毕业设计（论文）-刀具座改进设计及有限元分析.doc

阙繁昌摘 要切削技术是机械制造行业的传统基础工艺之一，自二十世纪八十年代以来，制造技术的全面进步，已把切削技术推向高速切削的新阶段，使得高速切削逐渐的成为了切削加工的主流。切削加工系统由三大部分构成，即机床、刀具联接系统和刀具切削部分。作为机床主轴与切削刀片之间的联接，刀具联接系统对于整个加工系统尤其是高速加工系统来说，具有重要意义。论文首先介绍了高速切削技术的理论体系及发展趋势，阐述了高速切削的关键技术，详述了刀具联接系统的研究现状，并介绍了实际生产中使用的一种包含了hsk刀具联接系统的刀具座以及它在生产中所出现的问题。论文根据弹塑性力学的基础知识，推导了高速旋转状态下实心圆轴的应力计算公式，并据此公式估算了刀具座在使用中的应力。论文针对长期使用出现裂纹的刀具座进行疲劳断裂分析，指出刀具座严重的应力集中影响了刀具座的疲劳强度，减少了刀具座的使用寿命；通过破损面的电子显微镜观察，观察了材质和加工表面，确定刀具座的应力集中主要是由刀具座的几何形状突变而产生的。通过使用三坐标测量机测量了刀具座的精确实体尺寸，根据测得的尺寸，使用三维制图软件pro/e建立实体模型，导入到有限元分析软件ansys中，通过力学分析，观察刀具座的应力集中状况，据此，提出刀具座结构形状的改进方案，以缓解刀具座的应力集中，并通过多次有限元力学分析结果比较，选择了合适的改进尺寸，最终刀具座的结构形状改进取得了很好的效果，得到了企业的认可。关键词：高速切削；刀具座；疲劳分析；有限元；应力集中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. thecutting 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 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 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 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 concentration 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 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阙繁昌目 录第1章绪论11.1高速切削技术概述21.1.1高速切削的研究概况21.1.2高速切削的关键技术51.2高速切削中的刀具联接系统概述81.2.1标准7/24锥度联接91.2.2替代型设计101.2.3改进型设计111.3课题的研究背景和意义13第2章 基于弹塑性理论的刀具座受力分析152.1引言152.2弹塑性理论152.2.1基本方程162.2.2弹塑性分析的准则182.3高速旋转状态下刀具座的应力计算202.3.1高速圆轴应力的计算方法202.3.2刀具座的应力计算222.4刀具座疲劳失效分析232.4.1疲劳失效分析的基本理论232.4.2刀具座的疲劳破坏及结构疲劳失效的特征232.4.3刀具座材料的s-n曲线272.4.4刀具座结构疲劳寿命估算方法282.4.5影响刀具座结构疲劳寿命的主要因素292.5提高刀具座结构疲劳强度的措施31第3章 数值模拟技术及有限元方法333.1引言333.2有限元方法333.3有限元分析的弹性力学理论基础353.3.1弹性力学的基本控制方程363.3.2位移模式有限元法的单元位移模式和形函数413.4有限元分析软件ansys43第章 刀具座尺寸测量及有限元模型的建立464.1引言464.2刀具座尺寸测量及实体模型建立464.2.1尺寸测量工具464.2.2刀具座尺寸测量结果474.2.3刀具座实体模型的建立484.3刀具座有限元模型的建立504.3.1刀具座实体模型的导入504.3.2有限元模型单元属性的定义514.3.3刀具座有限元模型网格划分策略51结 论54参考文献56ii第1章 绪论切削技术是机械制造行业传统的基础工艺之一，切削速度的提高为机械制造业带来了巨大的技术经济效益。自二十世纪八十年代以来，制造技术的全面进步，已把切削技术推向高速切肖(high speed cutting)的新阶段 。高速/超高速切削已成为切削加工的重要发展趋势之一，和常规切削加工相比，它不仅可以提高加工效率和加工精度，降低加工成本 ，而且可以满足淬火钢等难切削材料的加工要求 。高速切削技术所具有的一系列特色和在生产效益方面的巨大潜力，使其成为美、德、日等国竞相研究的重要技术领域 。而目前我国的切削加工技术还停留在较低的水平上，机床所用的切削速度比先进工业国家约低一个数量级，生产效率低，加工精度不高，经济效益不好 。随着近年来各种科学技术的飞速发展，人们热衷于实现机械设计和生产加工的自动化。但是切削技术本身的落后和加工精度的水平，制约了我国机械制造行业整体水平的提高 。高速切削的“高速”是一个相对概念，在不同历史时期，对于不同的工件材料、刀具材料和加工方法，高速切削加工应用的切削速度并不相同，从切削技术角度来看，以高切削速度、高进给量和高加工精度为特征的加工技术都可以称为高速切削，一般认为切削速度超过普通切削的5-10倍的切削称作高速切削，从切削机理来看，高速切削是指温度不再显著地随切削速度增大而上升的切削 。在高速旋转状态下，对刀具的材料、结构、装夹，机床的主轴、进给驱动单元、cnc系统和刀具联接系统都提出了特殊的要求 。因为在这个转速范围以上，离心力已成为主要载荷。在强大的离心力作用下，机床主轴和刀柄都要发生膨胀变形。而它们的变形程度不同，刀柄就会产生相对于主轴的轴向及径向位移。由于这些原因，在实际生产中往往会出现定位精度和连接刚度下降，振动加剧，甚至发生连接部位的咬合等现象。另一方面，刀具整体不平衡性的影响随着转速的增加而加剧(与转速的平方成正比) 。随着转速的增加，常用刀具联接系统的可靠性下降，这样，由于强大的离心力作用，将致使定位精度降低，刀体弯曲变形，甚至造成刀体破碎，刀具座断裂。一旦发生，就可能造成人身伤害，同时会对机床设备、车间厂房、加工的工件造成严重的损坏，影响企业的生产加工，造成巨大的直接和间接的经济损失。1.1高速切削技术概述1.1.1高速切削的研究概况高速切削的概念起源于德国科学家salomon1931年4月所提出的至今仍令人感兴趣的两个假设：在高速区，当切削速度超过切削温度最高的“死谷”区域，继续提高切削速度将会使切削温度明显下降，同时单位切削力也会随之降低。这一理论为人们展示出在低温、低能耗条件下高效率切削金属的美好前景，从而在各国引起了广泛的兴趣。50年代后期，高速切削加工的理论基础研究在世界范围内开始展开。这一阶段的研究结果表明高速切削时切屑的形成机理与普通切削条件不同，切削塑性材料时，随着切削速度提高，逐渐形成不连续切屑。切屑是由于脆性断裂形成；随着切削速度提高，剪切角增加，刀与屑接触长度减少，切削力降低：高速切削提高了工件表面质量；大大提高金属去除率70年代是高速切削加工应用基础研究探索阶段。实验研究表明，切削加工时产生的热量大部分被切屑带走；高速铣削可大幅度降低加工时间；刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性；证实高速切削在生产中使用的可行性；人们开始改装机床，尝试提高机床的主轴转速。直至到1977年，美国研制成功了第一台高频电主轴机床（主轴最高转速达到18000r/min），人们才开始了真正的高速切削试验。高速铣削试验结果表明，在超高速切削条件下，绝大部分的切削热被切屑迅速带走，其切屑温度比常规切削速度下的切屑温度高得多，而工件却基本保持冷却状态。随着切削速度的提高，切削力还会相对下降，工件的表面质量因而得到提高。与传统铣削相比较，其加工效率提高了36倍，主切削力减少了30%以上，切削温度明显下降，刀具耐用度提高，工件温升很小，加工表面质量明显提高。其后，高速加工技术逐渐的应用于难加工材（如铝钛合金、纤维增强塑料、模具钢等）的加工中，大大地提高了这些材料的加工效率和加工质量，在生产中取得了极佳的效果。如今美国波音、休斯公司己大规模采用数控超高速精密铣削技术加工飞机、汽车及模具制造用铝合金、钛合金。二十世纪80年代以后，受到前人研究成果的鼓舞，加上高速切削技术的重要性，各个工业发达国家纷纷投入大量的力量进行高速加工关键技术的研究。德国在高速加工工具系统方面开展了卓有成效的工作，开发了高速加工所必需的hsk(空心短锥)工具联接系统 。日本在高速加工机床的研究与开发方面居世界领先地位，已开发了主轴转速达150000r/min的数控铣床，预计不久将会出现主轴转速达到200000r/min以上的高速切削机床 。由于切削技术的重要性，超高速切削已被日本先端技术研究会列为五大现代制造技术之一。法国、瑞士、英国、俄罗斯、意大利等国家在高速加工方面也做了许多研究 。特别是进入90年代，由于构成高速切削设备的关键部件质量、性能的不断提高，新型结构的不断出现，如：直线滚动导轨、直线电机、新型刀柄、内冷却主轴、高速cnc数控系统、新型床身结构等，使得高速切削设备质量不断提高，逐渐商品化的部件使整机的价格不断降低，超高速切削技术己日渐成熟，逐步走向了工业实用化 。如今，超高速切削技术己成为生产工程学科领域面向21世纪的最重要的研究方向之一。我国是从80年代初开始研究高速切削的基本方法和理论。山东大学、北京理工大学、沈阳工业学院、重庆大学、天津大学、大连理工大学、上海交通大学、广东工业大学、东北大学等对高速切削的刀具磨损及寿命、切削力、切削温度、高速主轴系统、快速进给系统、高速磨削技术等进行了研究。同时，国产的高速机床在1999年开始登台亮相。在我国“国家十五重点领域技术预测研究”和“先进制造领域关键技术的分析论证”中，超高速切削技术也被列为重大综合型项目和经济与社会发展急需高技术项目 。我国得高速切削技术有了很大得进步，但与国外相比，我国高速切削加工技术的研究和应用仍处于初步阶段，在机理研究、高速机床制造、刀具技术等各方面与国外还有很大差距，急需我们作进一步的研究。目前，高速切削技术已成为提高生产率，增加产量的一种关键技术。数控机床、加工中心的使用，使得加工过程中工序间辅助加工时间大为缩短，而提高主轴的转速，则可以缩短工件的在制时间 。生产实践表明，与传统的常规切削相比，高速切削具有以下优点 ：一、材料切除率高高速加工比常规加工单位时间材料切除率可提高36倍，因而零件加工时间通常可缩减到原来的1/3，从而提高了生产率和设备利用率。二、切削力低和常规切削加工相比，高速切削力至少降低30%，尤其是径向切削力的大幅度减少，这对于加工刚性较差的零件（如细长轴，薄壁件等）来说，可减少加工变形，提高零件加工精度。同时，按高速切削单位功率比，材料切除率可提高40%以上，有利于延长刀具使用寿命，通常刀具耐用度可提高约70%。三、减少热变形高速切削加工过程，95%以上的切削过程所生产的热量将被切屑带离工件，工件积聚热量减少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形。因此，高速加工特别适合于加工容易发生变形的零件。四、加工效率高高速切削加工允许使用较高进给率，比常规切削加工提高510倍，可大大提高加工效率，缩短生产周期。五、实现高精度加工应用高主轴转速、高进给速度的高速切削加工，其激振频率特别高，已远远超出“机床一刀具一工件”工艺系统的固有频率范围，使加工过程平稳、振动较小，可实现高精度、低粗糙度加工。高速切削加工获得的工件表面质量几乎可与磨削加工相比，残留在工件表面上的应力也很小，故高速切削加工可直接作为最后一道精加工工序。六、增加机床结构稳定性高速切削加工由于温升及单位切削力较小，增加了机床结构的稳定性，有利于提高加工精度和表面质量。七、能耗低，节省制造资源超高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积明显增大。由于切除率高、能耗低，工件在制的时间短，提高了能源和材料的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例。八、良好的技术经济效益采用高速切削加工将能取得较好的技术经济效益，如缩短加工时间，提高生产率；加工刚性差的零件；提高了刀具耐用度和机床利用率；零件加工精度高，表面质量好，工件热变形小；刀具成本低，节省了换刀辅助时间及刀具刃磨费用等等。鉴于以上的这些特性，高速切削加工应用推广得非常迅速，尤其在航空、航天工业中已经应用多年 。1.1.2高速切削的关键技术高速加工技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能cnc控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等相关的硬件与软件技术的基础之上综合而成的。因此，高速加工是一个复杂的系统工程，由机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控及切削机理等方面形成了高速加工的研究体系。一、高速切削机床技术高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。高速机床技术主要包括高速单元技术（或称功能部件）和机床整机技术。单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速cnc控制系统等；机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设置、加工环境等。分别简介如下：1.高速主轴单元高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速加工机床的核心部件，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。 高速主轴一般做成电主轴的结构形式，其关键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电动机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具（或工件）动平衡等等。电主轴把机床的主传动链的长度缩短为零，故可称之为“零传动”，它结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好，并可避免振动与噪声，是高速主轴单元的理想结构 。高速主轴单元中的另一个关键部件是主轴轴承，它在高速转动时应具有较高的刚度、承载能力及使用寿命。高速主轴轴承一般采用空气轴承、磁浮轴承及陶瓷轴承。特别是陶瓷轴承，由于它的滚子具有质量小、刚度高、弹性模量大优点，因此性能十分优越。2.高速进给系统进给系统的高速性也是评价高速机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义，而且也是维持高速加工刀具正常工作的必要条件。对高速进给系统的要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度 。高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和其他周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。目前常用的高速进给系统有三种主要的驱动方式：高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构。和高速进给系统相关联的还有工作台（拖板）、导轨的设计制造技术等。为达到大的进给加减速加速度，目前使用的最好的执行元件是高速直线电机。高速直线电机由安装在机床基面上的永久磁铁（定子）和安装在溜板上的叠钢片铁芯和线圈（转子）组成，利用转子脉冲电流产生的磁场和定子永久磁场相互作用产生电磁推力，带动负载运动。高速直线电机无转动体，没有离心力的作用，容易实现高速直线运动。而且高速直线电机不带滚珠丝杠和齿轮、齿条，消除了反向间隙和刚度不足造成的系统不稳定和加工精度的变化。高速直线电动机是取消了从电动机到工作台之间的一切中间传动环节，实现了进给系统的“零传动”。它消除了机械传动系统的间隙，也没有反向间隙，并且减少了传动摩擦力及机械磨损。3.cnc控制系统包括平滑加减特性的智能控制、误差补偿及前馈控制。除了高速主轴的高性能主轴单元和快速进给的伺服系统外，高速数控机床的cnc控制器也是提高加工效率、充分发挥高速数控机床高速、高精度能力的必备条件。高速数控机床高性能控制器应具备以下功能 ：（1）在极快的主轴速度和进给速度下精确和快速的运算功能，以快速计算系统参数产生的预期误差，根据实际需要进行修正，并具有控制加减速和优化执行程序的功能。（2）故障诊断和人工智能功能。在系统中存储着引起机械故障原因的信息和排故的知识，能实现快速保护和故障排除。（3）图形显示功能和输入功能。可形象、直观、高效地显示加工零件图形和走刀路线，动态模拟切削过程，降低试切加工工时。（4）尽可能强的插补功能。在直线、圆弧插补的基础上采用样条、渐开线、极坐标、指数函数和三角函数等特殊曲线，从而加快程序执行时间。（5）cnc高速化不仅体现在高速切削上，还表现在非切削时间的缩短上，故应配备高速专用的plc，以提高辅助功能的执行速度。目前，大多数的高速加工机床的控制系统都是采用多cpu结构。这种结构具有高速插补和程序块处理能力，并且具有较强的超前处理能力。4.床身、立柱和工作台高速机床设计的另一个关键点，是如何在降低运动部件惯量的同时，保持基础支承部件高的静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助工程的方法，特别是用有限元法和进行优化设计，能获得减轻重量、提高刚度的床身、立柱和工作台结构。为获得较好的动态性能，有些高速机床床身由聚合物混凝土材料制成。5切屑处理和冷却系统高速切削过程会产生大量的切屑，单位时间内高的切屑切除量需要高效的切屑处理和清除装置。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种行之有效的清理切屑的方法，但它会对环境造成严重的污染。切削液的使用并不是对高速切削的任何场合都适用，例如，对抗热冲击性能差的刀具，在有些情况下，切削液反而会降低刀具的使用寿命，这时可采用干切削，并用吹气或吸气的方法进行清理切屑的工作。6.安全装置机床运动部件的高速运动、大量高速流出的切屑以及高压喷洒的切削液等等，都要求高速机床要有一个足够大的密封工作空间。刀具破损时的安全防护尤为重要，工作室的仓壁一定要能吸收喷射部分的能量。此外，防护装置必须有灵活的控制系统，以保证操作人员在不直接接触切削区的情况下的操作安全。二、高速切削刀具技术高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一。生产实践证明，阻碍切削速度提高的关键因素是切削刀具是否能承受越来越高的切削温度。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钛基硬质合金、聚晶金刚石（pcd）压层硬质合金、聚晶立方氮化硼(cbn）、陶瓷等材料 。随着切削速度的大幅度提高，对切削刀具材料、刀具几何参数、刀体结构以及切削工艺参数等都提出了不同于传统速度切削时的要求。三、高速切削工艺技术高速切削的工艺技术也是成功进行高速加工的关键技术之一。高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数的选择优化，对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等 。1.对切削方法和切削参数进行优化选择，其中包括优化切削刀具控制，如：刀具接近工件的方向、接近的角度、移动的方向和切削过程(顺铣还是逆铣)等。2.切削铝、铜等轻合金，与切削钢和铸铁以及切削难加工合金钢不同，由于切削机理不同，除了刀具材料和刀具几何参数的选择外，在切削过程中还要采取不同的切削策略才能得到较好的切削效果。根据不同加工材料来研究高速切削工艺方法，也是高速切削工艺技术研究的重要内容之一。3.在研究高速切削工艺技术中，切削方法和技术必须紧密结合刀具材料和刀具几何参数的选择综合进行。四、高速切削测试技术高速切削是在密封的机床工作区间进行的，在零件加工过程中，操作人员很难直接进行观察、操作和控制，因此机床本身有必要对加工情况、刀具的磨损状态等进行监控，实时地对加工过程在线监测，这样才能保证产品质量，提高加工效率，延长刀具使用寿命，确保人员和设备的安全。高速加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术。近年来，在线测试技术在高速机床中使用得越来越多。现在已经在机床使用的有：主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测等。测量传感器有热传感器、测试刀具的声发射传感器、工件加工可视监视器等 。智能技术已经应用于测试信号的分析和处理。例如，神经网络技术被应用于刀具磨损状态的识别。1.2高速切削中的刀具联接系统概述加工系统是由三大部分构成的，即机床、刀具联接系统和刀具切削部分。由于承受着切削力所带来的最大弯矩，刀具联接系统的刚度和减震性很大程度上决定着加工系统的有效刚度。在cnc机床使用以前，可以通过把刀柄直接固定在主轴或刀架上而获得很高的刚度。然而，在cnc加工自动换刀系统中，对刀具主轴联接提出了特殊要求。除了应保证刚度和力/力矩传递能力，还要容易装央拆卸，以保证快速可靠的换刀过程。作为机床主轴与切削刀片之间的联接，刀具联接系统的作用有两方面：一是定位，二是夹紧。它在工作时，几个联接表面之间不可避免地存在一定的间隙，这就会影响加工精度，并导致微小振动，使得加工表面质量差，刀具寿命缩短，尤其是在高速旋转时更为明显。所以，刀具联接系统的性能提高对于整个加工系统来说，具有重要意义。近年来美、欧、日等加快了对新一代超高速加工中心、数控机床、工具系统的研究和产业化开发进程。在刀具联接系统技术方面取得了很大的进展，目前对刀具主轴联结研究较成功的设计主要有两大类：一是摒弃原有的7/24标准锥度而采用新思路的替代型设计，如德国的hsk系列和美国的km系列刀具锥柄等。另一种是为降低成本，仍采用现有的7/24锥度的改进型设计，这种设计可实现现有主轴结构向高速化的过渡，如美国的wsu系列刀柄 。这些刀具联接系统都对传统联接系统做了各种改进，当然，它们仍然存在各种不同的缺点或不足 。下面就几种常见联接结构的特点作一些介绍。1.2.1标准7/24锥度联接生产中最常见的标准(ansib5.50，is07388，din69871/69872等）7/24锥度的联结是一种可靠、坚固且相对来说较经济的联结系统，目前市场上大量应用的仍是7/24锥度的工具系统 。该联接结构简单，成本较低，不自锁。然而7/24锥度联结存在着严重的缺陷，原因主要在于其只在锥面接触，刀柄缺乏与主轴端面的接触，这样锥面必须同时起着两方面的作用：使刀柄相对于主轴精确定位，还要对刀柄夹紧，以提供足够的联接刚度。在高速情况下，主轴锥孔会由于离心力的作用产生膨胀变形。对于30#锥柄，主轴转速为30000rpm时，膨胀量达45m。这使得刀柄将在轴向拉力的作用下产生轴向位移，使轴向定位精度降低。在iso标准中，7/24锥度的配合公差规定主轴内锥孔的角度偏差为“一”，刀柄锥体的角度偏差为“”，以使配合的前端接触，这样在配合的后端就会产生间隙，导致径向定位精度不足，接触面积变小，减弱了刚度，增加径向跳动和破坏结构的动平衡。由于刀柄法兰端面和主轴端面不接触，再加上这个间隙的存在，当刀具所受弯矩超过拉杆轴向拉力所产生的摩擦力矩时，就会形成以前端接触为支点的摆动，从而，加速了前端的磨损，形成“喇叭口”。另外，7/24锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感。当拉力增大48倍时，联接的刚度可提高2050%。但是，过大的拉力在频繁的换刀过程中会加速主轴8内孔的磨损，使主轴内孔膨胀，影响轴承寿命。随着高速切削技术的发展，高精度、大功率、高转速的机床的出现对联接的精度和性能提出了更高的要求。传统7/24锥度联结系统已逐渐不能满足高速切削的要求。1.2.2替代型设计高速切削技术的应用，迫切需要开发和使用一种新的刀柄/主轴联结系统，来代替现有的大量的刀柄/主轴联接系统，并保证其技术性和经济性都优于传统的7/24大锥度联结。在过去1015年里开发的最突出的新的联结系统有平面齿轮联结，km系列，hsk系列等。一、“曲线耦合”结构这种结构由两部分组成，每部分上面加工有数目相同的螺旋齿，并分别与主轴前端和刀柄固定。刀具与主轴联结精度较高，联结刚度、减震性能也较好，装卸刀具所需的轴向移动量很小（5-10mm）。另一个让人感兴趣的特点是它的可维护性，如果一些齿被擦伤或者由于其他方式局部损坏，受损的点可以很容易地用笔式研磨机去除。由于总的接触面积很大，这种小的修理不会影响联结性能。但对联结用的螺旋齿形精度要求较高，结构的两部分与主轴和刀柄的固定也有较高的要求，另外主轴端部和刀柄需要重新设计，换刀时要使两部分齿形精确啮合需较长的调整时间，这影响了换刀速度 。二、瑞典sandvic coromant公司的三棱锥结构这种刀柄不是圆锥形，而是三棱锥，其棱为圆弧形，锥度为1/20 。它实现了锥面与端面同时接触定位。三棱锥结构可实现转矩传递，不再需要传动键，消除了因传动键和键槽引起的动平衡问题但是，三棱锥特别是主轴三棱锥孔加工困难，加工成本高，与现有刀柄不兼容，配合会自锁。三、km系列美国kenna metel公司于1987年开发了km工具系统，最早用于车床，1993年用于旋转刀具。这种工具系统采用1/10短锥配合，锥体尾端有键槽。锥柄的长度仅为标准7/24锥柄长度的1/3，由于配合锥度较短，部分解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题，刀柄设计成中空结构，在拉杆轴向拉力的作用下，短锥可径向收缩，实现端面与锥面同时接触定位。与其他类型的空心锥柄联结相比，相同法兰外径采用的锥柄直径较小，主轴锥孔在高速旋转时的扩张小，高速性能好。这种系统的主要缺点是，主轴锥孔需要重新设计，与传统的7/24锥度联结不兼容，同时短锥的自锁会使换刀困难。由于相对较厚的内锥壁，和很大的总过盈量（km40为1536m，km50为2050m，km60为2550m)，主轴的膨胀可能比薄壁hsk锥的数控机床刀具庠的力学分析与结构改进膨胀还要大的多。从而，主轴轴承必须安装在锥孔部分以外。联结中很高的接触力使得它对污染相对比较敏感，因为外部的颗粒很有可能被挤压在锥面和端面接触处。夹紧需由刀柄的法兰实现，这样就增加了刀具的悬伸量，对联结刚度有一定的削弱。四、hsk刀柄这种结构是由德国aachen大学的机床研究室专为高速机床主轴开发的一种刀柄一主轴联结机构，从1986年开始aachen大学联合一些工具和机床制造厂商进行hsk空心短锥柄工具系统的研究，并于1991年取得初步成果，在进一步的研究中，于1993年制定了德国标准din69893（现已成为iso标准）。目前，德国开发出的hsk(短锥空心柄）连接方式和对刀具进行等级平衡及主轴自动平衡的系统技术，可用于2000046000r/min的超高速主轴 。hsk短锥刀柄采用1:10的锥度，其设计近似与km系列，锥体比标准的7/24锥柄短，锥柄部分采用薄壁结构，锥度配合的过盈量较小，对刀柄和主轴端部关键尺寸的公差带要求特别严格，由于短锥面严格的公差和具有弹性的薄壁，在拉杆轴向拉力的作用下，短锥有一定的收缩，所以刀柄的短锥面和端面很容易与主轴相应结合面紧密接触，具有很高的联接精度和刚度。当主轴高速旋转时，尽管主轴端会产生扩张，短锥的收缩得到部分伸张，仍能与主轴锥孔保持良好的接触，主轴转速对联结刚度的影响小。拉杆通过楔形结构对刀柄施加轴向力 。1.2.3改进型设计由wayne state大学的e.rivin等人设计的wus-1，wus-2联接系统，是以开发出比普通7/24锥度联结具有较好精度、刚度和高速性能，同时又能与现存的主轴和刀柄兼容为出发点设计出来的。传统7/24锥度联接存在很多缺陷，主要是由于以下两个原因：1)由于配合公差的原因，锥度联接后部存在间隙，使得刚度下降，跳动增大；2)刀柄法兰与主轴端面之间存在间隙，使得刀柄轴向位置不确定。这样，对7/24锥度联接的改进可以从两方面入手：开发一种实现与主轴锥面，端面同时定位的刀柄，以消除上面所列举的缺点；消除后部的间隙，来提高刚度，减小跳动。一、锥面和端面同时定位的wus-1这种设计结构利用了“虚拟圆锥”的概念，以离散的弹性点或线元件形成一个锥面，与主轴锥孔面接触 。实现这些点接触的元件都是弹性的；因此，当拉杆轴向力使刀柄与主轴端面定位接触时，只会使刀柄的这些弹性元件变形，而不是整个刀柄变形。这种方法不需要太大的拉力就可使接触端面获得希望的接触压力，也不会使主轴膨胀，对接触面的污染不敏感。wus-1刀柄需要的加工精度和标准7/24刀柄相同，但它比具有相同法兰尺寸的标准刀柄的直径小。锥柄的外表面套有由金属或塑料保持架固定的相同直径的滚珠，由滚珠形成的虚拟锥的直径约比主轴内锥孔直径大5-10m。在拉杆拉力作用下，滚珠发生弹性变形，刀柄在主轴锥孔内移动，直到刀柄法兰与主轴端面接触为止。联结的变形包括滚珠与刀具锥柄、滚珠与主轴锥孔的赫兹变形以及滚珠本身的变形。这种设计基本上解决了先进制造系统中与大锥度相关的问题。主轴的设计不需改动；新的刀柄的加工也不比传统的标准刀柄更复杂；价格的差别也很小；刀具联接系统安装在锥孔内部，这就提高了刀具的有效刚度。为减轻刀具重量和缩短换刀时间，锥柄的长度可以缩短。这种联结实现了端面与锥面的同时接触定位，刚度和高速性能好。但是弹性元件的加工精度要求很高，否则形成的虚拟锥体与主轴锥孔难以形成良好的配合。并且弹性元件与锥孔还会产生永久变形，这对重复定位精度有影响。二、wus-2结构这是一种对标准7/24锥度联接进行改进的结构。标准7/24锥度联接的主要缺点是配合区特别是其后段会出现间隙，使得精度、刚度下降。wus-2就是基于消除这种间隙的考虑而对标准7/24锥度联接进行的改进口”。刀柄结构是在7/24标准锥体的尾部加工有同轴凹槽，槽内安装有一列或几列同直径的滚珠，滚珠形成的外包络直径稍大于刀柄与主轴锥孔配合时的间隙直径，滚珠固定在橡胶或塑料保持架内。在装配过程中，滚珠及其接触区变形，就撑起了间隙。这个变形不但确保了刀柄在主轴锥孔内的精确位置，而且由于防止了刀柄在接触区域前端的旋转，就增加了刀具末端的刚度。结果，刀柄在主轴锥孔内的微动极大地减弱。精密滚珠应具有非常高的尺寸精度，很好的弹性以及合理的价格。此方案解决了间隙问题，但是对同轴凹槽的加工精度要求很高，高速时标准7/24锥度联结出现的问题依然存在。因此不适合高速主轴与刀具的联接。1.3课题的研究背景和意义刀具联接系统是高速加工机床的重要组成部分，它的性能对于整个加工系统来说，具有很重要的意义，由于它的高精密度和重要性，所以价格比较昂贵。图1.1是某企业使用的一种价值昂贵的进口高速切削数控机床的刀具座，这个刀具座的底部所使用的联接系统既是前文所介绍的hsk空心短锥柄联接系统。 图1.1刀具座fig.1.1 toolframe然而这种型号的刀具座在使用了一年左右以后，几乎所有的刀具座都会在爪根部拐角处出现裂纹，图1.2所示的就是其中一个出现裂纹的刀具座（裂纹在字头爪根部）。图1.2刀具座裂纹fig.1.2 toolframes crack在长期的使用中这种裂纹的突然出现，产生了很大的危害：一、这种专用刀具座是从国外进口，价格非常昂贵，大量的毁坏给企业带来了直接的经济损失。二、当刀具座出现裂纹以后，企业没有及时发现的情况下，连续的加工会直接影响加工工件的表面精度。三、企业发现刀具座的裂纹以后，直接形成了一段时间的停产停工，影响了整个企业流水线上其他产品的生产，造成大量的间接经济损失。四、出现裂纹的刀具座，在高速旋转状态下，随时都有断裂飞出的可能，对人员和设备形成潜在的威胁。第2章 基于弹塑性理论的刀具座受力分析2.1引言多个刀具座出现问题以后，由于巨大的危害，该企业迅速采取相应的措施来降低由裂纹给企业带来的损失。为了避免以后再发生类似的生产事故，查找刀具座产生裂纹的原因尤为重要。经过仔细的排查，排除了刀具座安装和使用不当造成裂纹的可能。在使用中，在过量的静载荷的作用下，刀具座可能会出现断裂：在交变载荷的作用下，长期的使用也会产生疲劳断裂。本章将通过对刀具座建立理论分析模型，对其进行弹塑性力学理论分析，计算刀具座在使用中由于离心力而产生的应力，再通过疲劳理论分析查找刀具座产生裂纹的原因。2.2弹塑性理论弹塑性力学是固体力学的一个重要分支，是研究弹性和弹塑性物体变形规律的一门学科 。求解弹塑性力学问题的数学方法，就是根据几何方程，物理方程和运动（或平衡）方程以及力和位移的边界条件和初始条件，解出位移、应变和应力等函数。用这种方法求解一些较简单的问题十分有效。在这一领域中，有两类方法 ：一、精确解法，即能满足弹塑性力学中全部方程的解；二、近似解法，即根据问题的性质，采用合理的简化假设，从而获得近似结果。弹塑性力学中的基本假设有 ：一、连续性假设这一假设认为，构件整个体积内处处充满介质，没有任何间隙，根据这一假设，可以把构件受力后的一切物理量，如应力、应变、位移等写成坐标连续的函数，以简化数学处理。二、均匀性假设这一假设认为，构件任一质点的力学性质与其所处部位无关，物理常数不随位置的变化而变化。三、各向同性假设即构件的力学性质与方向无关，沿任何方向所取的微体，其力学性质相同。四、小变形假设变形后的物体内各点的位移都远小于物体本来的尺寸，因而可忽略变形所引起的几何变化。 2.2.1基本方程弹塑性力学基本方程的建立需要从几何学、运动学和物理学三个方面来进行分析。在运动学方面，主要是建立物体的平衡条件，反映这一规律的数学方程有两类，即运动（或平衡）微分方程和载荷的边界条件。它们都与材料的力学性质无关，属于普适方程。在物理学方面，则要建立应力与应变或应力与应变增量之间的关系，这种关系称为本构方程，它描述材料在不同环境下的力学性质。由于物体是连续的，因而在变形时各相邻小单元都是相互联系的，通过研究位移和应变之间的关系，可以得到变形的协调条件。反映变形连续规律的数学表达式有两类，即几何条件和位移边界条件。对于动力学问题，还要给出初始条件。当物体以等角速度绕中心轴旋转，若材料的密度为，则径向离心力为r=2 （2.1）当cnc机床主轴等角速度转动时，其应力分量为r、，z；，问题属于平面问题，则平衡方程为 (2.2)弹性节构方程为 (2.3)几何方程为 (2.4) (2.5)通过应力函数解法求解，由几何方程可求得协调方程为 (2.6)将式(2.3)代入(2.6)，则得到以应力分量表示的协调方程为 (2.7)或者写成将上式积分，可得即 (2.8)将上式代入协调方程(2.4)可得或者写成 (2.9)积分可得 (2.10)代入(2.8)，可得 (2.11)轴向应力由弹性本构方程以及得 或端面上合力为零的条件确定，即 (2.12)旋转圆轴的径向位移则由几何方程与弹性本构方程求得，即 (2.13)2.2.2弹塑性分析的准则对于一般金属材料，在所受载荷引起的应力低于屈服极限情况下是呈现弹性性质，当外载荷去除后，由载荷引起的应力，应变也随之消失，而当外载荷引起的应力超过材料的屈服极限时，卸载后应变并不完全消失，而是留下一定的残余应变，这就是金属材料的弹塑性行为，属于材料的非线性问题。一、屈服准则屈服准则又称塑性准则，它是判断材料处于弹性阶段还是处于塑性阶段的准则 。在简单拉伸实验中，问题是很容易解决的。即当应力小于屈服极限s时，材料不发生塑性变形，当应力达到屈服极限后，所发生的变形就含有塑性变形。然而在复杂应力状态时问题中，一点的应力状态是由六个应力分量所决定的，因而不能选取某一个应力分量的数值作为判断材料是否进入塑性状态的标准。而是应该考虑所有这些应力分量对材料进入塑性状态是的影响。由于材料的屈服极限吼口，是唯一的，所以就应该用应力或应力的组合作为判断材料是否进入了塑性变形状态的准则。知道了应力状态和屈服准则，程序就能确定是否有塑性应变产生。对于各向同性材料，屈服条件一般可以表示为 (j2,j3)=c (2.14)式中(j2,j3)为屈服函数，(j2,j3)分别为应力偏量的第二、第三不变量，c为常数。在塑性理论中，两种常用的屈服条件是米泽斯（von mises）屈服条件和特雷斯卡（tresca）屈服条件。1.von mises屈服条件von mises屈服条件认为，对于各向同性材料，当以等于某一定值时，材料就进入屈服状态，其表达式可以表示为(-) +(-) +（-）+6（+）=2k (2.15)式中，k是应力作用标志参数，它与材料性能有关，、，分别是各方向上的应力，、 分别是各平面上的剪切应力。它在平面上的屈服轨迹是个圆。2.tresca屈服条件tresca屈服条件认为金属的塑性变形是由剪切应