HSK-A63测温刀柄的结构设计及模态分析

徐　红，李广慧，谭光宇，郭林林，魏　波

(1.济南大学泉城学院工学院，山东 蓬莱 265600；2.广东海洋大学工程学院，广东 湛江 524088)

Structural Design and Modal Analysis of HSK-A63 Tool Holder with Temperature Measurement

XU Hong1，LI Guanghui2，TAN Guangyu2，GUO Linlin2，WEI Bo2

(1.Faculty of Engineering, Quancheng Institute, University of Jinan，Penglai 265600，China；

2.Faculty of Engineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China)



HSK-A63测温刀柄的结构设计及模态分析

徐红1，李广慧2，谭光宇2，郭林林2，魏波2

(1.济南大学泉城学院工学院，山东 蓬莱 265600；2.广东海洋大学工程学院，广东 湛江 524088)

Structural Design and Modal Analysis of HSK-A63 Tool Holder with Temperature Measurement

XU Hong1，LI Guanghui2，TAN Guangyu2，GUO Linlin2，WEI Bo2

(1.Faculty of Engineering, Quancheng Institute, University of Jinan，Penglai 265600，China；

2.Faculty of Engineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China)

摘要：为了便于测量立铣刀铣削温度，通过改进HSK-A63刀柄的结构，把测温数据采集模块安装到刀柄内部，设计出热电偶测温刀柄。利用Pro/E5.0软件建立嵌入式测温刀柄主体、弹簧夹头/螺母、立铣刀的三维实体模型并进行装配，在ANSYS Workbench中确立合理的边界条件和网格划分的基础上对装配体进行模态分析，得出固有频率和振型。

关键词：HSK-A63刀柄；模态分析；固有频率和振型

0　引言

为了更好地测出刀具刃部温度的变化情况，通过改进刀柄的结构，把数据采集模块安装在刀柄内部，使其和刀柄一起旋转，再通过无线传输装置传输到上位机，读取并转换为温度值得以实时显示，实现高速切削刀具刃区切削温度的实时、直接、连续测量，为研究铣削热对切削刀具的影响以及预测切削刀具破损提供重要的实验依据。

为了使设计的刀柄满足高速切削温度测量的要求，基于HSK-A63刀柄，对其结构进行改型。但在改型后的刀柄内部安装数据采集模块后,打破了原有的平衡。在高速切削下，不平衡质量会产生周期性的激振力，使整个系统的振动加剧，影响主轴和刀具的使用寿命，降低加工工件的表面质量[2-3]。因此，利用动力学理论和有限元方法,对改型后HSK刀柄/刀具的装配体进行分析。

1　嵌入式测温刀柄的结构设计

在转速低于10 000 r/min的普通切削中，紧靠单面定位的BT刀柄以它特殊的优点在数控机床的切削过程中发挥了重要的作用。但是在高速切削过程中，传统的BT刀柄并不能满足所需的要求，而HSK刀柄以良好的静动态性能等诸多功能和优势而被广泛用于高速加工中，现已成为最具发展前景的高速加工工具系统之一[4]。由于主轴、轴承以及刀柄部位等刚度相对较高，所以在加工时温度信号由热电偶通过内冷铣刀直接拾取。测温装置是直接安装在刀柄内部，对机床和刀具本身的加工或振动并不产生影响，只要刀具进行切削加工，就可以测量出切削温度，不受工件安装的影响，不仅可以选用不同的刀具，而且对机床其他结构不做改动。通过无线传输技术收集加工时的温度信号就可以进行实时分析处理，为研究切削机理提供重要依据。把分析结果反馈到机床的控制系统中，即可实时实效监控刀具切削温度的变化情况。

HSK-A63刀柄测温测量系统组成、结构及装配图如图1所示。图1中的锥柄部分根据ISO12164.1—2001标准[5-6]来确定。

图1　HSK-A63测温系统装配图

2　装配体中特征值计算

模态分析是动力学分析的基础，动力学分析是动态设计的基础。近几年来，有限元模态分析和实验模态分析在分析结构振动方面发挥了极其重要的作用，在实际运用中常把它们有效地结合在一起，充分发挥它们各自的优势，从而能够更加科学、有效地揭示工具系统的固有特性及振动规律。在此，采取数值模态分析法对装配体进行求解。动力学分析方程[7]为：

(1)

若无外激励力，即式(1)中f(t) =0，这时可以得工具系统的自由振动方程。固有频率和固有振型是系统的自然属性，通常忽略阻尼对求解结果的影响，则阻尼矩阵[C]=0。这样无阻尼自由振动方程为：

(2)

在自由振动时，假设各质点在平衡位置附近做的是简谐运动，则各节点的位移为：

中介服务机构没有尽职尽责的义务，片面追求自身经济利益，以获取佣金。对这种缺乏责任感、使命感的中介机构应追究弄虚作假的法律责任，这就让人想起“安然事件”，警示人们再次思考违规操作道德风险问题。[4]

(3)

x0为各节点的振型；ω为各振型下的振动频率；ψ为相位角。将式(3)代入式(2)并化简得：

(4)

从式(4)可以看出，它是一个以ω2为参数的齐次代数方程组。在结构发生振动过程中，各节点的振幅不可能全部为0。由线性代数理论，可以知道该方程组有非0解的唯一条件系数行列式为0，即

(5)

3　设置材料属性及网格划分

HSK刀柄、ER弹簧夹头/螺母、刀具的材料及属性如表1所示。

表1刀柄/刀具系统材料属性

阶数频率/Hz振型描述第一阶1623刀柄下部及刀具弯曲第二阶4839.7刀柄下部及刀具扭转第三阶7079.4刀具弯曲第四阶7557.9刀柄下部及刀具拉缩

在模型网格划分和求解过程中，将对整体模态影响不大的结构，如尺寸较小的螺纹和倒角等进行忽略处理，以便节省和优化实体单元。确定HSK刀柄的三维模型和材料属性之后，利用ANSYS Workbench对装配体进行仿真分析，为了更好地得到关键部分(刀柄锥部和端部、刀具等)的求解精度，在自动划分网格的基础上，细化关键部分的网格，如图2所示。

图2　HSK刀柄/刀具网格划分

4　有限元求解及结果分析

4.1HSK刀柄装配体的模态分析

研究工具系统的自由模态，能了解结构的一些固有特性，但工具系统是一个必须和主轴联接才能发挥其性能的结构件，所以模拟实际工况条件下的模态情况才更有实际意义。

4.1.1边界约束条件

在HSK-A63刀柄中，根据刀柄“双面定位”的实际工况要求，在圆柱坐标系中限制锥面和端面的轴向平移自由度及切向平移自由度，让径向自由度及其他旋转自由度处于无约束状态[2]。

4.1.2工具系统工况模态的计算

在结果分析中，剔除刚体模态参数，对于频率和振型相同的情况，按一种情况处理。其前四阶的固有频率和振型如表2所示。HSK-A63测温工具系统振型云图如图3所示。

表2HSK-A63刀柄工况状态模态参数比较

名称HSK刀柄弹簧夹头ER螺母刀具材料20CrMnTi65Mn42Cr硬质合金弹性模量E/Pa2.12×10112.11×10112.11×10116.0×1011密度/(kg·mm3)78607820787014800泊松比0.2890.2880.2770.33

图3HSK-A63测温刀柄工况模态振型

4.1.3结果分析及其意义

a.与自由模态分析比较，工况约束条件下的工具系统整体刚性显著提高，稳定性较好。

b.HSK工具系统的第一阶固有频率比较大，明显大于工作转频，即它们在正常工作条件下能够避开共振，满足工具系统稳定性要求。

c.从振型及变形大小来看，工具系统主要指弯曲振动特性，而扭转与拉缩振动并不是工具系统的主要形式。

d.主轴的临界转速和固有频率的关系为n=60 f。课题所用HSK-A63刀柄的工作的最高转速为30 000r/min，远远小于刀柄的第一阶临界转速，能有效地避开共振区。因此，从理论上分析该设计是合理的。

5　结束语

根据刀柄的结构和使用要求,设计出了所需的嵌入式测温刀柄，并对所设计的HSK-A63刀柄装配体进行模态分析，求得前四阶固有频率和振型。从求得第一阶固有频率(f1=1 623 Hz)可以看出，它能满足30 000 r/min转速的要求，不会产生系统的共振，同时为以后的动态特性的分析提供理论依据。

参考文献：

[1]BakkalM，ShihAJ，ScattergoodRO.Chipformation，cuttingforces，andtoolwearinturningofZr-basedbulkmetallicglass[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture，2004(44)：915-925．

[2]王贵成，王树林，董广强.高速加工工具系统[M].北京：国防工业出版社，2005.

[3]ZhangS，AiX，TangWX，etal.Balancingoftool/toolholderassemblyforhigh-speedmachining[J].MaterialsScienceForum，2004，471(2)：542-546.

[4]沈春根.高速加工工具系统的动力学特性及应用基础研究[D].镇江：江苏大学，2011.

[5]袁哲俊，刘华明.孔加工刀具、铣刀、数控机床用工具系统[M].北京：机械工业出版社，2009.

[6]AgapiouJ，RivinE，XieC.Toolholder-spindleinterfacesforCNCmachinetools[J].CIRPAnnals-ManufacturingTechnology，1995，44(1)：383-387.

[7]韩清凯，于涛，王德友，等.故障转子系统的非线性振动分析与诊断方法[M].北京：科学出版社，2010.

Abstract：In order to measure the end milling temperature of end mills and by improving the HSK-A63 tool holder structure, a temperature measurement data acquisition module was installed into the tool holder and a thermocouple tool holder with temperature measurement was designed.A three-dimensional solid model of the tool holder with temperature measurement was established and assembled along with a spring chuck/nut and flat end mill using a software program called Pro/E 5.0. Boundary constraints and meshing in finite element model were imposed and natural frequency and mode shapes of the tool holder assembly were calculated by modal analysis using ANSYS Workbench.

Key words：HSK-A63 tool holder；modal analysis；natural frequency and mode shapes

作者简介：徐红(1988-)，女，山东成武人，硕士研究生，研究方向为数字化设计与制造技术。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375099)

收稿日期：2015-01-16

文章编号：1001-2257(2015)06-0064-03

文献标识码：A

中图分类号：TG714