（机械制造及其自动化专业论文）液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究.pdf

o ，。 一 矿“。_ 帑 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 擗魔 纱i 侔月侈日 指导撕签名涉妈 诊h 年s 只3 n 硕士学位论文 液压膨i 脓i 夹头的静动态特性及应用基础 研究 s t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa p p l i e db a s i c r e s e a r c ho nh y d r a u l i ce x p a n s i o nt o o l h o l d e r 张伟展 申请学位级别 亟专业名称扭越剑造区墓自动丝 论文提交日期答辩日期 2 q ! ! 生鱼旦! q 旦 学位授予单位和日期 江菱太堂垄q ! ! 生鱼旦 一 答辩委员会主席 评阅人一 2 0 11 年6 月 并已取得了 刀具，尤其 是高速旋转刀具，由于旋转速度很高，无论从保证加工精度方面考虑，还是从操作安全 方面考虑，对它的装夹技术有很高的要求。弹簧夹头、螺钉等传统的刀具装夹方法已经 不能满足高速加工的需要。开发新型的刀具夹头已成为高速切削技术的一个重要的组成 部分。 静压膨胀夹头由于具有定位精度高，使用方便，寿命长等优点，在数控加工中心和 自动化生产线上得到广泛的应用。本文通过理论分析，数值模拟和实验数据验证对静压 膨胀夹头静、动态特性进行了系统地研究。研究的主要内容和成果如下： ( 1 ) 应用流体力学和弹塑性力学理论，建立了高速状态下刀具联接系统理论分析 模型，完成高速状态下静压膨胀夹头的变形及其内部流场压强分布理论分析。研究表明， 在高速加工时，由于离心力的作用，静压膨胀夹头内部流场的压强并不处处相等。 ( 2 ) 对静压膨胀夹头的夹持性能进行了静态数值模拟。利用有限元分析法对静压 膨胀夹头的传递扭矩进行了分析并验证了模拟结果是可靠的。揭示了夹头的油压、间隙、 夹头液压油腔部分的结构对夹头的传递扭矩的影响规律。 ( 3 ) 研究了高速加工状态下夹头静压膨胀夹头的夹持性能。通过流体分析软件c f x 研究了不同转速下静压膨胀夹头内部流场的压力分布规律，揭示了在高速旋转状态下 时，静压膨胀夹头与刀具的配合间隙、转速及液压油的油压对液压夹头夹紧性能的影响 规律。研究表明，作用在静压膨胀夹头内壁的压强随着转速的增加而减小，传递切削扭 矩的能力也随之减小，这很好地解释了高速加工时静压膨胀夹头夹持失效的原因。 ( 4 ) 夹头的径向夹持刚度对加工的表面质量以及夹头刀具的整体震动都有着重要 的影响，分析各个因素对径向加持刚度的影响，取得合理参数优化静压膨胀夹头的加工 性能。本文分析了夹头刀具的配合间隙、不同油腔凸起长度、不同油压以及不同转速对 夹头径向夹持刚度的影响，得出的结果对于夹头的生产制造和合理控制加工质量提供有 江苏大学硕士学位论文：液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究 效的依据和参考。 本研究内容是国家科技重大专项“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 ) 的一部分，研究成果静压膨胀夹头的设计与使用具有较高的参考 价值。 关键词：高速切削加工，静压膨胀式刀具夹头，接触分析，流固耦合，夹头扭矩，刚度 w i d e l yu s e di nt h ea e r o s p a c ei n d u s t r y , t h et o o l i n gi n d u s t r y , e l e c t r o n i ci n d u s t r y , a u t o m o t i v ei n d u s t r ya n do t h e ra r e a s ，a n dh a sa c h i e v e ds i g n i f i c a n tt e c h n i c a la n d e c o n o m i cb e n e f i t sa n da l s oi sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n ti nc o n t e m p o r a r y a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y b e c a u s et h eh i g hr o t a t i o n a ls p e e d ，t h et o o l u s e di nh i g h s p e e dc u t t i n g ，i np a r t i c u l a rh i g h - s p e e dr o t a r yt o o l ，w h e t h e rt o e n s u r em a c h i n i n ga c c u r a c yc o n s i d e r a t i o n so rt oe n s u r e o p e r a t i o n ss e c u r i t y c o n s i d e r a t i o n s ，i ta l s oh a sh i g hr e q u i r e m e n t sa b o u tf i x t u r et e c h n o l o g i e s c o l l e t s ， t o o ld a m p i n gs c r e w sa n do t h e rt r a d i t i o n a lm e t h o d sc a n n o tm e e tt h en e e d so f h i g h - s p e e dm a c h i n i n g s ot h ed e v e l o p m e n to fn e wh i g h - s p e e dc u t t i n gt o o l c h u c k t e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tc o m p o n e n t b e c a u s eh y d r a u l i ce x p a n s i o nt o o l h o l d e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w c o s t ， h i g hp o s i t i o np r e c i s i o n ，l o n gw o r k i n gl i f ea n ds oo n ，i ti sw i d e l yu s e di nc n c a n da u t o m a t i z a t i o np r o d u c tl i n e b yt h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o nt h ep a p e rd o e ss y s t e m a t i cr e s e a r c ha b o u tt h es t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c ef o rh y d r a u l i ce x p a n s i o nt o o l h o l d e r t h i sm a j o rr e s e a r c ha n dc o n t r i b u t i o n sa b o u tt h ep a p e ra r e 1 a p p l i e dt h et h e o r yo ff l u i dm e c h a n i c sa n dp l a s t o e l a s t i c i t ym e c h a n i c s ，t h e p a p e rf i n i s h e d t h e a n a l y s i s a b o u td e f o r m a t i o no f h y d r a u l i ce x p a n s i o n t o o l h o l d e ra n dt h ec h a n g e so fp r e s s u r ei ni n n e rf l u i df i e l d i nh i g hr o t a t i o n s p e e d t h er e s u l t sr e f l e c t ：i nh i g hr o t a t i o ns p e e d ，t h ep r e s s u r ei ni n n e rf l u i df i e l d i sn o te q u a la b o u th y d r a u l i ce x p a n s i o nt o o l h o l d e rb e c a u s eo f c e n t r i f u g a lf o r c e 2 t h ed a m p i n g p e r f o r m a n c ea n a l y s i sh a sb e e nc a r r i e do u ta b o u th y d r a u l i c e x p a n s i o n i ti s c r e d i t a b l ea b o u tt h en u m e r i cs i m u l a t i o nt h a ti sa b o u tt h e h y d r a u l i ce x p a n s i o nt o o l h o l d e rt r a n s i t i o nt o r q u ea d o p t e df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， 江苏大学硕士学位论文：液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究 t h ep a p e rr e v e a l st h ei n f l u e n c el a wt ot h ec h u c kt r a n s i t i o nt o r q u ea b o u to i l p r e s s u r e ，g a pa n d t h eo i lc h a m b e rs t r u c t u r e 3 t h ec l a m p i n gp e r f o r m a n c ea b o u tc h u c ki ss t u d i e di nt h eh i g hr o t a t i o n s p e e d t h ei n n e rf l u i df i e l dd i s t r i b u t i o nl a wi sr e s e a r c h e di nd i f f e r e n ts p e e db y c f x ，t h ep a p e rr e v e a l st h ei n f l u e n c el a wt oc h u c kb e c a u s eo fd i f f e r e n tg a p s ， r o t a t i o ns p e e da n do i lp r e s s u r e 砀er e s e a r c hs h o w st h a t ：t h ei n n e ro i lc h a m b e r p r e s s u r ed e c r e a s e sw i t ht h ea d d i t i o no fr o t a t i o ns p e e da n d t h et r a n s i t i o nt o r q u e w i l ld e c r e a s eg r a d u a l l y , t h er e s u l t sd o e sq u i t eg o o de x p l a n a t i o nt h er e a s o n sa b o u t c l a m p i n gi n v a l i d a t i o ni nh i g hs p e e dm a c h i n i n g 4 c l a m pr i g i d i t yo ft h em a c h i n i n gt o o lh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c es u r f a c e q u a l i t ya n d t h eo v e r a l lv i b r a t i o n , d i f f e r e n tf a c t o r so nt h er a d i a ls t i f f n e s sh a sb e e n a n a l y z e d ，t og e tar e a s o n a b l ef a c t o r so p t i m i z i n gp r o c e s s m gp e r t o r m a n c e 。i m s 一 一一一 一o一 p a p e ra n a l y z e st h ei m p a c to n t o o lc h u c kc l a m pr i g i d i t yw i t ht h ed i f f e r e n tg a p s ， t h ed i f f e r e n tl e n g t ho fo i lc h a m b e rr a i s e d ，a n dt h ed i f f e r e n tr o t a t i o ns p e e d s ，f o r t h ec h u c km a n u f a c t u r i n ga n dp r o c e s s i n gq u a l i t yc o n t r o lt h er e s u l t sp r o v i d e r e a s o n a b l ee f f e c t i v ef o u n d a t i o na n dr e f e r e n c e k e yw o r d s ：h i i 曲s p e e dm a c h i n i n g ；h y d r a u l i ce x p a n s i o nt o o l h o l d e r ； c o n t a c ta n a l y s i s ；f l u i d s o l i dc o u p l i n g ；c h u c kt o r q u e ；r i g i d i t y 1 1 2 高速加工技术简介2 1 2 1 高速加工技术及其特点2 1 2 2 高速切削加工技术的主要应用领域4 1 3 高速加工工具系统5 1 3 1 高速加工工具系统的发展状况。6 1 3 2 高速刀具夹头及其装夹技术8 1 3 3 刀具夹持方式的类型和性能比较9 1 4 本论文的来源、研究意义及主要研究工作1 0 1 5 本章小结1 2 第二章有限单元法及接触理论基础 2 1 有限单元法1 3 2 1 1 有限单元法的要点和特性1 3 2 1 2 有限单元法的基本步骤1 4 2 2 接触问题概述p 7 】1 5 2 3 接触界面条件。1 6 2 3 1 法向接触条件1 7 2 3 2 切向接触条件1 8 2 4 接触问题求解方案1 9 2 4 1 接触问题求解的一般过程1 9 2 4 2 接触问题的定解条件和校核条件1 9 2 4 3 接触问题有限元求解方程2 0 2 5本章小结。2 2 第三章液压膨胀夹头理论分析 3 1 弹性力学理论2 3 3 1 1 弹性力学的基本研究任务2 3 3 1 2 弹性力学的基本假设。2 3 3 1 3 弹性力学的研究方法2 4 3 2 液压膨胀夹头的力学模型2 5 3 3 流体力学理论及液压油计算模型。2 9 3 3 本章小结3 1 第四章静态下液压膨胀夹头的数值模拟3 2 4 1 a n s y s 简介降彻3 2 4 1 1a n s y s 主要技术特点。3 2 v 液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究 4 2 2a n s y s 典型分析过程3 3 4 2h s k 刀具系统有限元模型的建立3 4 4 2 1 液压膨胀夹头实体模型3 4 4 2 2 有限元模型、单元材料选取及参数设置_ 3 5 4 2 3 实体模型的网络划分。3 7 4 3 液压膨胀夹头有限元模型的加载3 7 4 3 1 接触类型的确定3 8 4 3 2 建立目标面与接触面3 9 4 3 3 接触对关键参数的设置3 9 4 4 4 边界条件的加载4 0 4 4 静态结果分析验证4 0 4 5 夹头刀具静态分析4 2 4 5 1 液压腔处有无凸起部分分析。4 2 4 5 2 静态分析。4 3 4 6 本章小结4 6 第五章高速旋转状态下液压膨胀夹头性能分析 4 7 5 1 动态分析数值模拟的思路4 7 5 2 高速旋转状态下液压油压力分析4 7 5 2 1 c f x 简介【5 2 j 。4 7 5 2 2 液压油有限元模型及材料参数4 7 5 2 3 边界加载4 8 5 2 4 液压油数值模拟结果分析。4 9 5 3 高速旋转状态下夹头的性能分析5 0 5 4 高速夹头的径向夹持刚度分析5 3 5 4 1 径向夹持刚度有限元模型及结果分析5 3 5 4 2 径向夹持刚度分析5 6 5 4 3 本节小结6 0 5 5 本章小结6 0 第六章研究结论与展望 参考文献 致谢 6 1 研究结论6 3 6 2 需要继续深入研究的主要问题6 4 攻读硕士学位期间所取得的主要成果 6 5 6 8 6 9 绪论 1 1高速加工的背景 绪论 工技术的背景，重点讲述了高速加工工具系 ，进而阐述了本研究的主要内容、研究方法 随着科学技术的发展，机械制造技术朝着高速、低消耗、优质和高精度的方向迈进 【1 1 。高速加工与精密加工、高能束加工、柔性自动化加工一起，构成了当今机械制造中 的四大先进制造技术i 刎，是集材料科学、信息科学。控制理论和制造技术为一体的综合 高新技术，在汽车、模具、飞机和航空航天等制造领域得到了广泛的应用，并取得了显 著的经济效益【4 】。今天切削速度高达8 0 0 0 m m i n ，材料切除率达1 5 0 1 5 0 0 c m 3 m i n ，超 硬刀具材料硬度达3 0 0 0 - - 8 0 0 0 t t v ，强度达1 0 0 0 m p a ，加工精度从l o u m 到0 1 u m , 干( 准) 切削日益广泛应用。随着切削速度提高，切削力降低大致为2 5 , - , - , 3 0 以上；切削温度增 加逐步缓慢；加工表面粗糙度降低1 2 级；生产效率提高，生产成本降低。高速切削 己逐渐成为提高生产效率和加工质量、降低制造成本的主要途径，日本先端技术研究会 将其列为五大现代制造技术之一；国际生产工程学会( c i r p ) 将其确定为本世纪的中心 研究方向之一；德国把高速切削列入当代金属加工最重要的研究领域之一；在美国，高 速切削已经成为切削加工发展的主流；我国把加工制造技术的发展方向定位于超精密、 超高速及发展新一代制造装备【5 - 7 1 。高速切削技术不只是一项先进技术，它的发展和推 广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。 我国的高速切削技术的研究起步较晚，现在仅在很少机械厂使用到，由于高速切削 技术不仅是对加工速度的要求，而且对机床以及机床的部件要求都很高，所以高速技术 的应用将会是一个不断渐进和不断提升我国装备制造业的一个过程。直到二十世纪八十 年代中后期，我国才开始注意到高速切削技术的巨大发展潜力和应用前景，我国与国外 技术有着很大的差距，我国的许多技术还处于初步阶段，在国内研究高速技术的单位也 很少，虽然在某些方面取得了一定的进步，但是还是需要我们不断的去深入和提高，提 升我国的高速切削加工技术。 1 江苏大学硕士学位论文：液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究 1 2 高速加工技术简介 1 2 1 高速加工技术及其特点 高速切削加工( h s m 或h s c ) 概念来源于c a r l j s a l o m o n 博士1 9 2 9 年的研究中所 提出的两个假设：即在高速区，当切削速度超过切削温度最高的“死谷 区域，继续提 高切削速度将会使切削温度明显下降，单位切削力也随之降低。在临界切削速度两边有 一个不适宜加工的区域( 即“死区 ( v a l l e yo fd e a t h ) ) ，因为在该区域内刀具承受不 了高温的作用，然而随切削速度的进一步提高，切削温度达到峰值之后反而下降。即在 切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随切削速度增大而增大；但当超过这 个临界值时，随着切削速度增加，切削温度和刀具磨损反而下降。据此，s a l o m o n 博士 提出可以用比普通切削速度高出许多的速度进行切削加工，提出了高速切削加工的概 念。现在人们常用“萨洛蒙曲线 来表示【8 - 1 0 l ，如图卜l 所示。 切 翻 温 度 图1 1 萨洛蒙高速切削加工理论示意图 m g 1 1s a l o m o nh i g h - s p e e ( 1m a c h i n i n gt h e o r ys c h e m e s 由于不同的材料的性能不太一样，对加工的要求也不相同，所以不同材料的高速切 削速度范围为：铝合金1 5 0 0 m m i n 一- - 5 5 0 0 m m i n ；铸铁7 5 0 m m i n 4 5 0 m m i n ；普通钢 6 0 0 r e m i n - - 8 0 0 m m i n 。进给速度已高达2 0 m m i n - - , 4 0 m m i n 。对于不同加工工艺，高速切 削的速度范围为：车削7 0 0 m m i n , - - 一7 0 0 0 m m i n ，铣削3 0 0 m m i n - - - 6 0 0 0 m m i n ；钻削 2 0 0 m m i n - - ll o o m m i n ；磨削1 5 0 m m i n - - - 3 6 0 m m i n 。 “高速 是一个想对概念，不是只在强调切削速度，不同的加工方法和刀具材料， 2 第一章绪论 切削技术定义也不相同。目前沿用高速切削加工定义主要有以下几种【8 1 2 ，1 3 1 ： 1 ) 1 9 7 8 年，c i r p 切削委员会提出的以线速度5 0 0 7 0 0 0 m m i n 的切削速度加工为高 速切削加工。 2 ) 从主轴设计的观点，以沿用多年的d n 值( 主轴轴承孔直径d 与主轴最大转速n 的乘积) 来定义高速切削加工。d n 值达( 5 - - 2 0 0 0 ) 1 0 5 m m r m i n 时为高速切削加工。 3 ) 从实用的角度，仅有高转速是不够的，为了在高速下保持相同的切削负荷，还需 大功率，而功率受到主轴转速的限制，对于转速高的主轴功率一般很小，主轴功率小时， 转速可以达到很高，但这样的高速对于切削加工来讲没有多大的实用意义。因此，衡量 高速的标准是功率与主轴转速的比率，在高速切削中，其典型值是0 0 0 3 7 k w r p m ，如转 速1 0 0 0 0 r p m 时功率为3 7 k w ，1 5 0 0 0 r p m 时功率为2 2 k w 。 4 ) 采用i s o 刀具标准，按照主轴锥孔的规格进行划分。划分如下：# 5 0 锥一1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 r m in , # 4 0 锥- - 2 0 0 0 0 - - 一，4 0 0 0 0 r m in ；# 3 0 锥一2 5 0 0 0 4 0 0 0 0 r m in ；h s k 锥一 2 0 0 0 0 - - 。4 0 0 0 0 r m i n , k m 锥一3 5 0 0 0 r i n 以上。因此关于高速切削加工不能简单的用某 一具体切削速度值来定义。不同的切削条件不同的切削材料，具有不同的高速切削速度 范围。虽然很难就高速切削范围给出一个确切的定义，但从生产实际考虑，高速切削加 工中的“高速”不应仅是一个技术指标，还应是一个经济指标，是一个可由此获得较大 经济效益的高速度的切削加工。根据目前实际情况和可能的发展，不同工件材料的大致 切削速度范围如图1 2 所示。 采用高速切削技术将使整体切削加工效率大幅度提高。这是因为伴随着自动化程度 的提高，辅助时间、空行程时间已大大减小，工件加工时间的主要部分为有效切削时间。 而切削时间的多少取决于进给速度或进给量的大小。显然，若保持进给速度与切削速度 的比值不变，随着切削速度的提高切削时间将减小，加工成本也相应降低，由此可大幅 度提升制造企业的快速响应能力。与传统加工相比，高速加工具有如下主要优点： 1 有利于提高生产率 单位时间内，高速切削的材料切除率大大提高，可达到常规切削的3 6 倍，甚至 更高。因而零件加工时间通常可缩减到原来的1 3 1 4 1 ，从而提高了生产率和设备利用率。 同时机床快速空程速度大幅度提高，也大大减少了非切削的空行程时间。 3 江苏大学硕士学位论文：液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究 切喇速度m m i t t 一， 图1 2 不同工件材料切削速度范围 f i g 1 2d i f f e r e n tw o r k p i e c em a t e r i a lc u t t i n gs p e e dr a n g e 2 能获得较高的加工表面完整性 高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度 低，因此热影响区和热影响程度都较小，有利于获得低损伤的表面结构状态和保持良好 的表面物理性能及力学性能。 3 能有效抑制切削振动的影响，降低加工表面粗糙度 高速切削力及其变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率也远远高于切削工艺系统 的高阶固有频率，因此切削振动对n - r 质量的影响很小。此外，高速切削即使采用较小 的进给量，仍能获得很高的加工效率，但表面粗糙度却得以极大地改善。 4 减少热变形和零件的内应力 高速切削加工时，切屑以很高的速度排除，带走大量的切削热，切削速度越大，带 走的热量越多，大致在9 0 以上，传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加工零件的 内应力和热变形，提高加工精度1 8 1 。 5 能加工各种难加工材料。 1 2 2 高速切削加工技术的主要应用领域 4 高速切削技术已经在生产中得到了广泛的应用，其主要应用领域为【1 5 。1 7 l ： 1 航空航天工业 第一章绪论 1 ) 在航空航天和其它一些行业中，为了最大限度地减轻重量和满足其它一些要求， 许多机械零件采用薄壁、细筋结构。由于刚度差，不允许有较大的吃刀深度，因此，必 须在加工时提高切削速度和进给速度。 2 ) 由于飞机零件对其自身的重量要求比较苛刻，同时也为了提高可靠性和降低成 本，将原来有多个钣金件或焊接而成的组件，改为整体实心材料制造，此即“整体制造 法 。在整体毛坯上切除大量材料后，形成高精度的铝合金或铁合金的复杂构件，采用 高速切削，可大幅度提高生产率和产品质量，降低制造成本。 3 ) 航空和动力部门大量采用镍合金和钛合金制造飞机和发动机零件。这些材料强度 大、硬度高、耐冲击，在加工中容易硬化，使得加工时切削温度高，刀具磨损严重，属 于难加工材料，如果采取高速加工，不但可大幅度提高生产率，而且可有效地减少刀具 磨损，提高加工零件的表面质量。 ，。 2 汽车制造工业 1 ) 随着高速加工技术的迅速发展，高速加工中心和高速切削技术投入了生产应用。 高转速( 主轴转速1 0 0 0 0 r m i n 以上) 、快进给速度( i t 给速度在5 0 - - 一6 0 m m i n 以上) 以 及快速换刀技术的应用，出现了高速、高效的多坐标生产型加工中心，配合各种新型刀 具、刀具材料的发展应用，使高速加工中心的生产率大幅提高。 2 ) 汽车发动机的箱体、缸盖多采用组合加工，其加工方式主要有两种：加工设备 主要由高速加工中心组成，设备按照工件的工序顺序排列，每一工序可以由一台或多台 相同设备组成，加工工序均在加工中心上完成；由高速加工中心和部分具有一定多品 种适应性的数控专用机床组成。缸体、缸盖上主要孔精加工被安排在专用数控机床上进 行，其余孔则采用高速或准高速加工中心加工。 3 模具制造工业 1 ) 高速切削大大提高加工效率，不仅机床转速高、进给快，而且粗、精加工可一次 完成，极大地提高了模具生产率。结合c a d c a m 技术，模具的制造周期可缩短约4 0 。 2 ) 采用高速切削可加工淬硬钢，硬度可达6 0 h r c 左右，可得到很高的表面质量，表 面粗糙度低于r a 0 6 um ，取得以铣代磨的加工效果，不仅节省了大量修光时间，还提高 了表面质量。 1 3 高速加工工具系统 高速加工不仅要求刀具自身具有良好的刚性、柔性、动平衡性及操纵性，同时对工具 5 江苏大学硕士学位论文：液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究 系统与机床主轴的联接刚性、联接精度以及对刀具的夹持力、把持精度等都提出了严格要 求。对于旋转类切削而言，一套完整的工具系统应该包括刀片、刀体、刀杆、刀柄、使刀 柄和主轴紧密结合的锁紧装置和其它相应的辅助装置。高速加工对工具系统的性能要求 有：( 1 ) 良好的静、动态刚性和定位精度；( 2 ) 和主轴有可靠的联接形式；( 3 ) 和刀具有 可靠的联接形式；( 4 ) 先进的刀片材料和良好的抗冲击、抗疲劳性能；( 5 ) 合理的刀具切 削几何参数和安全的刀片压紧结构；( 6 ) 整体结构上的动平衡性能和安全性能【1 6 1 。 1 3 1高速加工工具系统的发展状况 目前用于高速加工的工具系统主要有德国的h s k 工具系统，美国的k m 工具系统， 日本的n c 5 以及b i g - p l u s 工具系统，瑞典的c a p t 0 工具系统。它们的结构和性能对比 如表1 3 和1 4 【1 7 1 8 1 。 表1 1 不同工具系统的结构对比 t a b l e l 1d i f f e r e n tt o o ls y s t e ms t r u c t u r ec o n t r a s t 注：表中a 、b 为夹爪斜面和刀柄内孔斜面与轴线的夹角，口为摩擦角 6 第一章绪论 可以看出在众多的工具系统中，德国开发的h s k 工具系统性能最优良。目前，工业 发达国家针对h s k 工具系统的研究主要集中在采用实验测试方法，对现有的工具系统的 产品进行性能测试、评价、而对其引起性能差异的内在原因及其规律的理论研究不多见。 相关文酬1 9 2 1 】介绍了他们的研究成果，但也回避了一些关键性的技术问题，如尺寸配合 误差对h s k 工具系统性能的影响。美国学者i m h a n n a 和日本学者m t s u t s u m 运用有限 元分析方法对h s k 工具系统的内部应力和局部变形进行了分析，解决了h s k 刀柄的局部 强度问题 2 2 - 2 4 1 。t a o y a m a y 在研究高速下h s k 工具系统性能影响时忽视了离心力对夹紧 力的影响，得出了与其他研究不一致的结果【2 4 j 。 可以看出在众多的工具系统中，德国开发的h s k 工具系统性能最优良。目前，工业 发达国家针对h s k 工具系统的研究主要集中在采用实验测试方法，对现有的工具系统的 产品进行性能测试、评价、而对其引起性能差异的内在原因及其规律的理论研究不多见。 相关文献【1 9 m 】介绍了他们的研究成果，但也回避了一些关键性的技术问题，如尺寸 7 江苏大学硕士学位论文：液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究 配合误差对h s k 工具系统性能的影响。美国学者i m h a n n a 和日本学者m t s u t s u m 运用 有限元分析方法对h s k 工具系统的内部应力和局部变形进行了分析，解决了h s k 刀柄的 局部强度问题【2 2 例。t a o y a m a y 在研究高速下h s k 工具系统性能影响时忽视了离心力对 夹紧力的影响，得出了与其他研究不一致的结果【2 q 。 我国对h s k 工具系统方面的研究取得了一定的成果。其中成都工具研究所的梁彦学、 张铁铭在引进h s k 工具系统标准、探索制造工艺及其动平衡方面做了许多工作；山东大 学艾兴等对高速下的7 ：2 4 锥度的刀柄主轴连接特性进行了有限元建模分析研究，同 时也对h s k 工具系统在高速下的锥面接触情况进行了深入研究【猢1 1 ；张松对高速旋转的 刀具系统的安全性进行了研究，对可转位铣刀和立铣刀进行了失效分析，并提出了相应 的改进措施【3 2 】。大连理工大学的李天华对高速切削中刀具联接系统应力变形进行了分析 【3 3 】。大连理工大学的王殿龙应用有限元研究了在离心力作用下，径向膨胀变形对刀柄联 结性能的影响酬。华南理工大学的刘旺玉用有限元研究了h s k 薄壁液压夹头承受均匀压 力时的弹性变形，预测了产生临界夹紧力时的油压值和消除最大间隙量时的最小夹紧扭 矩【3 5 1 。我们江苏大学的王贵成等开展了高速加工工具系统及其应用基础研究，取得了若 干成果，并出版了国内第一部学术专著高速加工工具系统( 国防工业出版社2 0 0 5 ) 。 1 3 2 高速刀具夹头及其装夹技术 高速切削用的刀具，尤其是高速旋转刀具，由于旋转速度很高，无论从保证加工精 度方面考虑，还是从操作安全方面考虑，对它的装夹技术有很高的要求。弹簧夹头、螺 钉等传统的刀具装夹方法已经不能满足高速加工的需要，开发新型的刀具夹头已成为高 速切削技术的一个重要的组成部分p q 。世界上生产刀具夹头的著名公司和生产切削刀具 专业公司，如雄克( s c h u n k ) 、日研、大昭和、e p b 、w o h l h a u p t e r 、e m u g e 等公司分别开 发出了高精度液压夹头、热缩夹头、三棱变形夹头、内装动平衡机构的刀柄、转矩监控 夹头等新产品。这些夹头的特点是：( 1 ) 夹紧精度高，在悬伸3 d ( d _ _ 嘲床主轴前轴 颈的直径) 处定位精度兰3 r a m , 加工精度高；( 2 ) 传递转矩大，能适应高效切削的以扩 大加工范围需要；( 3 ) 结构对称性好，有利于刀具的动平衡；( 4 ) 外形尺寸小，可加 大刀具的悬伸量p q 。 8 第一章绪论 图1 3 弹簧夹头结构示意图 f i g 1 3s p r m gc h u c ks t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n g ” 净一 荔一。7 嘲磐 ，量璧 袖膛荔一”嘲磐 - l 至 袖膛 如压曩栓 图1 4 液压夹头结构示意图 f i 9 1 4s t r u c t u r ec h a r to fh y d r a u n ce x p a n s i o n 图1 5 热缩夹头 f i g 1 5h e a ts h r i n k a b l ec h u c k 图1 6 三棱变形夹头 f i g 1 6s a n l e n gd e f o r m a t i o nc h u c k 1 3 3 刀具夹持方式的类型和性能比较 工具系统接口技术包括刀柄与机床主轴接口技术以及刀具夹头与刀具接口技术，刀 具夹头与刀具接口配合性能的好坏，不同种类夹头的选择对加工质量、承载能力、刀具 寿命等有直接的影响。 9 江苏大学硕士学位论文：液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究 表1 3 不同刀具夹持方式的比较 t a b l e l 3t h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tt o o ld a m p i n gm e t h o d 1 4 本论文的来源、研究意义及主要研究工作 目前在国外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了这种刀具夹头。在我国内广州工具厂首先引进德国的生产 技术，国内还有别的厂也引进德国技术进行生产，因为其特有的优点，液压夹头会伴随 的高速机床的不断使用而被广泛的使用。由于液压夹头的生产工艺复杂，而且加工精度 以及动平衡要求都较高，本论文主要对液压夹头性能参数进行理论分析和数值模拟，以 期能对我国的液压夹头的研究和生产有所帮助。 本论文的课题来源于自拟课题“液压膨胀夹头的研究 ，在查阅大量的国内外的参 考文献后，结合现有的条件，对液压膨胀夹头的夹紧性能进行了研究。主要研究内容如 下g 1 ) 研究国外高速切削加工刀具系统的进展情况，并了解国内高速切削加工刀具系统 的发展历程和现状； 1 0 第一章绪论 2 ) 研究高速切削中的相关关键技术； 3 ) 利用弹塑性理论以及流体力学的知识，对在一定转速下液压夹头薄壁的变形进行 分析，并且对液压油的离心力对夹头的性能影响。 4 ) 应用有限元分析软件a n s y s ，对液压膨胀夹头进行数值模拟，并找出接触应力变 化的趋势和规律； 5 ) 应用c f x 和a n s y s 结合，分析液压膨胀夹头在高速旋转状态下的夹紧性能。 本论文研究的总体结构框架如图1 7 所示。全文有六章组成。第一章绪论，第二章 有限单元法及解除理论基础，第三章液压膨胀夹头的理论分析，第四章静态下液压膨胀 夹头的数值模拟，第五章高速旋转状态下液压膨胀夹头性能分析，第六章研究结论及展 望。 图1 7 论文研究的总体框架图 f 蟾1 7t h eo v e r a l lf r a m e w o r ka b o u tt h ep a p e r 1 1 江苏大学硕士学位论文：液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究 1 5 本章小结 高速加工在现代制造业中占有重要的地位。本章主要概述了高速切削加工技术的定 义、特点和应用领域；结合国内外的生产现状，介绍了各种刀具夹持系统的结构和特点； 叙述了本课题的来源、意义及主要研究工作。 第二章有限单元法及接触理论基础 第二章有限单元法及接触理论基础 摘要：本文主要采用有限元分析的方法对液压膨胀夹头进行数值模拟，采用了 a n s y s 和c f x 结合的方法进行分析。有限元基础理论以及有限单元法是数值模拟的基 础，本章重点对将会使用到的模块和有限单元的分析步骤进行了介绍。 在科学和技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们应遵循 的基本方程( 常微分方程或偏微分方程) 和相应的定解条件。但能用解析方法求出精确 解的只是少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题，对于大多数问题，由于 某些方程的非线性性