热缩刀柄不同壁厚热缩刀柄夹持力的研究

热缩刀柄不同壁厚热缩刀柄夹持力的研究

1热缩刀柄—引言热缩头是连接刀柄和刀的中间关键支撑元件。刀与热缩刀柄之间没有任何零件。刀具夹持时,利用热感应装置使热缩刀柄的夹持部分在短时间加热至250℃-425℃,待其内径扩张至超过刀具被夹持部分的直径时,迅速将刀具装入热缩刀柄内,热缩刀柄冷却收缩时,刀具与热缩刀柄形成过盈配合,以此实现刀柄对刀具的可靠、高精度有效夹持。图1所示为德国OTTOBILZ公司开发的带热缩夹头的HSK刀柄结构(Thermogrip工具系统)。与弹性夹头相比,热缩刀柄由于是由刀柄单体构成,没有零件组合带来的精度降低,并且是依靠金属的收缩方式夹持刀具,比机械性收缩方式离散度小,精度稳定性高。另外,热缩刀柄具有较高的夹持扭矩、高弯曲刚性及高的动平衡性。HSK热缩刀柄—刀具配合应对高速加工而产生,在高速旋转状态下热装夹头对刀具须有足够的夹持强度,以免降低加工精度甚至发生安全事故。本文借助有限元分析技术,对高速旋转状态下热缩刀柄—刀具配合的接触压力及变形进行对比分析,给出接触压力分布的影响因素及不同壁厚不同转速下接触压力大小的变化趋势。研究结果可对计算及使用热缩刀柄夹持力提供指导。2内孔扩张量的影响因素热缩刀柄的夹持力由刀柄热缩夹头和刀具的过盈配合产生,夹持力的大小主要受接触压力和接触面积的影响,本文研究接触压力的影响因素。在夹持长度一定的条件下,过盈量、刀柄壁厚以及转速三方面主要因素共同影响接触压力的大小。通过分析单因素条件可知:接触压力随基本过盈量的增加而增加;由于刀具的刚度大于热缩夹头结构的刚度,刀具受离心力小于热缩夹头收到的离心力,故相同主轴转速下热缩夹头内孔径向扩张量大于刀具扩张量,从而减小过盈量,使夹持力相对减小。刀柄壁厚对夹持力的影响主要是双因素或三因素综合作用来体现:在相同转速、相同初始过盈量条件下,壁厚越大接触压力越大。热缩夹头的结构具有明显的轴对称性,可将其简化为同心圆盘(见图2)。研究热缩夹头—刀具配合的夹持力时,可按轴对称平面应力问题求解。研究内孔初始膨胀量μ下的接触压力,找出在相同内孔膨胀量下,热缩夹头外壁壁厚与接触压力的关系。平衡微分方程为dσrdr+σr-σθr+ρω2r=0(1)物理方程为εr=1E(σr+υσθ)(2)εθ=1E(σθ+υσr)(3)γrθ=1Gτrθ=2(1+υ)Eτrθ(4)由上三式可得σr=E1-υ2(εr+υεθ)(5)σθ=E1-υ2(εθ+υεr)(6)几何方程为εr=dμdr‚εθ=μr(7)热缩夹头夹持刀杆模型的边界条件为σr(r=a)=-P(8)σr(r=b)=0(9)上述方程联立求解得σr=a2Ρb2-a2(1-b2r2)+ρω2(3+υ)8(a2+b2-r2-a2b2r2)(10)σθ=a2Ρb2-a2(1+b2r2)+ρω2(3+υ)8(a2+b2-r2(1+3υ)3+υ+a2b2r2)(11)μ=a2Ρ(b2-a2)E[(1-υ)r+b2(1+υ)r]+ρω2(3+υ)r8E[a2b2(1+υ)r2-r2(1-υ2)(3+υ)+(a2+b2)(1-υ)](12)内孔扩张量的μ值为μ(r=a)=a2Ρ(b2-a2)E[(1-υ)a+b2(1+υ)a]+ρω2(3+υ)a8E[b2(1+υ)-a2(1-υ2)(3+υ)+(a2+b2)(1-υ)](13)式中,P为接触压力,υ为泊松比,ρ为热缩夹头材料密度,E为杨氏模量,ω为主轴转速,从上式可看到内孔扩张量相关的两个因素,一个是接触压力:a2Ρ(b2-a2)E[(1-υ)a+b2(1+υ)a],另一个是离心力:ρω2(3+υ)a8E[b2(1+υ)-a2(1-υ2)(3+υ)+(a2+b2)(1-υ)]。经过计算发现离心力对内孔扩张量的影响相对较小,则只看接触压力部分a2Ρ(b2-a2)E[(1-υ)a+b2(1+υ)a],可见相同内孔扩张量时,接触压力P与外壁厚b正相关。若只考虑转速的影响,即为求解未夹持刀具的空心热缩夹头在一定转速下的状态,边界条件变为σr(r=a)=0(14)σr(r=b)=0(15)内孔扩张量求解结果为μ(r=a)=ρω2(3+υ)a8E[b2(1+υ)-a2(1-υ2)(3+υ)+(a2+b2)(1-υ)](16)由上式可知,一定主轴转速下,热缩夹头内孔扩张量与夹头外壁壁厚正相关,考虑到整个夹头模型为锥体结构,热缩夹头内孔面小端到大端沿轴向的扩张量逐渐变大而形成喇叭口状。要确保高速切削过程中热缩刀柄夹头—刀具联结紧密,使刀具不致因夹持力不足而脱落,在联结面必须有足够大的夹持力即足够大的接触压力来保证夹持可靠。刀柄热缩夹头与刀具接触表面间存在着非线性,属于不定边界的弹性接触问题,其中既有由接触面积变化而产生的非线性,也有由接触应力分布变化而产生的非线性,还有由摩擦作用而产生的非线性,接触面间呈现出复杂的接触状态和应力状态。应用传统的接触力学已很难求解这种复杂的接触状态和应力状态,热缩刀柄夹头—刀具联结面间的接触紧密性使实验测定也很难进行,但有限元理论及仿真分析的发展为更好地解决这类问题提供了条件。3热缩刀模型的构建与建模分析3.1刚性接触问题的有限元分析从力学的角度看,热缩刀柄夹头—刀具过盈配合属于一种非线性面—面接触问题,这种非线性接触问题在有限元分析软件(本文采用ANSYS10.0)中可通过添加面—面接触对的方式建立夹持力模型。在有限元分析中设定接触,即对相互接触的两个部件施加某种约束,不同的接触算法对于接触约束的处理方法有所不同。在此分析中,添加一个面接触对(Contactpair),对于刚体对柔体接触,刚体表面总是指定为目标面,故把刀柄内面作为接触面,刀杆外面作为目标面,定义为刚性。通过研究目标面上的节点与接触面接触时的自由度关系及变形的一致性,确定接触边界条件,然后从边界条件变形协调的变分原理出发,建立整个接触系统的控制方程,从而有效地处理复杂接触表面和动态接触问题。两种不同壁厚刀柄取带4.5°热缩夹头(见图3)与3°热缩夹头(见图4)HSK63A刀柄。两者壁厚的差别:4.5°刀柄前端壁厚6mm,后端壁厚11.4mm;3°刀柄前端壁厚1.5mm,后端壁厚3.8mm。由于分析所关注的主要部分是热缩夹头部分,并且刀柄的其他部分对该分析的影响几乎可以忽略,故将模型简化为只考虑热缩夹头部分。实体的单元类型采用solidbrick8nodes185,网格划分见图5。定义材料属性为:密度ρ=7.8×103kg/m3,杨氏模量Ex=2.225×1011N/m2,泊松比0.3,摩擦系数为0.28。3.2热缩夹头尺寸的影响分别对两种不同壁厚热缩刀柄—刀具配合在不同转速4000、8000、12000、16000、20000、24000、28000r/min下进行仿真模拟,分析过程中固定初始过盈量为0.006mm。仿真可得到在不同转速条件下热缩刀柄—刀具配合接触面的状态,分析接触面的接触压力。图6为转速为4000r/min下厚壁热缩夹头4.5°刀柄的接触压力分布,图7为转速为4000r/min下薄壁热缩夹头3°刀柄的接触压力分布。对比分析结果可见,两种壁厚热缩刀柄在各自接触面上接触压力分布不均,这是由于热缩夹头外壁圆锥上各点直径不同,径向变形及径向间隙是非均匀的。表现为在轴向方向上随热缩夹头壁厚的增大,接触压力逐渐变大。对比不同壁厚热缩夹头的接触面接触压力,可见厚壁热缩夹头刀柄(4.5°刀柄)的接触压力较薄壁热缩夹头刀柄(3°刀柄)要大。由于夹持力与接触压力和接触面积均为正相关,若比较不同热缩夹头壁厚下的夹持力大小则不能只取最大值,可比较在接触面轴向上十个截点的接触压力。图8为主轴转速为4000r/min下不同壁厚的4.5°刀柄和3°刀柄接触压力对比。离心力的作用会使热缩刀柄夹头与刀具联结面的过盈量减小,这表现为接触压力随转速升高有降低的趋势(见表1各转速下3°热缩刀柄轴向各截点的接触压力)。当转速升高到一定程度,过盈量会减小到不足以产生足够大的夹紧力来夹持刀具,从而严重影响加工质量,甚至造成事故。在各级主轴转速下厚壁刀柄(4.5°刀柄)的接触压力都比薄壁刀柄(3°刀柄)要大,最大接触压力出现在热缩夹头大端附近,并且最大接触压力随转速升高有增大的趋势,但是由于小端扩张变形较大形成的喇叭口造成大端的应力集中。大端出现的最大接触压力随转速升高有增大的趋势,这一现象并不违背离心力对过盈配合的接触压力有削弱作用的结论,因为最大接触压力出现的区域范围很小,在接触的其他区域接触应力随转速升高有减小的趋势。这一减小的趋势在薄壁热缩夹头3°刀柄分析时并不明显,原因是材料一定的情况下离心力的大小同时由转速的旋转半径确定。3°刀柄壁厚较薄,小端壁厚1.50mm,大端壁厚3.83mm,且旋转半径较小,故在高转速情况下离心力的的削弱作用不是十分明显。4热缩刀柄—结语利用有限元软件ANSYS分析了壁厚与转速对热缩刀柄与刀具配合的接触压力力学特性的影响,结果表明:(1)在一定转速下,过盈量与离心力共同作用产生的接触压力在整个接触面上分布不均匀,由热缩刀柄小端到大端接触压力逐渐变大。(2)随着转速的增加,热缩刀柄—刀具配合的接触压力总体下降,但最大接触压力有升高趋