液壓膨脹夾頭的夾緊疲勞可靠性分析

李朱鋒，王貴成，2，顧　海，孫健華

（1.南通理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，南通 226002；2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

液壓膨脹夾頭的夾緊疲勞可靠性分析

李朱鋒1，王貴成1，2，顧海1，孫健華1

（1.南通理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，南通 226002；2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

針對(duì)液壓膨脹夾頭在使用過程中局部出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，通過有限元理論和疲勞分析理論相結(jié)合進(jìn)行了液壓膨脹夾頭的夾緊疲勞可靠性分析。在夾頭靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上定義了液壓膨脹夾頭的疲勞破壞載荷譜和材料的疲勞特性曲線，采用ANSYS軟件中的Ncode疲勞分析模塊計(jì)算了液壓膨脹夾頭的疲勞壽命和疲勞損傷，并且確定了夾頭最易發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的結(jié)果，研究結(jié)果為夾頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和夾頭的實(shí)際使用提供有效的依據(jù)和參考。

液壓膨脹夾頭；疲勞可靠性；疲勞壽命；nCode Design-Life

0　引言

疲勞破壞是指材料、零件或構(gòu)件在長(zhǎng)期循環(huán)應(yīng)力或交變載荷的作用下，使其在一點(diǎn)或多點(diǎn)處產(chǎn)生永久性累積損傷，并且經(jīng)過多次循環(huán)后發(fā)生裂紋以至于裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又稱為疲勞失效［1，2］。疲勞/斷裂可靠性研究旨在從經(jīng)濟(jì)性和維修性要求出發(fā)，在規(guī)定工作條件下、在完成規(guī)定功能下、在規(guī)定使用期間內(nèi)，使結(jié)構(gòu)因疲勞或斷裂而失效的可能性減至最低程度［3，4］。

液壓膨脹夾頭是一種采用靜壓膨脹原理夾持刀具的超高精密夾頭，它具有優(yōu)良技術(shù)性能，適用于在加工中心高精度鏜銑床和柔性生產(chǎn)線上夾持鉆頭、鉸刀、銑刀等［5］。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)變形量超過配合間隙后，薄壁套壓緊刀具并產(chǎn)生一定的夾緊力，從而實(shí)現(xiàn)夾頭夾持刀具高速回轉(zhuǎn)［6］。

圖1　液壓膨脹夾頭結(jié)構(gòu)示意圖

參考國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)，王樹林［7］等通過對(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。文獻(xiàn)［8］已經(jīng)通過蒙特卡洛法和積分法計(jì)算液壓膨脹夾頭的可靠度從而分析得出其夾緊性能的可靠性影響因素。陶德飛［9］等對(duì)高速液壓夾頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了液壓膨脹夾頭的可靠性。而在實(shí)際使用過程中，每一次的更換刀具，夾頭的油腔會(huì)隨著油壓的施加與釋放受到大小不同的應(yīng)力作用，隨著次數(shù)的增加，夾頭的某些部位會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，因此有必要對(duì)液壓膨脹夾頭進(jìn)行夾緊疲勞可靠性分析。選用TENDOHSK-C63型液壓膨脹夾頭，采用ANSYS軟件中的Ncode疲勞分析模塊對(duì)其進(jìn)行疲勞可靠性分析。

1　液壓膨脹夾頭有限元靜態(tài)分析

液壓膨脹夾頭的有限元建模和靜力學(xué)分析參照文獻(xiàn)［7］，有限元分析得到的結(jié)果如圖2所示。由計(jì)算的結(jié)果可以看出夾頭與刀具的最大主應(yīng)力在液壓油腔內(nèi)薄壁與夾頭上下聯(lián)結(jié)部分的兩個(gè)直角口處，最大主應(yīng)力的大小為377.5MPa。四個(gè)直角口即為疲勞應(yīng)力集中的地方，最易發(fā)生疲勞破壞，所以選取液壓膨脹夾頭油腔內(nèi)這四處的區(qū)域進(jìn)行疲勞研究。

圖2　夾頭最大主應(yīng)力分布圖及其疲勞應(yīng)力集中點(diǎn)

2　液壓膨脹夾頭疲勞可靠性分析

2.1定義載荷譜

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［11］。所以本文在研究液壓膨脹夾頭疲勞可靠性過程中，沒有考慮切削力對(duì)夾頭疲勞可靠性的影響，主要考慮液壓油的油壓為主要的失效載荷。根據(jù)液壓膨脹夾頭的實(shí)際使用情況，每一次裝卸刀具，需要反復(fù)地加壓和減壓，油腔內(nèi)薄壁承受的油壓就會(huì)隨著每次裝卸刀具而形成交變載荷，此外夾頭裝夾刀具在高速切削過程中，油壓對(duì)內(nèi)薄壁的壓力隨轉(zhuǎn)速增加反而減?。?］，油腔內(nèi)薄壁承受的油壓也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化而形成交變載荷。初始設(shè)定的油壓值為65MPa，轉(zhuǎn)速為40000rpm時(shí)，分析得到夾頭在每次裝卸刀具進(jìn)行高速加工整個(gè)階段的油壓載荷譜，如圖3所示。

圖3　油壓載荷譜

2.2定義材料參數(shù)

液壓膨脹夾頭的材料為40Cr，查《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》［12］，得該材料彈性模量為210GPa，泊松比為0.28，疲勞極限1-σ-1為422MPa，得到該材料的理論疲勞特性曲線，同時(shí)根據(jù)夾頭表面處理方法與加工工藝對(duì)理論曲線進(jìn)行修正，最后得到修正的S-N曲線，如圖4所示。

圖4　夾頭修正的S-N曲線

2.3疲勞壽命計(jì)算

液壓膨脹夾頭疲勞壽命計(jì)算選用ANSYS有限元軟件中的Ncode疲勞分析模塊，其計(jì)算流程如圖5所示。

圖5　ANSYS Ncode疲勞分析流程圖

具體的分析步驟如下：

1）導(dǎo)入有限元模型。選擇靜力學(xué)分析的模型，以最大主應(yīng)力為輸出參數(shù)，選取夾頭油腔內(nèi)兩處疲勞應(yīng)力集中的區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象組。

2）輸入載荷譜。將分析的油壓載荷譜輸入，記為一個(gè)載荷周期。

3）定義載荷因子。設(shè)定載荷因子參數(shù)為1。

4）選取材料并設(shè)定S-N曲線。在軟件的材料庫沒有40Cr這一種材料，所以自行設(shè)定，按照查手冊(cè)得到的數(shù)據(jù)和修正的S-N曲線輸入到軟件中。

5）進(jìn)行疲勞計(jì)算。

6）查看結(jié)果。

2.4疲勞可靠性分析

查看計(jì)算的結(jié)果，疲勞損傷分布如圖6所示，讀取前20個(gè)最易發(fā)生疲勞的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，疲勞壽命如圖7所示。對(duì)比分析最大主應(yīng)力分布（圖2）和疲勞損失分布（圖6）可知，液壓膨脹夾頭的疲勞損傷集中區(qū)域由原來應(yīng)力集中區(qū)域的四個(gè)直角口向兩側(cè)擴(kuò)散到夾頭與刀具接觸的油腔內(nèi)薄壁面和液壓油腔的內(nèi)薄壁面與夾頭上下聯(lián)結(jié)部分，這反映了由應(yīng)力集中（即疲勞源）造成的疲勞損傷區(qū)域是由應(yīng)力集中點(diǎn)擴(kuò)散到四周形成的，這符合疲勞斷裂的機(jī)理。

圖6　夾頭的疲勞損傷分布圖

由圖7可知，疲勞破壞最嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)號(hào)為106，即在夾頭與刀具接觸的油腔內(nèi)薄壁面上，其疲勞損傷程度（Damage）為1.754×10-5，對(duì)應(yīng)的疲勞壽命（Life）為5.701×104，這就表明液壓膨脹夾頭在使用過程中總共換刀5.7萬次后夾頭的油腔薄壁會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

圖7　夾頭的疲勞壽命和疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

3　疲勞破壞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選用同樣型號(hào)的液壓膨脹夾頭在高速數(shù)控機(jī)床進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，當(dāng)換刀次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在夾頭內(nèi)腔薄壁面上出現(xiàn)不太明顯的微小裂紋。實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的裂紋位置正好與本文疲勞仿真計(jì)算的結(jié)果相符合，驗(yàn)證了本文有限元分析和疲勞計(jì)算的合理性。

4　結(jié)論

采用ANSYS軟件中的Ncode疲勞分析模塊對(duì)液壓膨脹夾頭進(jìn)行了夾緊疲勞可靠性分析、計(jì)算和研究，得出夾頭的疲勞壽命，同時(shí)確定了夾頭在設(shè)計(jì)和使用過程中容易發(fā)生疲勞破壞和損傷的位置是夾頭與刀具接觸的油腔內(nèi)薄壁面和液壓油腔的內(nèi)薄壁面與夾頭上下聯(lián)結(jié)部分，其中最嚴(yán)重的疲勞損傷的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壽命為5.701×104，即夾頭在使用過程中換刀約5.7萬次后夾頭的油腔薄壁會(huì)發(fā)生疲勞破壞。之后對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元分析的結(jié)果相符合，為夾頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和夾頭的實(shí)際使用提供了有效的依據(jù)和參考。

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Fatigue reliability analysis of hydraulic expansion toolholder

LI Zhu-feng1，WANG Gui-cheng1，2，GU Hai1，SUN Jian-hua1

TH133；TP202.1

A

1009-0134（2016）09-0041-03

2016-06-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：高檔數(shù)控機(jī)床主軸/刀柄接口設(shè)計(jì)方法與檢測(cè)技術(shù)的研究（51275217）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)：高性能數(shù)控刀具性能測(cè)試與檢測(cè)技術(shù)平臺(tái)的研究（2013ZX04009031），南通理工學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目：高速加工工具系統(tǒng)可靠性能研究（科研2015042）

李朱鋒（1989 -），男，江蘇南通人，講師，碩士，研究方向?yàn)楦咚偌庸ぁSK工具系統(tǒng)以及其可靠性。