張祥雷，姚 斌，3，姚博世，趙仲琪

(1.廈門大學(xué) 機電工程系，福建 廈門 361005;2.陜西漢江機床有限公司，陜西 漢中 723003;3.陜西理工學(xué)院，陜西 漢中 723000)

可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨削的夾具變形分析*

張祥雷1，姚 斌1，3，姚博世2，趙仲琪2

(1.廈門大學(xué) 機電工程系，福建 廈門 361005;2.陜西漢江機床有限公司，陜西 漢中 723003;3.陜西理工學(xué)院，陜西 漢中 723000)

在高速精密磨削可轉(zhuǎn)位刀片周邊時，由于采用雙頂尖油壓夾緊刀片，再通過在刀片上產(chǎn)生的摩擦力和油壓力來約束刀片的6個運動自由度，造成夾具結(jié)構(gòu)剛性相對薄弱。為此，針對極限夾緊工況時夾具的受力變形進行了分析，通過結(jié)構(gòu)改進與誤差補償，提高了夾具定位精度和磨削加工的可靠性。

可轉(zhuǎn)位刀片;夾具;磨削力;夾緊力;變形

0 引言

在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片周邊的高速精密磨削生產(chǎn)中，由于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片型號和種類繁多、外形偏小，往往采用可快速更換的雙頂尖定位方式，瑞士的AGATHON公司的刀片工具磨床、德國JUNKER的刀片工具磨床、日本的WAIDA刀片工具磨床等均采用了此種定位夾緊方式。而且為了實現(xiàn)高速磨削(≥60m/s)，金剛石砂輪直徑都偏大(400mm左右)。勢必造成夾具結(jié)構(gòu)剛性相對薄弱，為此，從雙頂尖定位夾持的可靠性和工作精度保持性考慮，很有必要對這種夾緊定位方式進行技術(shù)分析。

1 可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨削的原理與夾具分析

設(shè)計刀片磨削夾具，必須結(jié)合刀片幾何結(jié)構(gòu)和切削參數(shù)的要求，選用精度較高的制造設(shè)備，選擇合適的砂輪類型，合理的安排磨削工藝以及可靠的檢測手段。圖1所示為CNC可轉(zhuǎn)位刀片周邊五軸工具磨床磨削部分結(jié)構(gòu)簡圖。其有XYABC五個運動軸聯(lián)動機床形式(包括砂輪主軸箱所在的X、Y兩個移動軸和夾具所在的A、B、C三個旋轉(zhuǎn)軸)。工件裝在雙頂尖夾具上可以繞B軸轉(zhuǎn)動，雙頂尖夾具裝在可以繞C軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動底座上，轉(zhuǎn)動底座置于機床工作臺上。碗型砂輪主軸隨主軸箱可以沿Y軸做往復(fù)移動。可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨削的原理主要是利用沿Y軸往復(fù)擺動的旋轉(zhuǎn)砂輪端面刃磨刀片的后刀面。

圖1 可轉(zhuǎn)位刀片周邊五軸工具磨床磨削部分簡圖

根據(jù)可轉(zhuǎn)位刀片的無安裝孔類型和有安裝孔類型，尾頂尖可選擇為平面的和錐面的。在進行周邊磨削之前，無安裝孔刀片的兩個大面已研磨加工過;有安裝孔刀片的支持平面已研磨加工過，另一端可做定位的孔口也已完成了研磨加工。通過分析計算得到，圖2a的定位方式限制了3個自由度(X、Y^、Z^)，圖2b的孔口錐面定位方式限制了5個自由度(X、Y、Z、Y^、Z^)。在尾頂尖上的油壓足夠大時，在刀片上產(chǎn)生的摩擦力完全能克服磨削力產(chǎn)生的影響，就可克服刀片繞頂尖軸線的轉(zhuǎn)動和沿著頂尖端面的移動，故刀片的6個自由度被約束了。

圖2 有、無安裝孔的兩種雙頂尖定位方式

2 在工作中的夾具有限元(變形)分析

在刀片磨削中，機床初始及工作時夾具的運動位置見圖3所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，在不考慮夾具支座下方連接件的變形情況下，夾具支座是最主要的變形環(huán)節(jié)，為此對夾具的受力分析見圖4所示。P為尾頂尖油壓力，F(xiàn)a、Ft為砂輪磨削硬質(zhì)合金刀片時，在頂尖平面上生成的法向磨削力和切向磨削力，M為頂尖收到的彎矩。

圖3 機床初始及工作時夾具的位置關(guān)系圖

圖4 夾具受力分析圖

磨削力可由(1)式和(2)式估算獲得。

其中:T為主軸電機扭矩，F(xiàn)為磨削力，r為砂輪半徑，P為電機功率，n為砂輪最高轉(zhuǎn)速。查相關(guān)參數(shù)計算得出磨削力為151.2N;尾頂尖的油壓作用力范圍為2kN到11kN。

在磨削加工時，夾具支座夾持住刀片，此時夾具支座將形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，利用ANSYS軟件施加重力、磨削力與最大夾緊力(11kN，即極限夾緊工況)對夾具支座帶刀片的模型進行有限元分析，表1為它們各自的位移云圖。

由表1的結(jié)果可知，夾具支座在自重狀況下變形在0.3μm以內(nèi)，具有良好的精度。但在最大夾緊力作用時，夾具支座發(fā)生了較大的變形，夾具支座最大變形達(dá)到15.31μm，刀片磨削端面的最大位移變形達(dá)到5.63μm，表明夾具支座的結(jié)構(gòu)剛性較差，需要改進結(jié)構(gòu)。

表1 夾具支座帶刀片的分析結(jié)果

3 夾具的優(yōu)化設(shè)計

3.1 夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

夾具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如下:

(1)軸承安裝要嚴(yán)格按照預(yù)緊力要求進行。

(2)用于固定驅(qū)動頂尖、尾頂尖的零部件材料選用45調(diào)質(zhì)鋼代替原來的HT200，提高固定頂尖的強度和剛性。

(3)在夾具支座兩側(cè)增加四塊加強筋板以提高支座兩側(cè)的抗彎剛度。

(4)采用φ10mm頂尖代替原來的φ8mm，增大頂尖的徑向面積以提高頂尖的強度。

夾具結(jié)構(gòu)經(jīng)以上改進優(yōu)化后，施加相同的載荷條件對其進行有限元分析，仿真結(jié)果如圖5所示。提取仿真結(jié)果數(shù)據(jù)可知，夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后在極限夾緊工況下最大變形為12.63μm;刀片磨削端面的最大變形為5.75μm，比優(yōu)化前變形減少了17.74%。

圖5 極限夾緊工況下夾具優(yōu)化后的位移云圖

3.2 誤差補償分析

在夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，仍然存在的變形可以通過機床檢測系統(tǒng)測量刀片位姿后補償此處的夾緊定位變形，并在加工前提前預(yù)測及通過數(shù)控系統(tǒng)補償由磨削力造成的變形。

補償思路如下:

(1)對夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型進行有限元分析，施加重力和最大夾緊力載荷，提取分析結(jié)構(gòu)可知刀片磨削端面在最大夾緊力作用下發(fā)生4.16μm的位移變形，這在定位校正時應(yīng)給予補償相應(yīng)方向位姿誤差。

(2)優(yōu)化后的夾具在磨削力作用后位移變形相比之前又增加了1.59μm，這需要給予足夠的重視，并在加工代碼生成時及時補償這一加工誤差以提高加工精度。

4 結(jié)論

為了確保硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片周邊高速精密磨削的可靠性，開展了雙頂尖定位夾具的受力與變形分析，以薄弱環(huán)節(jié)夾具支座夾持刀片的閉環(huán)結(jié)構(gòu)為對象進行有限元分析，施加極限加工工況下的受力條件，找到夾具支座的薄弱環(huán)節(jié)及變形狀況，獲得刀片磨削端面的最大變形。通過結(jié)構(gòu)改進與相應(yīng)的誤差補償，提高了夾具定位精度和磨削加工的可靠性。

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(編輯 趙蓉)

Deform Analysis on Fixture for Peripheral Grinding of Indexable Inserts

ZHANG Xiang-lei1，YAO Bin1，YAO Bo-shi2，ZHAO Zhong-qi2
(1.Department ofMechanical＆ Electrical Engineering，Xiamen University，Xiameng Fujian 361005，China;2.Shaanxi Hanjiang Machine Tool Co.，Ltd.，Hanzhong Shaanxi723003，China)

In high speed precision grinding the peripheral of indexable inserts，due to the double chucks clamping the blade by the oil pressure，and through the friction and the oil pressure produced in the blade to restrain the insert’six movement degrees，all these w illmake the fixture structure rigid become relatively weak.Therefore，the paper analyses the fixture deformation in the lim it working condition，and improves the accuracy of the fixture location and the reliability of the grinding process through the structure improvement and error compesation.

indexable inserts;fixture;grinding force;clamping force;deformation

TH164

A

1001－2265(2013)03－0009－03

2012－08－13;

2012－09－14

國家國家科技重大專項(2010ZX04001－162)

張祥雷(1987—)，男，浙江溫州人，廈門大學(xué)機電工程系博士，主要研究方向為復(fù)雜曲面成形與精密數(shù)控裝備制造技術(shù)研究;通訊作者:姚斌(1963—)，男，湖北宜都人，廈門大學(xué)機電工程系教授，陜西理工學(xué)院特聘教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為復(fù)雜曲面成形及其智能裝備技術(shù)，(E －mail)yaobin@xmu.edu.cn。