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高速动力卡盘极限转速的有限元分析_黄树涛 (1

日期:2020-12-04 08:34 作者:现金捕鱼

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  文章编号:1003-1251(2008)05-0005-03 高速动力卡盘极限转速的有限元分析黄树涛,周丽,杨森林(沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110168) 摘要:高速切削技术的发展对机床夹紧系统提出越来越高的要求,但目前还缺乏极限转速的有效模拟计算方法.本文采用有限元方法对高速动力卡盘的极限转速进行了模拟分析.以中空楔式高速动力卡盘为例,建立了离心力补偿动力卡盘及普通动力卡盘的数学模型,定量地分析了两种动力卡盘实际夹紧力随转速的变化规律.计算结果表明, 本文所采用的方法能够有效地对高速动力卡盘极限转速进行量化评估,有助于提高高速车削过程的安全性并充分发挥卡盘的高速潜能. 关键词:动力卡盘;离心力补偿;夹紧力变化;有限元中图分类号:TK412 文献标识码hispaper,thelimitrotationalspeedofhigh-speedpower jaw-chuckissimulatedbyusingfiniteelementmethod.Takingthehollowedandwedged high-speedpowerchuckasanexample,- pensationandgeneralpowerjaw-chuckarebuiltandthevariationofpracticalclampforcefor twokindsofpowerjaw-chuckswithrotationalspeedisanalyzedquantitatively.puta- tionalresultsindicate,thismethodcanevaluatethelimitrotationalspeedofthehigh-speed powerjaw-chuckeffectively,soitensuressafetyforhigh-speedturningandbetterutilization ofthejaw-chucksathigherrotationalspeeds. Keywords:powerjaw-chuck;pensation;variationofclampingforce; finiteelement 收稿日期:2008-09-08 作者简介:黄树涛(1964)),男,教授,博士,博士生导师1研究方向:难加工材料的精密、超精密加工. 现代制造技术向着高效率、高精密以及柔性制造方向发展[1],对数控机床及其夹紧装置提出了高转速、高精度和柔性化的要求.在数控车床中,动力卡盘是最常用的工件夹紧装置,它是机床电主轴与工件之间的连接接口.机床电主轴的转速、扭矩和旋转精度通过动力卡盘传递给工件.高 2008年10月沈阳理工大学学报 Vol.27No.5 第27卷第5期 TRANSACTIONSOFSHENYANGLIGONGUNIVERSITY Oct. 2 0 0 8 速旋转的工件及其夹紧系统具有巨大的运动能量,是高速车削过程的主要危险源.卡爪式卡盘由于可夹紧直径范围较宽且具有很高的柔性,故普遍应用于回转工件的夹紧.但由于卡爪离心力的大小与其转速的平方成正比,因此在高速旋转时夹紧力随转速极剧下降,当有效夹紧力小于抵抗切削力所需的最小夹紧力时,工件就会被甩出并造成重大事故.为了适应高速车削的要求,国内外研究开发了多种以降低高速旋转时夹紧力损失为目标的新型卡爪式卡盘,如带离心力补偿的卡爪式卡盘、轻型卡爪卡盘、绷带式卡爪式卡盘等[2-3].其中许多卡盘生产厂家研制的带离心力补偿装置的楔面动力卡盘已经装备在数控车床上.但由于缺乏精确的卡盘有效夹紧力计算方法, 一般仅凭经验选择卡盘的初始夹紧力和极限转速,因此一方面不能保证高速旋转工件夹紧的安全性,另一方面也制约了离心力补偿卡盘高速潜能的充分发挥. 本文以中空楔式高速动力卡盘为例,通过建立合理的数学模型,运用有限元法分析离心力补偿动力卡盘及普通动力卡盘的极限转速,并对高速动力卡盘极限转速进行量化评估,对更加合理有效地发挥离心力补偿卡盘的高速潜能、提高高速车削过程的安全性具有指导意义. 1有限元分析 1.1计算模型图1为中空楔式高速动力卡盘,其带有夹紧力补偿装置.在每个滑座后面安装一个补偿块,当卡盘高速回转时,卡爪组件由于离心力的作用使夹紧力减少.与此同时,卡爪旋转时补偿块向外的离心力通过杠杆机构放大后在滑座上施加一个向内的补偿力,用来补偿卡爪向外的离心力,减小外夹紧时的夹紧力损失,使卡盘在高速时仍能有较大的夹持力,提高卡盘允许的最高工作转速和高速性能[4].图2为该动力卡盘的三维有限元模型, 由于结构的对称性,图中只画出了卡盘的1/3实体部分,其中包括工件、卡爪、T形块、螺钉、滑座、杠杆、补偿块和盘体.图2a为模型的整体图,为了清楚地显示模型的内部结构,图2b所示为该模型的剖视图. 为了更好地研究离心力补偿装置对夹紧力的影响,建立了另一种不带夹紧力补偿装置的动力卡盘,即相当于普通楔式动力卡盘的夹紧力与转速关系.该结构的数学模型相当于只去掉图2中的补偿块和杠杆,盘体内原来安装补偿块和杠杆的空间改为实体.其它结构与图2中的模型完全相同. 图1带夹紧力补偿装置的高速动力卡盘装配图 1-连接螺母;2-盘体法兰盘;3-补偿块;4-杠杆;5-盘体;6-滑座;7-T形块;8-卡爪;9-防护盘 10-螺钉M16;11-滑轴;12-滑轴法兰盘#6 # 沈阳理工大学学报 2008年图2带夹紧力补偿装置的高速动力卡盘有限元分析模型 3-补偿块;4-杠杆;5-盘体;6-滑座;7-T形块;8-卡爪;10-螺钉M16;13-工件 1.2计算方法动力卡盘夹紧力是一项重要技术要求,它既是性能指标又是安全指标.它直接反映了产品的机械效率及零件的加工质量.现将德国、日本及我国动力卡盘常用规格夹紧力列于表1 [5].从表中可知,我国新标准规定的同规格卡盘夹紧力和德国、日本相当. 表1常用规格夹紧力数值对比表 kN 规格/mm 160 200 250 315 日本 33 66 75 99 德国 37 55 75 90 中国标准铸铁盘体 30 50 75 100 钢盘体 40 70 90 120 该模型的位移约束条件为:在柱坐标下,中心孔的径向位移为0;下底面的轴向位移为0.由于本模型中不同实体之间是接触关系,因此,定义了补

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