基于ANSYS的高速动力卡盘有限元分析.pdf

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1、2012年3月中国制造业信息化第41卷第5期基于ANSYS的高速动力卡盘有限元分析龚俊，汤文成，刘世德，韦鸣(1．东南大学机械工程学院，江苏南京211189)(2．江苏无锡建华机床附件集团有限公司，江苏无锡214044)摘要：利用ANSYS建立了高速动力卡盘有限元分析模型，针对传动系统中楔心套和滑座这2个关键零件，计算分析了其在极限工作载荷作用下的强度和刚度，同时系统分析了主要配合面的摩擦系数和工作参数对卡爪静态夹紧力和关键零件强度的影响。该有限元模型具有较高的精度，对动力卡盘的优化设计和应用以及夹紧力计算具有指导意义。关键词：高速动力卡盘；有限元；强度；刚度；夹紧力中

2、图分类号：TG751．1文献标识码：A文章编号：1672—1616(2012)05—0044一O5随着机床主轴转速越来越高，工件夹紧系统或回转刀具被提出了更高要求，而工件的夹紧系统问题成为整个机床加工系统中最为薄弱的环节[卜2l。在数控车床中，高速动力卡盘是被广泛使用的工件夹紧系统，实现了自动夹紧并降低了辅助夹紧时间，已普遍地被认为是机床的一部分，操B＼■in作中被夹持的工件在高速旋转时可能因为各种原因被甩出卡盘，对操作人员和机床一刀具一工件系1一盘体；2-楔心套；3-滑座；4一T型块；5-连接螺钉；6-卡爪统造成巨大伤害_3J。因此，对高速动力卡盘传动图1简化后1／6

3、动力卡盘结构图部件进行强度和刚度分析，有益于在设计中掌握其guage)建立分析模型，可以通过简单地改变模型中所受载荷和变形严重部位，提高高速动力卡盘的性的某些参数值，来建立和分析一个新的模型。本文能。在静力学分析时，可以在APDL中进行摩擦系数、卡爪悬伸长度、卡爪夹持距离等工作参数的改变，1ANSYS有限元模型的建立来分析动力卡盘在不同状态下的强度、刚度、夹紧1．1模型分析力的变化。APDL部分语句如下所示：动力卡盘结构由很多零件所组成，这里对主要!调整卡爪悬出距离的传动零件(包括盘体、楔心套、滑座、T型块、卡WPOFFS，0．0015*N，，爪、连接螺钉)进行分析。各

4、零件截面厚度不一，且CSWPLA，11，0，1，1，圆角、倒角较多，因此为保证网格划分的精确度，需CSYS，0对零件进行适当且有必要的简化。又因为动力卡VTRAN，11，CMKAZHUA，0，1盘是周期性对称结构，因此在建立模型和求解时，VTIAN，11，CMLUOSHUAN，0，1只对一个基本的扇区建模和分析，这样可以降低分VTRAN，11，CMTBLOCK，0，1析的规模，节省计算时间。取1／6卡盘结构如图1WPCSYS．一1．0所示。1建立工件夹持位置使用)DL(ANSYSParametricDesignLan—CYLIND，Rworkpiece，0．2，0．05

5、，0，60，—收稿日期：2011～12～02基金项目：国家重大科技专项(2O10Z)(04011—071)作者简介：龚俊(1986一)，男，江苏盐城人，东南大学硕士研究生，主要研究方向为机械制造及其自动化。·现代设计与先进制造技术·龚俊汤文成刘世德等基于ANSYS的高速动力卡⋯⋯45CSYS．1本文选用3爪中空动力卡盘K55254作为分VSEL，S，LOC，X，0，Rworkpiece—析样例，动力卡盘结构的材料及其主要的力学参数VSEL，R，LOC，Y，0，60见表1。CM，CMGONGJIAN1，VOLU—一1．2螺钉连接的处理ALLSEL因为不同的载荷情形，尤其在

6、高载荷下，螺钉CSYS，0连接能够被分开，为了减小这方面的影响，应用预表1卡盘结构材料属性紧力以保证螺钉连接不被分开。螺钉连接的2个主要特征是接触和预紧_4J，ANSYS为这2个特征提供了很好的平台。在本例中，对于3D模型的动卡爪和滑座梳齿接触力卡盘，接触是通过面对面方式来模拟，如图2(a)所示。预紧首先采用初始应变来模拟，初始应变是一种很直接的方法，一个初始位移(预紧量)被应用型块于单元体，一旦求解开始，这个初始位移(预紧量)被考虑为模型上载荷的一部分；其次，采用ANSYS(a)螺钉的接触中GlueTogether(粘结)方法将螺杆和T型块螺纹连接部分进行粘结处理，实

7、现螺纹连接的模拟，如#爪图2(b)所示。1．3网格划分滑座本例分析所选取的单元为Solid45单元，该单螺杆元为一阶单元，在单元的每个节点处有6个自由度，分别为沿z轴、Y轴、轴的平动自由度和绕．z理(b)螺钉的预紧轴、Y轴、轴的转动自由度。由于结构尺寸较大且复杂，若使用二阶单元，虽精度能提高，但消耗计图2螺钉的预紧与接触算内存太大。为能够较好地反映三维实体结构部在对结构进行分网时选用四面体的网格划分，如图分的应力变形状况，并能够获得收敛的运算结果，3所示。图3动力卡盘结构的有限元模型．接触单元TARGE170和CONTA174来模拟接触2