高速微主轴刀具夹持机构设计与试验研究

高速微主轴刀具夹持机构设计与试验研究

0超高速超精密微主轴中刀具夹持结构的设计随着微型切割加工技术的快速发展和应用，微轴的旋转和刀座旋转的精度不断提高，相应地对零件的动平衡性能和动态特征提出了很高的要求。特别是在高速模式下，工具固定机构的要求具有较高的动平衡性和良好的定位性，从而确保了快速、准确的加工。否则，旋转越高，离心越大。如果达到系统的临界状态，刀体就会发生变化，加工质量越低，刀体长度越短，董事的轴承损坏严重。目前，高速精密主轴中刀具的夹持型式主要有弹簧头夹持、液压式夹持、热缩配合式夹持、液压机械式夹持等。而在微主轴中应用较多的是弹簧夹头，但是其结构还是比较复杂，尺寸越小，动平衡性越差，而且其制造、安装误差等会传递到刀具上，加剧刀具的跳动；液压夹头结构也较复杂，很难缩小到所要求的尺寸大小，动平衡性也较差；热缩夹头无辅助夹紧零件，结构简单，动平衡性也好，但是需要专门的设备来实现刀具的安装与拆卸。此外，小型零部件中还有采用定位螺钉夹持的，但是在工作过程中，由于振动等因素，螺钉易松脱，可靠性较差，而且动平衡性也差。形状记忆合金(Shapememoryalloy,SMA)是一种具有形状记忆效应和超弹性特性的新型功能性材料，目前已广泛应用于管道连接、天线、驱动器、血管内支架等工业、仪表和医疗领域。如果能将SMA引入到微夹头中，利用其双程形状记忆效应实现刀具的安装和拆卸，可以极大地减小夹头结构的复杂程度及尺寸大小，且操作方便，所以采用SMA是解决超高速超精密微主轴中刀具夹持的一种有效方法。但是根据微主轴的使用要求及SMA的材料特性，其制造工艺要求较高，这是因为不同种SMA训练后的双程形状记忆效应差别很大，甚至是同种SMA，成分质量分数不同，其最大双程形状记忆效应所对应的训练工艺也不同。不仅如此，即使同成分的SMA，热处理温度、加载变形量等不同，也会导致双程形状记忆效应的差别很大，从而会带来夹头夹持性能的差异，甚至不能满足刀具夹持要求。所以针对特定的SMA，必须通过试验确定其最佳双程形状记忆效应所对应的制造工艺及使用温度范围。本文设计了一种基于SMA的一体式微夹头结构，并针对微主轴性能要求进行了详细的理论设计分析；深入研究了其制造工艺，测试了安装操作及夹持力等性能，为超高速超精密微主轴及其他高速精密微小型传动机构的研发打下基础。1双程形状记忆本文提出的微夹头如图1所示，在主动轴轴端中心设置有轴向孔，以便装入刀具或从动轴，同时均布有3个或4个通槽(图1设置4个)，形成夹爪，将采用SMA制成的环装在夹爪的外圆周上，并依靠轴肩定位。由于夹爪可以直接在轴端加工而成，避免了因独立夹头所带来的制造、安装等误差及动平衡性问题；采用夹爪并在底部加工切槽，进一步减小夹爪的变形抗力，从而有助于夹头夹持性能的提高；利用SMA环的双程形状记忆效应实现刀具的夹持和拆卸，不仅操作简单，而且不会带来动平衡性能的问题。该微夹头中SMA环是经过特殊的时效处理和热-机械训练后具有双程形状记忆效应的夹环，具体工作原理是：当温度降低到Mf(马氏体相变终止温度)以下，SMA环中的奥氏体转变为马氏体，并回复到低温时的形状。同时由于SMA在马氏体状态时的弹性模量和屈服强度小于奥氏体状态时的，所以SMA环在较小的作用力可以发生较大的变形，这也就是说夹爪的弹性回复力有助于SMA环的低温膨胀。此时夹爪松开，可以取出或装入刀具；当装入刀具后，将SMA加热到Af(逆向变终止温度)，SMA中的马氏体逐渐转变为奥氏体，SMA环收缩回复到高温状态时的形状。由于SMA在奥氏体状态时的弹性模量和屈服强度大于马氏体状态时的，所以SMA环收缩时产生较大的回复力，使夹爪收缩，从而在刀柄上产生较大的夹持力夹持刀具。而且SMA环的冷却加热温度要在合适范围内，根据微主轴的应用环境条件，加热温度最好在室温范围，冷却温度应偏离室温，但不应太低，否则刀具安装拆卸操作不方便。整个微夹头结构简单，动平衡性能好，而且还可以根据应用部件的大小调整，非常适合于超高速超精密微主轴及其他高速精密微小型传动机构。2工程实例分析2.1微主导型刀具结构参数的确定本研究将该微夹头应用于一种超高速超精密微主轴中，已知主动轴、SMA环、微刀具的外径分别为7mm,8mm,3.175mm，主动轴采用不锈钢9Cr18，材料特性如表1所示。刀具承受的载荷主要有转矩和轴向力，其大小分别为5N·mm和5N。夹爪要夹持住刀柄就必须克服上述载荷，如果忽略退刀槽的影响，则夹爪克服刀具载荷作用在刀柄上的夹持力Fc-t及相应的压力pc-t至少为式中，Fax为轴向力，T为转矩，ds为刀柄直径，lc为夹持长度，μs为静摩擦因数。本设计夹持长度取为4mm，根据式(1)、(2)可得出夹爪克服载荷作用在刀柄上的夹持力为39.4N，压力为0.99MPa。当SMA环加热收缩时，刀柄、夹爪、SMA环上任一点将产生径向位移，其位移量为式中，ur为径向位移，E为弹性模量，ν为泊松比，ri为外半径，ro为内半径，r为半径，po为外表面压力，pi为内表面压力。同时为了实现刀具能够顺利拆卸或安装，夹爪与刀柄之间应采用间隙配合；而为了增大微夹头的夹持能力，SMA环与夹爪之间应采用过盈装配，相应的间隙量和过盈量分别为式中，Cc-t为夹爪与刀柄之间的间隙量，δr-c为SMA环与夹爪之间的过盈量，ut-o为刀柄外表面上任一点的位移量，uc-i为夹爪内表面上任一点的位移量，uc-o为夹爪外表面上任一点的位移量，ur-i为SMA环内表面上任一点的位移量。根据目前市场上微型刀具的结构尺寸，设计夹爪内径为3.175mm，间隙为5μm，夹爪外径取为5mm。结合刀具所需要的夹持力，并根据式(3)可得出夹爪外表面需要的最小压力为217.57MPa，夹爪外径要减小约10μm。当SMA环加热收缩时，在夹爪外表面形成作用力，该回复作用力受合金的制备工艺、双程形状记忆训练(也称热-机械训练)工艺等影响较大，很难得到精确数值，需要根据试验测定。文献给出的一种粗略估算模型为式中，pr-c为回复作用力，σ为回复应力(200MPa)。从式(6)可以看出，SMA环的回复作用力随着内径的增大而减小。当合金环的内径为5mm，外径为8mm时，根据式(3)、(4)、(6)及上述分析尺寸，所需要的过盈量至少为44μm。最终精确尺寸及过盈量还需要根据SMA环热-机械训练后的尺寸确定。微主轴高速旋转时，刀柄、夹爪及SMA环上会产生离心力。离心力Fc及由此引起的压力pc为式中，ρ为密度，ω为角速度。2.2静力试验结果SMA内单向应力会促进马氏体相变，这也就是说即使环境温度没有降低到Ms附近时，在外力作用下，超过弹性极限的应力会促进马氏体相变的产生，而当应力降低时，相变按逆向进行，即由马氏体相变转变成母相，这是SMA合金的另一种重要性能——超弹性，也称为拟弹性或伪弹性。由于母相在高温下更趋稳定，因而应力诱发马氏体相变所需的应力更高。这就有可能降低SMA环的回复作用力，为微夹头的夹持性能带来了不确定性因素。因此为了确认上述设计参数的合理性，本研究选用通用有限元计算软件ANSYS作为计算工具，通过改变SMA环与夹爪之间的过盈量来计算微夹头的夹持性能，为最终确定结构参数提供依据。根据上述结构参数及材料性能建立实体模型，选择8节点6面体单元对其进行网格划分，如图2所示。固定夹爪与主动轴固连的径向横截面，分别在刀具的外表面与夹爪的内表面之间、夹爪的外表面与SMA环的内表面之间建立摩擦接触副，摩擦因数为0.15，选用增广Lagrange接触方程。图3是在夹爪外径与SMA环内径过盈装配情况下夹爪的收缩量(内半径减小量)。从图中可以看出，SMA环在奥氏体组织下(即高温下)和在马氏体组织下(即低温下)引起夹爪的收缩量都随着过盈量的增大而增大；而SMA环在奥氏体组织下造成夹爪的收缩量更大，且随着过盈量的增大，SMA环在两种组织下引起夹爪的收缩量的差距也逐渐增大。这也表明可以通过温度的变化改变SMA环内的组织结构，进而控制夹头的夹紧与松开，而夹头的夹持性能如夹爪的夹紧力、收缩张开范围可以通过SMA环与夹爪之间的过盈量及夹爪与被夹持件的间隙量来调节。当夹爪与SMA环的过盈量为0.1mm时，夹爪的平均收缩量约为80.1μm。由于SMA环受夹爪的反作用力，可能会出现部分马氏体相变，从而造成夹爪的收缩量有所减小，但是不会小于SMA环在马氏体组织下引起的夹爪收缩量58.5μm。微主轴转速越高，产生的离心力越大，从而会减小夹头的夹持力。虽然上述设计分析中已给出了离心力的理论计算式(7)、(8)，但是对于本研究SMA环、夹爪、刀具之间较为复杂的装配关系，直接采用理论模型计算分析较为繁琐，误差也较大。为此，本研究还是选用通用有限元计算软件ANSYS作为计算工具，分析高转速下离心力对微夹头性能的影响。在上述有限元模型的基础上，取消夹爪与主动轴固连的径向横截面的固定边界条件，代之以固定SMA环外圆面和与夹爪固连的主动轴外圆面的轴向和切向，并加载不同的转速。图4是在夹爪与SMA环的过盈量为0.1mm的条件下，仿真计算得出的不同转速引起夹爪内表面的平均位移量，其中Y轴正值表示夹爪内表面的扩大量，Y轴负值表示夹爪内表面的收缩量。从图中可以看出，低转速下，离心力的影响可以忽略不计；而当转速提高到1×105r/min以上时，离心力的影响开始显现出来，且随着转速的提高，离心力的影响也越大；直到转速提高到1.15×106r/min时，夹爪由收缩状态转化为扩大状态。而本研究微主轴设计的最高转速为5×105r/min，在该转速下夹爪的收缩量约为35.1μm，因此在本研究微主轴中应用此基于SMA的微夹头是能够满足要求的。3热处理对sma环记忆量的影响材料选取：目前所研究的SMA主要有三类，即TiNi基合金、Cu基合金和Fe基合金，考虑到TiNi基合金除了具有优异的形状记忆效应之外，同时在强度、韧性和耐腐蚀性方面显示出良好的性能，故本设计拟采用TiNi基SMA，如图5所示，其外径为8mm,Ti和Ni的质量分数分别为49.6%和50.4%。经加工和热处理后的部分SMA环如图6所示。热-机械训练如下。(1)将SMA环冷却，使其发生马氏体相变，然后加载(即扩孔)继续冷却，如图7所示。加载模具直径为d,SMA环内径为D，则加载变形量为ε为(2)将SMA环卸载后放在恒温箱中加热，使其发生奥氏体相变。(3)重复以上步骤。本研究中将SMA环放在冷柜中冷却，并设置冷却温度为-10℃±2℃；加热在电热恒温干燥箱中进行，并设置加热温度为80℃±2℃。本试验的冷却温度和加热温度分别偏离Mf和Af较远，主要是考虑到热处理温度及训练次数等会对SMA的相变温度有一定的影响。在SMA环完成一次冷却加载并加热后，采用内径千分表(分辨率为1μm)开始测量其内径，冷却一段时间后再次测量其内径，两者之差即为每次训练后合金环的双程形状记忆量，如此反复。考虑到加载棒的形状误差及SMA环高低温形状变化的不均匀性，每次测量取SMA环内径的最大值和最小值，最终内径以两者平均值为准。图8为经过400℃温度热处理后的SMA环双程形状记忆量与低温下加载变形量、训练次数的关系。从图中可以看出，当低温加载变形在8%～12%时，记忆量随加载变形量的增加而增大；在低温加载变形为12%～16%时，记忆量最大，但是加载变形量越大，高低温下SMA环的内径越大，相应的误差也越大；随着低温下加载变形量的进一步增大，记忆量却随之减小。图9为经过不同温度热处理后的SMA环，在低温加载变形12%的条件下记忆量与热处理温度、训练次数的关系。从图中可以看出，当温度在500～550℃时，记忆量随时效温度的升高而增大；当温度在550℃时，记忆量达到最大值，约为100μm；当温度高于550℃时，温度继续升高，记忆量却急剧减小。此外，从图8、9中还可以看出，当训练次数低于11或12次时，SMA环记忆量随着循环次数的增加而缓慢增大；当训练次数约为11或12次时，记忆量达到最大值；当训练次数继续增加，记忆量却有所下降。由此得出，对于本研究采用TiNi制造的SMA环，其最大双程形状记忆效应所对应的制造工艺为SMA环经550℃×1h热处理后，在-10℃低温条件下冷却并扩孔12%,80℃条件下加热，如此循环训练12次。4样品测试和性能测试4.1机械加工工艺的改进为了验证该一体式微夹头的性能，本研究试制出样机进行性能测试。动力轴采用9Cr18，夹爪通过车削外圆面-钻内孔-倒角-热处理-磨削内外圆柱面、端面-时效处理-电火花切割夹爪底部槽及十字槽加工工艺，在轴端部加工而成。同时根据上述SMA环在经过热—机械训练后，其高温下内径增大到约5.195mm，故将样机中的夹爪的外径扩大到5.2mm。SMA环采用TiNi基合金，根据上述的SMA环的热-机械训练结果，本文将SMA环在550℃保温1h，然后在加载变形12%的情况下循环训练12次，经测量形状记忆合金环在-10℃下的内径为5.2mm,80℃下的内径为5.1mm，从而其双程形状记忆量达到了100μm。4.2微夹头夹持试验本研究将SMA环、夹爪、被夹持轴(uf0663.175mm×38mm，代替刀柄)同时冷却，在-5℃下便可装入被夹持轴，然后放在室温环境(15℃)下即可夹紧，如图10所示。由此看出，安装温度并不需要降低到-10℃，这主要是由于夹爪冷却后产生收缩及易于发生弹性变形引起的，从而也方便了微夹头刀具的安装操作。为了测量微夹头的夹持性能，将微夹头轴端固定，在夹持轴的另一端加载砝码，并通过位移传感器来测量夹持轴部分的移动量，如图11所示。夹持轴发生较大位移前所对应的载荷即为本研究微夹头的夹持力。经测量，在室温环境(15℃)下本微夹头的夹持力达到8.5N。如果将夹头经热空气(约为65℃)加热3min后，仍在常温下测试，其夹持力达到了41N。此外，该微夹头已在1×105r/min下进行了初步运行测