液壓膨脹夾頭的夾緊疲勞可靠性分析

李朱鋒，王貴成，2，顧　海，孫健華

（1.南通理工學院 機電工程學院，南通 226002；2.江蘇大學 機械工程學院，鎮江 212013）

液壓膨脹夾頭的夾緊疲勞可靠性分析

李朱鋒1，王貴成1，2，顧海1，孫健華1

（1.南通理工學院 機電工程學院，南通 226002；2.江蘇大學 機械工程學院，鎮江 212013）

針對液壓膨脹夾頭在使用過程中局部出現裂紋現象，通過有限元理論和疲勞分析理論相結合進行了液壓膨脹夾頭的夾緊疲勞可靠性分析。在夾頭靜力學分析的基礎上定義了液壓膨脹夾頭的疲勞破壞載荷譜和材料的疲勞特性曲線，采用ANSYS軟件中的Ncode疲勞分析模塊計算了液壓膨脹夾頭的疲勞壽命和疲勞損傷，并且確定了夾頭最易發生疲勞損傷的區域，最后通過實驗驗證了仿真的結果，研究結果為夾頭的結構優化設計和夾頭的實際使用提供有效的依據和參考。

液壓膨脹夾頭；疲勞可靠性；疲勞壽命；nCode Design-Life

0　引言

疲勞破壞是指材料、零件或構件在長期循環應力或交變載荷的作用下，使其在一點或多點處產生永久性累積損傷，并且經過多次循環后發生裂紋以至于裂紋進一步擴展發生完全斷裂的現象，這種現象又稱為疲勞失效［1，2］。疲勞/斷裂可靠性研究旨在從經濟性和維修性要求出發，在規定工作條件下、在完成規定功能下、在規定使用期間內，使結構因疲勞或斷裂而失效的可能性減至最低程度［3，4］。

液壓膨脹夾頭是一種采用靜壓膨脹原理夾持刀具的超高精密夾頭，它具有優良技術性能，適用于在加工中心高精度鏜銑床和柔性生產線上夾持鉆頭、鉸刀、銑刀等［5］。液壓膨脹夾頭的結構如圖1所示，在夾頭主體與裝夾孔的膨脹壁之間有一個環形封閉油腔，液壓油由加壓螺栓調節油壓大小，對膨脹壁產生均勻壓力。在自由狀態下，薄壁套孔與刀具之間為間隙配合，加壓后薄壁套發生彈性變形，當變形量超過配合間隙后，薄壁套壓緊刀具并產生一定的夾緊力，從而實現夾頭夾持刀具高速回轉［6］。

圖1　液壓膨脹夾頭結構示意圖

參考國內外的文獻，王樹林［7］等通過對液壓膨脹夾頭的數值模擬研究得出夾頭與刀具配合面接觸應力的分布規律，揭示出影響接觸應力分布的因素。文獻［8］已經通過蒙特卡洛法和積分法計算液壓膨脹夾頭的可靠度從而分析得出其夾緊性能的可靠性影響因素。陶德飛［9］等對高速液壓夾頭進行了結構優化設計提高了液壓膨脹夾頭的可靠性。而在實際使用過程中，每一次的更換刀具，夾頭的油腔會隨著油壓的施加與釋放受到大小不同的應力作用，隨著次數的增加，夾頭的某些部位會出現疲勞破壞，因此有必要對液壓膨脹夾頭進行夾緊疲勞可靠性分析。選用TENDOHSK-C63型液壓膨脹夾頭，采用ANSYS軟件中的Ncode疲勞分析模塊對其進行疲勞可靠性分析。

1　液壓膨脹夾頭有限元靜態分析

液壓膨脹夾頭的有限元建模和靜力學分析參照文獻［7］，有限元分析得到的結果如圖2所示。由計算的結果可以看出夾頭與刀具的最大主應力在液壓油腔內薄壁與夾頭上下聯結部分的兩個直角口處，最大主應力的大小為377.5MPa。四個直角口即為疲勞應力集中的地方，最易發生疲勞破壞，所以選取液壓膨脹夾頭油腔內這四處的區域進行疲勞研究。

圖2　夾頭最大主應力分布圖及其疲勞應力集中點

2　液壓膨脹夾頭疲勞可靠性分析

2.1定義載荷譜

在研究HSK刀柄使用性能的影響因素中，切削力的作用影響很小，基本可以忽略［11］。所以本文在研究液壓膨脹夾頭疲勞可靠性過程中，沒有考慮切削力對夾頭疲勞可靠性的影響，主要考慮液壓油的油壓為主要的失效載荷。根據液壓膨脹夾頭的實際使用情況，每一次裝卸刀具，需要反復地加壓和減壓，油腔內薄壁承受的油壓就會隨著每次裝卸刀具而形成交變載荷，此外夾頭裝夾刀具在高速切削過程中，油壓對內薄壁的壓力隨轉速增加反而減小［6］，油腔內薄壁承受的油壓也會隨著轉速的變化而形成交變載荷。初始設定的油壓值為65MPa，轉速為40000rpm時，分析得到夾頭在每次裝卸刀具進行高速加工整個階段的油壓載荷譜，如圖3所示。

圖3　油壓載荷譜

2.2定義材料參數

液壓膨脹夾頭的材料為40Cr，查《機械工程材料性能數據手冊》［12］，得該材料彈性模量為210GPa，泊松比為0.28，疲勞極限1-σ-1為422MPa，得到該材料的理論疲勞特性曲線，同時根據夾頭表面處理方法與加工工藝對理論曲線進行修正，最后得到修正的S-N曲線，如圖4所示。

圖4　夾頭修正的S-N曲線

2.3疲勞壽命計算

液壓膨脹夾頭疲勞壽命計算選用ANSYS有限元軟件中的Ncode疲勞分析模塊，其計算流程如圖5所示。

圖5　ANSYS Ncode疲勞分析流程圖

具體的分析步驟如下：

1）導入有限元模型。選擇靜力學分析的模型，以最大主應力為輸出參數，選取夾頭油腔內兩處疲勞應力集中的區域為研究對象組。

2）輸入載荷譜。將分析的油壓載荷譜輸入，記為一個載荷周期。

3）定義載荷因子。設定載荷因子參數為1。

4）選取材料并設定S-N曲線。在軟件的材料庫沒有40Cr這一種材料，所以自行設定，按照查手冊得到的數據和修正的S-N曲線輸入到軟件中。

5）進行疲勞計算。

6）查看結果。

2.4疲勞可靠性分析

查看計算的結果，疲勞損傷分布如圖6所示，讀取前20個最易發生疲勞的節點數據，疲勞壽命如圖7所示。對比分析最大主應力分布（圖2）和疲勞損失分布（圖6）可知，液壓膨脹夾頭的疲勞損傷集中區域由原來應力集中區域的四個直角口向兩側擴散到夾頭與刀具接觸的油腔內薄壁面和液壓油腔的內薄壁面與夾頭上下聯結部分，這反映了由應力集中（即疲勞源）造成的疲勞損傷區域是由應力集中點擴散到四周形成的，這符合疲勞斷裂的機理。

圖6　夾頭的疲勞損傷分布圖

由圖7可知，疲勞破壞最嚴重的節點號為106，即在夾頭與刀具接觸的油腔內薄壁面上，其疲勞損傷程度（Damage）為1.754×10-5，對應的疲勞壽命（Life）為5.701×104，這就表明液壓膨脹夾頭在使用過程中總共換刀5.7萬次后夾頭的油腔薄壁會發生疲勞破壞。

圖7　夾頭的疲勞壽命和疲勞損傷計算結果

3　疲勞破壞實驗驗證

選用同樣型號的液壓膨脹夾頭在高速數控機床進行切削實驗，當換刀次數達到一定次數時，發現在夾頭內腔薄壁面上出現不太明顯的微小裂紋。實驗出現的裂紋位置正好與本文疲勞仿真計算的結果相符合，驗證了本文有限元分析和疲勞計算的合理性。

4　結論

采用ANSYS軟件中的Ncode疲勞分析模塊對液壓膨脹夾頭進行了夾緊疲勞可靠性分析、計算和研究，得出夾頭的疲勞壽命，同時確定了夾頭在設計和使用過程中容易發生疲勞破壞和損傷的位置是夾頭與刀具接觸的油腔內薄壁面和液壓油腔的內薄壁面與夾頭上下聯結部分，其中最嚴重的疲勞損傷的節點對應的壽命為5.701×104，即夾頭在使用過程中換刀約5.7萬次后夾頭的油腔薄壁會發生疲勞破壞。之后對仿真的結果進行了實驗驗證，最終發現實驗結果和有限元分析的結果相符合，為夾頭的結構優化設計和夾頭的實際使用提供了有效的依據和參考。

［1］ 熊峻江.疲勞斷裂可靠性工程學［M］.北京:國防工業出版社，2008.

［2］ 高鎮同，熊峻江.疲勞可靠性［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2000.

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［4］ 高鎮同，熊峻江.疲勞/斷裂可靠性研究現狀與展望［J］.機械強度，1995，03:61-82.

［5］ 沈建.采用靜壓膨脹原理的精密刀具夾頭［J］.工具技術，2005（3）:55-57.

［6］ 張偉展.液壓膨脹夾頭的靜動態特性及應用基礎研究［D］.鎮江:江蘇大學，2011.

［7］ Wang Shulin，Zhang Weizhan，Liu Gang，Zhou bo，Static Performance Parameters and Analysis of the Hydraulic Expansion Toolholder［J］.Advanced Materials Research，Vols.383-390（2012）pp 1787-1791.

［8］ 李朱鋒，王樹林，李金濤，周宏達.液壓膨脹夾頭的可靠性分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2014，11:65-68，82.

［9］ 陶德飛，李朱峰，陳建，王貴成.高速液壓夾頭結構的優化設計［J］.機械設計與制造，2015，07:236-239.

［10］ 路廣.高速切削HSK刀具系統的數值模擬與可靠性研究［D］.合肥:合肥工業大學，2009:48-49.

［11］ 《機械工程材料性能數據手冊》編委會.機械工程材料性能數據手冊［M］.北京:機械工業出版社，1994，12:199-204.

Fatigue reliability analysis of hydraulic expansion toolholder

LI Zhu-feng1，WANG Gui-cheng1，2，GU Hai1，SUN Jian-hua1

TH133；TP202.1

A

1009-0134（2016）09-0041-03

2016-06-08

國家自然科學基金項目：高檔數控機床主軸/刀柄接口設計方法與檢測技術的研究（51275217）；國家科技重大專項：高性能數控刀具性能測試與檢測技術平臺的研究（2013ZX04009031），南通理工學院校級科研項目：高速加工工具系統可靠性能研究（科研2015042）

李朱鋒（1989 -），男，江蘇南通人，講師，碩士，研究方向為高速加工、HSK工具系統以及其可靠性。