机械增力丝杠增力机构的有限元仿真

0 引言
机械增力丝 杠是一种高强度和高可靠性的夹具 , 只需 要简单的手工操 作和小的操作力矩就能实现大的夹紧力 , 用于各种重型车 床、 镗 床、 磨 床花盘 卡爪及 特殊机 械的增 力夹持。 普通丝杠的 卡爪装夹工件时劳动强度大 , 很难满足重 型机床的夹紧要 求 ; 液压增力卡爪也存在工作介质易渗漏 及挥发造成环境 污染、 夹紧力保 持性差 的缺陷 ; 气 动夹具 的传动介质是清 洁的压缩 空气 , 虽然不 会污染 环境 , 但也 存在压缩空气泄 漏的问题。 机械增 力丝杠 与上面 几种结 构相比起动力矩 小 , 操 作步骤简 单 , 大大提 高了装 夹工件 的效率 , 是重型机床尤其是各类数控重型机床理想的夹紧 机构。并且对于双向增力的机械增 力丝杠 , 力的放大机构 中 的夹紧方向 会随着加 载方向的改 变而自动进 行相应改 变 , 不需要人为的调整夹紧方向。 图 1 机械增力丝杠的增力机构放大示意图 F 3 /F = co t ∃ cot 同理 , 在考虑摩擦的情况下 , 可得增力比为 : F 3 /F = co t( + ) ∃ cot( + ) 式中 : # # # 摩擦角。
1 机械增力丝杠增力机构的增力分析
机械增力丝 杠的核心部分就是它的增力机构 , 因此有 必要对其如何实 现增力进 行详细 说明。图 1 是机 械增力 丝杠的增力机构 放大示意图。 由图 ( 1) 可 得 , 在不计摩擦的情况下 , F 2 = F ∃ co t 式中 : # # # 楔形块楔角的一半。 F 3 = F 2 ∃ co t
图 4 增力机构的有限元仿真云图
19 : 43 44 .
参考文献 :
[ 1 ] 一种双作用机械增力丝杠加紧装置 [ P] . 中华人民共和国 : 实 用新型专利 , 200720004412, 8 . 2008 , 2, 27. [ 2 ] 宾焕南 . 车床节能型斜楔增力夹紧装置 [ J] . 金属 加工 , 2008 . 18 : 36 39 . [ 3 ] 孙小凤 . 机械增力丝杠的增力原理解析 [ J] . 金属 加工 , 2008 .
[ 4] 崔金岭 , 钟康民 . 基于杠杆 斜楔 铰杆三级增力的冲击式手 动 夹具 [ J] . 工具技术 , 2008 . 42: 85 86 . [ 5] 柏青 , 钟康民 . 基于双面斜楔机 构增力增压 的气 液复合传 动 装置 [ J] . 液压与气动 , 2006 . 10: 43 44 .
收稿日期 : 2009
07 08
M achine B uilding
Auto m ation, Apr 2010, 39 (2 ) : 108 ~ 109
109
lyzed . Then, it is proved by f i n ite e l ement sm i ul ati o n that w edge block is the w eak li n k in the force amplificat i o n mechanism.
K ey word s : mechanical pow er c lamp ing screw s ; fi n ite e l ement sm i ul ati on ; mechanism ana l ys is
2 机械增力丝杠增力机构的有限元 wk.baidu.com真
机械增力丝杠的增 力理论计算比较复杂 , 因此采用有 限元分析的方 法来简化这一 过程。而 ABAQU S 是功能强 大的工程模拟有限元软 件 , 其解决问题的范围从相对简单 的线 性 分析 到 许 多 复 杂 的 非 线性 问 题。 ABAQU S 包括 A BAQU S /Standard 和 ABAQU S /Explic it 两 个 分 析 模 块。 A BAQU S /Standard 是一个通用分析模块 , 它能 求解的领域 很广泛 , 包括静力、 动力 、 热、 电磁 、 声 , 以及 复杂的非线性、 物理场偶合分析等 , 能满足机械增力丝杠的增力机构分析 的要求 , 因此采用此分析模块。
F in ite E lem en t S i m ulation on Force Amp lification M echanis m ofM echan ical Pow er C lam p ing Screw s
LI U Shi de , WANG Y u zheng , HAN X in q iang (W uxi Jianhua Mach i ne Accesso ries ( G ro up) L td . , W uxi 214044, C hina) Abstrac t : In the paper , power enhanced theory on force amplifica ti o n mechanis m of m echan i cal pow er c l amping screws is ana
式中 : # # # 斜块 两对应平面的夹角。 由此可得增 力比为 :
作者简介 : 刘世德 ( 1954#
) , 男 , 江苏无锡人 , 教授级高级工程师 , 硕士研究生导师 , 研究方向为先进制造技术和新产品研发。 http : ZZHD. ch inajou rna. l n et . cn E m ai: l ZZHD@ chainajou rna. l n et . cn !机械制造与自动化 ∀
3 结果分析
图 4 是增力机构有限元仿真后的结果云图。根据米塞 斯的屈服准则 , 在一定的变形条件下 , 当受力物体内一点的 等效应力达到某一定值 时, 该点就开 始进入塑性 状态。在 此以屈服强度作为评定增力 机构各部件承受 能力的标准 , 结合图 4 的仿真云图可以看出 , 楔形块是整 个增力机构 最 薄弱的环节 , 载荷 达到某 一值时 , 楔形 块首 先产生 塑性 变 形 , 斜块和斜套的承受 能力是可以保 证的 ; 同 时可以发现 , 楔形块与斜块的接触面和斜块与斜套的接触面是增力机构 中的力主要承受部位 , 应力相对较大一些。因此 , 要合理设 计增力机构, 楔形块能否承受要求的载荷 , 是应该首先要考 虑的问题 , 其次要考虑到关键接触面的承受能力。
信息技术
刘世德 , 等
机 械增力丝杠增力机构的有限元仿真
机械增力丝杠增力机构的有限元仿真
刘世德 , 王玉正 , 韩新强
( 江苏无锡建华机 床附件集团有限公司 , 江苏 无锡 214044) 摘 要 : 对机械增力丝杠增力机构的增力原理进行了分析 , 对通过有限元 仿真给出楔 形块是增
力 机构中最为薄弱的环节。 关 键词 : 机械增力丝杠 ; 有限元仿真 ; 机构分析 中 图分类号 : TH 132; TB115 文献标志码 : B 文章编号 : 1671 5276( 2010) 02 0108 02
图 3 增力机构的有限元分析模型
图 2 增力机构各部件 2) 设定模型各部件的材料属性。文中所述 的增力机 构各部件都是 45 钢 , 其 弹性 模量为 210 000 M P a , 泊松比 为 0 3。另外 , 分 析过 程需 要 , 增加 以辅 助 分析 部件 # # # 顶杆 , 设定其为刚体。 3) 组装各部件 , 并 设定模 型的 边界条 件。分 析增力 机构各部件的工 作特性 , 初始时 都处于 相对静 止的状 态 , 当给楔形块施以 载荷 , 楔形块成 为相对 运动的 部件 , 然而 根据常识可知 , 运动的物体是难以施加相应载荷的 , 因此 , 借助顶杆来完成 整个增力机构的增力分析 , 将对楔形块施
108
信息技术 有限元分析 的步骤 :
刘世德 , 等
机 械增力丝杠增力机构的有限元仿真 加载荷 转 为 给 顶 杆 一 定 位 移 , 从 而 间 接 对 楔 形 块 施以 载荷。 4) 对所建模型划分网格并进行仿真计 算。 增力机构 的有限元分析模型如图 3 所示。
1) 建立实体模 型。利用 ABAQU S 的 Part 功能模 块 , 分 别 作 出 机 械 增 力 丝 杠 增 力 机 构 的 各 个 部 件, 如 图 2 所示。