可以得到在 0处的节点 y向位移由 1 0 0 0 0 r ／ m i n时的 5 ．7 2 E _ 4变成 4 0 0 0 0 r ／ m i n 时的 0 ．0 0 1 0 3 mm， 增加了个数量级。同时在夹头的末端也会出现 】 ， 向位移的大幅摆动， 所以在高速加工时夹头的径向夹持刚度会大 幅度减小从而导致加工表面的粗糙度增大。 ． 昌 0 0 一0 一0 逞 一 0 岩一 0 一 o 一 0 - 一 0 -I 】 一 0 To ol Z d i r e c t i o n di s pl ac e me n t 图 1 O施加力 F后刀具端面线 l ， 方向位移 不同转速 F i g ． 1 0 T h e f o r c e e x e rte d b y t h e F t o o l e n d l i n e Y d i r e c t i o n d i 8 p l a c e me n t s p e e d 5结论 1 在 四个因素中 ， 转速对夹头的加持 刚度影响最为明显 ， 而 且转速会导致刀具端部摆动幅度变大 ， 影响到加工表面质量。 2 由 于油压增大会增加夹头出口处膨胀量的增大， 所以径向夹持刚度会 相应的变小， 但是油压对径向夹持刚度的影响很小。 3 当夹头油腔 部分凸起长度变大或者变小时， 夹头的夹持径向刚度都会相应的减 小， 合适的凸起长度对夹头的径向夹持刚度有着重要的影响。 参考文献 [ I ] 周后明． 高速铣削热缩加长刀杆与刀具配合特性及应用研究[ c ] 博士 学位论文集． 广州 广东工业大学 ， 2 0 0 8 4 5 ． [ 2 ] 宋 志鹏 ， HS K热装刀柄及其工具 系统性 能的研究[ c ] ． 硕士毕业论文 集． 镇江 江苏大学 ， 2 0 1 0 7 - 8 ． [ 3 ] I n f o r ma t i o n o n h t t p d ／ w w w ． s c h u n k ． e O l 1 ． [ 4 ] 徐芝纶． 弹性力学 第 2版 [ M] ． 北京 人民教育出版社 ， 1 9 8 2 2 5 2 8 ． [ 5 ]R o b e r t D ． C o o k ， D a v i d S ． Ma l k u s ， Mi c h a e l E ．P l e s h a ， R o b e rtJ ．Wi t t C o n e e p t s a n d Ap p l i c a t i o n s Of F i n i t e El e me n t An a l y s i s ， 2 0 0 0 ． [ 6 ] S ．L Wa n g ， S t a t i c p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s a n d a n a l y s i s o f t h e H y d r a u l i c E x p a n s i 0 n T o o l h 0 l d e r [ C ] ． I E E E电气工程与自动控制国际学术会议， 2 O1 0 ． [ 7 ] 沈建． 采用静压膨胀原理的精密刀具夹头[ J ] ．工具技术， 2 0 0 5 3 5 5 - 5 7 ． f 8 ]S ．L Wa n g , T h e p e rf o r ma n c e o f t h e Hy d r a u l i c E x p a n s i o n T o o l h o l d e r i n h i g h - s p e e d r o t a t i o n [ J ] ．Ad v a n c e dMa t e r i a l s R e s e a r c h ， 2 0 1 0 5 ． ∞ ∞ ∞ 傩 m H O O O O O O 0 O O O 。 Id s l一 。 【1 fp I1 一p u 。 。 x 丑 2 O 2 4 6 8 O 2 4 O 0 0 0 O O l O O O O 0 O 0 O O 一 一 一 一 一 一 一 l u 0 暑 0 B { d s { ∞ 0 0 昌I p ∞ L l 0