机械增力丝杠增力机构的有限元仿真

机械增力丝杠增力机构的有限元仿真

信息技术 刘世德,等 机械增力丝杠增力机构的有限元仿真

机械增力丝杠增力机构的有限元仿真

刘世德,王玉正,韩新强

(江苏无锡建华机床附件集团有限公司,江苏无锡214044)

摘 要:对机械增力丝杠增力机构的增力原理进行了分析,对通过有限元仿真给出楔形块是增力机构中最为薄弱的环节。

关键词:机械增力丝杠;有限元仿真;机构分析

中图分类号:TH132;TB115 文献标志码:B 文章编号:1671 5276(2010)02 0108 02

FiniteElementSimulationonForceAmplificationMechanism

ofMechanicalPowerClampingScrews

LIUShi de,WANGYu zheng,HANXin qiang

(WuxiJianhuaMachineAccessories(Group)Ltd.,Wuxi214044,China)

Abstract:Inthepaper,power enhancedtheoryonforceamplificationmechanismofmechanicalpowerclampingscrewsisana

lyzed.Then,itisprovedbyfiniteelementsmiulationthatwedgeblockistheweaklinkintheforceamplificationmechanism.

Keywords:mechanicalpowerclampingscrews;finiteelementsmiulation;mechanismanalysis

0 引言

机械增力丝杠是一种高强度和高可靠性的夹具,只需要简单的手工操作和小的操作力矩就能实现大的夹紧力,

用于各种重型车床、镗床、磨床花盘卡爪及特殊机械的增力夹持。

普通丝杠的卡爪装夹工件时劳动强度大,很难满足重型机床的夹紧要求;液压增力卡爪也存在工作介质易渗漏及挥发造成环境污染、夹紧力保持性差的缺陷;气动夹具的传动介质是清洁的压缩空气,虽然不会污染环境,但也存在压缩空气泄漏的问题。机械增力丝杠与上面几种结构相比起动力矩小,操作步骤简单,大大提高了装夹工件的效率,是重型机床尤其是各类数控重型机床理想的夹紧机构。并且对于双向增力的机械增力丝杠,力的放大机构中的夹紧方向会随着加载方向的改变而自动进行相应改变,不需要人为的调整夹紧方向。

图1 机械增力丝杠的增力机构放大示意图

F3/F=cot cot

同理,在考虑摩擦的情况下,可得增力比为:

F3/F=cot( + ) cot( + )式中: ###摩擦角。

1 机械增力丝杠增力机构的增力分析

机械增力丝杠的核心部分就是它的增力机构,因此有必要对其如何实现增力进行详细说明。图1是机械增力

丝杠的增力机构放大示意图。

由图(1)可得,在不计摩擦的情况下,

F2=F cot 式中: ###楔形块楔角的一半。

F3=F2 cot 式中: ###斜块两对应平面的夹角。

由此可得增力比为:

2 机械增力丝杠增力机构的有限元仿真

机械增力丝杠的增力理论计算比较复杂,因此采用有限元分析的方法来简化这一过程。而ABAQUS是功能强大的工程模拟有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit两个分析模块。ABAQUS/Standard是一个通用分析模块,它能求解的领域很广泛,包括静力、动力、热、电磁、声,以及复杂的非线性、物理场偶合分析等,能满足机械增力丝杠的增力机构分析的要求,因此采用此分析模块。

作者简介:刘世德(1954# ),男,江苏无锡人,教授级高级工程师,硕士研究生导师,研究方向为先进制造技术和新产品研发。

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信息技术

有限元分析的步骤:

刘世德,等 机械增力丝杠增力机构的有限元仿真

加载荷转为给顶杆一定位移,从而间接对楔形块施以载荷。

4)对所建模型划分网格并进行仿真计算。

增力机构的有限元分析模型如图3所示。

1)建立实体模型。利用ABAQUS的Part功能模块,分别作出机械增力丝杠增力机构的各个部件,如图2所示。

图3 增力机构的有限元分析模型

图2 增力机构各部件

2)设定模型各部件的材料属性。文中所述的增力机

构各部件都是45钢,其弹性模量为210000MPa,泊松比为0 3。另外,分析过程需要,增加以辅助分析部件###顶杆,设定其为刚体。

3)组装各部件,并设定模型的边界条件。分析增力机构各部件的工作特性,初始时都处于相对静止的状态,当给楔形块施以载荷,楔形块成为相对运动的部件,然而根据常识可知,运动的物体是难以施加相应载荷的,因此,借助顶杆来完成整个增力机构的增力分析,将对楔形块施

3 结果分析

图4是增力机构有限元仿真后的结果云图。根据米塞斯的屈服准则,在一定的变形条件下,当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时,该点就开始进入塑性状态。在此以屈服强度作为评定增力机构各部件承受能力的标准,结合图4的仿真云图可以看出,楔形块是整个增力机构最薄弱的环节,载荷达到某一值时,楔形块首先产生塑性变形,斜块和斜套的承受能力是可以保证的;同时可以发现,楔形块与斜块的接触面和斜块与斜套的接触面是增力机构中的力主要承受部位,应力相对较大一些。因此,要合理设计增力机构,楔形块能否承受要求的载荷,是应该首先要考虑的问题,其次要考虑到关键接触面的承受能力。

图4 增力机构的有限元仿真云图

19:43 44.

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收稿日期:20090708

Mmation,Apr,39(2~109

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