高速HSK液压夹头及工具系统的不平衡响应

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1、学兔兔www.xuetutu.com高速HSK液压夹头及工具系统的不平衡响应UnbalanceresponseofhighspeedHSKhydraulicchucktoolingsystem陶德飞，郑登升，陈建，王贵成TAODe．fej，ZHENGDeng—sheng，CHENJian，WANGGui—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惯性离心力对带有液压夹头的HSKI具系统动态性能的影响，系统地揭示了刀柄节点、夹头节点和刀尖节点位移的变化

2、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增大；随着不平衡量增大，刀尖、夹头和刀柄动态位移响应幅值呈线性增长，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(-F)一0088—04Doi：10．3969／J．issn．1009-0134．2015．04(下)．260引言尖、夹头和刀柄上关键节点作为响成点，分析严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_[具系统激励产乍的小

3、t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l：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l所示。在夹头丰建立体与装夹孔的膨胀壁之问有一个环形封闭油腔，充满液1)建立实体模型压油。拧紧加压螺栓使油压升高，油腔内壁均匀对称向采用HSK50E型柄，8mm内径的液膨胀火头，轴线方向膨胀夹紧刀具；松开加压螺栓时，油压回落，8mm直径的平底立铣刀。用等直径实体圆柱代替铣装夹孔内壁在弹性回复力的作

4、用下回复到原始直径而松刀，以简化有限元分析。利川ANSYS建模功能构建开刀具。由于加压螺栓作用，液压膨胀夹头结构呈现不HSK液压膨胀夹头／刀具三维装配模型，如图2(a)所示。对称性，使得带有液压夹头的HSK液压膨胀夹头工具系设置模型的物理特性如表1和表2所示。统存在不平衡量。工具系统高速运行时，不平衡量成为主要激振源，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液压夹头及工具系统设计及使用性能的关键问题。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ANSYS中动力分析方法，以模态分析为起点，以刀(a

5、)HSK液压膨胀夹头，刀具三维装配模集中质最～一(不平衡量激振点)刀尖节点刀柄点夹头爷点(b)HSK液压膨张夹及工具系统的有限元横图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稿日期：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(ZX201304009031)作者简介：陶德飞(1990一)，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。[881第37卷第4期2015-04(下)学兔兔www.xuetutu.com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为：：．P()×1

6、0一(Ⅳ)：U．(2nf)xl0(Ⅳ)(1)jU激振力按简谐规律变化，对工具系统产生谐波激振，f为激振频率，激振力与工具系统不平衡量u成正比，与激振频率f成二次方关系。激振力以刀柄不平衡质量所在处为强迫激励点。加工时，工具系统回转质量为M，系统刚度为K，阻尼系数为C，建立工具系统振动力学模型，如图3所示。表2液压油基本物理特性液压油液压油声速(1omrrys)1．38密度Oo~T／mm)0．9l8重度(1OT／mm2．S)0．9005动力粘度(1oMPa．S)0．44运动粘度(1Omm／s)0．4792)定义单元类型图3工具系统振动力学模型定义带仃中间节点3维20节点Solid186实

7、体单元划分根据动力学定律，得到x、y方向}：的系统运动微分柄、火头和具，定义8节点的Fluid30流体声单元划方程：分液油，得到有限元模型，如图2(b)所示。3)标记界面IMx’+Cx’+Kx=mL~．0cos~t=U(2r：．厂)cos(2n)⋯lMy“+’+Ky=me0)sinot=U(2n．t)。sin(2nfi)选取液油与夹头流同交界面上的节点，执行FSI求解得：命令，使液油与夹头分界面通过面载荷标志出来，从而把分界面处结构运动与流体压