精密机床主轴弹簧夹头夹紧力计算方法研究.pdf

2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 8 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 1 5 精密机床主轴弹簧夹头夹紧力计算方法研究 张 国智 新 乡学院机 电工程学院，河南新 乡4 5 3 0 0 0 摘要研究精密机床主轴弹簧夹头夹紧力计算方法，建立了弹簧夹头夹紧力的可靠性分析模型，并对某精密机床主轴 弹簧夹头夹紧力可靠度进行了计算 ；建立了整个弹簧夹头夹紧机构的非线性有限元模型，通过与理论计算结果的对比验证 了有限元模型的准确性；通过有限元分析得到了弹簧夹头夹紧状态下夹紧面接触变形规律，为精密机床主轴弹簧夹头的设 计及性能分析提供了方法和依据。 关键词 弹簧夹头；夹紧力；可靠性 ；有限元 ；非线性 中图分类号 T H 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 8一 O 4 4 3 St u dy o n Ca l c u l a t i o n M e t ho d o f t h e Ti g h t Fo r c e o f t h e S pr i ng Co l l e t o f Pr e c i s i o n M a c hi ne To o l S pi n dl e ZHANG Gu o z h i 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 ， X i n x i a n g U n i v e r s i t y ，X i n x i a n g H e n a n 4 5 3 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f t h e t i g h t f o r c e o f t h e s p ri n g c o l l e t o f p r e c i s i o n ma c h i n e t o o l s p i n d l e w a s s t u d i e d ．I t s r e l i a b i l i t y a n a l y s i s mo d e l wa s e s t a b l i s h e d，a n d t h e r e l i a b i l i t y o f t h e t i g h t f o r c e o f t h e s p ri n g c o l l e t o f p r e c i s i o n ma c h i n e t o o l s p i n d l e wa s c a l c u l a t e d ．Mo r e o v e r ，t h e n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e wh o l e s p rin g c o l l e t t i g h t d e v i c e w a s e s t abl i s h e d，a n d i t wa s v e r i fi e d t h r o u g h c o mp a ri n g wi t h t h e t h e o r e t i c a l r e s u l t s ．F r o m t h e r e s u l t s o f F EA，t h e c o n t a c t d e f o r ma t i o n l a w b e t we e n c l a mp i n g s u r f a c e s w a s o b t a i n e d ． I t p r o v i d e s me t h o d a n d b a s i s f o r d e s i g n a n d p e rfo rm a n c e a n a l y s i s o f s p rin g c o l l e t o f p r e c i s i o n ma c h i n e t o o l s p i n d l e ． Ke y wo r d s S p r i n g c o l l e t ；T i g h t f o r c e ；R e l i a b i l i t y；F i n i t e e l e me n t ；No n l i n e a r 随着制造技术的飞速发展 ，近年来关于精密机床 的制造技术备受 国内外 学者及工程技术人员 的关 注 ，因而，关于可靠性要求较高的如精密机床主轴 弹簧夹头 等的精密机床重要部件的研究尤为重 要。弹簧夹头是精密机床主轴夹紧的重要装置，直接 影响到精密机床加工精度及表面加工质量，该装置具 有工作稳定可靠 、精度重复性好的特点 。为了实现 精密机床主轴弹簧夹头的精确设计，提高其夹紧的可 靠性 ，必须针对弹簧夹头的夹紧机制进行深入系统的 研究 ，并结合有效 的可靠性分析方法对弹簧夹头 的夹 紧可靠性进行有效 的预测 。 目前 ，关于这方面 的研究 尚不深入 、系统 。据此 ，作者结合有 限元仿真方法研 究 弹簧夹头夹 紧过程 中夹紧面 的接触状态对 夹紧的影 响机制，此外，在夹紧力理论计算模型基础上 ，结合 可靠性分析方法分析材料性能及夹紧参数的随机变化 对夹紧性能的影响，从而为精密机床主轴弹簧夹头的 精确设计提供分析方法和设计依据。 1 弹簧夹头夹紧力可靠性分析模型的建立 弹簧夹头 的结构 如图 1 所示 ，夹 紧机构装配简 图 如图2所示，弹簧夹头的受力分析如图3所示，将弹 簧夹头的每一瓣夹爪视为悬臂梁，根据材料力学 ， 弹簧夹头 的变形 阻力 为 N 3 E I A 1 其 中 ，每瓣扇形 环截 面的惯性矩 为 ，警 sinfl c。 2 式 中 E为弹簧夹 爪材料 的弹性模 量 ，△为 弹簧夹 爪 与工件的直径间隙，6为簧瓣薄壁厚度 ，d为簧瓣 的 外 径 ， 为夹爪计算 长度 ， 为 每瓣夹爪 的扇形角 的 一 半 图 1 弹簧夹 头结 构简图 收稿 日期 2 0 1 3 0 2 2 3 基金项 目河南省教育厅 自然科学研究计划项 目 2 0 1 1 C 4 6 0 0 0 2 作者简介张国智 1 9 7 8 一 ，男，工学博士，副教授 ，研究方 向为有限元数值模拟 、工程中的优化方法、宏微观塑性力 学 、生物 力学等 。Em a i l g u o z h i z 1 2 6 ． c o n。 4 6 机床与液压 第 4 2卷 图 6 查询结果的路径 0 8 ． 0 “／ 2 1 6 ． 1 4 4 l _4 7 2 1 2 ． 1 0 8 2 0 ． 1 7 4 距离， mm 鲁 ● 0 一 簿 趟 厘 距离 ／ r a m 图7 路径 从 的径向位 图 8 路径A A 的径向 移变化曲线 位移变化曲线 3 弹簧夹头夹紧的可靠性分析 当弹簧夹头的弹性模量和弹簧夹爪与工件的直径 间隙标准差分别为 4 0 G P a和 0 ． 1 6 m m，根据式 4 计算可靠度为 9 9 ． 9 7 9 ％ ，根据式 5 计算弹簧夹爪 与工件的直径间隙及弹簧夹爪材料的弹性模量的可靠 性灵敏度均为 6 ． 1 9 81 0 一。由此可见，当弹性模量 和弹簧夹爪与工件的直径间隙波动 2 0 ％时 ，弹簧夹 头的可靠度还是可以保证的。 4结论 针对精密机床主轴弹簧夹头夹紧机构，首先建立 了弹簧夹头夹紧力的可靠性分析模型，对某精密机床 主轴弹簧夹头夹紧机构进行 了计算 ，通过分析可知 当弹簧夹头的弹性模量和弹簧夹爪与工件的直径间隙 有 2 0 ％正态随机波动时，该夹紧机构可靠性还是可 以保证的；其次，建立了整个弹簧夹头夹紧机构的非 线性 有 限 元 模 型 ，与 理 论 计 算 结 果 的相 对 误 差 为 1 2 ． 1 ％，由此验证了有限元模型的准确性 ；最后，通 过有限元分析可知 ，弹簧夹头拉紧后夹爪围成的装夹 面为椭圆形。文中的研究对精密机床主轴弹簧夹头夹 紧机构的设计及可靠性分析提供了方法和工程设计依 据 。 参考文献 【 1 】 牛景丽， 陈东海． 现代超精密加工机床的发展及对策 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 2 9 4 9 7 ． 【 2 】陈静． 新型弹簧夹头的研究与运用 [ J ] ． 制造技术与机 床 ， 2 0 0 6 1 6 8 7 0 ． 【 3 】 黄杉． 6 5 M n 弹簧夹紧夹头热处理工艺的研究 [ J ] ． 热加 工工艺 ， 2 0 0 7 ， 3 6 2 0 ． 6 2 6 6 ． 【 4 】王启平． 机床夹具设计[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学出 版社， 2 0 1 0 8 9 9 2 ． 【 5 】马世麟 ， 傅仁本． 材料力学[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 6 2 2 92 4 0 ． 【 6 】 宋述芳 ， 吕震宙， 傅霖． 基于线抽样的可靠性灵敏度分析 方法[ J ] ． 力学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 9 4 5 6 45 7 0 ． 上接第 2 8页 除了上述两零件外 ，对整个夹具定位精度影 响较 大的是定位销 5 ，定位销 5的锥度必须与定位轴分度 孔的锥度保持一致才能实现准确定位 ；另外 ，两压缩 弹簧的选择都必须根据实际需要力 的大小进行选取 ， 弹簧刚度过大或太小都会对操作产生影响。 3结束语 该夹具结构简单 、定位可靠 、拆装方便以及使用 寿命长，能够有效提高机夹刀片工作表面激光熔覆时 的合格率及加工效率。此外该夹具有一定的通用性 ， 对于三角车刀片、菱形车刀片等也同样适用，在变换 刀片装夹时，只需将定位轴 8上分度孔的个数以及各 孔中心线之间的角度根据实际需要略作变换即可。通 过实际应用发现，该夹具能够有效解决机夹刀片在进 行激光熔覆时各工作面连续切换困难以及定位精度低 等 问题 。 参考文献 【 1 】曹风国． 激光加工技术 [ M] ． 北京 北京科学技术出版 社 ， 2 0 0 7 1 2 1 ． 【 2 】洪蕾， 吴钢． 激光加工技术基础[ M] ． 北京 人 民交通出 版社， 2 0 0 8 1 3 5 ． 【 3 】于启勋． 新型硬质合金 一 表面涂层硬质合金 [ J ] ． 机械 工程师， 2 0 0 1 6 6 7 6 9 ． 【 4 】张坚， 邱斌 ， 赵龙志． 激光熔覆技术研究进展 [ J ] ． 材料 热处理技术。 2 0 1 1 ， 4 0 1 8 l 1 61 1 9 ． 【 5 】 左铁钏． 2 1 世纪的先进制造 激光技术与工程[ M] ． 北 京 科学出版社， 2 0 0 7 1 2 5 ． 【 6 】 张永康， 周建忠， 叶云霞． 激光加工技术[ M] ． 北京 化学 工业出版社， 2 0 0 4 2 0 5 ． 【 7 】 孟宪源， 姜琪． 机构构型与应用 [ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 4 5 ． 【 8 】王建 ， 杨银桂， 姜剑宇． 旋转定位 座焊机 焊接头设计 [ J ] ． 装备制造技术 ， 2 0 1 0 1 1 1 0 7 1 0 8 ． ～ 0 7 1 5 9 3 7 l 5 9 3 l 3 6 8 0 3 5 8 O 2 5 7 l 5 9 4 8 2 6 1 5 9 5 6 6 6 7 7 8 8 9 9 9 ． - - - - - _ ． _ _ - 目 卜 0 l 、 匣