周向振动钻床是一种广泛用于振动孔加工、振动压力加工等工艺的加工设备 ,其关键部件是周向振动激振驱动器 ,该驱动器是一个内凸轮 -齿轮组合机构。将该驱动器加装于普通钻床上 ,就可使钻床主轴的运动规律由匀速圆周运动 ,变为匀速圆周运动与一周期摆振复合而成的复合运动。其角速度的运动规律为 :ω =ωH+ωAsin (αt)式中 :ωH———主轴匀速圆周运动的角速度 ;ωA———周期摆振的角速度幅值 ;α———周期摆振的圆频率。实验表明 :只要根据不同材料 ,合理选择ωH,ωA 和α的值 ,均能使孔加工质量得到较大提高。然而 ,在现场实验中发现 ,若摆振圆频率α增大 ,则钻夹头整体从钻床主轴上松脱下来的概率也随之增大 ,当摆振圆频率α增大到大于某一值时 ,钻夹头根本无法在钻床主轴上装夹牢固 ,松脱的概率几乎为 1。从而导致实验和生产过程无法正常进行。因此 ,对这一问题进行研究 ,找出简便、有效、合理、可靠的解决方法是十分必要的。1 钻夹头整体松脱原因分析周向振动钻床是在普通钻床上加装周向振动激振驱动器后形成的 ,其主轴运动和钻夹头与普通钻床相似。当使用莫氏短圆锥钻夹头时 ,其装配示意图如图 1。1钻床主轴 ;2钻夹头图 1 钻夹头与钻床主轴装配简图在现场实验或生产加工之前 ,首先以一定的外力F将钻夹头装夹于钻床主轴上。由图 1可知 :钻夹头存在两种运动的可能性 ,分别是沿主轴轴向的移动和绕主轴的转动。但在实验或工作过程中 ,若仅从沿轴向上看 ,如不计钻夹头自身的质量 ,由于没有沿轴向向下的外力存在 ,无论钻床处于空载或工作状态 ,钻夹头后锥孔与钻床主轴之间的机械自锁状态都将得以保持 ,所以 ,在这个方向上 ,不存在导致钻夹头整体从钻床主轴上松脱下来的因素。在周向上 ,由于钻床主轴的角速度ω =ωH+ωAsin (αt)≠常数 ,所以 ,角加速度ω′=ωAαcos (αt) ≠ 0。当钻床主轴以一定的角加速度作变速转动时 ,由钻夹头自身引起的惯性力偶矩可表示为 :M =-JsωAαcos (αt) ≠ 0 (1 )式中 :Js———钻夹头对钻床主轴轴心线的转动惯量。由式 (1 )可知 ,钻夹头自身引起的惯性力偶矩M与摆振圆频率α成线性关系 ,若α增大 ,则M也随着增大。当M大到某一特定值时 ,就会克服钻夹头后锥孔与钻床主轴之间的最大静摩擦力 ,从而使钻夹头与钻床主轴之间的静摩擦状态转化为滑动摩擦状态 ,使钻夹头相对于钻床主轴产生相对转动。钻夹头后锥孔与钻床主轴之间的机械自锁状态被破坏了 ,这就导致了钻夹头整体从钻床上脱落下来。2 极限摆振圆频率αmax 的确定当钻夹头在钻床主轴装夹牢固并除去外力后 ,由于莫氏钻夹头锥度很小 ,所以 ,钻夹头在径向上所受的力远大于在轴向的力 ,因此 ,在进行力学分析时 ,可只考虑径向压力P的作用 ,同时 ,从与钻夹头有关的国家标准中可以看出 ,无论是轻型钻夹头或是重型钻夹头 ,其直径与壁厚之比均小于 2 0。因此 ,为了简化计算 ,可将钻夹头后锥孔等效为一个以它的轴向中间截面半径为半径 ,高为L的圆柱孔 ,将钻夹头等效为仅受内压力的厚壁圆筒。其结构示意图如图 2。图 2 钻夹头等效力学模型示意图由图 2可知 ,在内压力P的作用下 ,钻夹头将产生径向压应力σr 和周向拉应力σθ,其最大值的计算公式分别为 :σrmax =- Pr2R2 -r2R2r2 - 1 (2 )σθmax =-Pr2R2 -r2R2r2 +1 (3)应用第三强度理论 :σ1 -σ3 =σs,并用σθ代替σ1 ,用σr代替σ3 ,即可得到钻夹头的相当应力计算公式 :σxd =2PR2R2 -r2 (4 )式中 :σxd———钻夹头的相当应力 ;r———等效厚壁圆筒的内径 ;R———等效厚壁圆筒的外径。要使钻夹头正常工作 ,必有 :σxd ≤ <σ> (5 )联立式 (4 )、(5 )可得 :P≤ (R2 -r2 ) <σ>2R2由P所产生的摩擦力为 :f≤ - μ(R2 -r2 ) <σ> 2πrL2R2 k (6 )由 f引起的摩擦力偶矩为 :M摩擦 ≤ fr (7)式中 :μ———材料的静摩擦因数 ;L———等效厚壁圆筒的高度 ;k———钻夹头后锥孔与钻床主轴之间的接触系数 ,0
———材料的许用应力 ,<σ> =360MN/m2 。钻夹头自身所产生的惯性力偶矩为 :M惯 =-JSε =m2 (R2 +r2 )ωAαcos (αt)其最大值为 :M惯max =m2 (R2 +r2 )ωAα (8)式中 :m———等效厚壁圆筒的质量。根据理论力学知识可得 ,钻夹头不产生相对于钻床主轴转动的条件为 :M摩擦max ≥M惯max (9)由式 (9)可以导出摆振圆频率 :α ≤ r2 μ<σ> (R2 -r2 ) 2πLkR2 m(R2 +r2 )ωA(1 0 )令 : αmax =r2 μ<σ> (R2 -r2 ) 2πLkR2 m(R2 +r2 )ωA(1 1 )式中 :αmax———摆振圆频率α的极限值。当工作频率 >αmax 时 ,钻夹头就会整体从钻床主轴上松脱下来。3 解决松脱的方法3.1 基本的解决方法由式 (1 1 )式可以看出 :要增大αmax 的值 ,可同时减小R和m的值 ,但R和m的值已有国家标准规范 ,同时 ,在国标中还可以看出 ,对于同一夹持范围的钻夹头 ,有轻型和重型之分。因此 ,选用轻型钻夹头 ,可同时减小R和m的值。从而达到增大αmax 的值的目的。现场实验表明 ,应用这种方法不仅效果良好 ,而且保持了原有钻夹头的结构 ,投资少 ,效益高 ,简便易行。例如 :从国标中选用材料为 45钢的B1 6轻型钻夹头和B1 6重型钻夹头 ,分别将其对应参数代入式 (1 0 ) ,可求得 :αmax轻 ≈36 2 5 .1 7(rad/s) ,αmax重 ≈ 1 35 6 .0 1 (rad/s)。由此可以得到 :αmax轻/αmax重 ≈ 2 .6 7,这说明 :选用轻型钻夹头可以将αmax 的值提高到重型钻夹头的 2 .6 7倍 ,这已完全能够满足现场实验和生产实际的要求。3.2 解决方法的进一步设想由前面的分析可知 ,周向振动钻床钻夹头整体从钻床主轴上松脱的原因 ,是由钻夹头自身引起的惯性力偶矩 ,破坏了钻夹头后锥孔与钻床主轴之间的机械自锁状态 ,使钻夹头产生了相对主轴的转动。针对这种原因 ,可进一步采用一些限制钻夹头相对钻床主轴转动的方法来解决这一问题。如 :在钻夹头上加工出一顶丝孔 ,在钻床主轴上配作一小凹坑 ,用顶丝来限制钻夹头相对主轴的转动 ;也可考虑研制一种新型钻夹头等等。4 结论(1 )分析了周向振动钻床钻夹头整体从钻床主轴上松脱下来的原因 ,导出了极限摆振圆频率αmax 的计算公式。(2 )分析算例可知 ,选用同一夹持范围的轻型钻夹头与重型钻夹头相比 ,极限摆振圆频率αmax 可以提高 2 .5倍以上 ,这充分说明 ,在不改变钻夹头结构的情况下 ,优先选用轻型钻夹头 ,可以有效提高周向振动钻床工作过程中的摆振圆频率。(3)周向振动钻床钻夹头整体从钻床主轴上松脱的原因 ,是由惯性力偶矩引起的钻夹头相对主轴的转动。因此 ,在生产实际中 ,也可根据实际情况采用其它方法来限制这一转动 ,如 :用顶丝 ,用键等来求得问题的解决周向振动钻床钻夹头整体松脱解决方法研究@陈应舒$陕西理工学院仪器 系!陕西汉中723003周向振动钻床;;钻夹头松脱;;极限摆振圆频率分析了周向振动钻床 钻夹头整体从钻床主轴上松脱下来的原因,提出了极限摆振圆频率的概念,给出了极限摆振圆频率 的计算公式,用事例验证了公式的正确性。找出了解决这一问题的办法,并提出了一些设想。实验 表明,该方法简便、有效、切实可行<1> 张杰.一种新型内凸轮齿轮组合机构的凸轮廓线设计.机械设计,2003,20(5):40-41.
<2> 张杰,杨明亮.一种新型机械式周向振动主轴激振驱动器的原理与结构.机械设计,2003,20(4):14-15.
<3> 张杰,杜宇波,杨明亮.一种新型内凸轮齿轮组合机构的原理与结构.陕西工学院学报,2002,18(2):1-3.
<4> 张杰,杨明亮.一种新型内凸轮连杆组合机构原理与尺度综合.陕西工学院学报,2002,18(4):5-8.
<5> 哈尔滨工业大学理论力学教研组.理论力学(第五版).北京:高等教育出版社,2000.
<6> 孙桓.机械原理(第六版).北京:高等教育出版社,2001.
<7> 刘鸿文.材料力学.北京:高等教育出版社,2000.陕西省教育厅重点科研计划基金项目 (97JZK0 4 ) ;;
陕西省机械学省级重点学科资助项目 :陕西省陕西理工学院数控加工技术重点实验室资助项目 45钢的B1 6轻型钻夹头和B1 6重型钻夹头 ,分别将其对应参数代入式 (1 0 ) ,可求得 :αmax轻 ≈36 2 5 .1 7(rad/s) ,αmax重 ≈ 1 35 6 .0 1 (rad/s)。由此可以得到 :αmax轻/αmax重 ≈ 2 .6 7,这说明 :选用轻型钻夹头可以将αmax 的值提高到重型钻夹头的 2 .6 7倍 ,这已完全能够满足现场实验和生产实际的要求。3.2 解决方法的进一步设想由前面的分析可知 ,周向振动钻床钻夹头整体从钻床主轴上松脱的原因 ,是由钻夹头自身引起的惯性力偶矩 ,破坏了钻夹头后锥孔与钻床主轴之间的机械自锁状态 ,使钻夹头产生了相对主轴的转动。针对这种原因 ,可进一步采用一些限制钻夹头相对钻床主轴
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