可转位刀片周边磨削的夹具变形分析

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在硬质合金可转位刀片周边的高速精密磨削生产 中，由于硬质合金可转位刀片型号和种类繁多、外形偏小 ，往往采用可快速更换的双顶尖定位方式 ，瑞士的 AGATHON公司的刀片工具磨床、德 国 JUNKER的刀片工具磨床、日本的 WAIDA刀片工具磨床等均采用了此种定位夹 紧方式。而且为 了实现 高速磨削(≥60m/s)，金 刚石砂轮直径都偏大(400mm左右 )。

势必造成夹具结构刚性相对薄弱 ，为此 ，从 双顶尖定位夹持的可靠性和工作 精度保持性考虑 ，很有必要对这种夹 紧定位方式进行技术分析 。

l 可转位刀片周边磨削的原理与夹具分析设计 刀片磨削夹具 ，必须结合刀 片几何结构 和切削参数的要求 ，选用精度较高 的制造设备 ，选择合适的砂轮类 型，合理 的安排磨 削工艺 以及可靠 的检测手段 。图 1所示为 CNC可转位刀片周边五轴工具磨床磨削部分结构简图。其有 XYABC五个运动轴联动机床形式 (包括砂轮 主轴箱所在的 、l，两个移动轴和夹具所在的 A、B、c三个旋转轴 )。工件装在双顶尖夹具上可以绕 口轴转动 ，双顶尖夹具装在可以绕 C轴转动 的转动底座上 ，转动底座置于机床工作台上。碗型砂轮主轴随主轴箱可以沿 l，轴做往复移动∩转位刀片周边磨削的原理主要是利用沿 l，轴往复摆动的旋转砂轮端面刃磨刀片的后刀面。

图 1 可 转位 刀片周边五轴工具磨床磨削部分简 图根据可转位刀片的无安装孔类型和有安装孔类型，尾顶尖可选择为平面 的和锥 面的。在进行周 边磨削之前 ，无安装孔刀片的两个大面已研磨加工过 ；收稿 日期：2012-08-13；修回 日期 ：2012-09-l4基金项 目：国家国家科技重大专项(2010ZX04001-162)作者简介：张祥雷(1987-)，男，浙江温州人，厦门大学机电工程系博士，主要研究方向为复杂曲面成形与精密数控装备制造技术研究；通讯作者：姚斌(1963-)，男，湖北宜都人，厦门大学机电工程系教授 ，陕西理工学院特聘教授 ，博士生导师，主要研究方向为复杂曲面成形及其智能装备技术，(E-mail)yaobin###xmu.edu.en。

· 10· 组合机床与自动化加工技术 第 3期有安装孔刀片 的支持平 面已研磨加T过 ，另-端可做定位的孔 口也 已完成 了研磨加 T。通过分析计算得到 ，罔 2a的定位方式限制了 3个 自由度 ( 、y、z)，图 2b的孔 口锥面定位方式限制了 5个 自由度( 、y、z、，，、Z)。在尾顶尖上的油压足够大时，在刀片上产生的摩擦力完全能 克服磨削力 产生 的影响 ，就可克服刀片绕顶尖轴线 的转 动和沿 着顶尖端 面的移动，故刀片的 6个 自由度被约束 了。

驰动轴 ： 圈(a)无安装孔刀片的双顶尖平[ l定位 Il1有安装-fL)J片的双顷尖单半面及孔 V：1定位图 2 有 、无安装孑L的两种双顶 尖定位 方式2 在工作中的夹具有限元(变形)分析在刀片磨削 中，机床初始及 T作 时夹具 的运动位置见 图 3所示 通过分析发现 ，在不考虑夹具支座下方连接件 的变形情 况下 ，夹具支座是最主要的变形环节 ，为此对夹具的受 力分析见图 4所示 。P为尾顶尖油压力，F F 为砂轮磨削硬质合金刀片时，在顶尖平面上生成的法向磨削力和切 向磨 削力 ，M为顶尖收到的弯矩。

碗型砂轮- yX夹具初始位置i H图 3 机床初始 及工作时夹具 的位 置关 系图《 兰M、M图 4 夹 具 受 力 分 析 图磨削力可 南(1)式和(2)式估算获得。

TF×r (1) (2n其中： 为主轴电机扭矩，F为磨削力 ，r为砂轮半径 ，P为电机功率 ，n为砂轮最高转速 。查相关参数计算得出磨削力为 151.2N；尾顶尖的油压作用力范 同为2kN到 1 1 kN。

在磨削加T时 ，夹具支座夹持住刀片，此时夹具支座将形成-个 闭环系统，利用 ANSYS软件施加重力、磨削力与最大夹紧力(1 1 kN，即极限夹紧饿)对夹具支座带刀 片的模 型进行有 限元分析 ，表 1为它们各 自的位移云图。

由表 1的结果可知 ，夹具 支座 在 自重状况下变形在 0.3 m以内，具有 良好的精度。但在最大夹紧力作用时 ，夹具支座发生了较大的变形，夹具支座最大变形达到 15.31txm，刀片磨 削端 面的最大位移变形达到 5.63Ixm，表明夹具支座 的结构刚性较差 ，需要改进结构。

表 1 夹具支座带刀片的分析结果受 力 夹具 支座最大位移 刀片最大情况 位移变形 位移 罔变形I仅受重力 0.23txm 0.11Ixmr t-重力 --最大 15.31txm 5.63la，m 圈露 夹紧力 1'-，r：-重力 --最大夹紧力 15.37Ixm 6.77Ixm 。隧碰 戳豳磨削力3 夹具的优化设计3.1 夹具结构优化分析夹具的结构优化方案如下 ：(1)轴承安装要严格按照预紧力要求进行。

(2)用于固定驱动顶尖、尾顶尖的零部件材料选用 45调质钢代替原来 的 HT200，提高固定顶尖的强度和刚性。

(3)在夹具支座两侧增加 四块加强筋板以提 高支座两侧的抗弯刚度。

(4)采用 qbl0mm顶尖代替原来 的 48mm，增 大顶尖的径向面积以提高顶尖的强度 。

夹具结构经以上改进优化后 ，施加相 同的载 荷条件对其进行有限元分析，仿真结果如图 5所示。

提取仿真结果数据可知 ，夹具结构优化后在极限夹紧工况下最大变形为 l2.63Ixm；刀片磨削端面的最大变形为 5.75Ixm，比优化前变形减少了 17.74%。