高速状态下机床主轴/刀具联接系统变形的有限元分析
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随着高速加工机床及新型刀具的开发取得重大进展,刀具/主轴联接系统已成为高速加工系统中最薄弱的环节之一。本文采用有限元模拟分析方法,对比分析了标准7:24锥度联接系统与HSK联接系统在高速状态下的变形情况,研究了在离心力作用下系统的膨胀变形对联接性能的影响。

1 引言

20世纪80年代以来,随着制造技术的全面进步,高速/超高速切削已成为切削加工的主要发展趋势之一。应用高速切削技术不仅可以提高加工效率和加工精度,降低加工成本,而且可以满足淬硬钢等难切削材料的加工要求。
高速加工技术的发展对加工系统提出了新的要求。一个切削加工系统主要由机床、刀具联接系统和刀具切削部分三部分构成。根据国内外的研究报告,目前高速、中大功率、高刚性机床已进入实用阶段,各种高性能的刀具材料、切削刀片也已相继研制成功,因此刀具联接系统成为加工系统中最薄弱的环节。由于刀具联接系统工作时,几个联接表面之间不可避免地存在一定间隙,因此会导致系统的微小振动,影响加工精度和加工表面质量,甚至缩短刀具寿命,高速加工时这种情况尤为明显,从而使机床和切削刀片性能提高所带来的效益受到制约。因此,加快研究刀具联接系统的变形问题,研制性能更好、更可靠的刀具联接系统已成为目前高速加工技术发展极其重要的一环。
目前,加工中心普遍使用的7:24锥度联接很难满足高精度、大功率、高转速的加工要求。

2 离心力作用下的刀具联接系统

2.1 高速加工中刀具联接系统存在的问题

根据不同的刀具直径,目前一般将主轴转速10000~20000r/min以上的切削视为高速切削。高速切削对刀具材料、刀具装夹以及机床的主轴、结构、进给驱动和CNC系统都提出了特殊要求。当转速达到一定范围后,离心力成为主要载荷。在强大的离心力作用下,机床主轴和刀柄都会发生膨胀变形,但由于变形量不同,使主轴与刀柄之间出现间隙,导致联接松动,刀柄的轴向位置改变,联接刚度降低,同时影响刀柄的动平衡性能。

2.2 离心力作用下的变形情况

当主轴高速旋转时,由于主轴与刀柄的半径和质量不同,因此所受离心力差别很大。
空心圆盘旋转时,在离心力作用下将发生膨胀变形,其变形位移分量为
(1)
设两个同心圆盘1、2 以相同角速度绕对称轴旋转(见图1),当受到离心力作用时,两圆盘任意半径r1、r2处的位移量u1、u1分别为
(2)
(3)
式中:a1,b1——分别为盘1的内径和外径
a2,b2——分别为盘2的内径和外径,且b1=a1
则u1、u2在a1、b2处的位移量比值为
(4)

图1 同心圆盘及其尺寸示意图
由于a1=b2,b1>a2,因此比值[u1 (a1)]/[u2(b2)]>1,即在任意转速下,盘1内径处的位移量均大于盘2外径处的位移量,因此在转动中盘1与盘2不会发生接触。由此可见,任何刀具联接系统主轴与刀柄之间的配合都需要一定的过盈量,以保证联接刚度。
在高速旋转情况下,很难通过实验方法测得刀柄与主轴之间接触时的联接性能,因此本文采用有限元方法(有限元分析软件ANSYS 5.7)分析高速旋转状态下的刀具联接性能。因ISO 40#锥度主轴/刀柄联接与HSK-63A刀柄联接的法兰直径近似相等,因此选取这两种联接进行对比分析。

3 高速状态下联接系统变形分析

在加工系统中,刀具联接系统的作用一是对刀具定位,二是将刀具夹紧。由于承受着切削力带来的最大弯矩,刀具联接系统的刚度在很大程度上决定着整个加工系统的有效刚度。随着高速切削技术的发展,近几十年来加工中心普遍应用的ISO 标准7:24 锥度联接系统逐渐暴露出许多不足,而由德国率先开发的HSK 系列刀具联接系统目前正逐步得到推广应用。

3.1 7:24锥度联接系统变形分析

标准(ANSI B5.50,ISO 7388,DIN 69871、69872等)7:24锥度联接是一种可靠、坚固且成本相对较低的联接系统。这种联接具有许多优点,如不会自锁,可实现刀具的快速装卸;刀具悬伸量小,刚度较高;只有一个锥角尺寸精度要求较高,设计简单,制造成本低等。但7:24锥度联接也存在缺陷与不足,主要因为其<
本文作者:大连理工大学 王殿龙 李天华 康德纯
原载:《机械制造》2002年第8期
上载于:2009-8-4 9:24:54

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