機(jī)床工具系統(tǒng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊性能分析*

喬志敏，王樹(shù)林

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

機(jī)床工具系統(tǒng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊性能分析*

喬志敏，王樹(shù)林

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

論文應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件，采用ABAQUS/Standard接觸算法對(duì)高速加工工具系統(tǒng)的懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)在夾緊狀態(tài)的接觸力進(jìn)行了分析，全面分析了夾緊性能中各參數(shù)的影響，指出了拉桿原始動(dòng)力產(chǎn)生的軸向夾緊力與接觸斜面的楔角、摩擦系數(shù)及轉(zhuǎn)速的關(guān)系。結(jié)合力學(xué)分析、接觸應(yīng)力分布惰況對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了有效的依據(jù)和參考。

工具系統(tǒng)；懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)；夾緊性能；接觸應(yīng)力

0 引言

機(jī)床工具系統(tǒng)中，夾緊機(jī)構(gòu)是主軸與工具連接系統(tǒng)中的重要組成部分，用來(lái)提供足夠大的夾緊力，保證工具與主軸可靠聯(lián)接。一個(gè)優(yōu)良的工具系統(tǒng)必須被充分夾緊，且設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮夾緊力的產(chǎn)生、放大和傳遞等功能在夾緊機(jī)構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)［1］，其中夾緊力的放大可以通過(guò)不同接觸斜楔面來(lái)實(shí)現(xiàn)，而夾緊力的放大效果很大程度上取決于夾緊機(jī)構(gòu)接觸斜楔面的摩擦條件。對(duì)于具有雙面定位的HSK工具系統(tǒng)，目前其夾緊機(jī)構(gòu)尚未如同工具刀柄一樣形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。外漲式的懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)是一種性能優(yōu)異并得到廣泛使用的夾緊機(jī)構(gòu)。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)HSK工具系統(tǒng)的夾緊機(jī)構(gòu)的性能研究的專項(xiàng)研究還很少，實(shí)際使用中還有一些模糊甚至錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，本文利用有限元分析工具，對(duì)整個(gè)懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)夾緊過(guò)程中夾緊力的放大、傳遞的因素進(jìn)行了全面分析，同時(shí)將不同受力情況的單元聯(lián)系起來(lái)做了整體的分析，分析計(jì)算結(jié)果對(duì)機(jī)床主軸夾緊機(jī)構(gòu)的工程實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)有使用價(jià)值和理論意義。

1 接觸分析與有限元模型的建立

1.1 夾緊機(jī)構(gòu)的接觸問(wèn)題

在工程技術(shù)中，接觸問(wèn)題的存在十分普遍，各種不同形狀的物體和結(jié)構(gòu)都可能存在接觸。需要考慮物體的彈塑性、蠕變及各種物理因素的變化，接觸面間的摩擦力滑動(dòng)，物體慣性的碰撞等多種因素。最常見(jiàn)的是接觸應(yīng)力造成表面或深層的破裂會(huì)引起機(jī)器或工程破壞的事故，這時(shí)要減少這種破裂以避免事故的發(fā)生［3］。

懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)夾緊過(guò)程中，夾緊機(jī)構(gòu)拉桿的前斜楔面與拉爪的內(nèi)斜楔面會(huì)發(fā)生接觸并擠壓，拉爪的外斜楔面與工具刀柄的內(nèi)錐面也有接觸擠壓，不同斜楔面使得夾緊力在軸向和徑向都有放大效果。同時(shí)整個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)包括拉桿、夾爪、工具刀柄及其機(jī)床主軸數(shù)個(gè)單元，問(wèn)題復(fù)雜相互影響，因此研究夾緊機(jī)構(gòu)的性能，則有必要對(duì)其整體進(jìn)行接觸性能分析。

利用有限元的接觸分析模塊，可以全面而有效的分析出整個(gè)機(jī)構(gòu)中原始拉力傳遞和放大過(guò)程中各影響因素。

1.2 有限元模型的建立

本文采用的ABAQUS/Standard接觸模擬基于表面或者單元，在模型的各個(gè)部件上創(chuàng)建可能發(fā)生接觸的表面，判定可能發(fā)生接觸副，即稱之為接觸對(duì)［4］。最后，控制各個(gè)接觸面之間相互作用的本構(gòu)模型，定義其約束條件、摩擦行為等。

由于高速加工工具系統(tǒng)的軸對(duì)稱性，同時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)中6個(gè)夾爪均勻分布，因此建立夾緊機(jī)構(gòu)的1/6實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，如圖1所示，以減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算工作量。

圖1 夾緊機(jī)構(gòu)（夾緊狀態(tài)）的1/6實(shí)體模型

對(duì)于HSK-A63工具刀柄，材料選用40CrNi2Mo，如表1所示，主軸材料也與其相同，由于國(guó)內(nèi)外在工具系統(tǒng)中夾緊機(jī)構(gòu)的專項(xiàng)研究很少，本論文中拉桿與拉爪均選用硬質(zhì)合金鋼40CrNiMoA。在有限元建模過(guò)程中采用線彈性數(shù)學(xué)模型建立三維實(shí)體單元［5］。

表1 分析選用材料

2 懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)的性能分析

2.1 夾緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)作分析

懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力必須克服刀柄錐體與主軸錐孔之間因過(guò)盈配合而產(chǎn)生的阻力，使兩者可靠接觸，同時(shí)更需要保證足夠大的拉緊力作用在刀柄端面與主軸端面之間，保證兩者之間可靠的夾緊接觸［6］。

夾緊機(jī)構(gòu)在執(zhí)行夾緊動(dòng)作時(shí)，由拉桿提供初始拉緊力F1

［7］，如圖2所示。經(jīng)由拉桿/拉爪接觸斜楔面、拉爪/刀柄接觸斜楔面可將拉緊力F1軸向放大，則刀柄實(shí)際軸向拉緊力為Fsp，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)的Fsp大約是拉桿初始拉緊力F1的3倍，如表2所示，這種懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)使得夾緊效果顯著提高。

圖2 夾緊機(jī)構(gòu)夾緊狀態(tài)

表2 不同工具規(guī)格的夾緊力放大倍數(shù)

2.2 夾緊機(jī)構(gòu)的特征參數(shù)對(duì)夾緊性能的影響

對(duì)夾緊狀態(tài)的夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件，計(jì)算出不同斜楔角度、摩擦系數(shù)與轉(zhuǎn)速作用下的夾緊力放大效果，夾爪應(yīng)力分布情況及對(duì)工具系統(tǒng)性能的影響。

有限元建模時(shí)，HSK-63刀柄采用ISO-12614標(biāo)準(zhǔn)，刀柄內(nèi)錐面為30°，故拉爪與刀柄的接觸斜楔面也為30°，同時(shí)由于只建立了夾緊機(jī)構(gòu)的1/6實(shí)體模型，拉桿原始夾緊力F1轉(zhuǎn)化為平面壓力37.01MPa，由于斜楔角的改變直接關(guān)系到拉桿行程的變化，因此規(guī)定斜楔角的選取范圍為10°～20°，摩擦系數(shù)選取范圍為0.1～0.2。在ABAQUS/Standard中的History Output選擇CFT（Total force due to contact and friction pressure），分析后計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 軸向夾緊力放大倍數(shù)

圖4 徑向夾緊力放大倍數(shù)

采用懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)，接觸面上的軸向、徑向夾緊力均較初始夾緊力有所增強(qiáng)，同時(shí)對(duì)比圖中相同摩擦系數(shù)的曲線變化可知，從改善夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力放大效果考慮，采用較小的斜楔角會(huì)比較有利，由于斜楔角的改變直接關(guān)系到拉桿行程，因此根據(jù)不同工具系統(tǒng)，斜楔角通常取α=10°～15°較適宜。對(duì)比圖中相同斜楔角不同摩擦系數(shù)的夾緊力可知，斜楔面上的摩擦條件對(duì)夾緊力放大效果的影響甚至超過(guò)了結(jié)構(gòu)上斜楔角的變化，一個(gè)斜楔角α=20°的夾緊機(jī)構(gòu)，如果斜楔面摩擦系數(shù)只有0.2，軸向夾緊力放大倍數(shù)僅僅為2.5左右，是不能滿足工具系統(tǒng)對(duì)夾緊力的要求，如果能通過(guò)再制造等技術(shù)改善其摩擦條件到μ=0.1，軸向夾緊力放大倍數(shù)則能達(dá)到3.2左右，此夾緊機(jī)構(gòu)則能滿足使用要求。

2.3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)夾緊性能的影響

進(jìn)行分析計(jì)算的夾緊機(jī)構(gòu)采用α=15°，摩擦系數(shù)為0.1的特征參數(shù)，轉(zhuǎn)速范圍為10000～40000r/min，在ABAQUS/Standard中的History Output中選擇CAREA（Total area in contact），CFT（Total force due to contact and friction pressure），分析后結(jié)果如圖5所示。

圖5 接觸面面積隨轉(zhuǎn)速的變化

圖6 軸向夾緊力隨轉(zhuǎn)速的變化

一般接觸分析需要確定表面上發(fā)生接觸的面積和計(jì)算所產(chǎn)生的接觸壓力，由圖5拉爪與HSK刀柄的接觸面積隨轉(zhuǎn)速增加的變化曲線，可知主軸轉(zhuǎn)速的增加可提高拉爪與HSK刀柄的接觸關(guān)系，并在轉(zhuǎn)速增加之初提高最明顯，轉(zhuǎn)速增加之后，提高放緩。

由圖6可知，轉(zhuǎn)速的提高也有效的增加了軸向夾緊力，且?guī)缀醭识畏皆黾樱谵D(zhuǎn)速達(dá)到25000r/min左右時(shí)，夾緊力幾乎已經(jīng)是靜態(tài)夾緊力的2倍了，增加十分明顯。這是因?yàn)橹鬏S的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得夾緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了離心力，夾爪有徑向脹開(kāi)的趨勢(shì)，使得夾緊機(jī)構(gòu)與HSK刀柄的接觸與夾緊關(guān)系更加緊密、可靠。

分析可證實(shí)，高速加工時(shí)工具系統(tǒng)夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力有兩部分，一部分是拉桿原始夾緊力，即靜態(tài)夾緊力，另一部分由離心力提供，即動(dòng)態(tài)夾緊力［8］。這說(shuō)明HSK廣泛采用的懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)不僅能在靜態(tài)時(shí)提供足夠的夾緊力，甚至能在高速加工中保證工具刀柄的夾緊更加可靠，穩(wěn)定，同時(shí)更有利于充分發(fā)揮HSK這種空心短錐刀柄高剛度，高精度的性能。

2.4 夾緊機(jī)構(gòu)的接觸應(yīng)力計(jì)算

進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算的夾緊機(jī)構(gòu)采用α=15°，摩擦系數(shù)為0.1的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，仿真計(jì)算后的應(yīng)力云圖如圖7所示，拉爪的外斜楔面與HSK刀柄的內(nèi)錐面的接觸擠壓，往往會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力分布是不均勻的，分析可知最大應(yīng)力發(fā)生在夾爪上，其值為566.1MPa（小于其屈服強(qiáng)度），這是因?yàn)椋麄€(gè)夾緊機(jī)構(gòu)上有兩個(gè)斜楔面，這就相當(dāng)于兩個(gè)斜面增力放大機(jī)構(gòu)，使得拉爪與刀柄的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他面上的應(yīng)力。

圖7 夾緊機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

（1）懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)上兩個(gè)斜楔面，相當(dāng)于兩個(gè)斜面增力機(jī)構(gòu)，對(duì)夾緊力的放大效果非常顯著。

（2）采用ABAQUS非線性接觸分析方法對(duì)懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)作整體分析，全面分析了夾緊性能中各參數(shù)的影響，確定使用非線性有限元分析方法對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能分析是合理正確的。

（3）確定了拉桿與夾爪右側(cè)接觸斜楔面的夾角選取范圍為10°～15°，并指出斜楔面上的摩擦條件對(duì)夾緊力放大效果的影響最大，改善斜楔表面的摩擦條件，即減小斜楔表面的摩擦系數(shù)，可以顯著提高夾緊力的放大效果。

（4）在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，軸向夾緊力幾乎呈二次方增加，可知懸掛式斜楔夾緊機(jī)構(gòu)更加適用于高速加工，更能發(fā)揮HSK工具系統(tǒng)的優(yōu)異性能。

（5）夾緊機(jī)構(gòu)夾緊時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在夾爪上，其值為566.1MPa，在不同工況或強(qiáng)度條件下，考慮到安全系數(shù)，可以有選擇的針對(duì)夾爪選擇能夠滿足工況的材料。

［1］左久林.數(shù)控機(jī)床工具系統(tǒng)的研究［J］.航天工藝，2001（3）：40-44，54.

［2］宮龍穎.ABAQUS接觸問(wèn)題淺析［J］.中國(guó)煤炭，2009，35（7）：66-68.

［3］莊茁，由小川.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［4］趙騰倫.ABAQUS6.6在機(jī)械工程中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

［5］王貴成，王樹(shù)林，董廣強(qiáng).高速加工工具系統(tǒng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［6］婁燁.HSK工具系統(tǒng)的精度設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2008.

［7］浦洪良.HSK夾緊系統(tǒng)及其錐面配合可靠性的研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2005.

（編輯 趙蓉）

Analysis of the Performance of Machine Tool Clam ping System

QIAO Zhi-min，WANG Shu-lin
（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China）

The paper applies the finite element analysis software of ABAQUS，Using the ABAQUS/Standard contact algorithm to analysis the contact force of the clamping mechanism of suspension and wedge type in the clamping state of high speed machining tool system，which means a comprehensive analysis of the affecting parameters in the performance of the clamping，pointing out the relationship between the original axial clamping force generated by the draw bar and wedge angle of the contact surface、friction coefficient、and speed of the spindle.It is so important to provide an effective basis and reference for optimized structure design of clamping mechanism by combining the mechanical analysis and the contact stress situation.

tool system；clamping mechanism of suspension and wedge type；clamping performance；contact stress

TH132；TG65

A

1001-2265（2015）04-0045-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.011

2014-08-02；

2014-09-09

國(guó)家自然科學(xué)基金（51275217）；高性能數(shù)控刀具性能測(cè)試與檢測(cè)技術(shù)平臺(tái)的研究（2013ZX04003044）

喬志敏（1989—），男，江蘇興化人，江蘇大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)床高速精密加工、HSK工具系統(tǒng)，（E-mail）qiaoqiaomouren@ 163.com；王樹(shù)林（1964—），男，江蘇大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦咚倬芗庸ぜ案咚偌庸すぞ呦到y(tǒng)，（E-mail）wangshulin@ 163.com。