液压膨胀夹头的静动态特性及应用基础研究

作     者：张伟展 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王树林

授予年度：2011年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：高速切削加工 静压膨胀式刀具夹头 接触分析 流固耦合 静动态特性 径向夹持刚度 

摘      要：高速切削加工是一项高新技术,它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征,在航空航天业、模具工业、电子行业、汽车工业等领域得到越来越广泛的应用,并已取得了重大的技术经济效益,是当代先进制造技术的重要组成部分。高速切削用的刀具,尤其是高速旋转刀具,由于旋转速度很高,无论从保证加工精度方面考虑,还是从操作安全方面考虑,对它的装夹技术有很高的要求。弹簧夹头、螺钉等传统的刀具装夹方法已经不能满足高速加工的需要。开发新型的刀具夹头已成为高速切削技术的一个重要的组成部分。\n 静压膨胀夹头由于具有定位精度高,使用方便,寿命长等优点,在数控加工中心和自动化生产线上得到广泛的应用。本文通过理论分析,数值模拟和实验数据验证对静压膨胀夹头静、动态特性进行了系统地研究。研究的主要内容和成果如下:\n (1)应用流体力学和弹塑性力学理论,建立了高速状态下刀具联接系统理论分析模型,完成高速状态下静压膨胀夹头的变形及其内部流场压强分布理论分析。研究表明,在高速加工时,由于离心力的作用,静压膨胀夹头内部流场的压强并不处处相等。\n (2)对静压膨胀夹头的夹持性能进行了静态数值模拟。利用有限元分析法对静压膨胀夹头的传递扭矩进行了分析并验证了模拟结果是可靠的。揭示了夹头的油压、间隙、夹头液压油腔部分的结构对夹头的传递扭矩的影响规律。\n (3)研究了高速加工状态下夹头静压膨胀夹头的夹持性能。通过流体分析软件CFX研究了不同转速下静压膨胀夹头内部流场的压力分布规律,揭示了在高速旋转状态下时,静压膨胀夹头与刀具的配合间隙、转速及液压油的油压对液压夹头夹紧性能的影响规律。研究表明,作用在静压膨胀夹头内壁的压强随着转速的增加而减小,传递切削扭矩的能力也随之减小,这很好地解释了高速加工时静压膨胀夹头夹持失效的因为。\n (4)夹头的径向夹持刚度对加工的表面质量以及夹头刀具的整体震动都有着重要的影响,分析各个因素对径向加持刚度的影响,取得合理参数优化静压膨胀夹头的加工性能。本文分析了夹头刀具的配合间隙、不同油腔凸起长度、不同油压以及不同转速对夹头径向夹持刚度的影响,得出的结果对于夹头的生产制造和合理控制加工质量提供有效的依据和参考。\n 本研究内容是国家科技重大专项“高速数控机床用新型工具系统(2009ZX04012-012)的一部分,研究成果静压膨胀夹头的设计与使用具有较高的参考价值。