离心力驱动液压膨胀式高速刀柄设计_王军

Ｈ ＝ ｐ／（ｒω２ρ）
（１）
式中，ｐ 为油压，Ｐａ；ｒ 为以刀柄轴线为 中 心 的 活 塞 质 心 半
径，ｍ；ω 为 主 轴 角 速 度，ｒａｄ／ｓ；ρ 为 活 塞 材 料 密 度， ｋｇ／ｍ３。
代入相关数据，求得活塞高度 Ｈ ＝８．８ｍｍ；
在 满 足 油 压 条 件 下 ，活 塞 直 径 尽 量 取 较 小 值 ，定 为
摘 要 ：针 对 高 速 刀 柄 与 主 轴 锥 孔 离 心 膨 胀 不 匹 配 的 问 题 ，设 计 了 一 种 新 型 高 速 刀 柄 。 刀 柄 采 用 实 心
短 锥 、双 面 定 位 结 构 。 刀 柄 上 安 装 有 离 心 力 驱 动 液 压 弹 性 膨 胀 系 统 ，用 以 补 偿 刀 柄 与 主 轴 锥 孔 的 离 心 膨
性 有 限 元 技 术 分 析 了 刀 柄－主 轴 连 接 的 受 力 变 形 和接触应力特征；高相胜 等 对 ［８］ 刀 柄－主 轴 接 触 面 的刚度建模方法 进 行 了 研 究；Ｘｉａｏ等 对 ［９］ 高 速 工 具系统的切削稳定性进行了试验研究。
针对高速刀柄－主轴的离心膨胀问题，本 文 设 · ２９４１ ·
７ｍｍ。
缸 体 材 料 选 用 ４５ 调 质 无 缝 钢 管 ，其 内 直 径 为
０ 引 言
高速刀柄是高速主轴与刀具连接的关键件。 普通７∶２４锥度 ＢＴ 刀柄的离心膨胀量小于主轴 锥孔的膨胀量，且 锥 柄 和 锥 孔 在 大 小 端 的 离 心 膨 胀差不等，导致刀 柄 与 主 轴 的 定 位 精 度 和 连 接 刚 度 大 幅 下 降 ，不 适 于 高 速 加 工 。
为解决 高 速 离 心 膨 胀 问 题，２０ 世 纪 ８０ 年 代 末 ，德 国 、美 国 、日 本 等 国 家 相 继 开 发 了 双 面 （锥 面 和 端 面 ）定 位 高 速 刀 柄 。 一 类 是 中 空 短 锥 结 构 ，如 德国的 ＨＳＫ、美 国 的 ＫＭ 和 瑞 典 的 Ｃａｐｔｏ 等 刀 柄；另 一 类 是 传 统 ＢＴ 刀 柄 的 改 进 型，如 日 本 的 Ｂｉｇ－Ｐｌｕｓ、３Ｌｏｃｋ、ＮＣ５、ＷＳＵ 等 刀 柄。ＨＳＫ 是 最 具 代 表 性 的 高 速 刀 柄 ，为 双 面 定 位 、中 空 薄 壁 、１∶ １０小锥度短锥结构，并利用中 空 柄 部 使 用 外 胀 式 夹紧机构，在一定 程 度 上 缓 解 了 高 速 刀 柄 与 主 轴 锥孔离心膨胀的 不 匹 配 问 题，但 仍 存 在 极 限 转 速
１．Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ，Ｈｅｂｅｉ，０６６００４ ２．Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，０５００３１ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｍｉｓｍａｔｃｈ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｔｏｏｌ ｈｏｌｄｅｒ ａｎｄ ｔａｐｅｒ ｈｏｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ，ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｔｏｏｌ ｈｏｌｄｅｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔ ｈａｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｓｏｌｉｄ ｔａｐｅｒ ?ｓｈａｎｋ ａｎｄ ｄｏｕｂｌｅ－ｓｉｄｅｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ａ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｌａｓｔｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｆｏｒｃｅ ｗａｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｈｏｌｄｅｒ ｓｏ ａｓ ｔｏ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｏｏｌ ｈｏｌｄｅｒ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｈｅｒｅｉｎ．Ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｒｏｔａｔｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅ ｒｅ－ ｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｒｏｔａｔｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｏｏｌ ｈｏｌｄｅｒ ｉｓ ３８％ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ＨＳＫ ｔｏｏｌ ｈｏｌｄｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｄｉａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｉｓ ａｌｓｏ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｓｏｍｅ ｅｘｔｅｎｔｓ，ｓｏ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｏｏｌ ｈｏｌｄｅｒ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｔｏ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｔｏｏｌ ｈｏｌｄｅｒ；ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｆｏｒｃｅ；ｌｉｍｉｔ ｒｏｔａｔｅ ｓｐｅｅｄ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）
收 稿 日 期 ：２０１５－０１－２８ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 重 点 项 目 （５１３３５００７）；河 北 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （Ｅ２０１４２０３０９７）
（刀柄与主轴锥孔 即 将 分 离 而 不 能 保 证 径 向 定 位 时 的 转 速 ）低 、强 度 刚 度 低 、锥 柄 易 磨 损 、动 态 性 能 差等问题［１］。Ａｇａｐｌｏｕ［２］利 用 线 弹 性 理 论 建 立 了 主 轴 －刀 柄 连 接 的 力 学 模 型 ，揭 示 了 连 接 刚 度 随 转 速的变化规 律；Ａｈｍａｄｉ等 利 ［３］ 用 仿 真 与 试 验 揭 示 了 主 轴－刀 柄 连 接 的 接 触 应 力 分 布 和 阻 尼 比 变 化规律；Ｎａｍａｚｉ等 采 ［４］ 用 有 限 元 和 试 验 方 法，研 究 了 不 同 拉 刀 力 对 主 轴－刀 柄 系 统 动 态 性 能 的 影 响规律。
国内研究主要集中在对国外高速刀柄进行参 数优化以及对性能进行研究方面。王贵成等 建 ［５］ 立了 ＨＳＫ 刀 柄 的 力 学 模 型，并 研 究 了 其 静 动 态 特性；冯平 法 等 建 ［６］ 立 了 ＨＳＫ 刀 柄 临 界 转 速 的 计算模型，分析了 刀 柄 的 锥 面 接 触 状 况 与 夹 紧 力 和转速的关 系；张 松 等 运 ［７］ 用 弹 塑 性 力 学 和 非 线
１．１ 刀 柄 的 工 作 原 理 本文设 计 的 ＨＥ 刀 柄 结 构 如 图 １ 所 示，主 要
包括刀柄体、膨胀 套、离 心 动 力 缸 （以 活 塞 自 身 离 心 力 为 驱 动 力 的 液 压 缸 ）、油 塞 等 部 分 。
标准 ＨＳＫ－Ａ６３ 高 速 刀 柄 的 外 形 尺 寸，主 轴 锥 孔 尺寸相 应 为 德 国 ＤＩＮ６９０６３ 标 准 的 ＨＳＫ－Ａ６３ 锥 孔。ＨＥ 刀柄选用 Ｍ１６的 ＢＴ 标准拉钉拉紧。
离心动力缸结构如图２所示。参照标准单作 用活塞缸的设计准则设计。
１．油 塞 ２．膨 胀 套 ３．刀 柄 体 ４．离 心 动 力 缸 图１ ＨＥ 刀柄结构图
当机床主轴带 动 刀 柄 旋 转 时，活 塞 以 自 身 离 心力作为动力源 驱 动 液 压 油 产 生 油 压，液 压 油 通 过油路进入膨胀 套 内 表 面 的 油 腔 内，使 膨 胀 套 薄 壁处产生径向弹 性 变 形，对 主 轴 锥 孔 与 刀 柄 锥 体 的离心膨胀 差 进 行 补 偿。 转 速 愈 高，活 塞 的 离 心 力愈 大，油 压 随 之 增 加，膨 胀 套 的 径 向 补 偿 量 增 大 ，从 而 保 证 高 速 下 刀 柄 与 主 轴 锥 孔 的 良 好 接 触 。 １．２ 刀 柄 的 结 构
离 心 力 驱 动 液 压 膨 胀 式 高 速 刀 柄 设 计 ——— 王 军 马 灿 韩 亚 丽 等
离心力驱动液压膨胀式高速刀柄设计
王 军１ 马 灿１ 韩 亚 丽２ 张 淳１
１．燕 山 大 学 ，秦 皇 岛 ，０６６００４ ２．石 家 庄 煤 矿 机 械 有 限 责 任 公 司 ，石 家 庄 ，０５００３１
关 键 词 ：高 速 刀 柄 ；离 心 力 ；极 限 转 速 ；连 接 刚 度 ；有 限 元 方 法
中 图 分 类 号 ：ＴＧ７０２ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉ．ｓｓｎ．１００４－１３２Ｘ．２０１５．２１．０１７
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ Ｔｏｏｌ Ｈｏｌｄｅｒ ｗｉｔｈ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｆｏｒｃｅ Ｗａｎｇ Ｊｕｎ１ Ｍａ Ｃａｎ１ Ｈａｎ Ｙａｌｉ ２ Ｚｈａｎｇ Ｃｈｕｎ１
２ 刀 有 限 元 分 析 ，初 定 ＨＥ 刀 柄 极 限 转 速 为４０ ０００ｒ／ｍｉｎ。 在 此 极 限 转 速下，ＨＳＫ 与 ＨＥ 刀柄应具有相同的锥面平均接 触应力，据此利用 有 限 元 方 法 计 算 膨 胀 套 的 补 偿 量，进 而 确 定 离 心 动 力 缸 应 提 供 的 油 压 ｐ 为 ８ＭＰａ。 ２．１ 离 心 动 力 缸 设 计
为了与同规格 ＨＳＫ 刀柄兼容，ＨＥ 刀柄选用 · ２９４２ ·
１．孔 用 旋 转 密 封 ２．缸 筒 ３．格 来 圈 ４．活 塞 ５．支 撑 环 ６．弹 簧 ７．缸 盖
图 ２ 离 心 动 力 缸 的 结 构 图
活塞材 料 选 用 表 面 镀 铬 ４０Ｃｒ。 通 过 活 塞 的
离心力获得油压，活塞高度 Ｈ 与油压ｐ 的关系为
本文设计的 ＨＥ 刀 柄 为 实 心 短 锥、双 面 定 位 结构。膨 胀 套 外 表 面 为 １∶１０ 锥 面，内 表 面 为 圆 柱 面 ，并 开 有 两 个 连 通 的 环 形 油 腔 ，即 两 油 腔 中 间 的肋与刀柄体柱面留有缝隙。刀柄体圆柱柄与膨 胀套为过盈 连 接，装 配 后 精 磨 各 定 位 表 面。 刀 柄 体凸缘处有两个 关 于 刀 柄 轴 线 对 称 的 圆 孔，孔 内 各 安 装 一 个 由 缸 体 、活 塞 、弹 簧 和 缸 盖 等 组 成 的 离 心动力缸。活塞 底 部 装 有 压 缩 弹 簧 支 承 活 塞，起 预置压力和增大阻尼作用。离心动力缸与刀柄体 采用柱面定位和螺纹连接。离心动力缸通过缸体 及刀柄体上的油 路 与 膨 胀 套 油 腔 连 通，油 路 关 于 刀柄轴线对称布置。刀柄体尾端两个油路端孔使 用 内 六 角 油 塞 密 封 ，除 了 密 封 和 注 油 时 排 气 外 ，还 通过将其旋入一定深度反压活塞来调节活塞最大 工 作 行 程 （初 始 状 态 弹 簧 使 活 塞 处 在 外 端 ，行 程 为 零 ），避 免 两 个 离 心 动 力 缸 在 高 速 旋 转 时 出 现 非 对 称导致刀柄不平衡。