套圈夹紧时的工件变形模拟

1　序言

　　夹具在机床与工件之间的切削部位构成机床—刀具—工件总系统的一个重要组成部分，按照切削过程设计，在可达到的形状精度方面占有重要位置。Mette认为，在高速车削加工（HSC）中，夹紧力对工件圆度没有影响。Bahr求证了使用柔性夹爪并在普通切削速度下进行切削的环形工件的径向振摆。情况表明，测量的圆度随内、外径之间比例的增加，即壁厚的减小而显著增大。

　　以下介绍工件夹紧对变形影响的数学分析研究的结果。Brinksmeier等人研究了GKZ退火的100Cr6钢锻造套圈内、外车削加工形状精度与切削速度Vc、切削深度ap及进刀量f的关系。这项工作是在特殊研究领域SFB570研究加工变形控制的“变形工程”范围内进行的。

　　在切削前利用一适当夹紧系统固定工件。在加工中所出现的动态作用夹紧力Fsp由静态夹紧力Fspo和夹爪离心力Fc按式（1）求得：

　　静态夹紧力Fspo由夹盘的结构设计和夹具内的摩擦状态决定。对夹爪夹紧力起决定作用的，例如对于用楔形驱动装置操作的夹紧系统来说，是滑动摩擦副的摩擦值μ。除摩擦学状态外，滑动面的污染状态对夹盘的作用效率也有明显影响。在很不利条件下，例如切削铸铁时，浇铸灰尘对夹盘的作用系数可降低80％以上。离心力系数K则给出可导致降低/提高夹紧力Fsp的夹爪离心力部分。

　　夹爪离心力由夹爪径向位置、夹爪质量的乘积以及夹爪角速度的二次幂算出。作用于总夹紧力的夹爪离心力部分Fc受到夹爪和工件系统刚度的影响。由 Wagner得出的薄壁工件的夹紧曲线图（图1）示出了夹爪离心力作用于总夹紧力Fsp的关系。其中由夹盘／夹爪与工件所构成的系统应视为强性刚度的串接。

　　C_F由夹盘和夹爪的径向刚度和颠覆刚度组成。C_W则为工件刚度。对楔形夹盘来说，离心力系数K可按式（2）近似算出：

　　Z大总夹紧力，在机床方面受到夹具和液压传动装置的限制，并且受到工件容许弹性变形的限制。以下所述研究的目的是求出弹性变形与所用夹紧系统的关系，并与切削套圈测量的工件径向振摆进行对比。基于式（1）和式（2）有关动态夹紧力的许多影响因素，测量了作用的夹紧力。对套圈内表面加工（外部夹紧）来说，检验的夹紧系统是摆动爪系统，而对外表面加工（内部夹紧）来说，则是弓形爪系统（图2上部）。

 　　2　 所用夹紧系统模型化

　　图2下部示出切削试验中使用的夹紧系统的模型。在外部夹紧套圈时（图2a），总夹紧力分布在6个摆动爪上。内部夹紧（图2b）时通过夹在套圈内径上的弓形爪可使夹紧力几乎作用于套圈的整个内表面上。要加工的套圈内径为 di＝130