动力卡盘的有限元分析

摘要：动力卡盘技术是实现回转体类工件高速、精密车削的关键技术之一是，而动力卡盘在高转速下的夹紧可靠性、结构安全性是影响其可靠工作的重要问题。本文采用Pro/E软件建立了动力卡盘的三维实体模型，然后运用ANSYS有限元软件分析了动力卡盘在离心力作用下不同转速的应力及位移变化。本文的计算结果表明可以为动力卡盘的设计提供可靠的理论依据。

关键词：动力卡盘离心力有限元法

1.引言

现代制造技术向着高效率、高精密以及柔性制造方向发展,对数控机床及其夹紧装置提出了高转速、高精度和柔性化的要求。在数控车床中,动力卡盘是最常用的工件夹紧装置,它是机床电主轴与工件之间的连接接口。同时，随着刀具材料的发展和机床转速的不断提高，对卡盘也提出了越来越高的要求[1-3]。

动力卡盘在国内外特别在欧洲已被大量采用，主要应用在加工中、高精度数控机床，普通车床采用数量也不断增加。早在20世纪70年代末期，德国ForKardt公司就研制了世界上转速最高的KGF型高速动力卡盘，其试验转速可达10000r/min，实用转速为8000r/min[4]。我国由于机床转速偏低（普通车床约在2000r/min以下），因此，长期以来对卡盘产品没有规定加紧力及极限转速的技术指标，在这方面的研究工作也开展的较少。随着工业的发展，特别是数控机床的应用日益广泛和新刀具材料的不断涌现，机床转速已逐步提高，对卡盘夹紧力及高速旋转时预紧力的变化研究已成为及待解决的一个问题[5-6]。

本文运用有限元法分析了不同转速下，由于离心力的动力卡盘的受力及位移的变化，对更加合理有效地发挥动力卡盘的高速潜能、提高车削过程的安全性具有指导意义。

2. 有限元分析

2.1有限元模型

为Pro/E软件中建立的动力卡盘三维实体模型, 为了能够更清楚的了解各零件的外形、尺寸以及相互之间的位置关系，可以利用爆炸（Explode）方式分离每一个零件，表现出所有零部件的相对位置关系。由于整个结构的对称性, 有限元模型中只分析了卡盘的1/3实体部分，如图2所示，其中包括工件、卡爪、T形块、螺钉、滑座、杠杆、补偿块和盘体。这样就大大降低模型的规模，减小工作量，节省时间。

2.2 载荷和约束

本文动力卡盘的角速度分别设定为3000r/min、4000r/min、5000r/min、6000r/min、7000r/min。约束条件为：在柱坐标系下，动力卡盘1/3模型的对称面上施加对称约束；卡盘的底部施加轴向约束。

动力卡盘材料为40CrMo钢，其密度为7.8g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。

2.3结果与分析

角速度为3000r/min时动力卡盘盘体的应力和位移分布如图3所示，可以看出盘体上的最大等效应力为234MPa，发生在盘体与杠杆接触处。所示为盘体的总位移分布，在离心力作用下最大位移发生在盘体的上面。

角速度为3000r/min时动力卡盘滑座的应力和位移分布，滑座的最大应力在杠杆与滑座接触处，最大应力约为60MPa。最大应变在滑座上的齿条处，因为此处变形较大。

随着动力卡盘转速的增加，卡盘及零件的应力和应变都逐渐增大。显示了不同转速下最大位移量的变化曲线，可以看出最大位移随转速的增加逐渐増大。相反卡爪与工件的过盈量随转速的增加而不断减小说明随离心力的増大，卡盘卡紧力越来越小。

3. 结论

本文应用Pro/E三维软件对动力卡盘进行了结构设计及装配，研究了动力卡盘在不同转速下的应力、应变特性。结果表明盘体端面变形较大，杠杆与滑座交界处局部应力较大，同时卡爪与螺栓连接处应力较大。随着动力卡盘转速的增加，卡盘及零件的应力和应变都逐渐增大。

参考文献：

[1]杨华勇，周城.自定心液压动力卡盘的研究综述[J].中国机械工程.2007.18（2）：244-247

[2]孙明晓.卡盘设计与制造中若干问题的探讨[J].山东机械.1996.（1）：5-6

[3]宋树藩.关于提高卡盘速度[J].世界制造技术与装备市场.2006.（2）：71-72

[4]A.N. Artobolevskii, Y.I. Klimukhin, G.G. Kuzmin. Self-centering chuck for a wide range of sizes [J].Chemical and Petroleum Engineering, 1990.12

[5]王俊峰，张崴汉，刘宗军.三爪自定心液压动力卡盘研制与计算[J].一重技术.2003.（1）：19-20

[6]钟康民，宋强，郭培全.基于斜楔增力的离心式内孔夹具[J].新技术新工艺.1999.（5）：17-18