利用网状锥套动态补偿离心膨胀高速刀柄的研究

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在现代制造业中,机床的高速化是一个必然趋势。随着机床主轴转速的不断提高,因离心膨胀导致刀柄与主轴锥孔出现间隙的问题越来越严重,使传统BT刀柄不适合于高速加工,迫切需要开发新型高速刀柄。由日本开发的Showa D-F-C与3LOCK刀柄锥体采用了锥套与碟形弹簧组合式结构,高速加工时锥套可在碟形弹簧的推动下轴向移动来补偿刀柄与主轴锥孔间隙,提高了机床主轴的极限转速。但由于Showa D-F-C刀柄无法补偿锥套与刀柄本体接触圆柱面因离心膨胀出现的间隙以及3LOCK刀柄自身动平衡问题,这两种刀柄的极限转速无法进一步提高。  针对离心膨胀导致刀柄与主轴锥孔出现间隙的问题,结合以上两种刀柄的补偿原理,设计了一种利用网状锥套动态补偿离心膨胀的高速刀柄,简称新型高速刀柄。通过相关理论及有限元仿真计算设计了新型高速刀柄的结构,研究了刀柄/主轴联接性能,具体内容如下:  首先,对新型高速刀柄进行了结构设计:确定了其基本外形尺寸及设计要求;确定了锁紧螺母的结构尺寸并选取标准拉钉作为夹紧机构,给出了新型高速刀柄性能保证措施;设计了适用于本结构非标准碟形弹簧的外形尺寸,理论计算得到了其变形-载荷特性曲线,通过有限元仿真确定了其初始预紧量。  其次,对网状锥套进行了设计:确定了其基本外形尺寸;设计了其两种开缝方式并进行了比较;利用有限元仿真与正交试验相结合的方法确定了其结构参数;通过研究转速对接触锥面和圆柱面状态的影响,确定了其锥面过盈量的取值范围,给出了网状锥套与刀柄本体的结构尺寸图。  最后,结合HSK刀柄,对新型高速刀柄/主轴联接性能进行了分析:分析了其定位精度;利用有限元仿真对其径向刚度和扭转刚度进行了计算并与HSK刀柄进行对比,确定了其预紧力;分析了转速对网状锥套轴线移动量、锥面和端面平均接触应力的影响,确定了其极限转速。
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