刀具座改進設計及有限元分析

1、摘 要切削技術是機械制造行業(yè)的傳統(tǒng)基礎工藝之一，自二十世紀八十年代以來，制造技術的全面進步，已把切削技術推向高速切削的新階段，使得高速切削逐漸的成為了切削加工的主流。切削加工系統(tǒng)由三大部分構成，即機床、刀具聯(lián)接系統(tǒng)和刀具切削部分。作為機床主軸與切削刀片之間的聯(lián)接，刀具聯(lián)接系統(tǒng)對于整個加工系統(tǒng)尤其是高速加工系統(tǒng)來說，具有重要意義。論文首先介紹了高速切削技術的理論體系及發(fā)展趨勢，闡述了高速切削的關鍵技術，詳述了刀具聯(lián)接系統(tǒng)的研究現狀，并介紹了實際生產中使用的一種包含了HSK刀具聯(lián)接系統(tǒng)的刀具座以及它在生產中所出現的問題。論文根據彈塑性力學的基礎知識，推導了高速旋轉狀態(tài)下實心圓軸的應力計算公式，并據

2、此公式估算了刀具座在使用中的應力。論文針對長期使用出現裂紋的刀具座進行疲勞斷裂分析，指出刀具座嚴重的應力集中影響了刀具座的疲勞強度，減少了刀具座的使用壽命；通過破損面的電子顯微鏡觀察，觀察了材質和加工表面，確定刀具座的應力集中主要是由刀具座的幾何形狀突變而產生的。通過使用三坐標測量機測量了刀具座的精確實體尺寸，根據測得的尺寸，使用三維制圖軟件Pro/E建立實體模型，導入到有限元分析軟件ANSYS中，通過力學分析，觀察刀具座的應力集中狀況，據此，提出刀具座結構形狀的改進方案，以緩解刀具座的應力集中，并通過多次有限元力學分析結果比較，選擇了合適的改進尺寸，最終刀具座的結構形狀改進取得了很好的效果，

3、得到了企業(yè)的認可。關鍵詞：高速切削；刀具座；疲勞分析；有限元；應力集中AbstractCutting is one of the traditional and basic techniques in mechanical manufacturing industry. Since the1980s, cutting technology has developed into a new stage of high-speed cutting, and makes high-speed cutting gradually become the mainstream cutting. Thecu

4、tting system consists of three parts, and they are machine tool, interface system and cutting tool, is of critical significance for the whole cutting system.In the paper, the theoretical background and developing trend of high-speed cutting are introduced. It also demonstrates the core technology in

5、 high-speed cutting, as well the research status of interface system. The paper introduces a toolframe with an HSK interface system used in actual production and describes the detail of the problem with the toolframe.By using the basic theory and knowledge of elasticity and plasticity mechanics, the

6、 stress formula of high-speed rotation solid round spindle has been got, and the stress of the high-speed rotation toolframe is calculated according to the formula. The paper analyzes the fatigue fracture of the toolframe with cracks, and finds the ultra stress concentration that affects the fatigue

7、 strength of the toolframe and shortens its life. With the help of scanning electronic microscope, it is found that the ultra stress concentration iscaused by the sudden change of the geometry figure of the toolframe.The structure improvement program is proposed to moderate the ultra stress concentr

8、ation by setting a model with the three-dimensional drawing software according to the accurate size got from CMM, and using ANSYS to do finite element analysis. Through mechanics analysis of the toolframe, the author observes the situation of the stress concentration and designs a flow to choose the

9、 appropriate size to improve the structure of the toolframe. The improvement of structure achieves good results and receives recognition from the toolframe user.Key Words: High-speed Cutting; Toolframe; Fatigue Analysis; Finite Elemene; Stress Concentration目 錄第1章緒論11.1高速切削技術概述21.1.1高速切削的研究概況21.1.2高速

10、切削的關鍵技術51.2高速切削中的刀具聯(lián)接系統(tǒng)概述81.2.1標準7/24錐度聯(lián)接91.2.2替代型設計101.2.3改進型設計111.3課題的研究背景和意義13第2章 基于彈塑性理論的刀具座受力分析152.1引言152.2彈塑性理論152.2.1基本方程162.2.2彈塑性分析的準則182.3高速旋轉狀態(tài)下刀具座的應力計算202.3.1高速圓軸應力的計算方法202.3.2刀具座的應力計算222.4刀具座疲勞失效分析232.4.1疲勞失效分析的基本理論232.4.2刀具座的疲勞破壞及結構疲勞失效的特征232.4.3刀具座材料的S-N曲線272.4.4刀具座結構疲勞壽命估算方法282.4.5影響

11、刀具座結構疲勞壽命的主要因素292.5提高刀具座結構疲勞強度的措施31第3章 數值模擬技術及有限元方法333.1引言333.2有限元方法333.3有限元分析的彈性力學理論基礎353.3.1彈性力學的基本控制方程363.3.2位移模式有限元法的單元位移模式和形函數413.4有限元分析軟件ANSYS43第章 刀具座尺寸測量及有限元模型的建立464.1引言464.2刀具座尺寸測量及實體模型建立464.2.1尺寸測量工具464.2.2刀具座尺寸測量結果474.2.3刀具座實體模型的建立484.3刀具座有限元模型的建立504.3.1刀具座實體模型的導入504.3.2有限元模型單元屬性的定義514.3.3

12、刀具座有限元模型網格劃分策略51結 論54參考文獻56第1章 緒論切削技術是機械制造行業(yè)傳統(tǒng)的基礎工藝之一，切削速度的提高為機械制造業(yè)帶來了巨大的技術經濟效益。自二十世紀八十年代以來，制造技術的全面進步，已把切削技術推向高速切肖(High Speed Cutting)的新階段 。高速/超高速切削已成為切削加工的重要發(fā)展趨勢之一，和常規(guī)切削加工相比，它不僅可以提高加工效率和加工精度，降低加工成本 ，而且可以滿足淬火鋼等難切削材料的加工要求 。高速切削技術所具有的一系列特色和在生產效益方面的巨大潛力，使其成為美、德、日等國競相研究的重要技術領域 。而目前我國的切削加工技術還停留在較低的水平上，機床

13、所用的切削速度比先進工業(yè)國家約低一個數量級，生產效率低，加工精度不高，經濟效益不好 。隨著近年來各種科學技術的飛速發(fā)展，人們熱衷于實現機械設計和生產加工的自動化。但是切削技術本身的落后和加工精度的水平，制約了我國機械制造行業(yè)整體水平的提高 。高速切削的“高速”是一個相對概念，在不同歷史時期，對于不同的工件材料、刀具材料和加工方法，高速切削加工應用的切削速度并不相同，從切削技術角度來看，以高切削速度、高進給量和高加工精度為特征的加工技術都可以稱為高速切削，一般認為切削速度超過普通切削的5-10倍的切削稱作高速切削，從切削機理來看，高速切削是指溫度不再顯著地隨切削速度增大而上升的切削 。在高速旋轉

14、狀態(tài)下，對刀具的材料、結構、裝夾，機床的主軸、進給驅動單元、CNC系統(tǒng)和刀具聯(lián)接系統(tǒng)都提出了特殊的要求 。因為在這個轉速范圍以上，離心力已成為主要載荷。在強大的離心力作用下，機床主軸和刀柄都要發(fā)生膨脹變形。而它們的變形程度不同，刀柄就會產生相對于主軸的軸向及徑向位移。由于這些原因，在實際生產中往往會出現定位精度和連接剛度下降，振動加劇，甚至發(fā)生連接部位的咬合等現象。另一方面，刀具整體不平衡性的影響隨著轉速的增加而加劇(與轉速的平方成正比) 。隨著轉速的增加，常用刀具聯(lián)接系統(tǒng)的可靠性下降，這樣，由于強大的離心力作用，將致使定位精度降低，刀體彎曲變形，甚至造成刀體破碎，刀具座斷裂。一旦發(fā)生，就可能

15、造成人身傷害，同時會對機床設備、車間廠房、加工的工件造成嚴重的損壞，影響企業(yè)的生產加工，造成巨大的直接和間接的經濟損失。1.1高速切削技術概述1.1.1高速切削的研究概況高速切削的概念起源于德國科學家Salomon1931年4月所提出的至今仍令人感興趣的兩個假設：在高速區(qū)，當切削速度超過切削溫度最高的“死谷”區(qū)域，繼續(xù)提高切削速度將會使切削溫度明顯下降，同時單位切削力也會隨之降低。這一理論為人們展示出在低溫、低能耗條件下高效率切削金屬的美好前景，從而在各國引起了廣泛的興趣。50年代后期，高速切削加工的理論基礎研究在世界范圍內開始展開。這一階段的研究結果表明高速切削時切屑的形成機理與普通切削條件

16、不同，切削塑性材料時，隨著切削速度提高，逐漸形成不連續(xù)切屑。切屑是由于脆性斷裂形成；隨著切削速度提高，剪切角增加，刀與屑接觸長度減少，切削力降低：高速切削提高了工件表面質量；大大提高金屬去除率70年代是高速切削加工應用基礎研究探索階段。實驗研究表明，切削加工時產生的熱量大部分被切屑帶走；高速銑削可大幅度降低加工時間；刀具磨損主要取決于刀具材料的導熱性；證實高速切削在生產中使用的可行性；人們開始改裝機床，嘗試提高機床的主軸轉速。直至到1977年，美國研制成功了第一臺高頻電主軸機床（主軸最高轉速達到18000r/min），人們才開始了真正的高速切削試驗。高速銑削試驗結果表明，在超高速切削條件下，絕

17、大部分的切削熱被切屑迅速帶走，其切屑溫度比常規(guī)切削速度下的切屑溫度高得多，而工件卻基本保持冷卻狀態(tài)。隨著切削速度的提高，切削力還會相對下降，工件的表面質量因而得到提高。與傳統(tǒng)銑削相比較，其加工效率提高了36倍，主切削力減少了30%以上，切削溫度明顯下降，刀具耐用度提高，工件溫升很小，加工表面質量明顯提高。其后，高速加工技術逐漸的應用于難加工材（如鋁鈦合金、纖維增強塑料、模具鋼等）的加工中，大大地提高了這些材料的加工效率和加工質量，在生產中取得了極佳的效果。如今美國波音、休斯公司己大規(guī)模采用數控超高速精密銑削技術加工飛機、汽車及模具制造用鋁合金、鈦合金。二十世紀80年代以后，受到前人研究成果的鼓

18、舞，加上高速切削技術的重要性，各個工業(yè)發(fā)達國家紛紛投入大量的力量進行高速加工關鍵技術的研究。德國在高速加工工具系統(tǒng)方面開展了卓有成效的工作，開發(fā)了高速加工所必需的HSK(空心短錐)工具聯(lián)接系統(tǒng) 。日本在高速加工機床的研究與開發(fā)方面居世界領先地位，已開發(fā)了主軸轉速達r/min的數控銑床，預計不久將會出現主軸轉速達到r/min以上的高速切削機床 。由于切削技術的重要性，超高速切削已被日本先端技術研究會列為五大現代制造技術之一。法國、瑞士、英國、俄羅斯、意大利等國家在高速加工方面也做了許多研究 。特別是進入90年代，由于構成高速切削設備的關鍵部件質量、性能的不斷提高，新型結構的不斷出現，如：直線滾動

19、導軌、直線電機、新型刀柄、內冷卻主軸、高速CNC數控系統(tǒng)、新型床身結構等，使得高速切削設備質量不斷提高，逐漸商品化的部件使整機的價格不斷降低，超高速切削技術己日漸成熟，逐步走向了工業(yè)實用化 。如今，超高速切削技術己成為生產工程學科領域面向21世紀的最重要的研究方向之一。我國是從80年代初開始研究高速切削的基本方法和理論。山東大學、北京理工大學、沈陽工業(yè)學院、重慶大學、天津大學、大連理工大學、上海交通大學、廣東工業(yè)大學、東北大學等對高速切削的刀具磨損及壽命、切削力、切削溫度、高速主軸系統(tǒng)、快速進給系統(tǒng)、高速磨削技術等進行了研究。同時，國產的高速機床在1999年開始登臺亮相。在我國“國家十五重點領

20、域技術預測研究”和“先進制造領域關鍵技術的分析論證”中，超高速切削技術也被列為重大綜合型項目和經濟與社會發(fā)展急需高技術項目 。我國得高速切削技術有了很大得進步，但與國外相比，我國高速切削加工技術的研究和應用仍處于初步階段，在機理研究、高速機床制造、刀具技術等各方面與國外還有很大差距，急需我們作進一步的研究。目前，高速切削技術已成為提高生產率，增加產量的一種關鍵技術。數控機床、加工中心的使用，使得加工過程中工序間輔助加工時間大為縮短，而提高主軸的轉速，則可以縮短工件的在制時間 。生產實踐表明，與傳統(tǒng)的常規(guī)切削相比，高速切削具有以下優(yōu)點 ：一、材料切除率高高速加工比常規(guī)加工單位時間材料切除率可提高

21、36倍，因而零件加工時間通?？煽s減到原來的1/3，從而提高了生產率和設備利用率。二、切削力低和常規(guī)切削加工相比，高速切削力至少降低30%，尤其是徑向切削力的大幅度減少，這對于加工剛性較差的零件（如細長軸，薄壁件等）來說，可減少加工變形，提高零件加工精度。同時，按高速切削單位功率比，材料切除率可提高40%以上，有利于延長刀具使用壽命，通常刀具耐用度可提高約70%。三、減少熱變形高速切削加工過程，95%以上的切削過程所生產的熱量將被切屑帶離工件，工件積聚熱量減少，零件不會由于溫升導致翹曲或膨脹變形。因此，高速加工特別適合于加工容易發(fā)生變形的零件。四、加工效率高高速切削加工允許使用較高進給率，比常規(guī)

22、切削加工提高510倍，可大大提高加工效率，縮短生產周期。五、實現高精度加工應用高主軸轉速、高進給速度的高速切削加工，其激振頻率特別高，已遠遠超出“機床一刀具一工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍，使加工過程平穩(wěn)、振動較小，可實現高精度、低粗糙度加工。高速切削加工獲得的工件表面質量幾乎可與磨削加工相比，殘留在工件表面上的應力也很小，故高速切削加工可直接作為最后一道精加工工序。六、增加機床結構穩(wěn)定性高速切削加工由于溫升及單位切削力較小，增加了機床結構的穩(wěn)定性，有利于提高加工精度和表面質量。七、能耗低，節(jié)省制造資源超高速切削時，單位功率所切削的切削層材料體積明顯增大。由于切除率高、能耗低，工件在制的時間短，

23、提高了能源和材料的利用率，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例。八、良好的技術經濟效益采用高速切削加工將能取得較好的技術經濟效益，如縮短加工時間，提高生產率；加工剛性差的零件；提高了刀具耐用度和機床利用率；零件加工精度高，表面質量好，工件熱變形?。坏毒叱杀镜?，節(jié)省了換刀輔助時間及刀具刃磨費用等等。鑒于以上的這些特性，高速切削加工應用推廣得非常迅速，尤其在航空、航天工業(yè)中已經應用多年 。1.1.2高速切削的關鍵技術高速加工技術是在機床結構及材料、機床設計制造技術、高速主軸系統(tǒng)、快速進給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設計制造技術、高效高精度測量測試技術、高速切

24、削機理、高速切削工藝等相關的硬件與軟件技術的基礎之上綜合而成的。因此，高速加工是一個復雜的系統(tǒng)工程，由機床、刀具、工件、加工工藝、切削過程監(jiān)控及切削機理等方面形成了高速加工的研究體系。一、高速切削機床技術高速機床是實現高速加工的前提和基本條件。高速機床技術主要包括高速單元技術（或稱功能部件）和機床整機技術。單元技術包括高速主軸、高速進給系統(tǒng)、高速CNC控制系統(tǒng)等；機床整機技術包括機床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設置、加工環(huán)境等。分別簡介如下：1.高速主軸單元高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分，是高速加工機床的核心部件，在很大程度上決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應用范圍。 高

25、速主軸一般做成電主軸的結構形式，其關鍵技術包括高速主軸軸承、無外殼主軸電動機及其控制模塊、潤滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口和刀具夾緊方式以及刀具（或工件）動平衡等等。電主軸把機床的主傳動鏈的長度縮短為零，故可稱之為“零傳動”，它結構緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好，并可避免振動與噪聲，是高速主軸單元的理想結構 。高速主軸單元中的另一個關鍵部件是主軸軸承，它在高速轉動時應具有較高的剛度、承載能力及使用壽命。高速主軸軸承一般采用空氣軸承、磁浮軸承及陶瓷軸承。特別是陶瓷軸承，由于它的滾子具有質量小、剛度高、彈性模量大優(yōu)點，因此性能十分優(yōu)越。2.高速進給系統(tǒng)進給系統(tǒng)的高速性也是評價高速機床性能的重要指標之一

26、，不僅對提高生產率有重要意義，而且也是維持高速加工刀具正常工作的必要條件。對高速進給系統(tǒng)的要求不僅僅能夠達到高速運動，而且要求瞬時達到高速、瞬時準停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度 。高速進給系統(tǒng)包括進給伺服驅動技術、滾動元件導向技術、高速測量與反饋控制技術和其他周邊技術，如冷卻和潤滑、防塵、防切屑、降噪及安全技術等。目前常用的高速進給系統(tǒng)有三種主要的驅動方式：高速滾珠絲杠、直線電動機和虛擬軸機構。和高速進給系統(tǒng)相關聯(lián)的還有工作臺（拖板）、導軌的設計制造技術等。為達到大的進給加減速加速度，目前使用的最好的執(zhí)行元件是高速直線電機。高速直線電機由安裝在機床基面上的永久磁鐵（定子）和安

27、裝在溜板上的疊鋼片鐵芯和線圈（轉子）組成，利用轉子脈沖電流產生的磁場和定子永久磁場相互作用產生電磁推力，帶動負載運動。高速直線電機無轉動體，沒有離心力的作用，容易實現高速直線運動。而且高速直線電機不帶滾珠絲杠和齒輪、齒條，消除了反向間隙和剛度不足造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定和加工精度的變化。高速直線電動機是取消了從電動機到工作臺之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，實現了進給系統(tǒng)的“零傳動”。它消除了機械傳動系統(tǒng)的間隙，也沒有反向間隙，并且減少了傳動摩擦力及機械磨損。3.CNC控制系統(tǒng)包括平滑加減特性的智能控制、誤差補償及前饋控制。除了高速主軸的高性能主軸單元和快速進給的伺服系統(tǒng)外，高速數控機床的CNC控制器也是提高加

28、工效率、充分發(fā)揮高速數控機床高速、高精度能力的必備條件。高速數控機床高性能控制器應具備以下功能 ：（1）在極快的主軸速度和進給速度下精確和快速的運算功能，以快速計算系統(tǒng)參數產生的預期誤差，根據實際需要進行修正，并具有控制加減速和優(yōu)化執(zhí)行程序的功能。（2）故障診斷和人工智能功能。在系統(tǒng)中存儲著引起機械故障原因的信息和排故的知識，能實現快速保護和故障排除。（3）圖形顯示功能和輸入功能。可形象、直觀、高效地顯示加工零件圖形和走刀路線，動態(tài)模擬切削過程，降低試切加工工時。（4）盡可能強的插補功能。在直線、圓弧插補的基礎上采用樣條、漸開線、極坐標、指數函數和三角函數等特殊曲線，從而加快程序執(zhí)行時間。（5

29、）CNC高速化不僅體現在高速切削上，還表現在非切削時間的縮短上，故應配備高速專用的PLC，以提高輔助功能的執(zhí)行速度。目前，大多數的高速加工機床的控制系統(tǒng)都是采用多CPU結構。這種結構具有高速插補和程序塊處理能力，并且具有較強的超前處理能力。4.床身、立柱和工作臺高速機床設計的另一個關鍵點，是如何在降低運動部件慣量的同時，保持基礎支承部件高的靜剛度、動剛度和熱剛度。通過計算機輔助工程的方法，特別是用有限元法和進行優(yōu)化設計，能獲得減輕重量、提高剛度的床身、立柱和工作臺結構。為獲得較好的動態(tài)性能，有些高速機床床身由聚合物混凝土材料制成。5切屑處理和冷卻系統(tǒng)高速切削過程會產生大量的切屑，單位時間內高的

30、切屑切除量需要高效的切屑處理和清除裝置。高壓大流量的切削液不但可以冷卻機床的加工區(qū)，而且也是一種行之有效的清理切屑的方法，但它會對環(huán)境造成嚴重的污染。切削液的使用并不是對高速切削的任何場合都適用，例如，對抗熱沖擊性能差的刀具，在有些情況下，切削液反而會降低刀具的使用壽命，這時可采用干切削，并用吹氣或吸氣的方法進行清理切屑的工作。6.安全裝置機床運動部件的高速運動、大量高速流出的切屑以及高壓噴灑的切削液等等，都要求高速機床要有一個足夠大的密封工作空間。刀具破損時的安全防護尤為重要，工作室的倉壁一定要能吸收噴射部分的能量。此外，防護裝置必須有靈活的控制系統(tǒng)，以保證操作人員在不直接接觸切削區(qū)的情況下

31、的操作安全。二、高速切削刀具技術高速切削刀具技術是實現高速加工的關鍵技術之一。生產實踐證明，阻礙切削速度提高的關鍵因素是切削刀具是否能承受越來越高的切削溫度。高速切削刀具和普通加工的刀具有很大不同。目前，在高速切削中使用的刀具有鈦基硬質合金、聚晶金剛石（PCD）壓層硬質合金、聚晶立方氮化硼(CBN）、陶瓷等材料 。隨著切削速度的大幅度提高，對切削刀具材料、刀具幾何參數、刀體結構以及切削工藝參數等都提出了不同于傳統(tǒng)速度切削時的要求。三、高速切削工藝技術高速切削的工藝技術也是成功進行高速加工的關鍵技術之一。高速切削的工藝技術包括切削方法和切削參數的選擇優(yōu)化，對各種不同材料的切削方法、刀具材料和刀具

32、幾何參數的選擇等 。1.對切削方法和切削參數進行優(yōu)化選擇，其中包括優(yōu)化切削刀具控制，如：刀具接近工件的方向、接近的角度、移動的方向和切削過程(順銑還是逆銑)等。2.切削鋁、銅等輕合金，與切削鋼和鑄鐵以及切削難加工合金鋼不同，由于切削機理不同，除了刀具材料和刀具幾何參數的選擇外，在切削過程中還要采取不同的切削策略才能得到較好的切削效果。根據不同加工材料來研究高速切削工藝方法，也是高速切削工藝技術研究的重要內容之一。3.在研究高速切削工藝技術中，切削方法和技術必須緊密結合刀具材料和刀具幾何參數的選擇綜合進行。四、高速切削測試技術高速切削是在密封的機床工作區(qū)間進行的，在零件加工過程中，操作人員很難直

33、接進行觀察、操作和控制，因此機床本身有必要對加工情況、刀具的磨損狀態(tài)等進行監(jiān)控，實時地對加工過程在線監(jiān)測，這樣才能保證產品質量，提高加工效率，延長刀具使用壽命，確保人員和設備的安全。高速加工的測試技術包括傳感技術、信號分析和處理等技術。近年來，在線測試技術在高速機床中使用得越來越多?，F在已經在機床使用的有：主軸發(fā)熱情況測試、滾珠絲杠發(fā)熱測試、刀具磨損狀態(tài)測試、工件加工狀態(tài)監(jiān)測等。測量傳感器有熱傳感器、測試刀具的聲發(fā)射傳感器、工件加工可視監(jiān)視器等 。智能技術已經應用于測試信號的分析和處理。例如，神經網絡技術被應用于刀具磨損狀態(tài)的識別。1.2高速切削中的刀具聯(lián)接系統(tǒng)概述加工系統(tǒng)是由三大部分構成的，

34、即機床、刀具聯(lián)接系統(tǒng)和刀具切削部分。由于承受著切削力所帶來的最大彎矩，刀具聯(lián)接系統(tǒng)的剛度和減震性很大程度上決定著加工系統(tǒng)的有效剛度。在CNC機床使用以前，可以通過把刀柄直接固定在主軸或刀架上而獲得很高的剛度。然而，在CNC加工自動換刀系統(tǒng)中，對刀具主軸聯(lián)接提出了特殊要求。除了應保證剛度和力/力矩傳遞能力，還要容易裝央拆卸，以保證快速可靠的換刀過程。作為機床主軸與切削刀片之間的聯(lián)接，刀具聯(lián)接系統(tǒng)的作用有兩方面：一是定位，二是夾緊。它在工作時，幾個聯(lián)接表面之間不可避免地存在一定的間隙，這就會影響加工精度，并導致微小振動，使得加工表面質量差，刀具壽命縮短，尤其是在高速旋轉時更為明顯。所以，刀具聯(lián)接系

35、統(tǒng)的性能提高對于整個加工系統(tǒng)來說，具有重要意義。近年來美、歐、日等加快了對新一代超高速加工中心、數控機床、工具系統(tǒng)的研究和產業(yè)化開發(fā)進程。在刀具聯(lián)接系統(tǒng)技術方面取得了很大的進展，目前對刀具主軸聯(lián)結研究較成功的設計主要有兩大類：一是摒棄原有的7/24標準錐度而采用新思路的替代型設計，如德國的HSK系列和美國的KM系列刀具錐柄等。另一種是為降低成本，仍采用現有的7/24錐度的改進型設計，這種設計可實現現有主軸結構向高速化的過渡，如美國的WSU系列刀柄 。這些刀具聯(lián)接系統(tǒng)都對傳統(tǒng)聯(lián)接系統(tǒng)做了各種改進，當然，它們仍然存在各種不同的缺點或不足 。下面就幾種常見聯(lián)接結構的特點作一些介紹。1.2.1標準7/

36、24錐度聯(lián)接生產中最常見的標準(ANSIB5.50，IS07388，DIN69871/69872等）7/24錐度的聯(lián)結是一種可靠、堅固且相對來說較經濟的聯(lián)結系統(tǒng)，目前市場上大量應用的仍是7/24錐度的工具系統(tǒng) 。該聯(lián)接結構簡單，成本較低，不自鎖。然而7/24錐度聯(lián)結存在著嚴重的缺陷，原因主要在于其只在錐面接觸，刀柄缺乏與主軸端面的接觸，這樣錐面必須同時起著兩方面的作用：使刀柄相對于主軸精確定位，還要對刀柄夾緊，以提供足夠的聯(lián)接剛度。在高速情況下，主軸錐孔會由于離心力的作用產生膨脹變形。對于30#錐柄，主軸轉速為30000rpm時，膨脹量達45m。這使得刀柄將在軸向拉力的作用下產生軸向位移，使軸

37、向定位精度降低。在ISO標準中，7/24錐度的配合公差規(guī)定主軸內錐孔的角度偏差為“一”，刀柄錐體的角度偏差為“”，以使配合的前端接觸，這樣在配合的后端就會產生間隙，導致徑向定位精度不足，接觸面積變小，減弱了剛度，增加徑向跳動和破壞結構的動平衡。由于刀柄法蘭端面和主軸端面不接觸，再加上這個間隙的存在，當刀具所受彎矩超過拉桿軸向拉力所產生的摩擦力矩時，就會形成以前端接觸為支點的擺動，從而，加速了前端的磨損，形成“喇叭口”。另外，7/24錐度聯(lián)結的剛度對錐角的變化和軸向拉力的變化很敏感。當拉力增大48倍時，聯(lián)接的剛度可提高2050%。但是，過大的拉力在頻繁的換刀過程中會加速主軸8內孔的磨損，使主軸內

38、孔膨脹，影響軸承壽命。隨著高速切削技術的發(fā)展，高精度、大功率、高轉速的機床的出現對聯(lián)接的精度和性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)7/24錐度聯(lián)結系統(tǒng)已逐漸不能滿足高速切削的要求。1.2.2替代型設計高速切削技術的應用，迫切需要開發(fā)和使用一種新的刀柄/主軸聯(lián)結系統(tǒng)，來代替現有的大量的刀柄/主軸聯(lián)接系統(tǒng)，并保證其技術性和經濟性都優(yōu)于傳統(tǒng)的7/24大錐度聯(lián)結。在過去1015年里開發(fā)的最突出的新的聯(lián)結系統(tǒng)有平面齒輪聯(lián)結，KM系列，HSK系列等。一、“曲線耦合”結構這種結構由兩部分組成，每部分上面加工有數目相同的螺旋齒，并分別與主軸前端和刀柄固定。刀具與主軸聯(lián)結精度較高，聯(lián)結剛度、減震性能也較好，裝卸刀具所需的

39、軸向移動量很?。?-10mm）。另一個讓人感興趣的特點是它的可維護性，如果一些齒被擦傷或者由于其他方式局部損壞，受損的點可以很容易地用筆式研磨機去除。由于總的接觸面積很大，這種小的修理不會影響聯(lián)結性能。但對聯(lián)結用的螺旋齒形精度要求較高，結構的兩部分與主軸和刀柄的固定也有較高的要求，另外主軸端部和刀柄需要重新設計，換刀時要使兩部分齒形精確嚙合需較長的調整時間，這影響了換刀速度 。二、瑞典Sandvic Coromant公司的三棱錐結構這種刀柄不是圓錐形，而是三棱錐，其棱為圓弧形，錐度為1/20 。它實現了錐面與端面同時接觸定位。三棱錐結構可實現轉矩傳遞，不再需要傳動鍵，消除了因傳動鍵和鍵槽引起的

40、動平衡問題但是，三棱錐特別是主軸三棱錐孔加工困難，加工成本高，與現有刀柄不兼容，配合會自鎖。三、KM系列美國KENNA METEL公司于1987年開發(fā)了KM工具系統(tǒng)，最早用于車床，1993年用于旋轉刀具。這種工具系統(tǒng)采用1/10短錐配合，錐體尾端有鍵槽。錐柄的長度僅為標準7/24錐柄長度的1/3，由于配合錐度較短，部分解決了端面與錐面同時定位而產生的干涉問題，刀柄設計成中空結構，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐可徑向收縮，實現端面與錐面同時接觸定位。與其他類型的空心錐柄聯(lián)結相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小，主軸錐孔在高速旋轉時的擴張小，高速性能好。這種系統(tǒng)的主要缺點是，主軸錐孔需要重新設計，與

41、傳統(tǒng)的7/24錐度聯(lián)結不兼容，同時短錐的自鎖會使換刀困難。由于相對較厚的內錐壁，和很大的總過盈量（KM40為1536m，KM50為2050m，KM60為2550m)，主軸的膨脹可能比薄壁HSK錐的數控機床刀具庠的力學分析與結構改進膨脹還要大的多。從而，主軸軸承必須安裝在錐孔部分以外。聯(lián)結中很高的接觸力使得它對污染相對比較敏感，因為外部的顆粒很有可能被擠壓在錐面和端面接觸處。夾緊需由刀柄的法蘭實現，這樣就增加了刀具的懸伸量，對聯(lián)結剛度有一定的削弱。四、HSK刀柄這種結構是由德國Aachen大學的機床研究室專為高速機床主軸開發(fā)的一種刀柄一主軸聯(lián)結機構，從1986年開始Aachen大學聯(lián)合一些工具和

42、機床制造廠商進行HSK空心短錐柄工具系統(tǒng)的研究，并于1991年取得初步成果，在進一步的研究中，于1993年制定了德國標準DIN69893（現已成為ISO標準）。目前，德國開發(fā)出的HSK(短錐空心柄）連接方式和對刀具進行等級平衡及主軸自動平衡的系統(tǒng)技術，可用于2000046000r/min的超高速主軸 。HSK短錐刀柄采用1:10的錐度，其設計近似與KM系列，錐體比標準的7/24錐柄短，錐柄部分采用薄壁結構，錐度配合的過盈量較小，對刀柄和主軸端部關鍵尺寸的公差帶要求特別嚴格，由于短錐面嚴格的公差和具有彈性的薄壁，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐有一定的收縮，所以刀柄的短錐面和端面很容易與主軸相應結合

43、面緊密接觸，具有很高的聯(lián)接精度和剛度。當主軸高速旋轉時，盡管主軸端會產生擴張，短錐的收縮得到部分伸張，仍能與主軸錐孔保持良好的接觸，主軸轉速對聯(lián)結剛度的影響小。拉桿通過楔形結構對刀柄施加軸向力 。1.2.3改進型設計由Wayne State大學的E.Rivin等人設計的WUS-1，WUS-2聯(lián)接系統(tǒng)，是以開發(fā)出比普通7/24錐度聯(lián)結具有較好精度、剛度和高速性能，同時又能與現存的主軸和刀柄兼容為出發(fā)點設計出來的。傳統(tǒng)7/24錐度聯(lián)接存在很多缺陷，主要是由于以下兩個原因：1)由于配合公差的原因，錐度聯(lián)接后部存在間隙，使得剛度下降，跳動增大；2)刀柄法蘭與主軸端面之間存在間隙，使得刀柄軸向位置不確定

44、。這樣，對7/24錐度聯(lián)接的改進可以從兩方面入手：開發(fā)一種實現與主軸錐面，端面同時定位的刀柄，以消除上面所列舉的缺點；消除后部的間隙，來提高剛度，減小跳動。一、錐面和端面同時定位的WUS-1這種設計結構利用了“虛擬圓錐”的概念，以離散的彈性點或線元件形成一個錐面，與主軸錐孔面接觸 。實現這些點接觸的元件都是彈性的；因此，當拉桿軸向力使刀柄與主軸端面定位接觸時，只會使刀柄的這些彈性元件變形，而不是整個刀柄變形。這種方法不需要太大的拉力就可使接觸端面獲得希望的接觸壓力，也不會使主軸膨脹，對接觸面的污染不敏感。WUS-1刀柄需要的加工精度和標準7/24刀柄相同，但它比具有相同法蘭尺寸的標準刀柄的直徑

45、小。錐柄的外表面套有由金屬或塑料保持架固定的相同直徑的滾珠，由滾珠形成的虛擬錐的直徑約比主軸內錐孔直徑大5-10m。在拉桿拉力作用下，滾珠發(fā)生彈性變形，刀柄在主軸錐孔內移動，直到刀柄法蘭與主軸端面接觸為止。聯(lián)結的變形包括滾珠與刀具錐柄、滾珠與主軸錐孔的赫茲變形以及滾珠本身的變形。這種設計基本上解決了先進制造系統(tǒng)中與大錐度相關的問題。主軸的設計不需改動；新的刀柄的加工也不比傳統(tǒng)的標準刀柄更復雜；價格的差別也很??；刀具聯(lián)接系統(tǒng)安裝在錐孔內部，這就提高了刀具的有效剛度。為減輕刀具重量和縮短換刀時間，錐柄的長度可以縮短。這種聯(lián)結實現了端面與錐面的同時接觸定位，剛度和高速性能好。但是彈性元件的加工精度要

46、求很高，否則形成的虛擬錐體與主軸錐孔難以形成良好的配合。并且彈性元件與錐孔還會產生永久變形，這對重復定位精度有影響。二、WUS-2結構這是一種對標準7/24錐度聯(lián)接進行改進的結構。標準7/24錐度聯(lián)接的主要缺點是配合區(qū)特別是其后段會出現間隙，使得精度、剛度下降。WUS-2就是基于消除這種間隙的考慮而對標準7/24錐度聯(lián)接進行的改進口”。刀柄結構是在7/24標準錐體的尾部加工有同軸凹槽，槽內安裝有一列或幾列同直徑的滾珠，滾珠形成的外包絡直徑稍大于刀柄與主軸錐孔配合時的間隙直徑，滾珠固定在橡膠或塑料保持架內。在裝配過程中，滾珠及其接觸區(qū)變形，就撐起了間隙。這個變形不但確保了刀柄在主軸錐孔內的精確位

47、置，而且由于防止了刀柄在接觸區(qū)域前端的旋轉，就增加了刀具末端的剛度。結果，刀柄在主軸錐孔內的微動極大地減弱。精密滾珠應具有非常高的尺寸精度，很好的彈性以及合理的價格。此方案解決了間隙問題，但是對同軸凹槽的加工精度要求很高，高速時標準7/24錐度聯(lián)結出現的問題依然存在。因此不適合高速主軸與刀具的聯(lián)接。1.3課題的研究背景和意義刀具聯(lián)接系統(tǒng)是高速加工機床的重要組成部分，它的性能對于整個加工系統(tǒng)來說，具有很重要的意義，由于它的高精密度和重要性，所以價格比較昂貴。圖1.1是某企業(yè)使用的一種價值昂貴的進口高速切削數控機床的刀具座，這個刀具座的底部所使用的聯(lián)接系統(tǒng)既是前文所介紹的HSK空心短錐柄聯(lián)接系統(tǒng)。

48、 圖1.1刀具座Fig.1.1 Toolframe然而這種型號的刀具座在使用了一年左右以后，幾乎所有的刀具座都會在爪根部拐角處出現裂紋，圖1.2所示的就是其中一個出現裂紋的刀具座（裂紋在字頭爪根部）。圖1.2刀具座裂紋Fig.1.2 Toolframes crack在長期的使用中這種裂紋的突然出現，產生了很大的危害：一、這種專用刀具座是從國外進口，價格非常昂貴，大量的毀壞給企業(yè)帶來了直接的經濟損失。二、當刀具座出現裂紋以后，企業(yè)沒有及時發(fā)現的情況下，連續(xù)的加工會直接影響加工工件的表面精度。三、企業(yè)發(fā)現刀具座的裂紋以后，直接形成了一段時間的停產停工，影響了整個企業(yè)流水線上其他產品的生產，造成大量

49、的間接經濟損失。四、出現裂紋的刀具座，在高速旋轉狀態(tài)下，隨時都有斷裂飛出的可能，對人員和設備形成潛在的威脅。第2章 基于彈塑性理論的刀具座受力分析2.1引言多個刀具座出現問題以后，由于巨大的危害，該企業(yè)迅速采取相應的措施來降低由裂紋給企業(yè)帶來的損失。為了避免以后再發(fā)生類似的生產事故，查找刀具座產生裂紋的原因尤為重要。經過仔細的排查，排除了刀具座安裝和使用不當造成裂紋的可能。在使用中，在過量的靜載荷的作用下，刀具座可能會出現斷裂：在交變載荷的作用下，長期的使用也會產生疲勞斷裂。本章將通過對刀具座建立理論分析模型，對其進行彈塑性力學理論分析，計算刀具座在使用中由于離心力而產生的應力，再通過疲勞理論

50、分析查找刀具座產生裂紋的原因。2.2彈塑性理論彈塑性力學是固體力學的一個重要分支，是研究彈性和彈塑性物體變形規(guī)律的一門學科 。求解彈塑性力學問題的數學方法，就是根據幾何方程，物理方程和運動（或平衡）方程以及力和位移的邊界條件和初始條件，解出位移、應變和應力等函數。用這種方法求解一些較簡單的問題十分有效。在這一領域中，有兩類方法 ：一、精確解法，即能滿足彈塑性力學中全部方程的解；二、近似解法，即根據問題的性質，采用合理的簡化假設，從而獲得近似結果。彈塑性力學中的基本假設有 ：一、連續(xù)性假設這一假設認為，構件整個體積內處處充滿介質，沒有任何間隙，根據這一假設，可以把構件受力后的一切物理量，如應力、

51、應變、位移等寫成坐標連續(xù)的函數，以簡化數學處理。二、均勻性假設這一假設認為，構件任一質點的力學性質與其所處部位無關，物理常數不隨位置的變化而變化。三、各向同性假設即構件的力學性質與方向無關，沿任何方向所取的微體，其力學性質相同。四、小變形假設變形后的物體內各點的位移都遠小于物體本來的尺寸，因而可忽略變形所引起的幾何變化。 2.2.1基本方程彈塑性力學基本方程的建立需要從幾何學、運動學和物理學三個方面來進行分析。在運動學方面，主要是建立物體的平衡條件，反映這一規(guī)律的數學方程有兩類，即運動（或平衡）微分方程和載荷的邊界條件。它們都與材料的力學性質無關，屬于普適方程。在物理學方面，則要建立應力與應變

52、或應力與應變增量之間的關系，這種關系稱為本構方程，它描述材料在不同環(huán)境下的力學性質。由于物體是連續(xù)的，因而在變形時各相鄰小單元都是相互聯(lián)系的，通過研究位移和應變之間的關系，可以得到變形的協(xié)調條件。反映變形連續(xù)規(guī)律的數學表達式有兩類，即幾何條件和位移邊界條件。對于動力學問題，還要給出初始條件。當物體以等角速度繞中心軸旋轉，若材料的密度為，則徑向離心力為r=2 （2.1）當CNC機床主軸等角速度轉動時，其應力分量為r、，z；，問題屬于平面問題，則平衡方程為 (2.2)彈性節(jié)構方程為 (2.3)幾何方程為 (2.4) (2.5)通過應力函數解法求解，由幾何方程可求得協(xié)調方程為 (2.6)將式(2.3

53、)代入(2.6)，則得到以應力分量表示的協(xié)調方程為 (2.7)或者寫成將上式積分，可得即 (2.8)將上式代入協(xié)調方程(2.4)可得或者寫成 (2.9)積分可得 (2.10)代入(2.8)，可得 (2.11)軸向應力由彈性本構方程以及得 或端面上合力為零的條件確定，即 (2.12)旋轉圓軸的徑向位移則由幾何方程與彈性本構方程求得，即 (2.13)2.2.2彈塑性分析的準則對于一般金屬材料，在所受載荷引起的應力低于屈服極限情況下是呈現彈性性質，當外載荷去除后，由載荷引起的應力，應變也隨之消失，而當外載荷引起的應力超過材料的屈服極限時，卸載后應變并不完全消失，而是留下一定的殘余應變，這就是金屬材料

54、的彈塑性行為，屬于材料的非線性問題。一、屈服準則屈服準則又稱塑性準則，它是判斷材料處于彈性階段還是處于塑性階段的準則 。在簡單拉伸實驗中，問題是很容易解決的。即當應力小于屈服極限s時，材料不發(fā)生塑性變形，當應力達到屈服極限后，所發(fā)生的變形就含有塑性變形。然而在復雜應力狀態(tài)時問題中，一點的應力狀態(tài)是由六個應力分量所決定的，因而不能選取某一個應力分量的數值作為判斷材料是否進入塑性狀態(tài)的標準。而是應該考慮所有這些應力分量對材料進入塑性狀態(tài)是的影響。由于材料的屈服極限吼口，是唯一的，所以就應該用應力或應力的組合作為判斷材料是否進入了塑性變形狀態(tài)的準則。知道了應力狀態(tài)和屈服準則，程序就能確定是否有塑性應

55、變產生。對于各向同性材料，屈服條件一般可以表示為 (J2,J3)=C (2.14)式中(J2,J3)為屈服函數，(J2,J3)分別為應力偏量的第二、第三不變量，C為常數。在塑性理論中，兩種常用的屈服條件是米澤斯（Von Mises）屈服條件和特雷斯卡（Tresca）屈服條件。1.Von Mises屈服條件Von Mises屈服條件認為，對于各向同性材料，當以等于某一定值時，材料就進入屈服狀態(tài)，其表達式可以表示為(-) +(-) +（-）+6（+）=2k (2.15)式中，k是應力作用標志參數，它與材料性能有關，、，分別是各方向上的應力，、 分別是各平面上的剪切應力。它在平面上的屈服軌跡是個圓。2.Tresca屈服條件Tresca屈服條件認為金屬的塑性變形是由剪切應力引起金屬中晶體滑移而形成的，在物體中，當最大剪切應