精密机床主轴弹簧夹头夹紧力计算方法研究 study on calculation method of the tight forcef e spring colletprecisimachineoolpdle

  摘要,研究精密机床主轴弹簧夹头夹紧力计算方法,建立了弹簧夹头夹紧力的可靠性分析模型,并对某精密机床主轴弹簧夹头夹紧力可靠度进行了计算,建立了整个弹簧夹头夹紧机构的非线性有限元模型,通过与理论计算结果的对比验证了有限元模型的准确性,通过有限元分析得到了弹簧夹头夹紧状态下夹紧面接触变形规律,为精密机床主轴弹簧夹头的设计及性能分析提供了方法和依据。

  随着制造技术的飞速发展,近年来关于精密机床的制造技术备受国内外学者及工程技术人员的关注,,,,因而,关于可靠性要求较高的如精密机床主轴弹簧夹头,,,,,等的精密机床重要部件的研究尤为重要。弹簧夹头是精密机床主轴夹紧的重要装置,直接影响到精密机床加工精度及表面加工质量,该装置具有工作稳定可靠、精度重复性好的特点,,,。为了实现精密机床主轴弹簧夹头的精确设计,提高其夹紧的可靠性,必须针对弹簧夹头的夹紧机制进行深入系统的研究,并结合有效的可靠性分析方法对弹簧夹头的夹紧可靠性进行有效的预测。目前,关于这方面的研究尚不深入、系统。据此,作者结合有限元仿真方法研究弹簧夹头夹紧过程中夹紧面的接触状态对夹紧的影响机制,此外,在夹紧力理论计算模型基础上,结合可靠性分析方法分析材料性能及夹紧参数的随机变化对夹紧性能的影响,从而为精密机床主轴弹簧夹头的精确设计提供分析方法和设计依据。

  如图,所示,弹簧夹头的受力分析如图,所示,将弹簧夹头的每一瓣夹爪视为悬臂梁,根据材料力学,,,,弹簧夹头的变形阻力为

  ,,δ,,β,,,,β,,,β,,,,,,β),,,式中,,为弹簧夹爪材料的弹性模量,Δ为弹簧夹爪与工件的直径间隙,δ为簧瓣薄壁厚度,,为簧瓣的外径,,为夹爪计算长度,β为每瓣夹爪的扇形角的一半。

  作者简介,张国智,,,,,—,,男,工学博士,副教授,研究方向为有限元数值模拟、工程中的优化方法、宏微观塑性力学、生物力学等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,。

  根据图,,当工件无轴向定位时,夹爪和工件之间摩擦阻力可忽略,根据力平衡,每瓣弹簧夹爪的径向夹紧力为

  ,,,,,α,φ),,,,,,其中,,为弹簧夹头的拉紧力,φ,为弹簧夹头与锥套的摩擦角,α为弹簧夹头的半锥角。

  根据均值一次二阶矩可靠性分析方法,,,及式,,,,当弹簧夹爪与工件的直径间隙及弹簧夹爪材料的弹性模量随机变化时,通过推导,每瓣弹簧夹爪的径向夹紧力的可靠度,,,Φβ)为

  ,,,Φ,,,,,Δ,σ,,,,,σΔ),,,其中,σ,和σΔ为弹簧夹爪与工件的直径间隙及弹簧夹爪材料的弹性模量的标准差,Φ,·,为标准正态变量的累积分布函数。

  弹簧夹紧机构因为其对称性,只对整体机构无工件装夹时的,,,进行有限元分析,有限元模型如图,所示,锥面间为非线性接触,施加弹簧夹头端面的轴向载荷,在切割面上施加对称面约束。

  弹簧夹头的主要计算参数如表,所示。当无工件装夹时,根据式,,,,计算出的每瓣夹爪的理论装夹力为,,,,,,,,,有限元的计算结果为,,,,,,,,相对误差为,,,,,,由此验证了有限元模型的准确性。

  计算误差主要是由接触状态的变化及弹性变形造成的,即使没有装夹工件时,弹簧夹头拉紧后径向变形也是不均匀的,其有限元计算结果如图,所示。可见,弹簧夹爪的径向变形十分不均匀。为了研究弹簧夹头拉紧时的径向变形,查询结果的路径如图,所示,其中, ,,、 ,,,、 ,,,为,条路径的名称。 ,,和,,,路径的径向位移变化曲线如图,和图,所示。从图,中可见,弹簧夹爪中心的径向变形最大,两侧变形最小,相差,,,,,,,, 由此可知,弹簧夹头拉紧后夹爪围成的装夹面为椭圆形。从图,中可知,沿弹簧夹爪中心厚度方向径向位移变化较小,变化幅度仅为,,,,, ,,,,, 由此可知,弹簧夹爪内外变形基本相似。

  移变化曲线 位移变化曲线, 弹簧夹头夹紧的可靠性分析 过有限元分析可知,弹簧夹头拉紧后夹爪围成的装夹

  当弹簧夹头的弹性模量和弹簧夹爪与工件的直径 面为椭圆形。文中的研究对精密机床主轴弹簧夹头夹间隙标准差分别为,,,,,和,, ,,,,,根据式,,, 紧机构的设计及可靠性分析提供了方法和工程设计依计算可靠度为,,,,,,,,根据式,,,计算弹簧夹爪 据。

  性灵敏度均为,, ,,,×,,,,。 由此可见, 当弹性模量 【 ,】牛景丽,陈东海现代超精密加工机床的发展及对策和弹簧夹爪与工件的直径间隙波动,,,时,弹簧夹 ,,,机床与液压,,,,,,,,,,, ,,,,,,

  头的可靠度还是可以保证的。 【,】陈静新型弹簧夹头的研究与运用,,,制造技术与机, 结论 床,,,,,,,, ,,,,,,

  针对精密机床主轴弹簧夹头夹紧机构,首先建立弹簧夹头夹紧力的可靠性分析模型,对某精密机床轴弹簧夹头夹紧机构进行了计算,通过分析可知,弹簧夹头的弹性模量和弹簧夹爪与工件的直径间隙,,,正态随机波动时,该夹紧机构可靠性还是可 【,】黄杉,,,,弹簧夹紧夹头热处理工艺的研究,,,热加工艺,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,】王启平机床夹具设计,,,哈尔滨,哈尔滨工业大学出社,,,,,,,,,,,,】马世麟,傅仁本材料力学,,,北京,机械工业出版社,,,,,,,,,,,,以保证的,其次,建立了整个弹簧夹头夹紧机构的非 【,】宋述芳,吕震宙,傅霖基于线抽样的可靠性灵敏度分析线性有限元模型,与理论计算结果的相对误差为 方法,,,力学学报,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, 由此验证了有限元模型的准确性,最后,通

  除了上述两零件外,对整个夹具定位精度影响较大的是定位销,,定位销,的锥度必须与定位轴分度孔的锥度保持一致才能实现准确定位,另外,两压缩弹簧的选择都必须根据实际需要力的大小进行选取,弹簧刚度过大或太小都会对操作产生影响。

  该夹具结构简单、定位可靠、拆装方便以及使用寿命长,能够有效提高机夹刀片工作表面激光熔覆时的合格率及加工效率。此外该夹具有一定的通用性,对于三角车刀片、菱形车刀片等也同样适用,在变换刀片装夹时,只需将定位轴,上分度孔的个数以及各孔中心线之间的角度根据实际需要略作变换即可。通过实际应用发现,该夹具能够有效解决机夹刀片在进行激光熔覆时各工作面连续切换困难以及定位精度低等问题。

  【 ,】曹凤国激光加工技术,,,北京,北京科学技术出版社,,,,,,,,,

  【,】洪蕾,吴钢激光加工技术基础,,,北京,人民交通出版社,,,,,,,,,

  【,】于启勋新型硬质合金,表面涂层硬质合金,,,机械工程师,,,,,,,, ,,,,,,

  【,】左铁钏,,世纪的先进制造,激光技术与工程,,,北京,科学出版社,,,,,,,,,

  【,】张永康,周建忠,叶云霞激光加工技术,,,北京,化学工业出版社,,,,,,,,,

  【,】孟宪源,姜琪机构构型与应用,,,北京,机械工业出版社,,,,,,,

  【,】王建,杨银桂,姜剑宇旋转定位座焊机焊接头设计,,,装备制造技术,,,,,,,,, ,,,,,,,,

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