高速熱收縮夾頭刀具系統(tǒng)特性研究

方長(zhǎng)錦

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201999)

高速熱收縮夾頭刀具系統(tǒng)特性研究

方長(zhǎng)錦

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201999)

針對(duì)德國(guó)OTTOBILZ公司研制的高速熱收縮夾頭刀具系統(tǒng)，基于有限元技術(shù)對(duì)高速熱收縮夾頭刀具系統(tǒng)在特定的使用條件下進(jìn)行研究，給出有限元建模的條件；研究銑刀和刀柄在熱裝過程中由于過盈量不同，銑刀和刀柄間的接觸應(yīng)力變化規(guī)律；刀柄內(nèi)孔孔徑徑向位移量的變化與銑刀載荷變化及安裝時(shí)刀柄孔與銑刀過盈量的變化規(guī)律；銑刀轉(zhuǎn)速與刀柄間的接觸長(zhǎng)度和接觸應(yīng)力的變化規(guī)律；銑刀速度與刀柄內(nèi)孔孔徑徑向位移量的變化規(guī)律。結(jié)果表明：高速熱收縮夾頭刀具系統(tǒng)的剛度隨銑削主軸剛度、刀具與夾頭的接觸長(zhǎng)度、過盈量和銑刀轉(zhuǎn)速的變化而變化。

高速切削；熱收縮；刀具系統(tǒng)；特性研究

熱收縮刀具技術(shù)是近年來逐漸發(fā)展成熟的一種高速刀具裝夾技術(shù)，它主要用于高速、精密的切削系統(tǒng)。在高速切削過程中使用熱收縮刀具技術(shù)，即可解決在高速旋轉(zhuǎn)過程中銑刀柄形成的慣性擴(kuò)張現(xiàn)象[1]，又能有效地保證銑刀的定心精度。這種高速刀具的裝夾系統(tǒng)具有保持高的重心平衡性、銑刀與刀柄高的接觸度，使整個(gè)高速切削系統(tǒng)的剛性和裝夾可靠性很高[2]。

目前的高速切削系統(tǒng)經(jīng)常使用一種7：24錐度的短柄刀具裝夾系統(tǒng)，在高速切削過程中隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，慣性力逐漸加大，短柄刀具裝夾系統(tǒng)極易出現(xiàn)刀具徑向與軸向尺寸不穩(wěn)定的擴(kuò)張變化，特別是端口處會(huì)產(chǎn)生一定量的擴(kuò)張，使刀具系統(tǒng)的整體剛度逐漸下降，影響切削系統(tǒng)動(dòng)平衡[3]。

當(dāng)下最常用的高速刀具系統(tǒng)有：短錐彈性刀柄裝夾、力膨脹刀柄裝夾、液壓膨脹刀柄裝夾、熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)等[4]。在高速切削過程中以熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)，即高速熱收縮夾頭刀具系統(tǒng)，這種熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)的安全可靠性最好。由于熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)價(jià)格昂貴，因而它主要在精密加工過程中使用。

由于這種熱收縮刀具技術(shù)發(fā)展的較晚，目前對(duì)此種刀具系統(tǒng)特性的研究較少。本文基于ANSYS軟件的分析功能，針對(duì)內(nèi)孔直徑30mm的熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)，結(jié)合熱裝時(shí)的過盈量、不同的轉(zhuǎn)速范圍、接觸壓力和徑向位移量等相互之間的關(guān)系進(jìn)行研究與分析。

1 刀具結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

圖1的熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是德國(guó)OTTO BILZ公司在近幾年中研制與開發(fā)[5]，它保存了熱收縮夾頭刀具系統(tǒng)振擺精度高、夾緊力大、適應(yīng)高速切削的優(yōu)點(diǎn)。改善了以往熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)存在的安裝與操作費(fèi)力，在加熱過程中易引起刀柄出現(xiàn)熱疲勞和熱變形等缺點(diǎn)。

圖1 熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)剖視圖

由圖1可知，裝夾系統(tǒng)在前后端都配有特殊的冷卻套，在刀具安裝過程中可以有效地促使環(huán)形襯套迅速收縮。夾頭可用硬質(zhì)合金或高速鋼或40Cr等材料制作，使之與高速銑刀材料的熱膨脹系數(shù)相近。在高速銑刀安裝時(shí)，利用局部加熱方式，使整個(gè)刀具系統(tǒng)受加熱過程的影響較少，熱變形小。局部加熱方式可實(shí)現(xiàn)操作時(shí)間短，使加熱操作更為安全。此外，刀具安裝時(shí)的加熱溫度為中溫加熱，遠(yuǎn)低于引起刀柄材質(zhì)內(nèi)部組織變化的溫度，使熱收縮夾頭刀柄裝夾系統(tǒng)的熱變形小。由于采用過盈式裝夾，這種裝夾方式可保證夾頭重復(fù)使用中具有高的裝夾精度，并保證刀具長(zhǎng)度在熱裝后可進(jìn)行調(diào)整。圖1的熱收縮夾頭刀柄裝夾系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速范圍為15000～50000r/min。

2 刀具系統(tǒng)的有限元模型

2.1 有限元模型的建立

正常情況下銑刀材料的硬度和強(qiáng)度遠(yuǎn)比夾頭刀柄材料的硬度和強(qiáng)度大許多。由此可知銑刀與刀柄內(nèi)孔的接觸，實(shí)際上是屬于一種高度的非線性行為。對(duì)圖1的刀柄裝夾系統(tǒng)建立有限元模型，設(shè)定：接觸目標(biāo)面是銑刀與刀柄內(nèi)孔的配合面，利用這個(gè)配合面創(chuàng)建夾頭的一副接觸對(duì)[6]。有限元中的接觸單元選用三維8節(jié)點(diǎn)的面與面接觸單元，用Targe170單元來模擬剛性目標(biāo)面，用Conta174單元來模擬柔性接觸面。

由于銑刀刃部結(jié)構(gòu)和熱收縮夾頭刀柄前端結(jié)構(gòu)對(duì)接觸剛度的影響較小，這里忽略結(jié)構(gòu)上的影響因素。圖2為熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)的有限元模型。

圖2 熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)的有限元模型

2.2 邊界條件約束

1)根據(jù)銑刀與刀柄接觸的實(shí)際情況，接觸面定義為收斂性較好的面與面接觸，摩擦因數(shù)取0.2；

2)用柱坐標(biāo)系來描述熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)幾何模型的空間位置。由于熱收縮刀柄的右端全部裝夾在高速銑削中心的主軸孔內(nèi)，故刀柄右端端面施加全約束，刀具右端施加軸向約束；

3)由于圖2模型結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，在模型的環(huán)形對(duì)稱表面上施加一種Symmetry的對(duì)稱約束。

2.3 載荷

在有限元模型上施加集中載荷200N，最大夾緊過盈量10um，銑刀高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中離心力形成的載荷可利用施加角速度ω來實(shí)現(xiàn)[7]。

3 裝夾系統(tǒng)的特性分析

熱收縮刀柄裝夾系統(tǒng)在高速切削過程中要求夾頭和刀具至始至終都要保持過盈配合。銑刀和刀柄接觸壓力[8-9]的大小和變化決定過盈配合狀態(tài)的好壞。

圖3是刀柄孔徑接觸壓力的變化曲線分布圖，過盈量在2～10μm范圍時(shí)，過盈量越大接觸壓力越大，夾緊力則越大。最大接觸壓力和突變都發(fā)生在銑刀的頭部或刀柄的內(nèi)孔里端，這主要是受集中載荷力作用的結(jié)果[10]。

圖3 刀柄孔徑接觸壓力的變化曲線

圖4是孔徑的徑向位移量變化曲線圖，載荷范圍是50～300N。由圖中可知當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，熱收縮刀柄的內(nèi)孔孔徑會(huì)向外發(fā)生膨脹，即徑向位移。內(nèi)孔孔徑的膨脹量隨負(fù)載增加而增加，徑向位移量也隨之增大，夾緊力則隨著徑向位移量的增大而減小。

徑向位移量的大小則隨著安裝時(shí)過盈量的大小而變化，過盈量越大，徑向位移量則減少。在切削過程中隨著外載的增加，過盈量處在6～8um之間時(shí)，內(nèi)孔孔徑的徑向位移量的變化速率較慢。

圖4 孔徑的徑向位移變化曲線

圖5是銑刀速度與接觸壓力的變化曲線分布圖，銑刀速度與刀柄的接觸長(zhǎng)度不同時(shí)，銑刀與刀柄接觸壓力的變化也不同。

不論速度如何變化，接觸壓力在接觸長(zhǎng)度為5～30mm范圍內(nèi)變化不大。就是說，銑刀轉(zhuǎn)速增加，離心力的作用加大，刀柄內(nèi)孔孔徑的徑向位移增大，銑刀與刀柄的接觸壓力則逐漸減小。這說明刀柄的孔口在高轉(zhuǎn)速下向外發(fā)在了擴(kuò)張，擴(kuò)張量導(dǎo)致夾緊力逐漸減小，銑刀裝夾的可靠性下降。當(dāng)高速銑刀在10000～30000r/min速度范圍內(nèi)，銑刀與刀柄的接觸壓力變化較慢；高速銑刀在40000～50000r/min速度范圍內(nèi)，銑刀與刀柄的接觸壓力變化較快。由圖5可知銑刀與刀柄的最大接觸壓力值發(fā)生在銑刀與刀柄的根部。

圖5 銑刀速度與接觸壓力的變化曲線

圖6是銑刀速度與刀柄內(nèi)孔孔徑的徑向位移變化曲線圖，即接觸長(zhǎng)度為0～40mm時(shí)，銑刀在不同轉(zhuǎn)速下的刀柄內(nèi)孔孔徑的徑向位移量發(fā)生的變化，刀柄內(nèi)孔孔徑的徑向位移量隨著銑刀的轉(zhuǎn)速增加而增大。銑刀轉(zhuǎn)速在10000～30000r/min范圍內(nèi)，刀柄內(nèi)孔孔徑的徑向位移量增加較慢；銑刀轉(zhuǎn)速在40000～50000r/min范圍內(nèi)，刀柄內(nèi)孔孔徑的徑向位移量增加較快；刀柄內(nèi)孔孔徑的徑向最大位移量發(fā)在刀柄的端部，此處的夾緊力最小。

圖6 銑刀速度與徑向位移的變化曲線

4 結(jié)論

(1)高速熱收縮夾頭刀具系統(tǒng)的剛度取決于高速銑床主軸的剛度大小、刀具與夾頭的接觸長(zhǎng)度大小、過盈量的大小和高速銑床主軸的轉(zhuǎn)速高低；

(2)對(duì)于內(nèi)孔直徑30mm的高速熱裝夾銑刀系統(tǒng)，當(dāng)過盈量一定時(shí)，接觸應(yīng)力在5～35mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)變化不大；過盈量越大，接觸應(yīng)力越大，夾緊力也越大；

(3)隨著外載的增加，刀柄孔的徑向位移擴(kuò)張也在增加，夾緊力則隨著外載的增加而降低，導(dǎo)致銑刀安裝可靠性下降；

(4)隨著轉(zhuǎn)速的增加，接觸應(yīng)力在逐漸減小，徑向位移增大，刀柄在離心慣性力作用下徑向位移擴(kuò)張也在增加，夾緊力變小，導(dǎo)致銑刀安裝可靠性下降；

(5)考慮高速切削的可靠和安全性，在高速切削加工過程中夾緊過盈量、銑刀與刀柄的接觸長(zhǎng)度、銑床的轉(zhuǎn)速等一定要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定限制。

[1]梁錫昌，鄭小光.超高速銑削的理論研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，(3)：109-112.

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Research of System Features of High-speed Heat Shrink Chuck Tool

FANG Changjin

(Baosteel Engineering & Technology Group Co.，Ltd.,Shanghai 201999,China)

The conditions of the finite element modeling are proposed,based on the investigation of the finite element techniques system under certain conditions for a high-speed OTTO BILZ shrinkable chuck tool system of the German company.The variation between different stress and length in the thermal loading process is studied.The change between the shank hole diameter radial displacement and the load change are studied.The variation among applied load,radial displacement and the amount of interference is studied.The variation among the length of contact,exposure stress and radial displacement is studied.And corresponding conclusions derive from the combining analysis results.

high-speed cutting；heat shrink；tooling systems；characteristic

2015-04-08

方長(zhǎng)錦(1982—)，男，工程師，研究方向：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造.

1003-1251(2015)04-0051-04

TG701

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