高速液压夹头结构的优化设计_陶德飞

第7期
陶德飞等：高速液压夹头结构的优化设计
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15.25 3 2 4
13.75
膨胀壁凸起长度 X
膨胀壁
油腔
加压螺栓
（a）夹头结构 61 47.7
环槽 装夹孔
22.9
（b）夹头结构尺寸 图 1 液压膨胀夹头 Fig.1 Hydraulic Chuck
表 1 刀柄、夹头和刀具基本物理特性 Tab.1 Shank、Chuck and Tool Basic
机械设计与制造
第7期
236
Machinery Design ＆ Manufacture
2015 年 7 月
高速液压夹头结构的优化设计
陶德飞 1，李朱峰 2，陈 建 1，王贵成 1，2
（1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.南通理工学院 机电工程学院，江苏 南通 226000）
摘 要：高速夹头是高速加工工具系统的重要组成部分，被广泛用于中轻加工载荷的高速加工，其性能直接影响高档数 控机床的性能及加工质量。通过高速液压夹头/刀具模型有限元分析发现：夹头/刀具接触应力分布不均，夹头油腔转角过 渡区域应力集中。本研究对油腔转角区域采用单元弧过渡形线，基于结构优化设计理论和优化方法，利用 Ansys 优化分 析模块对夹头/刀具模型进行优化。结果表明：结构优化改善了夹头/刀具接触应力分布，降低了夹头液压腔转角过渡区域 应力集中和减小了接触压力峰值，提高了高速液压夹头的可靠性和稳定性。 关键词：高速加工；液压夹头；结构优化；可靠性；有限元法 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2015）07-0236-04
和优化控制文件。分析文件包括一个完整过程：参数定义、参数化
建模、求解、结果提取和目标函数赋值。优化控制文件包括定义三
大变量、优化方式和优化控制等。
Ansys 分析文件包含一个完整循环，在优化求解迭代计算过
程中，优化控制文件使设计变量在每次循环中不断被改变，直到
和轴力 N 代表相互作用内力。
圆弧过渡区域③是夹头应力集中部分。由轴对称性质可知
切应力为零，油腔圆弧过渡区域内壁处于主应力状态，承受环向
拉应力，是过渡区最危险部分。
如图 3（b）所示，B 为内壁任一点，σφ 与 B 点切线方向相同， 先不考虑 σθ，油腔圆弧过渡区域和平面曲杆应力状态相似。用曲 杆模型计算圆弧部分应力。
/2-R）
取①段圆筒单位圆周宽度纵向长条作为弹性基础梁，结合
圆柱壳理论可以求得弯矩 MR、剪力 QR 和轴力 NR[8]。 油腔圆弧过渡区域内壁等效应力为：
姨 σd =
2
2
2
（σφ -σθ） +（σθ -σr） +（σr -σφ）
/2
（4）
3.3 建立夹头/刀具接触模型有限元参数化分析流程
Ansys 设计优化功能强大，其优化设计技术须借助 Ansys 参
来稿日期：2015-01-20 基金项目：国家自然科学基金项目（51075192）；国家重大科技专项（ZX201304009031） 作者简介：陶德飞，（1990-），男，江苏人，硕士研究生，主要研究方向：高速夹头及加工工具系统；
王贵成，（1955-），男，吉林人，博士研究生，博士生导师，教授，主要研究方向：高速加工和精密加工
刀具接触应力峰值，改善接触应力分布，提高疲劳强度，延长结构
寿命[7]。
3.2 液压夹头力学模型
液压夹头几何形状、位移约束和所受压力载荷呈现轴对称
性，取夹头的一子午面进行受力分析。如图 3（a）使用垂直于对称
轴的两个平面 A—A 和 B—B 将夹头切开，得到①段圆筒，②段油
腔内壁和③段夹头圆弧过渡区域，以单位圆周上弯矩 M、剪力 Q
Abstract：As an important part of high speed machining tooling system，high speed chuck is widely applied to high speed machining of various loads but heavy，and the performance of which directly affects the property and processing quality of advanced computer numerical control machine tools. It is found from the analysis of hydraulic chuck/tool FEM model that there are some problems，such as uneven hydraulic chuck/tool contact pressure distribution，stress concentration in chuck cavity corner transition region. Based on structural optimization theory and methods，applies transition arcs to hydraulic chuck oil cavity corners and utilizes Ansys optimization analysis module to optimize chuck/tool model. The results show that structural optimization improves chuck/tool contact stress distribution and decreases the concentrated stress in hydraulic chuck cavity corner transition region and contact pressure peak. In addition，it also improves the reliability and stability of high speed hydraulic chuck. Key Words：High Speed Machining；Hydraulic Chuck；Structural Optimization；Reliability；Finite Element Method
Physical Characteristics
物理特性 材料
弹性模量（105MPa） 泊松比
材料密度（10-9T/mm3） 屈服极限（MPa） 摩擦系数
刀柄和夹头 40CrNi2Mo
1.96 0.28 9.8 1240 0.2
刀具 硬质合金
6.40 0.22 15 5460
2.2 液压夹头/刀具接触存在的问题
1 引言
高速加工工具系统是高档数控机床的关键部件之一，其性 能直接影响高速加工的质量和效率[1]。高速液压夹头是常用高速加 工工具系统的重要组成单元，工具系统通常处于高速旋转状态，液 压夹头往往发生夹持力不足或疲劳失效等现象，直接影响高速加工 安全性并降低生产效率，成为高速加工故障的主要原因之一。研究 表明:液压夹头/刀具接触压力分布不均，存在接触应力峰值点，油腔 转角处应力集中，在交变载荷作用下，夹持孔壁疲劳磨损，油腔产生 裂纹，影响夹头夹持性能和疲劳寿命[2]。因此，对夹头油腔转角区域 采用单圆弧过渡形线，运用有限元对液压夹头结构参数和过渡形 线进行优化，得到合理的夹头尺寸，从而改善接触应力分布，减小 应力集中，对提高液压夹头的稳定性和可靠性具有重要意义。
σθ
=
pcosφ·
2
2
rx
2
2
+r0
rx -r0
σr =-p
式中：p—油压载荷。
（2） （3）
Rb=（Ro-R）/ln（Ro/R）
S=（Ro-R）·［（Ro+R）/2-Rb］
x=R（1-sinφ），rs=ro-R（1-cosφ）
σp
=
pR（1-cosφ）· R·Rb +（R+Ro）·（Rb R·（Ro -R）·（R+Ro）/2-Rb
曲杆内部半径为 R，取外部半径 Ro=R+（ro-r）i 。根据平面曲杆
理论，求得油腔圆弧过渡区域内壁 r=R 时应力：
φ φ σφ
=（Rb -R）· SR
MR +QR·Rsinφ-NR· R（1-cosφ）
+
NR
cosφ+QR Ro -R
sinφ
+σP
（1）
No.7
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机械设计与制造
July.2015
数化设计语言（APDL）。利用 APDL 程序语言与宏技术组织管理
Ansys 有限元分析命令，参数化建立夹头/刀具有限元接触模型，
参数化加载和求解、提取夹头有限元分析结果[9]，创建参数化分析
流程，并对其中设计变量执行优化改进，达到最优化设计目标。
Ansys 有限元优化设计包含两个重要文件：Ansys 分析文件
以过渡形线圆角半径 RADIUS 和夹头结构参数：膨胀壁厚
度 THICK，凸起高度 HEIGHT，凸起长度 LENGTH，液压腔宽度
WIDTH 为设计参数；以夹头对刀具的夹紧扭矩 T 为约束条件，在
保证夹头夹持性能的前提下，反复优化改变夹头设计变量，有效
降低夹头过渡区域应力集中，使应力逼近最小值，同时减小夹头/
Fig.2 Analytical Results
（1）接触压力分布不均。由图 2（a）可知：夹头与刀具的接触
压力成马鞍形分布。在油腔中间段处接触压力分布均匀，向两端
延伸时，接触应力急剧增大，形成两个压力峰值，分别为
74.771MPa 和 71.77MPa，之后迅速减小到 0。夹头与刀具接触区
域平均接触压力 23.09MPa。（2）夹头油腔存在应力集中。由图 2