液壓膨脹夾頭的可靠性分析*

李朱鋒，王樹林，李金濤，周宏達(dá)

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。機(jī)械可靠性分析的一個(gè)重要任務(wù)是保證所設(shè)計(jì)的機(jī)械零件能夠在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)、在給定的載荷條件下安全地工作［1］?？煽啃岳碚撜J(rèn)為，機(jī)械零件的加工裝配、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作條件、實(shí)際過盈量及所受的外載荷或應(yīng)力等都是具有離散性的隨機(jī)變量。由于機(jī)械加工、材料本身缺陷等因素的影響，機(jī)械零件的強(qiáng)度指標(biāo)也是隨機(jī)變量［2-3］。傳統(tǒng)的機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法是安全系數(shù)法，只要安全系數(shù)大于某一根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)定的數(shù)值就認(rèn)為零件是安全的［4］。但是這種方法沒有考慮到設(shè)計(jì)變量的離散性，所以不能準(zhǔn)確反映真實(shí)的失效概率。

靜壓膨脹式刀具夾頭是一種采用靜壓膨脹原理夾持刀具的超高精密夾頭［5］。張偉展［6-7］通過對(duì)液壓膨脹夾頭的數(shù)值模擬研究得出夾頭與刀具配合面接觸應(yīng)力的分布規(guī)律，揭示出影響接觸應(yīng)力分布的因素。徐燕云［8］研究液壓膨脹夾頭的徑向剛度。浦洪良［9］等通過建立HSK 刀柄錐面過盈配合強(qiáng)度可靠性模型計(jì)算得出主軸/刀柄的錐面配合的可靠度。同劍［10］等針對(duì)電主軸與其內(nèi)裝轉(zhuǎn)子的可靠度進(jìn)行了分析。因此為了保證在高速轉(zhuǎn)速下夾持刀具所傳遞扭矩的可靠性，有必要對(duì)液壓膨脹夾頭進(jìn)行可靠性分析。

1 液壓膨脹夾頭的可靠性模型

1.1 液壓膨脹夾頭實(shí)體模型的分析

液壓膨脹夾頭的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在夾頭主體與裝夾孔的膨脹壁之間有一個(gè)環(huán)形封閉油腔，液壓油由加壓螺栓調(diào)節(jié)油壓大小，對(duì)膨脹壁產(chǎn)生均勻壓力。在自由狀態(tài)下，薄壁套孔與刀具之間為間隙配合，加壓后，薄壁套發(fā)生彈性變形，當(dāng)變形量大于配合間隙時(shí)，薄壁套壓緊刀具并產(chǎn)生一定的夾緊力［11］。

圖1 液壓膨脹夾頭結(jié)構(gòu)示意圖

本文中選用雄克公司的液壓膨脹夾頭TENDOHSK-C63，對(duì)內(nèi)壁直徑為32mm 的夾頭進(jìn)行研究，夾頭與刀具的結(jié)構(gòu)尺寸以及性能參數(shù)均參考文獻(xiàn)［7］。圖2 所示為液壓膨脹夾頭與刀具的配合尺寸。

圖2 液壓膨脹夾頭與刀具配合尺寸圖

1.2 液壓膨脹夾頭概率模型的建立

液壓膨脹夾頭在使用過程中，夾頭與刀具之間配合面的主要失效形式為配合面打滑和配合面發(fā)生塑性變形。在研究HSK 刀柄使用性能的影響因素中，切削力的作用影響很小，基本可以忽略［12］。所以本文沒有考慮切削力對(duì)夾頭與刀具可靠度的影響，只考慮離心力和油壓作用力。

在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，刀具的剛度大于夾頭的剛度，刀具受到的離心力小于夾頭受到的離心力。相同的轉(zhuǎn)速下液壓膨脹夾頭內(nèi)孔徑向擴(kuò)張量大于刀具徑向擴(kuò)張量，從而導(dǎo)致夾頭與刀具之間的過盈量減小，使得夾持力降低，不能夠提供足夠的扭矩，難以確保機(jī)械加工的順利進(jìn)行，出現(xiàn)配合面打滑，甚至掉刀現(xiàn)象。

在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，夾頭與刀具所受的主要載荷是離心力，由于夾頭和刀具的材料強(qiáng)度不足，隨著轉(zhuǎn)速增加，夾頭與刀具容易發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。

假設(shè)R1為夾頭與刀具配合面不打滑的可靠度，R2為夾頭不發(fā)生塑性變形的可靠度，R3為刀具不發(fā)生塑性變形的可靠度。對(duì)于液壓膨脹夾頭與刀具的聯(lián)結(jié)系統(tǒng)，其可靠度為

由應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論可知，可靠度是強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率，所以R1、R2、R3分別為

式中:p為夾頭與刀具配合面實(shí)際接觸應(yīng)力;pmin為夾頭與刀具配合面不發(fā)生打滑的最小接觸應(yīng)力;pjtmax、pdjmax為夾頭與刀具不發(fā)生塑性變形的最大接觸應(yīng)力。

1.3 液壓膨脹夾頭廣義應(yīng)力和廣義強(qiáng)度分布的確定

根據(jù)材料力學(xué)的理論知識(shí)，保證夾頭與刀具配合面不發(fā)生打滑的最小接觸應(yīng)力為:

式中:k為安全因子，一般取2～4;T為傳遞扭矩;f為夾頭與刀具的摩擦系數(shù);l為有效夾持長度;d為配合面直徑。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，保證夾頭與刀具配合面不發(fā)生塑性變形的最大接觸應(yīng)力為:

式中:D為夾頭的外直徑;d為配合面直徑;σsjt、σsdj為夾頭與刀具材料的屈服極限。

根據(jù)應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，可令式(2)R1中p為廣義強(qiáng)度，pmin為廣義應(yīng)力;R2中pjtmax為廣義強(qiáng)度，p為廣義應(yīng)力;R3中pdjmax為廣義強(qiáng)度，p為廣義應(yīng)力。

可靠性的計(jì)算是將載荷和材料的性能等參數(shù)視為服從某一分布類型的隨機(jī)變量進(jìn)行計(jì)算。研究可知夾頭與刀具接觸應(yīng)力p與材料的彈性模量Ejt、Edj、油腔凸起長度S1、凸起高度S2有關(guān)［6］。通過實(shí)驗(yàn)測量可知，夾頭和刀具的結(jié)構(gòu)尺寸服從正態(tài)分布。夾頭與刀具均為鋼材，材料的屈服極限和彈性模量均服從正態(tài)分布，工程中的變異系數(shù)一般在0.01～0.1 之間［3］，本文標(biāo)準(zhǔn)差為均值乘以變異系數(shù)。液壓膨脹夾頭傳遞扭矩的范圍為700～900Nm［11］，本文假設(shè)其服從正態(tài)分布，根據(jù)3σ 原則可確定均值和方差。夾頭與刀具的隨機(jī)變量的數(shù)字特征如下表1 所示。

表1 液壓膨脹夾頭隨機(jī)變量的數(shù)字特征

2 液壓膨脹夾頭的可靠度計(jì)算

2.1 蒙特卡洛法求解液壓膨脹夾頭的可靠度

蒙特卡洛法又稱統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法，是一種用統(tǒng)計(jì)抽樣理論近似求解問題的方法。其基本思路是首先建立一個(gè)概率模型，然后對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模擬，求得近似分布的估計(jì)值并將其作為近似解［4］。本文采用ANSYS 有限元軟件中的概率設(shè)計(jì)模塊(PDS)對(duì)液壓膨脹夾頭進(jìn)行可靠性分析，計(jì)算流程如圖3 所示。

圖3 ANSYS PDS 模塊計(jì)算流程

設(shè)定初始配合間隙為0.016mm，油壓為65MPa，轉(zhuǎn)速為10000rpm，將夾頭與刀具的配合面接觸應(yīng)力p定義為輸出變量。進(jìn)入PDS 模塊，輸入表1 中隨機(jī)變量，選擇蒙特卡洛法循環(huán)500 次，得到分析結(jié)果，從圖4 中可以看出輸出變量p的均值趨勢相對(duì)平穩(wěn)，表明模擬次數(shù)已經(jīng)滿足可靠度的要求。其樣本分布柱狀圖和可靠度曲線分別如圖5 和圖6 所示。

圖4 輸出變量p 的均值趨勢

圖5 接觸應(yīng)力p 的樣本分布柱狀圖

圖6 接觸應(yīng)力p 的可靠度曲線

將傳遞扭矩均值700Nm 代入式(3)中得pmin=81.537MPa，從圖6 中的曲線可求出接觸應(yīng)力大于此值的概率為93.4%，即為可靠度R1，同樣可計(jì)算可靠度R2和R3。

2.2 積分法求解液壓膨脹夾頭的可靠度

可根據(jù)計(jì)算得出的廣義應(yīng)力和廣義強(qiáng)度的分布采用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉區(qū)域積分法來近似求解可靠度作為可靠度計(jì)算結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，即

其中:

2.3 兩種方法的結(jié)果比較

根據(jù)上述的兩種方法計(jì)算得出液壓膨脹夾頭的可靠度，結(jié)果對(duì)比如表2 所示。

表2 液壓膨脹夾頭的可靠度

由表2 的計(jì)算結(jié)果顯示，兩種方法計(jì)算液壓膨脹夾頭的可靠度比較接近，所以由蒙特卡洛法對(duì)液壓膨脹夾頭的可靠性分析是可行的。

由可靠度R1、R2、R3的結(jié)果分析可以得出，在初始配合間隙為0. 016mm，油壓為65MPa，轉(zhuǎn)速為10000rpm 下，由于夾頭和刀具的材料不發(fā)生塑性變形的可靠度R2、R3接近100%，所以液壓膨脹夾頭的可靠度R基本上由夾頭與刀具配合面不打滑的可靠度R1決定。這就說明液壓膨脹夾頭在使用過程中由于材料的強(qiáng)度不足而引起的失效并不是主要的失效形式，夾頭與刀具之間配合面的傳遞扭矩不足發(fā)生打滑現(xiàn)象才是最主要的失效形式，所以需加以控制。

3 液壓膨脹夾頭可靠度影響因素分析

3.1 間隙量對(duì)液壓膨脹夾頭可靠度的影響

圖7 分析表明:當(dāng)間隙量為0.016mm 時(shí)，液壓膨脹夾頭的可靠度隨轉(zhuǎn)速的增加呈下降趨勢，該趨勢隨著轉(zhuǎn)速的增加越加明顯。當(dāng)轉(zhuǎn)速小于20000rpm 時(shí)可靠度在80%以上，但轉(zhuǎn)速高于20000rpm 后可靠度迅速下降。

圖7 不同間隙量下液壓膨脹夾頭的可靠度

同時(shí)可看出在相同轉(zhuǎn)速下，可靠度隨著設(shè)定的間隙量的減小而增加，這就說明設(shè)定的間隙量越小，液壓膨脹夾頭與刀具之間的接觸性能更好，傳遞扭矩的能力更高，因而在高轉(zhuǎn)速下具有更高的可靠度。間隙量為0.010mm 和0.013mm 時(shí)，其可靠度大小隨轉(zhuǎn)速的變化基本相同，但是0.010mm 間隙量對(duì)加工夾頭的孔和刀具的軸配合精度要求更高的，所以當(dāng)轉(zhuǎn)速大于35000rpm 時(shí)應(yīng)該選用0.013mm 的間隙量的夾頭從而既可有效地保證可靠度要求又可降低液壓膨脹夾頭的制造成本。

3.2 油壓對(duì)液壓膨脹夾頭可靠度的影響

圖8 分析表明:液壓膨脹夾頭的可靠度隨轉(zhuǎn)速的增加呈下降趨勢，隨著油壓的增加其下降趨勢變緩。這就說明增大油壓能夠有效的提高液壓膨脹夾頭的可靠度。當(dāng)轉(zhuǎn)速不超過20000rpm 時(shí)，選用65MPa 的油壓就能夠保證液壓膨脹夾頭的可靠度為80%，滿足切削加工的要求;當(dāng)轉(zhuǎn)速超過25000rpm 時(shí)，應(yīng)該選用75MPa 的油壓;當(dāng)轉(zhuǎn)速超過35000rpm 時(shí)，應(yīng)該選用85MPa 的油壓。

圖8 不同油壓下液壓膨脹夾頭的可靠度

3.3 油腔凸起長度對(duì)液壓膨脹夾頭可靠度的影響

圖9 分析表明:在相同轉(zhuǎn)速下，液壓膨脹夾頭的可靠度隨著油腔凸起長度的增加而逐漸增大。這就說明增大油腔凸起長度能夠有效的提高液壓膨脹夾頭的可靠度。當(dāng)油腔長度過低時(shí)，液壓膨脹夾頭的可靠度隨轉(zhuǎn)速的增加下降非常顯著，所以當(dāng)轉(zhuǎn)速超過30000rpm時(shí)，為了保證液壓膨脹夾頭的可靠度在80%以上，應(yīng)該選用油腔凸起長度為26.9mm 的液壓膨脹夾頭。

圖9 不同油腔凸起長度下液壓膨脹夾頭的可靠度

3.4 油腔凸起高度對(duì)液壓膨脹夾頭可靠度的影響

圖10 分析表明:液壓膨脹夾頭的可靠度隨轉(zhuǎn)速的增加呈下降趨勢，該下降趨勢隨著油腔凸起高度的增加而有所減緩。這就說明增大油腔凸起高度能夠有效的提高液壓膨脹夾頭的可靠度。所以當(dāng)轉(zhuǎn)速超過25000rpm 時(shí)，為了保證液壓膨脹夾頭的可靠度在80%以上，應(yīng)該選用油腔凸起高度為2mm 的液壓膨脹夾頭。

圖10 不同油腔凸起高度下液壓膨脹夾頭的可靠度

根據(jù)上述影響可靠度因素的分析，當(dāng)轉(zhuǎn)速為25000rpm，選 用0. 013mm 間 隙 量、75MPa 油 壓、26.9mm 油腔凸起長度和2mm 凸起高度的這一組數(shù)據(jù)計(jì)算得到可靠度為99.22%，與參考文獻(xiàn)［7］中優(yōu)先選擇的0.016mm 間隙量、65MPa 油壓、22.9mm 油腔凸起長度和1.5mm 凸起高度的這一組數(shù)據(jù)計(jì)算得到的可靠度69.3%相比較，可靠度有了顯著的提高。因此本文分析得出的最優(yōu)參數(shù)具有更高的可靠度，可為實(shí)際液壓膨脹夾頭的設(shè)計(jì)、制造和使用提供參考。

4 結(jié)論

(1)選擇將液壓膨脹夾頭的載荷、材料性能以及結(jié)構(gòu)參數(shù)作為隨機(jī)變量，確定出液壓膨脹夾頭的廣義應(yīng)力和廣義強(qiáng)度分布，從而建立了液壓膨脹夾頭與刀具配合可靠度的數(shù)學(xué)模型，并且通過蒙特卡洛法和積分法計(jì)算得出液壓膨脹夾頭的可靠度。由計(jì)算結(jié)果顯示兩者可靠度相近，所以由蒙特卡洛法對(duì)液壓膨脹夾頭可靠性分析是可行的。

(2)由可靠度的計(jì)算結(jié)果可知，在轉(zhuǎn)速為10000rpm、間隙量為0.016mm、油壓為65MPa 的條件下，夾頭和刀具的材料不發(fā)生塑性變形的可靠度接近100%，所以由于材料的強(qiáng)度不足而引起的失效并不是主要的失效形式，夾頭與刀具之間配合面的傳遞扭矩不足發(fā)生打滑現(xiàn)象才是最主要的失效形式。

(3)通過對(duì)液壓膨脹夾頭可靠度影響因素分析可知，可靠度隨轉(zhuǎn)速的增加呈下降趨勢，通過減小間隙量、增加油壓、油腔凸起長度和凸起高度可以有效提高液壓膨脹夾頭的可靠度。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過25000rpm 時(shí)，為保證可靠度在80%以上，應(yīng)該選用0.013mm 的間隙量、75MPa 的油壓、26.9mm 的油腔凸起長度和2mm 的凸起高度的液壓膨脹夾頭。

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