热缩加长刀杆与刀具配合的接触特性分析

点击数：7913 次录入时间：03-04 11:43:36 整理：http://www.55dianzi.com 机床

以大屏幕彩色电视机、汽车模具等为代表的大型、深腔、复杂多型面模具尺寸大、加工过程中材料去除量大，如汽车仪表盘模具的尺寸可达到几米、重达数十吨，材料去除量超过毛胚的1/3强；通常具有深型腔结构，如大屏幕彩色电视机后壳模具的型腔可深达500mm；另外，为满足制品功能与外观的需要，模具表面往往由众多的复杂曲面组成而使得加工工序繁杂、加工质量和精度难以控制。通常的刀柄一夹头一刀具式结构虽能满足高速加工的要求，但因刀具刚度的制约，加工所能接近工件的深度受到很大的限制。热缩加长刀柄一刀具式结构刀柄与刀具配合缺少柔性，复杂曲面加工对刀具多样性的要求势必增加刀柄的投入。因此，如何正确设计或选用适合大型、深腔、复杂多型面模具特点的刀具系统，以减少因加工过程的换刀而产生的接刀痕等加工缺陷、减少后续电火花加工时间和手工打磨时间就成为一个非常现实和重要的课题。

热缩加长刀杆是一种连接刀柄和刀具的中间夹持元件。刀具和刀杆间不介入任何零件，而是通过刀具与刀杆之间的过盈配合来实现刀具的可靠、高精度夹持。与其它传统的诸如弹性夹头、静压膨胀式、应力锁紧式等刀具夹持方式相比，热缩加长刀杆具有结构简单、高夹持稳定性、高夹紧强度和抗弯刚度、高回转平衡性以及易于接近工件、适应于深型腔加工等特点。由刀柄、刀杆及刀具组成的刀具系统。在实际高速加工过程中，热塑加长刀杆与刀具过盈配合的接触状态因受初始过盈量、配合长度、配合直径、离心力、以及加工过程中产生的切削力、切削热等的综合影响而变得相当复杂，无论是从刀具系统的安全性来考虑，还是为了提高刀具寿命、加工质量等都有必要对其进行深入研究。下面借助非线性有限元分析技术，对高速旋转状态下热缩式加长刀杆与刀具过盈配合的压力、接触变形与接触应力等接触特性进行分析，在此基础上进一步给出热缩加长刀杆与刀具过盈配合的合理配合长度与过盈量的控制方法，目的是为适用大型、深腔、复杂多型面模具高速高效加工用热缩加长刀杆的合理设计、选用及加工过程参数优化提供一定的理论参考。

1 热缩加长刀杆与刀具配合的接触特性分析

1.1研究方法与有限元模型建立

现在暂不考虑切削力与切削温度对接触特性的影响。热缩加长刀杆与刀具形成过盈配合时，因接触界面两者的材质、形状、刚度等的差异而产生不同的变形，且接触边界条件随着外加载荷的变化而变化。因此，热缩加长刀杆与刀具之间的过盈配合属于一种边界条件高度非线性问题。利用目前通用软件所具有的非线性有限元分析功能来分析和解决这类问题已日趋成熟，特别是近年来提出的面面接触模型。

通常刀具材料的硬度远大于刀杆材料的硬度，在分析时按刚体一柔体面一面接触类型，将硬度大的刀具接触表面定义为刚性目标面，将硬度低的刀杆接触表面定义为柔性接触面，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，从而可有效地处理复杂接触表面和动态接触问题。

采用商用有限元软件ANSYS10.0作为参数化建模与分析工具。实体单元类型同文献，接触单元类型为三维8节点面-面接触单元，其中采用接触单元TARGE170来模拟刚性目标面，接触单元CONTA174来模拟柔性接触面。因刀具刃部结构对热缩加长刀杆与刀具过盈配合的接触特性的影响较小，在建模时而被忽略。由于所分析的问题满足对称条件，为节省计算资源，只需要对完整模型的1/4进行分析即可。

表1为所分析的刀杆和刀具材料的物理特性。根据文献，取刀杆与刀具间摩擦系数µ为0.2。在便于加工过程中刀杆要容易接近工件的原则下，刀杆结构主要考虑到如下因素的制约，即与之相连接的刀柄的结构、所需加工工件的结构与刀具的尺径以及刀杆自身的制造工艺等。这里所分析的刀杆具体结构、尺寸。各参数D1-D6，L1-L3的取值见具体分析过程，其中，D1配合刀具公称直径，L1为配合长度。刀杆与刀具配合的轴对称几何模型与扩展后有限元模型。

1.2刀杆与刀具配合的有限元分析

在模型中的刀杆和刀具的4个轴向的剖切面(参见A1，A2，A3和A4面)上施加轴对称边界条件，及根据刀杆与刀柄安装的实际状况，对刀杆与刀柄配合的锥形配合面施加x、y、z三个方向的全位移约束作为模型分析时的约束边界条件。当考虑转速n的影响时，求解过程分为过盈分析与施加离心力两步进行。离心力是通过定义绕总体坐标系中z轴的旋转角速度来施加的。通过试算法给定接触刚度系数为10，接触算法采用扩张的拉格朗日算法，迭代方法采用改进型的牛顿-拉普森算法。
1.2.1 配合过盈量对接触特性的影响

表2为分析配合过盈量对接触特性的影响时的刀杆结构参数。刀具公称直径为6mm，其中基本过盈量系列为基孔制下、按公差与配合的选用原则确定的，配合尺寸。

对刀杆的等效应力的影响
对于热缩加长刀杆与刀具配合来说，刀具为易耗件，提高刀杆的耐用度是设计和选用刀杆的原则之一，且刀具的硬度和强度都要大于刀杆，因此在等效应力分析时主要考虑刀杆的等效应力。在不同的基本过盈量下，等效应力分布趋势相似。基本过盈量为10m、不考虑转速影响的情况下，刀杆与刀具配合的等效应力等值线。可知，在沿半径方向，随着半径的增大，刀杆的等效应力减小。不同的基本过盈量下接触面上刀杆沿接触长度上的等效应力分布。可知，等效应力随过盈量的增大而增大。可知，除在配合根部，刀杆上的等效应力出现有突变外，沿接触长度方向刀杆的等效应力趋于均匀分布。等效应力的突变主要是受应力集中的影响，且过盈量越大应力集中的影响越明显。因此在设计时，改善刀杆结构，尽量消除应力集中的影响，对提高刀杆的耐用度具有十分重要的意义。

对配合面上接触压力的影响
由马平、张伯霖、李锻能所著《高速机床电主轴过盈配合量的计算》可知，过盈配合所能传递的扭矩T正比于接触面上的接触压力P，因此对于热缩加长刀杆与刀具配合来说，精确、安全可靠的切削取决于两者配合之间合理的接触压力。不同的基本过盈量，接触面上的接触压力分布趋势相似。
基本过盈量10µm、不考虑转速影响的情况下，刀杆接触面上压力分布。
可知，接触压力沿接触长度Z方向有减小趋势，由配合根部的最大接触压力131.8MPa减小至尾部的77.671MPa，这主要是因根部应力集中与接触长度上刀杆壁厚不均而造成的。不同基本过盈量下刀杆接触面上沿接触长度上的接触压力分布。可以看出，刀杆接触面上的接触压力随基本过盈量的增加而增加，且随基本过盈量的增加配合根部的接触压力突变加剧，但在整个配合长度上，接触压力基本上趋于均衡。

对刀杆径向位移的影响
为求刀杆的径向位移分布，须将直角坐标系转化成柱坐标系，按ANSYS定义规则，转化后Z轴与旋转轴重合，Y轴表示转角，X轴表示径向。在不同的基本过盈量下，径向位移分布趋势相似。
基本过盈量为10m、不考虑转速影响的情况下，刀杆与刀具接触径向位移分布。
可知，刀杆的径向位移随刀具半径的增大而减小，刀杆扩张的径向位移(为正值)大于刀具被压缩的径向位移(为负值)，沿接触Z方向径向位移增大，在接触配合的尾部出现最大径向位移4.833µm，这主要是因在接触长度上刀杆壁厚不均而造成的。不同的基本过盈量下接触面上刀杆沿接触长度上的径向位移分布。可以看出，刀杆接触面上径向位移随基本过盈量的增加而增加，但在整个配合长度上，刀杆接触面上径向位移量基本上趋于均衡。

1.2.2 配合长度对接触特性的影响

表3为刀杆结构参数。刀具公称直径为6mm，分析时固定基本过盈量为10m，主要考察了四种不同的配合长度对接触特性的影响。过盈配合所能传递的扭矩T正比于接触长度L，传统的拉美公式不考虑接触长度对接触压力分布的影响，认为整个接触长度上接触压力均布。但实际中，过盈配合的接触压力由于受应力集中的影响而在整个接触长度上分布不均，对于壁厚不均的热缩加长刀杆与刀具配合来说更是如此。不同配合长度下刀杆接触面沿接触长度的等效应力分布，可以看出，随着配合长度的增加，刀杆接触面沿接触长度Z方向上的等效应力分布更均匀，从而有利于提高刀杆的耐用度。不同配合长度下刀杆接触面沿接触长度Z方向的接触压力分布。同样，随着配合长度的增加接触面上的接触压力分布更趋均匀，这更有利于保持刀杆对刀具的稳定、高精度夹持。但当配合长度由18mm增加到22mm时。刀杆接触面等效应力与接触压力分布的差别已变得很小。刀杆配合面要求具有很高的加工精度和表面质量，增加配合面的长度势必大大增加制造成本。因此在实际的刀杆设计和使用过程中，合理的配合长度既要保证刀杆对刀具的稳定、高精度夹持，以提高刀杆与刀具的耐用度和工件加工质量；又要考虑到后续刀杆的制造工艺，以降低制造成本。在此给定的仿真分析条件下，配合长度介于18-20mm时比较合理。
1.2.3配合直径对接触特性的影响

表4为几组刀杆结构参数。分析时固定基本过盈量为10µm，配合长度为18mm，主要考察四种不同的配合直径对接触特性的影响。

为基本过盈量和配合长度相同的情况下，不同配合直径的刀杆接触面上沿接触长度Z方向上的等效应力和接触压力分布。可知，刀杆接触面上的等效应力和接触压力都随配合直径的增大而减小。如不考虑根部应力集中的影响，配合直径为3mm时，刀杆接触面上的等效应力在620MPa左右，已经超过了刀杆的屈服极限(530MPa)，而配合直径为8mm时约为236MPa。配合直径越大，沿接魅长度静等效应力分布更趋均匀。因此在实际的刀杆设计和加工使用过程中，应椴据不同的配合直径选择不同的配合过盈量。对于小公称直径的刀具夹持，在保证爽持稳定、可靠的前提下，应采用较小的配合过盈量，以满足刀杆的强度要求，提高刀杆的耐用度；而对于较大公称直径的刀具夹持，则应采用较大的配合过盈量，以保证配合面具有合理的接触压力、实现刀杆对刀具的稳定、高精度夹持。如当配合直径为6mm时，综合考虑应力集中的影响合理的基本过盈量约为lOµm左右。

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