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高速主轴刀柄联接的离心力效应分析
作者: 发布于:2013-01-04 08:32:36 点击量:

3 有限元分析 由于几何结构、载荷和约束的轴对称性,进行有限元分析时,用二维轴对称板单元模拟三维实体单元。在主轴与刀柄间建立接触点对,两者间的摩擦符合库仑定律,求解过程中采用牛顿—拉普森迭代法。ISO 40联接系统的夹紧力作用在刀柄后端,而HSK-A63联接系统的夹紧力则作用在刀柄内孔30°锥面上。 1. 变形分析 如图1所示,主轴/刀柄联接的径向间隙随旋转速度的提高呈平方关系增长,且在整个接触锥面上,这种变化是不均匀的。由图1a可知,ISO 40刀柄大端处的间隙比其它部分间隙大,径向间隙的变化呈喇叭口形,且随着转速的提高,喇叭口趋势更加明显:旋转速度为10 000r/min时,大端间隙为3.4µm,小端间隙为1.3µm,大小端间隙差为2.1µm;而当速度提高到30 00r/min时,大端间隙为30.9µm,小端间隙为11.7µm,间隙差增大至19.2为。由于HSK-A63联接的锥度较小且刀柄为中空结构,因此其径向间隙较ISO 40联接要均匀得多,大小端间隙差不超过1µm。
(a)ISO 40 (b)HSK-A63
图1 旋转速度对径向间隙的影响
标准"ISO7388/1-83和ISO/DIS 7290规定7:24刀柄的锥角公差为AT4级,主轴锥孔的锥角公差为AT6级;标准ISO12164-4则对HSK系列刀柄和主轴的尺寸标注进行了规范。经过换算,可以分别求出刀柄锥面与主轴锥孔的大小端尺寸公差及配合(见表1)。
表1 主轴/刀柄联接的公差与配合
规格  刀柄  主轴  配合
 大端直径(mm)  小端直径(mm)  大端直径(mm)  小端直径(mm)  大端(µm)  小端(µm)
ISO 40  44.45  25.3-0.0043  44.45  25.3+0.011  0  0~15.3
HSK-A63  48  +0.013
 +0.007
 46.53  +0.010
 +0.004
 48   0
 -0.004
 46.53   0
 -0.004
 -17~-7  -14~-4
从表1中可以看出,如果刀柄与主轴的加工误差均符合标准要求,那么ISO 40主轴/刀柄联接在小端处的最大径向间隙可达15.3µm。如此大的间隙再加上离心力形成的间隙,就会使得主轴与刀柄间的联接变松,导致刀柄在轴向夹紧力的作用下向主轴后端移动,引起刀柄轴向定位误差。由于变形与接触应力的非均匀性,当转速超过一定值时,刀柄的某些部分将与主轴发生分离。HSK-A63联接虽然采用“端面+锥面”的双面接触方式,但当转速达到某一极限值,锥面也会分离,使得刀具在切削力的作用下产生摆动。 由上述分析可见,按照标准制造的刀柄与主轴,不论是ISO40联接还是HSK-A63联接,都存在着过盈量不足的问题。因此,要确保刀柄与主轴间联接的可靠性,就需提高过盈量,以抵消离心力产生的减少效应,并在联接面形成足够的接触应力实现对刀柄的精确定位和可靠夹紧功能。
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