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高速HSK液压夹头及工具系统的不平衡响应
Unbalance response of high speed HSK hydraulic chuck tooling system
陶徳飞,郑登升,陈建,王贵成
TAO De-fei, ZHENG Deng-sheng, CHEN Jian, WANG Gui-cheng
(江苏大学机械工程学院,镇江212013)
摘要:高速夹头是高速加工工具系统的重要组成部分,其性能直接影响高档数控机床的性能及加工质
量。利用有限元分析法,分析不平衡量产生的槚性离心力对带有液压夹头的HSK工具系统动态
性能的影,系统地揭示了刀柄节点、夹头节点和刀尖节点位移的变化规律:随着激振频率
的升高,工具系统刀尖、夹头和刀柄位移响应幅值逐步増大;随着不平衡量增大,刀尖、夹
头和刀柄动态位移向应幅值呈线性增长,为HSK液压夹头及工具系统的优化设计和其动平衡的
控制提供了理论依据。
关键词:高速加工;HSK液压夹头及工具系统;不平衡动态响应;有限元法
中图分类号:TH16
文献标识码:B
文章编号:1009-0134(2015)04(下)-0088-04
Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2015.04(下).26
0引言
尖、夹头和刀柄上关键节点作为响应点,分析不平衡量
高速加工工具系统是高档数控机床的关键部件之对HSK液压膨胀夹头工具系统激励产生的不平衡响应。
,HSK液压夹头是一种采用静压膨胀原理夹持刀具的从而为HSK工具系统动平衡提供参考,为研究工具系统
超高精密夹头,其工具系统适用于在加工中心、高精度动态性能提供理论依据
镗铣床和柔性生产线上夹持钻头、铰刀、铣刀等
1HSK液压膨胀夹头/刀具接触有限元模型
液压膨胀式刀具夹头结构,如图1所示。在夹头主
建立
体与装夹孔的膨胀壁之间有一个环形封闭油腔,充满液
压油。拧紧加压螺栓使油压升高,油腔内壁均匀对称向
1)建立实体模型
轴线方向膨胀夹紧刀具;松开加压螺栓时,油压回落,
采用 HSK50E型刀柄,8mm内径的液压膨胀夹头,
装夹孔内壁在弹性回复力的作用下回复到原始直径而松
8mm直径的平底立铣刀。用等直径实体圆柱代替立铣
开刀具。由于加压螺栓作用,液压膨胀夹头结构呈现不
刀,以简化有限元分析。利用 ANSYS建模功能构建
对称性,使得带有液压夹头的HSK液压膨胀夹头工具系
HSK液压膨胀夹头/刀具三维装配模型,如图2(a)所示。
统存在不平衡量。工具系统高速运行时,不平衡量成为
设置模型的物理特性如表1和表2所示。
主要激振源,产生周期性变化的惯性离心力,使工具系
统发生强迫振动,降低加工精度,成为影响和制约HSK
液压膨胀夹头
液压夹头及工具系统设计及使用性能的关键问题。
液压油
迄今为止,有关HSK液压夹头及工具系统动平衡
的研究并不多见。为此,本研究利用有限元分析软件
HSKS5OE型刀柄
ANSYSI中动力分析方法,以模态分析为起点,以刀
(a)HSK液压膨胀夹头/刀具三维装配模型
集中质量
胀壁
(不平衡量激振点)
刀尖节点
刀柄节点夹头节点
装夹孔
加螺栓
(b)HSK液压膨胀夹头及工具系统的有限元模型
图1液压膨胀夹头的结构
图2HSK液压膨胀夹头及工具系统模型
收日期:2014-12-10
基金项目:国家自然科学基金项目(51075192);国家重大科技专项(ZX20130400031)
作者简介:陶德飞(1990-),男,江苏人,硕士研究生,研究方向为高速夹头及加工工具系统。
【88)第37卷第4期2015-04(下)
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判进业自サ他
表1刀柄、夹头和刀具基本物理特性
系统旋转速度为n(r/min)时,不平衡量产生惯性离心力
物理特性
刀柄和夹头
刀具
材料
40CRNIMO
硬质合金
TL n
弹性模量
F=m·e(
x10°(N)=ひ-(2x)2x10°(N)(1)
(O Mpa)
1.96
6.40
泊松比
0.28
0.22
激振力F按简谐规律变化,对工具系统产生谐波激
材料密度
振,f为激振频率,激振力F与工具系统不平衡量U成正
(10T/mm
15
屈服极限
比,与激振频率f成二次方关系。激振力以刀柄不平衡
1240
5460
(Mpa)
质量所在处为强迫激励点。
摩擦系数
0.2
加工时,工具系统回转质量为M,系统刚度为K,阻
表2液压油基本物理特性
尼系数为C,建立工具系统振动力学模型,如图3所示。
液压油
角速度
液压油速(om
o=n/30
1.38
F-mea=U(211)2
密度(10Timm3)
0.918
重度(0 ST/mm?'s
0
不平衡
动力粘度(10MPa.s)
质m
0
运动枯庭(10mi/)
0.479
2)定义单元类型
图3工具系统振动力学模型
定义带有中间节点3维20节点 Solid186实体单元划分
刀柄、夹头和刀具,定义8节点的uid30流体声单元划
根据动力学定律,得到x、y方向上的系统运动微分
方
分液压油,得到有限元模型,如图2(b)所示。
3)标记界面
Mx+Cx+Kx =meo"cost=U(2 /)cos(2n /)
选取液压油与夹头流固交界面上的节点,执行FSI
lmy)+ Cy'+Ky=, sinor=U(2n sin(2n f)
命令,使液压油与夹头分界面通过面载荷标志出来,
求解得:
从而把分界面处结构运动与流体压力耦合起来。在流
R-u-(1ar'-cos2r i
Iー(fバ)+(2
固交界面上的流体单元设置 KEYOPT(2)=0,表示分
U (f/1.sin(2m ft
界面处有结构单元,其他液压油流体单元设置 KEYOPT
M Vi-(/)+2s//
(2)=1,表示分界面无结构单元。
f,为工具系统固有频率,为系统阻尼率。
4)设置配合参数和边界自由度
由上式可知:工具系统的振动幅度随着不平衡量U
根据文献[3],刀具外径为8mm,刀杆精度等级为增大而增大。当激振频率ff时,系统振幅急剧变大。
h6,间隙为9um,需要建立夹头与刀具的接触对。以夹
模态是机械结构的固有振动特性,是指在各频率
头内壁为目标面,建立目标单元 Target170,以刀具外下的动态响应,结构的振动特性决定了结构对于各种
表面为接触面,建立接触单元 Contact174。设置间隙动力載荷响应。所以模态分析是HSK液压膨胀夹头工
9um。油压100MPa。
具系统的不平衡响应计算的起点。对于流固耦合问题,
按照实际工况,约東刀柄接触端面以及刀具端面轴质量矩阵不对称,采用 ANSYSI中 Unsymmetric方法求