數(shù)控機(jī)床高速回轉(zhuǎn)夾具有限元分析

孫 濤

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 合肥 230011)

0 引言

現(xiàn)代制造技術(shù)向著高效率、高精密及柔性化方向發(fā)展，對機(jī)床夾具提出了高轉(zhuǎn)速、高精度及柔性化的要求[1].在數(shù)控機(jī)床中，高速回轉(zhuǎn)夾具是最為常用的功能部件，它是機(jī)床主軸與工件連接的接口[2-3].在機(jī)械加工中承擔(dān)著將機(jī)床主軸的扭矩、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)精度傳遞給工件的作用[4].高速回轉(zhuǎn)夾具因具有轉(zhuǎn)速大、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、夾緊力大等特點(diǎn)正在被廣泛應(yīng)用[5].然而，高轉(zhuǎn)速的工作特點(diǎn)使夾具在工作時往往伴隨著巨大的離心力，導(dǎo)致夾具夾緊力損失，存在夾具夾緊不可靠等安全問題，限制了高速回轉(zhuǎn)夾具的進(jìn)一步發(fā)展[6-7].另外，夾具盤體的結(jié)構(gòu)尺寸、材料對高速回轉(zhuǎn)夾具的力學(xué)性能也會產(chǎn)生巨大影響，決定夾具的工作壽命[8].

本文使用ANSYS有限元軟件對K55系列高速回轉(zhuǎn)夾具盤體的應(yīng)力、應(yīng)變特性進(jìn)行分析；探究在離心力存在條件下，夾具盤體不同內(nèi)外徑尺寸、材料以及轉(zhuǎn)速對盤體應(yīng)力、應(yīng)變的影響；找出夾具盤體的強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)以及變形較大位置，為夾具物性參數(shù)、工況參數(shù)的確定和后續(xù)的研究工作奠定基礎(chǔ).

1 高速回轉(zhuǎn)夾具結(jié)構(gòu)

圖1是K55系列高速回轉(zhuǎn)夾具的爆炸圖[9]，該夾具結(jié)構(gòu)主要由推拉環(huán)、推拉套、楔心套、盤體、滑座、T形塊、擋蓋和軟卡爪構(gòu)成.作者將對高速回轉(zhuǎn)夾具進(jìn)行有限元分析，研究夾具盤體結(jié)構(gòu)不同尺寸、材料和轉(zhuǎn)速對其應(yīng)力、應(yīng)變特性的影響.

圖1 高速回轉(zhuǎn)夾具爆炸圖

2 模型處理與邊界條件

2.1 簡化幾何模型

從圖1可以看出該高速回轉(zhuǎn)夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中有較多的零部件及裝配特征.但其中的圓角、倒角、螺紋孔、定位孔、通油溝槽等特征的存在對夾具的整體力學(xué)性能沒有較大的影響[10]，且在進(jìn)行有限元分析時會占用較多的資源，使網(wǎng)格劃分變得更為復(fù)雜[11].為便于有限元分析，將對分析結(jié)果影響不大的夾具螺釘、擋蓋、密封圈、彈簧等零件省去，在Solidworks中進(jìn)行建模，簡化后的夾具模型如圖2所示.

圖2 簡化后的夾具模型

2.2 幾何模型設(shè)置

將三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中的Static Structural-Mechanical模塊，完成幾何模型前處理的相關(guān)設(shè)置.

(1)完成對幾何模型中各部分的材料進(jìn)行設(shè)置.夾具盤體及各部分零件材料初始均設(shè)置為42CrMo.

(2)連接設(shè)置.軟爪與螺栓，螺栓與 T 型塊，軟爪與基爪，基爪與 T 型塊，拉桿與楔心套均設(shè)置為固定連接[12]，限制其相對運(yùn)動的自由度.基爪兩翅的上下端面和卡盤基爪槽的上下端面，基爪楔塊外楔面與楔心套的楔形槽外楔面(工作受力面)，設(shè)置為有摩擦的連接[13].

(3)網(wǎng)格劃分.因?yàn)閵A具體為不規(guī)則的幾何模型，文中選取ANSYS中的Solid92網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.Solid92能夠較好地對不規(guī)則模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[14]，最終生成的網(wǎng)格模型如圖3所示.

圖3 有限元模型

2.3 邊界條件設(shè)置

高速回轉(zhuǎn)夾具盤體的結(jié)構(gòu)如圖4所示，夾具盤體與機(jī)床主軸通過過渡法蘭盤進(jìn)行連接.

圖4 夾具盤體示意圖

高速回轉(zhuǎn)夾具在進(jìn)行工作時，夾具盤體會受到杠桿的作用力，由于杠桿在盤體中均勻分布，所以盤體受到杠桿的合力為零.因此在研究盤體內(nèi)外徑尺寸對盤體應(yīng)力、應(yīng)變特性的影響時，只需對盤體在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行分析，此時盤體只受到高轉(zhuǎn)速的離心力作用，離心力的大小取決于不同工況條件下的轉(zhuǎn)速大小[15].在添加約束時，因?yàn)閵A具盤體與機(jī)床主軸通過過渡法蘭盤進(jìn)行連接，所以限制其Z方向?yàn)楣潭s束即可.由于受到滑軸尺寸的限制，盤體內(nèi)徑尺寸取值范圍為100-140 mm，外徑變化范圍為230-260 mm.

3 結(jié)果分析與討論

將建立的幾何模型導(dǎo)入到ANSYS中對夾具盤體進(jìn)行有限元分析，夾具盤體的初始參數(shù)：外徑為250 mm，內(nèi)徑為120 mm，材料為42CrMo.設(shè)定工作轉(zhuǎn)速為8 000 r/min.在此條件下，得到夾具盤體的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況分別如圖5、圖6所示.

圖5 夾具盤體應(yīng)力分布情況

圖6 夾具盤體應(yīng)變分布情況

從圖5可以看出在此參數(shù)條件下，夾具盤體最大應(yīng)力處出現(xiàn)在滑座與杠桿交界處的小區(qū)域內(nèi)，且該區(qū)域靠近夾具盤體的中心；盤體的最大應(yīng)力值為1 310 MPa，超出了材料的屈服極限[16]，盤體發(fā)生了塑性變形.從圖6可以看到，盤體的最大變形發(fā)生在夾具盤體的前端面位置，最大變形量為0.133 mm，對夾具的定位精度會產(chǎn)生影響.因此，在轉(zhuǎn)速8 000 r/min條件下，夾具盤體所受離心力較大，超出了夾具盤體應(yīng)力、應(yīng)變極限，夾具失效.

值得注意的是，夾具盤體的應(yīng)力、應(yīng)變特性不僅受工作轉(zhuǎn)速的影響，盤體內(nèi)外徑尺寸、材料對其應(yīng)力、應(yīng)變特性也存在影響.

3.1 盤體內(nèi)徑尺寸的影響

基于以上分析過程，在不同轉(zhuǎn)速下，外徑一定，改變盤體的內(nèi)徑尺寸.根據(jù)分析結(jié)果，繪制出盤體最大應(yīng)力值在不同轉(zhuǎn)速下隨盤體內(nèi)徑尺寸變化曲線如圖7所示，最大應(yīng)變值在不同轉(zhuǎn)速下隨盤體內(nèi)徑尺寸變化曲線如圖8所示.

從圖7可以看出，轉(zhuǎn)速的變化對夾具盤體最大應(yīng)力值具有較大影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到8 000 r/min時，此時夾具盤體已超過或接近盤體材料42CrMo的許用應(yīng)力值，盤體失效.說明離心力在夾具高速旋轉(zhuǎn)時對夾具的安全性能起到重要作用，因此在進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時，如何對離心力進(jìn)行補(bǔ)償是后期需要考慮的重要問題.另外，在不同的轉(zhuǎn)速下，夾具盤體所承受的最大應(yīng)力值均隨內(nèi)徑尺寸的增加而上升，因此合理的內(nèi)徑尺寸對夾具盤體的受力也存在重要影響.

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，盤體外徑相同的條件下，盤體最大應(yīng)變隨著內(nèi)徑尺寸的增加逐漸增大，且內(nèi)徑變化越大其最大應(yīng)變變化趨勢越大.盤體外徑為 250 mm時與外徑為254 mm時，相同內(nèi)徑下最大應(yīng)變基本相等.在轉(zhuǎn)速達(dá)到8 000 r/min時，夾具盤體的最大應(yīng)變最小也高于0.1 mm，對夾具的工作精度產(chǎn)生了影響.

圖8 夾具盤體在不同轉(zhuǎn)速下最大應(yīng)變隨內(nèi)徑尺寸變化情況

3.2 盤體外徑尺寸的影響

同上所述，對夾具盤體在不同轉(zhuǎn)速下，內(nèi)徑一定，改變盤體的外徑尺寸進(jìn)行分析.根據(jù)分析結(jié)果，可以繪制出盤體最大應(yīng)力值在不同轉(zhuǎn)速下隨盤體外徑尺寸變化曲線如圖9所示，最大應(yīng)變值在不同轉(zhuǎn)速下隨盤體外徑尺寸變化曲線如圖10所示.

圖9 夾具盤體在不同轉(zhuǎn)速下最大應(yīng)力隨外徑尺寸變化情況

圖10 夾具盤體在不同轉(zhuǎn)速下最大應(yīng)力隨外徑尺寸變化情況

從圖9可以看出，在夾具盤體內(nèi)徑尺寸為140 mm時，外徑尺寸在230-240 mm范圍內(nèi)變化時，夾具盤體所受的最大應(yīng)力值有下降趨勢；外徑在240-260 mm范圍內(nèi)變化時，盤體最大應(yīng)力又有所上升.此現(xiàn)象是由于外徑尺寸在230-240 mm范圍內(nèi)盤體杠桿孔壁壁厚較小，而在240-260 mm范圍內(nèi)盤體杠桿孔壁壁厚逐漸增加，因此最大應(yīng)力變化緩慢.可見，盤體杠桿孔壁壁厚對盤體的受力也存在重要影響.

從圖10可以看出，當(dāng)夾具盤體內(nèi)徑為110 mm，外徑在230-240 mm范圍變化時，盤體的最大應(yīng)變緩慢增加；外徑在240-260 mm范圍變化時，夾具盤體最大應(yīng)變出現(xiàn)減小趨勢.其他幾種內(nèi)徑尺寸的變化趨勢基本相同.

3.3 盤體材料的影響

高速回轉(zhuǎn)夾具盤體的材料屬性對其應(yīng)力、應(yīng)變特性以及夾具的工作性能也會產(chǎn)生重要影響.本文分別選用45鋼、40Cr、42CrMo、鋁合金(2014)及Cerme TiC-10作為夾具盤體材料進(jìn)行分析，其各自的物理屬性[17-18]如表1所列.

表1 各材料的物理屬性

在進(jìn)行ANSYS分析時，改變盤體的材料屬性，根據(jù)分析結(jié)果，可以繪制出不同材料的夾具盤體最大應(yīng)力值隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖11所示，最大應(yīng)變值隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖12所示.

從圖11可以看出，隨著夾具轉(zhuǎn)速的增大，不同材料的夾具盤體所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值均呈現(xiàn)出增大趨勢.45鋼、40Cr和42CrMo 3種材料的增加趨勢幾乎相同，均呈迅速上升趨勢，說明其最大應(yīng)力對轉(zhuǎn)速變化十分敏感；鋁合金(2014)的變化趨勢最小，Cerme TiC-10次之.高速回轉(zhuǎn)夾具的工作環(huán)境對夾具轉(zhuǎn)速具有較高的要求，夾具所能夠適應(yīng)的轉(zhuǎn)速越大，越有利于高速加工.另外，由于鋁合金的硬度較低，因此從應(yīng)力變化角度來看Cerme TiC-10材料最適合最為高速回轉(zhuǎn)夾具的盤體材料.

圖11 不同材料盤體最大應(yīng)力值隨轉(zhuǎn)速變化情況

從圖12可以看出，文中所列出的5種材料盤體應(yīng)變變化隨轉(zhuǎn)速的增加均呈迅速上升趨勢，Cerme TiC-10變化最為明顯，但是在極限轉(zhuǎn)速內(nèi)盤體的應(yīng)變數(shù)值較小，對盤體幾乎沒有影響.因此，Cerme TiC-10材料為高速回轉(zhuǎn)夾具盤體的最佳理性材料.

圖12 不同材料盤體最大應(yīng)變值隨轉(zhuǎn)速變化情況

4 結(jié)論

采用ANSYS有限元軟件對高速回轉(zhuǎn)夾具進(jìn)行了分析.分別研究了在離心力存在條件下，夾具盤體內(nèi)外徑尺寸、材料以及轉(zhuǎn)速對盤體應(yīng)力、應(yīng)變特性的影響.

(1)夾具盤體端面變形較大，杠桿與滑座交界面處的局部應(yīng)力較大，存在應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象，降低了夾具的精度及工作品質(zhì)，為后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和失效分析提供借鑒.

(2)分析結(jié)果為高速回轉(zhuǎn)夾具的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了依據(jù).顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料Cerme TiC-10可以作為盤體的理想材料，使盤體具有較好的力學(xué)性能.

(3)夾具盤體的應(yīng)力、應(yīng)變特性對夾具的定位誤差也會產(chǎn)生重要影響，有待后期進(jìn)行一步研究.