HSK-A63測溫工具系統(tǒng)結構設計及不平衡響應分析*

周天文　徐　紅　蘇　煒　魏原芳

(濟南大學泉城學院工學院，山東 蓬萊265600)

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HSK-A63測溫工具系統(tǒng)結構設計及不平衡響應分析*

周天文徐紅蘇煒魏原芳

(濟南大學泉城學院工學院，山東 蓬萊265600)

按照熱電偶測溫的需求設計并加工出所需的測溫工具系統(tǒng)，把數(shù)據(jù)采集模塊及發(fā)射裝置安裝在刀柄內(nèi)部，最后在動平衡機上對新工具系統(tǒng)進行動平衡測試，測出其存在的不衡量。利用有限元分析法，分析此不平衡量產(chǎn)生的慣性離心力引起的刀尖節(jié)點位移的變化規(guī)律，為HSK-A63測溫工具系統(tǒng)設計、制造及刀具的研究提供理論依據(jù)。

熱電偶測溫；HSK-A63工具系統(tǒng)；有限元分析法

在高速切削加工過程中，切削刀具隨主軸高速旋轉(zhuǎn)，在現(xiàn)有的條件下測量刀具刃部的溫度相對困難[1]。為了解決這一難題，本課題通過改進刀柄的內(nèi)部結構，把測溫數(shù)據(jù)采集模塊安裝到刀柄內(nèi)，使采集裝置隨刀柄一同旋轉(zhuǎn)，再通過無線通訊裝置傳輸?shù)接嬎銠C上，通過開發(fā)的溫度采集軟件讀取并轉(zhuǎn)換為溫度值實時顯示，實現(xiàn)高速切削刀具刃區(qū)溫度的實時、直接和連續(xù)測量，為刀具的理論研究提供直接有力的實驗數(shù)據(jù)。

HSK-A63測溫工具系統(tǒng)在出廠時已經(jīng)完成了動平衡校正，但在安裝測溫數(shù)據(jù)采集模塊之后由此產(chǎn)生的不衡量需重新進行校正。這種不平衡量對刀具切削部分的影響是無法測量的，故借助有限元軟件研究此不平衡量對刀尖部分產(chǎn)生的位移響應情況，為新測溫工具系統(tǒng)的正常運行提供重要的依據(jù)。

1　HSK-A63刀柄的設計及動平衡測試

1.1HSK-A63刀柄的結構設計

根據(jù)ISO12164-1[2]標準確定工具系統(tǒng)與數(shù)控機床主軸聯(lián)接處的尺寸，并在刀桿中間部位設計出能夠安裝測溫裝置的特殊結構。由于主軸以及刀柄部位等剛度相對較高，想要通過改進主軸部位的結構是相對復雜和困難的，因此本課題采用溫度信號由熱電偶通過內(nèi)冷銑刀直接拾取方式進行測量。為了減少對機床及附件加工或振動的影響，采用把測溫裝置直接安裝在刀柄內(nèi)部的方式進行測量，只要機床進行切削加工，就可以得出切削加工時的溫度。為了方便數(shù)據(jù)的傳輸，該測溫系統(tǒng)是利用測溫數(shù)據(jù)采集模塊收集加工時的溫度信號，然后再通過無線傳輸技術傳輸?shù)接嬎銠C上，從而實時監(jiān)控刀具切削溫度的變化情況，為研究切削機理提供重要依據(jù)。

本測溫系統(tǒng)設計了能夠安裝數(shù)據(jù)采集模塊及發(fā)射裝置的刀柄結構，使數(shù)據(jù)采集裝置隨刀柄一起旋轉(zhuǎn)，從而便于對高速切削溫度進行測量。在滿足條件的基礎上，盡量減小刀柄內(nèi)部空間，故采用集成化模塊及內(nèi)部供電裝置的方式，以便縮小數(shù)據(jù)采集模塊及發(fā)射裝置的體積。測溫模塊的固定方式：一是把測溫電路板安裝在兩個鍵槽內(nèi)，二是通過彈性擋圈進行軸向固定。HSK-A63刀柄測溫測量系統(tǒng)組成、結構及裝配圖如圖1a所示。在不斷對刀柄結構修改及優(yōu)化設計的基礎上，最終完成工具系統(tǒng)的二維圖紙，并委托哈爾濱量具刃具有限責任公司按照設計圖紙的要求進行加工生產(chǎn)，出廠時已完成動平衡的校正，測溫工具系統(tǒng)實物圖如圖1b所示。

1.2工具系統(tǒng)的動平衡測試

1.2.1HSK工具系統(tǒng)動平衡精度

對于HSK-A63工具系統(tǒng)，不管對它進行多么精密的平衡校正，也不可能把不平衡消除殆盡，而只能把不平衡量降低到許可的程度。2001年，ISO才發(fā)布了關于HSK工具系統(tǒng)的正式標準，但是到目前為止還沒有制定專門針對它的平衡精度等級，如果用ISO1940標準中的精度等級去規(guī)定工具系統(tǒng)的精度，顯然是不太合理的。針對HSK-A63工具系統(tǒng)的特殊性，一般會遵循以下原則：(1)由不平衡量產(chǎn)生的離心力應小于切削力的10%。(2)HSK工具系統(tǒng)選用的平衡精度等級須與它的安裝精度相一致。(3)衡量HSK工具系統(tǒng)動平衡質(zhì)量優(yōu)劣的重要方面之一是主軸軸承動態(tài)載荷大小。

研究表明：在各平衡品質(zhì)等級的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，相同類型轉(zhuǎn)子的eper與轉(zhuǎn)子的最高工作角速度ω成反比，即eperω=const。因此，規(guī)定平衡精度等級G的定義為[1-2]：

1.2.2HSK工具系統(tǒng)動平衡測試

HSK-A63工具系統(tǒng)動平衡測試在HAIMER動平衡機上進行的，根據(jù)HSK工具系統(tǒng)的結構特點，采用去重平衡方法對其進行動平衡校正。經(jīng)過檢測，刀柄部分生產(chǎn)廠家在出廠時已經(jīng)對它已經(jīng)進行了動平衡校正，剩余不平衡量僅為0.8g·mm。當把未安裝測溫裝置的HSK-A63工具系統(tǒng)裝配完成后，經(jīng)檢測不平衡量達到了35.0g·mm，這是由于ER40螺帽的偏心造成的。在安裝測溫裝置的過程中，盡量使測溫裝置偏心和螺帽的偏心相反，從而可以稍微降低此不平衡量，經(jīng)檢測此值為24.9g·mm。

對安裝測溫裝置的HSK-A63工具系統(tǒng)進行了2次去重動平衡，剩余不平衡量見表1。

表1平衡次數(shù)及剩余不平衡量

平衡次數(shù)013剩余量不平衡/(g·mm)24.95.72.9

2　構建HSK工具系統(tǒng)有限元模型

2.1建立三維實體模型

根據(jù)測溫刀柄結構及特點，在 Pro/E 5.0 中建立HSK-A63 工具系統(tǒng)的三維實體模型，如圖 4所示。

2.2設置材料屬性及網(wǎng)格劃分

HSK-A63刀柄、ER彈簧夾頭/螺母、φ10刀具的材料及屬性見表2。利用Ansys Workbench對HSK-A63工具系統(tǒng)進行仿真分析，為了節(jié)省和優(yōu)化實體單元，一方面將刀柄錐部、刀具等關鍵部分的網(wǎng)格細化，以便提高求解精度；另一方面將尺寸較小的螺紋、倒角等對整體仿真影響不大的結構進行忽略處理，以便節(jié)省求解空間。

表2刀柄/刀具系統(tǒng)材料屬性

名稱HSK刀柄彈簧夾頭ER螺母刀具材料20CrMnTi65Mn42Cr硬質(zhì)合金彈性模量/EPa2.12×10112.11×10112.11×10116.0×1011密度/(kg/mm3)78607820787014800泊松比0.2890.2880.2770.33

3　HSK工具系統(tǒng)不平衡響應分析

新的測溫工具系統(tǒng)安裝在數(shù)控機床后，隨著主軸高速旋轉(zhuǎn)，由于測溫裝置不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如半徑為r、不平衡質(zhì)量為m，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)頻為ω，則由此不平衡量形成的動態(tài)載荷為：F=mrω2。由此可得，隨著轉(zhuǎn)頻ω的增大，動態(tài)載荷F也隨之增大。在高速切削過程中，動態(tài)載荷F對刀具切削加工的影響是不容忽視的。安裝測溫裝置的工具系統(tǒng)存在的不平衡已由動平衡機檢測出，本文重點研究工具系統(tǒng)在此不平衡載荷作用下，刀尖處的變形位移與激振頻率的變化規(guī)律。

3.1HSK-A63 工具系統(tǒng)動態(tài)響應分析

以HSK-A63工具系統(tǒng)為研究對象，該系統(tǒng)主要有測溫刀柄和直徑為10的四刃平底硬質(zhì)合金立銑刀等所組成，由于HSK刀柄采用“雙面定位”，所以在圓柱坐標系中限制錐面和端面的軸向平移自由度及切向平移自由度，讓其他自由度處于無約束狀態(tài)[4]，以測溫裝置產(chǎn)生的不平衡質(zhì)量對工具系統(tǒng)的影響作為輸入，以HSK-A63 工具系統(tǒng)刀尖的變形響應作為輸出量。

利用Workbench 13.0 軟件對HSK工具系統(tǒng)進行分析，設置結構阻尼比系數(shù)為0.02，以動平衡機上測出的不平衡量作為強迫激振點，分析工具系統(tǒng)上各個節(jié)點的位移響應情況。在分析時采用模態(tài)疊加法，掃描范圍為0～10 000 Hz。由于測溫裝置的影響，HSK-A63工具系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速須小于20 000 r/min。在工作轉(zhuǎn)速為20 000 r/min時，即激勵頻率為333.33 Hz 時，由動平衡機上測量的不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的頻率響應曲線如圖3、圖4所示。

3.2HSK-A63 工具系統(tǒng)動態(tài)響應結果分析

對HSK-A63測溫工具系統(tǒng)進行動態(tài)響應分析，從其位移響應圖及響應曲線可以得出以下結論：

(1)動平衡機測出的不平衡質(zhì)量對整個結構都會產(chǎn)生不同程度的影響，但該激勵對工具系統(tǒng)響應影響最大是刀尖部分。

(2)從圖3、4可以看出，當激勵頻率為1 515.4 Hz 時，系統(tǒng)會出現(xiàn)一階共振現(xiàn)象，且未安裝測溫裝置刀尖處頻率響應是最大的。隨著動平衡的進行，最后刀尖的位移響應只有2.14×10-7，對切削加工的影響較小。

(3)當激勵頻率為 5 010.3 Hz 時，刀尖處的位移響應達到最大，但是對于新設計的測溫刀柄，由不平衡量產(chǎn)生的激勵頻率遠遠小于此值。為了不影響測溫裝置性能，該測溫工具系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速小于20 000 r/min 時，有刀尖曲線可以說明，該測溫裝置引起的不平衡量對HSK-A63 工具系統(tǒng)位移響應的影響比較小，在允許的設計范圍內(nèi)。

4　結語

根據(jù)刀柄的結構和使用要求設計所需的嵌入式測溫刀柄，并對所設計HSK-A63工具系統(tǒng)進行動平衡實驗和有限元分析，從分析結果可以看出，安裝嵌入測溫裝置的HSK工具系統(tǒng)能滿足20 000 r/min的要求，不會引起系統(tǒng)的共振，同時為以后的動態(tài)特性的分析提供理論基礎。

[1]王貴成, 王樹林, 董廣強. 高速加工工具系統(tǒng)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2005.

[2] 袁哲俊, 劉華明. 孔加工刀具、銑刀、數(shù)控機床用工具系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009.

[3]Agapiou J, Rivin E, Xie C.Toolholder -spindle interfaces for CNC machine tools[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1995, 44(1): 383～387.

[4]沈春根.高速加工工具系統(tǒng)的動力學特性及應用基礎研究[D].鎮(zhèn)江: 江蘇大學, 2011.

[5]陶德飛,鄭登升,陳建，等. 高速HSK液壓夾頭及工具系統(tǒng)的不平衡響應[J]. 制造業(yè)自動化, 2015, 37(4): 88-90.

(編輯李靜)

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Structure design and unbalance response analysis of HSK-A63 tool holder with temperature measurement

ZHOU Tianwen,XU Hong,SU Wei,WEI Yuanfang

(Faculty of Engineering, Quancheng College, University of Jinan, Penglai 265600, CHN)

According to the request of thermocouple temperature measurement, the structural design and processing of tooling system is completed. Embedding electronic temperature measure and transmitting devices into the tool holder, finally, the dynamic balance of tooling system with temperature measurement and processing is carried out by dedicated balancing machines to measure its unbalance. Based on different excitations caused by unbalance, dynamic responses and changing rules of the tooling system are analyzed by the finite element software. These results will provide more substantial theory data for the design and manufacture of HSK-A63 and the research of the cutting tools.

thermocouple temperature measurement; HSK-A63 tooling system; finite element analysis

TP714

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.011

周天文，男，1988年生，講師，研究方向：CAD/CAM技術，水田植保機研究。

2015-10-20)

160627

* 國家自然科學基金(51175096)