HSK工具系统不平衡响应的计算和分析

　　1　HSK工具系统不平衡响应的有限元模型

　　1.1　有限元模型的创建

　　下面以HSK50E型刀柄和直径为10mm的平底立铣刀为研究对象,依据ISO12164-1标准中对刀柄和接口方式的具体规定,采用高端的CAD /CAE集成软件SiemensNX6,首先构建出HSK50E工具系统的三维装配模型,启动和NX无缝集成的NX Nastran中动力学分析模块,建立HSK工具系统装配组件的有限元模型,在自动网格划分基础上,进一步精细调整配合面和刀刃附近区域三维实体单元的大小,刀柄和刀具材料采用40CrNi2Mo,设置它们的物理属性参数如下:弹性模量E= 193 GPa,密度ρ= 7.85e-006 kg/mm3,泊松比μ=0.284,主要边界约束条件和不平衡质量作如下处理:

　　(1)根据刀柄“双面定位”的实际工况要求,也兼顾模型的简化效应,在圆柱坐标系中分别限制刀柄锥面小端棱边和端面外棱边的轴向自由度和切向自由度。

　　(2)刀柄和刀具通过热胀工艺联接成一体,忽略非线性接触刚度和阻尼对本模型计算的影响,因此在有限元模型中通过“胶合”[6]功能将刀柄和刀具联接为一个整体。

　　(3)目前一般的HSK刀柄常采用单面平衡方法[1],根据有关刚性转子平衡理论,可以把不平衡质量处理为一个集中质量CM施加在圆柱外表面上[3],在下面的计算模型中设定平衡半径为25 mm,配重为1 g,最终构建的HSK50E工具系统有限元模型如图1所示。

　　1.2　计算结果和分析

　　利用NX Nastran中的SOL 103-Response Simulation解算器[7],对上述的仿真模型进行计算,其中模态特征值的计算采用Lanczos方法,计算其前10阶固有频率和振型,如图2所示为前3阶振型和对应的固有频率大小,可以得出以下结论:

　　(1)从振型情况来看,激励频率接近1阶共振频率时主要表现为刀具整体横向弯曲变形,其中刀尖处的变形位移最大,并且1和2阶振型的变形和不平衡质量处于同一个截面内。

　　(2)从固有频率来看,上述HSK50E工具系统可以满足最高工作转速为30000 r/min的设计要求,即工具系统在正常工作中,由不平衡质量引起的激振频率远低于其1阶固有频率。

　　针对不同类型的HSK工具系统,可以采用上述的有限元分析方法和流程,分别计算不同刀具长度、刀具直径和刀具/刀柄的配合状态对整体结构模态的影响,便于进一步分析不平衡状况和其他结构参数对其整体动态性能的影响。

　　1.3　有限元模型实验验证方法

　　在构建上述HSK50E工具系统有限元模型的基础上,进一步去掉锥面和端面约束,得到了HSK50E工具系统自由无约束的有限元模型,解算可以得到自由状态下的各阶振型和固有频率,为了验证该有限元模型的合理性,用弹性带将工具系统悬挂起来,采用固定响应点移动激励点的力锤脉冲敲击法,如图3所示,通过动态信号测试仪得到多个频率响应函数,借助模态分析软件将频响函数曲线进行拟合,可以得到其前3阶振型、固有频率和阻尼比。